Пример проектирвоания схемы активного фильтра

Техническое задание: Спроектировать активный фильтр, предназначенный для усиления периодически следующих пачек синусоидальных импульсов частотой 22 Гц (8 импульсов в пачке, длительность пачки равна длительности паузы) и устранения влияния помех частоты промышленной сети 50 Гц, а также кратных данной частоте. Отношение «сигнал/помеха» по входу фильтра: 1/1. Требуемое отношение «сигнал/помеха» по выходу фильтра 1000/1.

Проектирование. Схема может быть реализована на основе фильтра нижних частот (ФНЧ), полосно-пропускающего фильтра (ППФ), полосно-заграждающего фильтра (ПЗФ), или их комбинации. Принимая во внимание то, что фильтр должен в реальном масштабе времени, с минимальной задержкой, передавать на выход широкополосный сигнал, представляющий собой пачки импульсов 22 Гц, можно сделать вывод, что реализация схемы на основе высокодобротных ППФ или ПЗФ нецелесообразна. Данные типы фильтров имеют длительный переходный процесс на частоте настройки (т.е. 22 Гц), что, в конечном счете, может привести к длительным переходным процессам в начале и конце пачки импульсов, и усложнит условия работы последующих каскадов схемы. С учетом этого в схеме в качестве фильтра целесообразно использовать активный ФНЧ, имеющий минимальную длительность переходных процессов.

Анализ показал, что для обеспечения требуемого отношения «сигнал/помеха» требуется использовать ФНЧ Бесселя 23-го порядка, что нецелесообразно по соображениям стоимости и надежности устройства. Требуемый порядок фильтров Чебышева и инверсного Чебышева – 6, фильтра Кауэра – 5. Однако для данных аппроксимаций также характерна затянутая во времени форма переходного процесса с многочисленными колебаниями выходного сигнала (см. рис. 5.15 на примере звеньев 2-го порядка). Кроме того, аппаратная реализация фильтров инверсного Чебышева и Кауэра возможна только на основе высокодобротных звеньев, что в итоге потребует применения от 7 до 9 микросхем ОУ. С учетом вышеперечисленных требований компромиссным вариантом является использование аппроксимации Баттерворта.

Для обеспечения требуемого отношения «сигнал/помеха» по выходу фильтра необходимо подавить помеху относительно сигнала в 1000 раз (60 дБ). Примем с запасом a₂=70 дБ, тогда необходимый порядок фильтра Баттерворта определится по формуле (5.3):

Таким образом, необходимо использовать активный фильтр Баттерворта 10-го порядка.

Добротность каждого из элементарных звеньев не превышает 4, и поэтому возможна схемная реализация активного фильтра на основе каскадного соединения ФНЧ-звеньев Рауха, что обеспечивает минимальные аппаратные затраты на реализацию фильтра. Пассивные элементы данного фильтра рассчитываются по методике, приведенной в п. 5.4.2.1.

Принципиальная схема фильтра приведена на рис. 5.36. В схеме указаны номиналы резисторов и конденсаторов, выбранные путем подбора номиналов стандартных компонентов по критерию максимальной близости к расчетным значениям.

Схема фильтра дополнительно выполняет функции усиления сигнала до заданной величины. В схеме использованы прецизионные ОУ OP07E с возможностью балансировки выходного напряжения.

Характеристики фильтра, полученные в результате моделирования, приведены на рис. 5.37 и 5.38.

Как видно из АЧХ фильтра, помимо фильтрации помех, он усиливает сигнал в полосе пропускания приблизительно в 3 000 раз, что обеспечивает формирование необходимой величины сигнала на выходе.

Рис. 5.36. Принципиальная схема фильтра на основе каскадного соединения ФНЧ-звеньев Рауха

а)	б)	в)

Рис. 5.37.Моделирование работы фильтра в частотной области: а) – АЧХ, б) – ФЧХ; в) – частотная зависимость времени замедления.

а)

б)

Рис. 5.38. Моделирование работы фильтра во временной области:
а) – форма входного сигнала с отношением «сигнал/помеха» = 1, б) – форма выходного сигнала с отношением «сигнал/помеха» = 1000.