ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения низкочастотных дифференциальных сигналов на фоне синфазных напряжений и электромагнитных помех большой мощности в широкой полосе частот с использованием гальванической развязки.

Известен фильтр нижних частот (ФНЧ) второго порядка (см. «Журнал по применению аналоговых компонентов» Texas Instruments (www.it.com.aaj), 1Q 2009 г., статья «Применение топологии с многопетлевой обратной связью в полностью дифференциальных активных фильтрах с бесконечным коэффициентом усиления», автор Томас Кюль (THOMAS KUEHL), стр. 34, рис. 6), содержащий операционный усилитель (ОУ), инвертирующий вход которого подключен к точке объединения первых выводов первого резистора и первого конденсатора, второй вывод первого конденсатора подключен к выходу ОУ и через второй резистор подключен к точке объединения второго вывода первого резистора и первых выводов третьего резистора и второго конденсатора, второй вывод третьего резистора через источник сигнала подключен к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого подключен ко второму выводу второго конденсатора и первым выводом пятого и шестого резисторов, второй вывод пятого резистора подключен к неинвертирующему входу ОУ и через третий конденсатор к общей шине, подключенной ко второму выводу шестого резистора.

Недостатками известного устройства являются:

- ненормированное входное сопротивление из-за симметричного подключения к источнику сигнала;

- отсутствие компенсации сопротивления источника сигнала, снижающего коэффициент подавления синфазных напряжений;

- невозможность обеспечения высокого входного синфазного напряжения (напряжения гальванической развязки) при заданном (необходимом) коэффициенте передачи;

- нестабильность крутизны спада амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ФНЧ, которая на высоких частотах снижается до 0 дБ/окт, что ухудшает фильтрующие свойства.

Известен ФНЧ (см. патент RU №2530703 «Фильтр нижних частот», МПК Н03Н 11/12 (2006.01), опубликован 10.10.2014 г, авторы Гутников А.И., Пикаева Л.А.), который относится к информационно-измерительной технике и предназначен для выделения квазипостоянных несимметричных сигналов на фоне синфазных напряжений и электромагнитных помех большой мощности. ФНЧ содержит ОУ, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого резистора и через второй резистор с выходом ОУ, неинвертирующий вход которого соединен через первый резистор с первым выводом источника сигнала и через первый конденсатор с общей шиной, второй вывод источника сигнала, который соединен со вторым выводом первого резистора и через второй конденсатор с общей шиной, которая через второй резистор соединена с неинвертирующим входом ОУ, инвертирующий вход которого соединен через первый конденсатор с выходом ОУ.

Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатками известного устройства являются:

- ненормированное входное сопротивление из-за симметричного подключения к источнику сигнала;

- отсутствие компенсации сопротивления источника сигнала, снижающего коэффициент подавления синфазных напряжений;

- невозможность обеспечения высокого входного синфазного напряжения (напряжения гальванической развязки) при заданном (необходимом) коэффициенте передачи;

- малый порядок ФНЧ с крутизной спада АЧХ 6 дБ/окт (первый порядок);

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности функционирования ФНЧ и повышение его порядка до второго.

Достигаемый технический результат заключается в обеспечении высоких нормированных значений входного сопротивления, сопротивления развязки входного сигнала от общей шины (сопротивления гальванической развязки), входного синфазного напряжения (напряжения гальванической развязки) при заданном (необходимом) коэффициенте передачи, возможности компенсации сопротивления источника сигнала, а также в обеспечении ФНЧ второго порядка.

Для достижения технического результата в ФНЧ с гальванической развязкой, содержащем первую, вторую входные шины, ОУ, неинвертирующий вход которого соединен с первым выводами первого резистора и первого конденсатора, вторые выводы которых соединены с общей шиной, инвертирующий вход ОУ соединен с первым выводом второго резистора, с общей шиной через последовательно соединенные второй резистор и второй конденсатор и через параллельно соединенные третий резистор и третий конденсатор со своим выходом, первый вывод четвертого резистора соединен с неинвертирующим входом ОУ, новым является то, что дополнительно введены пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый резисторы, четвертый конденсатор, равный по номиналу второму конденсатору, первый вывод четвертого конденсатора соединен с общей шиной, а второй вывод соединен со вторым выводом четвертого резистора, через девятый резистор с первой входной шиной и с первым выводом десятого резистора, второй вывод которого соединен со второй входной шиной и через параллельно соединенные седьмой и восьмой резисторы со вторым выводом второго резистора, при этом неинвертирующий и инвертирующий входы ОУ соединены через пятый и шестой резисторы с общей шиной соответственно.

В ФНЧ с гальванической развязкой в качестве первого и третьего резисторов может быть использован цифровой сдвоенный потенциометр, что позволяет изменять коэффициент передачи в процессе работы устройства.

Новая совокупность существенных признаков в заявляемом ФНЧ с гальванической развязкой позволяет повысить надежность функционирования ФНЧ, а именно, обеспечить высокие нормированные входное сопротивление, сопротивление развязки входного сигнала от общей шины (сопротивление гальванической развязки) и входное синфазное напряжение (напряжение гальванической развязки) при заданном (необходимом) коэффициенте передачи, возможность компенсации известного сопротивления источника сигнала, а также повысить порядок ФНЧ до второго.

Высокое нормированное входное сопротивление обеспечивается за счет введения входного резистивного делителя на девятом и десятом резисторах, которые для дифференциального сигнала играют роль входного сопротивления.

Высокое нормированное сопротивление развязки входного сигнала от общей шины (сопротивление гальванической развязки) обеспечивается за счет больших сопротивлений по дифференциальным входам устройства.

Высокое нормированное входное синфазное напряжение (напряжение гальванической развязки) обеспечивается за счет введения пятого и шестого резисторов с равными номиналами, образующих дополнительные делители на входах операционного усилителя, уменьшающие высокие уровни синфазных напряжений до допустимых значений.

Коэффициент передачи ФНЧ с гальванической развязкой обеспечивается (определяется) прежде всего за счет отношения сопротивлений третьего и второго резисторов, величины которых не оказывают существенного влияния на входное сопротивление каскада, сопротивление развязки входного сигнала от общей шины (сопротивление гальванической развязки), входное синфазное напряжение (напряжение гальванической развязки).

Компенсация известного сопротивления источника сигнала обеспечивается за счет введения седьмого и восьмого резисторов, которые могут содержать эквивалент известного сопротивления источника сигнала, компенсирующий его влияние.

Второй порядок ФНЧ обеспечивается за счет дополнительно введенного четвертого конденсатора и равенства номиналов второго и четвертого конденсаторов.

Изобретение поясняется принципиальной схемой, представленной на фиг. 1, диаграммами работы, представленными на фиг. 2 и АЧХ ФНЧ для трех коэффициентов передачи, представленными на фиг 3.

ФНЧ с гальванической развязкой содержит первую 1, вторую 2 входные шины, ОУ 3, неинвертирующий вход которого соединен с первыми выводами первого резистора 4 и первого конденсатора 5, вторые выводы которых соединены с общей шиной, инвертирующий вход ОУ 3 соединен с первым выводом второго резистора 6, с общей шиной через последовательно соединенные второй резистор 6 и второй конденсатор 7, а также через параллельно соединенные третий резистор 8 и третий конденсатор 9 со своим выходом, первый вывод четвертого резистора 10 соединен с неинвертирующим входом ОУ 3. Дополнительно введены пятый 11, шестой 12, седьмой 13, восьмой 14, девятый 15, десятый 16 резисторы, четвертый конденсатор 17, равный по номиналу второму конденсатору 7, первый вывод четвертого конденсатора 17 соединен с общей шиной, а второй вывод соединен со вторым выводом четвертого резистора 10, через девятый резистор 15 с первой входной шиной 1 и с первым выводом десятого резистора 16, второй вывод которого соединен со второй входной шиной 2 и через параллельно соединенные седьмой 13 и восьмой 14 резисторы со вторым выводом второго резистора 6, при этом неинвертирующий и инвертирующий входы ОУ 3 соединены через пятый 11 и шестой 12 резисторы с общей шиной соответственно.

В ФНЧ с гальванической развязкой в качестве первого 4 и третьего 8 резисторов может быть использован цифровой сдвоенный потенциометр, что позволяет изменять коэффициент передачи в процессе работы устройства.

Устройство работает следующим образом.

В исходном статическом состоянии к первой 1 и второй 2 входным шинам подключены источники 18 дифференциального сигнала Едиф 19 и синфазного сигнала Есф 20, соответственно (см. фиг. 1) с нулевыми напряжениями, вследствие чего на выходе устройства Uвых также нулевое напряжение.

При подаче на первую 1 (U1) и вторую 2 входные шины в качестве сигналов дифференциального источника Едиф, например, меандра, а в качестве синфазного источника Есф, например, синусоиды малой частоты, на выходе устройства Uвых повторяется сигнал дифференциального источника типа меандр с заданным (необходимым) коэффициентом передачи и уничтожается синусоидальная составляющая синфазного источника, играющего роль мощной помехи (см. фиг. 2).

Подавление синфазных сигналов (U₊=U_-) обеспечивается за счет равенства коэффициентов передачи по инвертирующему (K_{n_U-}) и неинвертирующему (K_{n_U+}) входам ОУ 3:

где

В этом случае осуществляется баланс (согласованность) сопротивлений по неинвертирующему и инвертирующему входам ОУ 3:

В соответствии с выражениями (5) - (8) важны не прецизионные абсолютные значения сопротивлений резисторов, а выдержка с высокой точностью отношений пар резисторов. Для улучшения технологичности изготовления устройства целесообразно использование интегральных резистивных матриц, обеспечивающих точное соотношение в широком диапазоне температур.

Коэффициент передачи для дифференциального сигнала с учетом коэффициента передачи входного делителя (K_дел) определяется следующим выражением:

где

Нормированное входное сопротивление (R_вх) устройства определяется входным резистивным делителем на резисторах 15, 16, которые для дифференциального сигнала представляют собой входное сопротивление:

При этом входной делитель на резисторах 15, 16 и эквивалентный им по сопротивлению резисторы 13, 14 (в соответствии с выражением (8)) позволяют осуществить компенсацию известного сопротивления (R_ист) источника сигнала Едиф 19. Для этого эквивалент известного значения сопротивления (R_{ист_экв}) источника сигнала Едиф 19 необходимо включить последовательно с резистором 13, тогда сохраняется условие баланса сопротивлений и равенство коэффициентов передачи по входам ОУ, позволяющее подавлять синфазные сигналы:

где

В заявляемом ФНЧ используется косвенная гальваническая (квазигальваническая) развязка с обеспечением высокого сопротивления развязки входного сигнала от общей шины (сопротивления гальванической развязки) за счет больших (мегаомных) сопротивлений резисторов 10 и 6 по дифференциальным входам ОУ и высокого входного синфазного напряжения (напряжения гальванической развязки) за счет понижения синфазных напряжений до допустимых значений на входах ОУ с последующим усилением входного дифференциального сигнала.

Сопротивление развязки входного сигнала от общей шины (сопротивление гальванической развязки) по неинвертирующему входу равно:

По инвертирующему входу:

Задача обеспечения высоких входных синфазных напряжений (напряжения гальванической развязки) решена с помощью введения резисторов 12 и 4, образующих делители на входах ОУ, обеспечивающих уменьшение высоких уровней входных синфазных напряжений до допустимых значений на входах ОУ. Введенные резисторы 12 и 4 обеспечивают равенство сопротивлений и коэффициентов передачи по входам ОУ и тем самым подавление синфазных сигналов. Также введенные резисторы 12 и 4 не оказывают существенного влияния на коэффициент передачи дифференциального сигнала, который определяется в основном отношением сопротивлений резисторов 8 и 6 (см. выражение (3)). Благодаря резисторам 4,12 образуются следующие соответствующие делители:

В ФНЧ с гальванической развязкой реализован ФНЧ второго порядка с крутизной спада АЧХ 12 дБ/окт. Первый порядок фильтра обеспечивается за счет известного из прототипа включения конденсаторов 5, 9, образующих симметричные активные фильтрующие звенья по дифференциальным входам ОУ. Второй порядок достигается за счет пассивных симметричных фильтрующих звеньев по дифференциальным входам ОУ на конденсаторах 7, 17, включенных перед фильтрующими звеньями с большими входными сопротивлениями. Для удовлетворения условия подавления синфазных сигналов (обеспечения согласования реактивных сопротивлений по входам ОУ) обеспечена парность конденсаторов 5 и 9, 17 и 7.

Частота среза ФНЧ второго порядка при равных постоянных временах первого и второго фильтрующих звеньев может быть определена следующим выражением:

где RC - постоянная времени первого (RC_зв1) и второго фильтрующего (RC_зв2) звена:

На фиг. 3 приведена АЧХ ФНЧ с крутизной спада АЧХ 12 дБ/окт для трех коэффициентов усиления (К1, К2, К3), задаваемых отношением сопротивлений резисторов 8 и 6.

Испытания макета ФНЧ с гальванической развязкой, выполненного на прецизионном ОУ типа 544УД15У3, прецизионных резисторах типа С2-29С, интегральных резистивных матрицах HP1-51, прецизионных конденсаторах типа К10-43, и моделирование в САПР Micro-Cap, подтвердили его работоспособность и заявленные преимущества. При испытаниях макета подтверждено, что устройство обладает высоким нормированным входным сопротивлением 1,1 МОм, сопротивлением развязки входного сигнала от общей шины (сопротивлением гальванической развязки) не менее 2,6 МОм, входным синфазным напряжением (напряжением гальванической развязки) не менее 150 В, образует ФНЧ Баттерворта второго порядка с крутизной спада АЧХ 12 дБ/окт с задаваемым (необходимым) коэффициентом передачи 1,8 и осуществляет подавление входных синфазных напряжений с коэффициентом подавления не менее 70 дБ. При этом обеспечивались: входной дифференциальный сигнал уровнем от 0 до 3 В, питание ОУ ±15 В, сопротивление источника сигнала 1 кОм. Подтверждена возможность компенсации известного сопротивления источника сигнала и возможность управления коэффициентом передачи цифровым потенциометром.