Результат интеллектуальной деятельности: АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Изобретение относится к области радиотехники, а также измерительной техники, и может использоваться в составе электро-механических систем балансировки роторов.

Известны электро-механические системы балансировочной техники [1] и вибрационной диагностики машин [2-4], в том числе роторных [5]. Устройства данного класса содержат датчики вибросигналов, как правило пьезоэлектрические, и согласующий электронный блок, включающий фильтры низких и высоких частот.

В качестве согласующего блока современных устройств вибродиагностики применяют различные комбинации фильтров низких и высоких частот, в том числе зарядочувствительные усилители, обеспечивающие выделение спектра полезного сигнала до его обработки аналого-цифровым преобразователем [1-27].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является схема fig. 2 из статьи «Using the infinite-gain, MFB filter topology in fully differential active filters» (Thomas Kuehl, «Using the infinite-gain, MFB filter topology in fully differential active filters», Analog Applications Journal, Amplifiers: Op Amps, 3Q 2009, URL: http://www.ti.com/lit/an/slyt343/slyt343.pdf). Она содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 дифференциальные входы, а также первый 3 и второй 4 дифференциальные выходы, первый 5, второй 6 и третий 7 частотозадающие резисторы первого канала, операционный усилитель 8 первого канала, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине источников питания 9, первый 10 и второй 11 частотозадающие конденсаторы первого канала, первый 12, второй 13 и третий 14 частотозадающие резисторы второго канала, операционный усилитель 15 второго канала, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине источников питания 9, первый 16 и второй 17 частотозадающие конденсаторы второго канала.

Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что при его реализации не обеспечивается высокое ослабление паразитных сигналов за пределами полосы частот полезного сигнала. Это отрицательно сказывается на метрологических характеристиках, например, электро-механических устройств для балансировки роторов [1,5].

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в увеличении гарантированного затухания амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) активного RC-фильтра (ARC-фильтра) для обработки пьезоэлектрических сигналов датчиков за пределами полосы пропускания полезного сигнала.

Поставленная задача достигается тем, что в активном RC-фильтре фиг. 2, содержащем первый 1 и второй 2 дифференциальные входы, а также первый 3 и второй 4 дифференциальные выходы, первый 5, второй 6 и третий 7 частотозадающие резисторы первого канала, операционный усилитель 8 первого канала, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине источников питания 9, первый 10 и второй 11 частотозадающие конденсаторы первого канала, первый 12, второй 13 и третий 14 частотозадающие резисторы второго канала, операционный усилитель 15 второго канала, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине источников питания 9, первый 16 и второй 17 частотозадающие конденсаторы второго канала, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введены первый 18, второй 19 и третий 20 дополнительные частотозадающие резисторы первого канала, дополнительный 21 операционный усилитель первого канала, первый 22 и второй 23 дополнительные частотозадающие конденсаторы первого канала, а также первый 24, второй 25 и третий 26 дополнительные частотозадающие резисторы второго канала, дополнительный 27 операционный усилитель второго канала, первый 28 и второй 29 дополнительные частотозадающие конденсаторы второго канала, причём первый 1 вход устройства связан с инвертирующим входом операционного усилителя 8 первого канала через последовательно соединенные первый 5 частотозадающий резистор и первый 10 частотозадающий конденсатор первого канала, общий узел последовательно соединенных первого 5 частотозадающего резистора первого канала и первого 10 частотозадающего конденсатора первого канала связан с общей шиной источников питания 9 через второй 6 частотозадающий резистор первого канала и через второй 11 частотозадающий конденсатор первого канала соединён с выходом операционного усилителя 8 первого канала, выход операционного усилителя 8 первого канала соединён с его инвертирующим входом через последовательно соединённые третий 7 частотозадающий резистор первого канала и первый 18 дополнительный частотозадающий резистор первого канала, между выходом дополнительного 21 операционного усилителя первого канала и его входом включены последовательно соединенные второй 19 и третий 20 дополнительные частотозадающие резисторы первого канала, общий узел которых связан с общим узлом последовательного соединенных третьего 7 частотозадающего резистора первого канала и первого 18 дополнительного частотозадающего резистора первого канала через первый 22 дополнительный частотозадающий конденсатор первого канала, между выходом и инвертирующим входом дополнительного 21 операционного усилителя первого канала включен второй 23 дополнительный частотозадающий конденсатор первого канала, неинвертирующий вход дополнительного 21 операционного усилителя первого канала связан с общей шиной источников питания 9, общий узел последовательно соединенных первого 12 частотозадающего резистора второго канала и первого 16 частотозадающего конденсатора второго канала связан с общей шиной источника питания 9 через второй 13 частотозадающий резистор второго канала и через второй 17 частотозадающий конденсатор второго канала соединён с выходом операционного усилителя 15 второго канала, выход операционного усилителя 15 второго канала соединён с его инвертирующим входом через последовательно соединённые третий 14 частотозадающий резистор второго канала и первый 24 дополнительный частотозадающий резистор второго канала, между выходом дополнительного 27 операционного усилителя второго канала и его инвертирующим входом включены последовательно соединенные второй 25 и третий 26 дополнительные частотозадающие резисторы второго канала, общий узел которых связан с общим узлом последовательного соединенных третьего 14 частотозадающего резистора второго канала и первого 24 дополнительного частотозадающего резистора второго канала через первый 28 дополнительный частотозадающий конденсатор второго канала, между выходом и инвертирующим входом дополнительного 27 операционного усилителя второго канала включен второй 29 дополнительный частотозадающий конденсатор второго канала, неинвертирующий вход дополнительного 27 операционного усилителя второго канала связан с общей шиной источников питания 9, причём выход операционного усилителя 8 первого канала связан с неинвертирующим входом третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами через последовательно соединенные четвертый 31 и пятый 32 дополнительные частотозадающие резисторы, выход операционного усилителя 15 второго канала связан с инвертирующим входом третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами через последовательно соединенные шестой 33 и седьмой 34 дополнительные частотозадающие резисторы, общий узел последовательно соединённых четвертого 31 и пятого 32 дополнительных частотозадающих резисторов связан с инвертирующим выходом третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами через восьмой 35 дополнительный частотозадающий резистор, общий узел последовательно соединённых шестого 33 и седьмого 34 дополнительных частотозадающих резисторов связан неинвертирующим выходом третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами через девятый 36 дополнительный частотозадающий резистор, между общим узлом последовательно соединённых четвертого 31 и пятого 32 дополнительных частотозадающих резисторов и общим узлом последовательно соединённых шестого 33 и седьмого 34 дополнительных частотозадающих резисторов включен первый 37 дополнительный корректирующий конденсатор, между неинвертирующим входом третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами и его инвертирующим выходом включен второй 38 дополнительный корректирующий конденсатор, между инвертирующим входом третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами и его неинвертирующим выходом включен третий 39 дополнительный корректирующий конденсатор, инвертирующий выход третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами подключен к первому 3 выходу устройства, а неинвертирующий выход третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами соединен с первым 4 выходом устройства.

На чертеже фиг. 1 показана схема фильтра-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого АRC-фильтра в соответствии с п. 1 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого АRC-фильтра в соответствии с п. 2 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 4 приведена схема фиг. 3 в среде MicroCap.

На чертеже фиг. 5 показана амплитудно-частотная характеристика схемы фиг. 4, полученная в результате компьютерного моделирования.

Активный RС-фильтр для обработки сигналов пьезоэлектрического преобразователя фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 дифференциальные входы, а также первый 3 и второй 4 дифференциальные выходы, первый 5, второй 6 и третий 7 частотозадающие резисторы первого канала, операционный усилитель 8 первого канала, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине источников питания 9, первый 10 и второй 11 частотозадающие конденсаторы первого канала, первый 12, второй 13 и третий 14 частотозадающие резисторы второго канала, операционный усилитель 15 второго канала, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине источников питания 9, первый 16 и второй 17 частотозадающие конденсаторы второго канала. В схему введены первый 18, второй 19 и третий 20 дополнительные частотозадающие резисторы первого канала, дополнительный 21 операционный усилитель первого канала, первый 22 и второй 23 дополнительные частотозадающие конденсаторы первого канала, а также первый 24, второй 25 и третий 26 дополнительные частотозадающие резисторы второго канала, дополнительный 27 операционный усилитель второго канала, первый 28 и второй 29 дополнительные частотозадающие конденсаторы второго канала, причём первый 1 вход устройства связан с инвертирующим входом операционного усилителя 8 первого канала через последовательно соединенные первый 5 частотозадающий резистор и первый 10 частотозадающий конденсатор первого канала, общий узел последовательно соединенных первого 5 частотозадающего резистора первого канала и первого 10 частотозадающего конденсатора первого канала связан с общей шиной источников питания 9 через второй 6 частотозадающий резистор первого канала и через второй 11 частотозадающий конденсатор первого канала соединён с выходом операционного усилителя 8 первого канала, выход операционного усилителя 8 первого канала соединён с его инвертирующим входом через последовательно соединённые третий 7 частотозадающий резистор первого канала и первый 18 дополнительный частотозадающий резистор первого канала, между выходом дополнительного 21 операционного усилителя первого канала и его входом включены последовательно соединенные второй 19 и третий 20 дополнительные частотозадающие резисторы первого канала, общий узел которых связан с общим узлом последовательного соединенных третьего 7 частотозадающего резистора первого канала и первого 18 дополнительного частотозадающего резистора первого канала через первый 22 дополнительный частотозадающий конденсатор первого канала, между выходом и инвертирующим входом дополнительного 21 операционного усилителя первого канала включен второй 23 дополнительный частотозадающий конденсатор первого канала, неинвертирующий вход дополнительного 21 операционного усилителя первого канала связан с общей шиной источников питания 9, общий узел последовательно соединенных первого 12 частотозадающего резистора второго канала и первого 16 частотозадающего конденсатора второго канала связан с общей шиной источника питания 9 через второй 13 частотозадающий резистор второго канала и через второй 17 частотозадающий конденсатор второго канала соединён с выходом операционного усилителя 15 второго канала, выход операционного усилителя 15 второго канала соединён с его инвертирующим входом через последовательно соединённые третий 14 частотозадающий резистор второго канала и первый 24 дополнительный частотозадающий резистор второго канала, между выходом дополнительного 27 операционного усилителя второго канала и его инвертирующим входом включены последовательно соединенные второй 25 и третий 26 дополнительные частотозадающие резисторы второго канала, общий узел которых связан с общим узлом последовательного соединенных третьего 14 частотозадающего резистора второго канала и первого 24 дополнительного частотозадающего резистора второго канала через первый 28 дополнительный частотозадающий конденсатор второго канала, между выходом и инвертирующим входом дополнительного 27 операционного усилителя второго канала включен второй 29 дополнительный частотозадающий конденсатор второго канала, неинвертирующий вход дополнительного 27 операционного усилителя второго канала связан с общей шиной источников питания 9, причём выход операционного усилителя 8 первого канала связан с неинвертирующим входом третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами через последовательно соединенные четвертый 31 и пятый 32 дополнительные частотозадающие резисторы, выход операционного усилителя 15 второго канала связан с инвертирующим входом третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами через последовательно соединенные шестой 33 и седьмой 34 дополнительные частотозадающие резисторы, общий узел последовательно соединённых четвертого 31 и пятого 32 дополнительных частотозадающих резисторов связан с инвертирующим выходом третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами через восьмой 35 дополнительный частотозадающий резистор, общий узел последовательно соединённых шестого 33 и седьмого 34 дополнительных частотозадающих резисторов связан неинвертирующим выходом третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами через девятый 36 дополнительный частотозадающий резистор, между общим узлом последовательно соединённых четвертого 31 и пятого 32 дополнительных частотозадающих резисторов и общим узлом последовательно соединённых шестого 33 и седьмого 34 дополнительных частотозадающих резисторов включен первый 37 дополнительный корректирующий конденсатор, между неинвертирующим входом третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами и его инвертирующим выходом включен второй 38 дополнительный корректирующий конденсатор, между инвертирующим входом третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами и его неинвертирующим выходом включен третий 39 дополнительный корректирующий конденсатор, инвертирующий выход третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами подключен к первому 3 выходу устройства, а неинвертирующий выход третьего 30 дополнительного операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами соединен с первым 4 выходом устройства.

В качестве источника сигнала в схеме фиг. 2 и фиг. 3 используются пьезоэлектрический преобразователь 40.

Кроме этого, на чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, в схему введен мультидифференциальный операционный усилитель 41 с первым и вторым входными портами, выход которого связан с дополнительным выходом устройства 42, неинвертирующий вход 43 первого порта мультидифференциального операционного усилителя подключен к первому 3 выходу устройства, инвертирующий вход 44 первого порта мультидифференциального операционного усилителя соединён со вторым 4 выходом устройства, неинвертирующий вход 45 второго порта мультидифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания 9, инвертирующий вход 46 второго порта мультидифференциального операционного усилителя связан с дополнительным выходом устройства 42 через первый 47 вспомогательный резистор и через второй 48 вспомогательный резистор связан с общей шиной источников питания 9.

Введение в схему фиг. 3 мультидифференциального операционного усилителя 41 позволяет сформировать на дополнительном выходе устройства 42 суммарный недифференциальный сигнал из двух противофазных сигналов на первом 3 и втором 4 выходах устройства. При этом в отличие от известных решений сумматоров сигналов на классических операционных усилителях, требования к точности резисторов в данной схеме существенно снижены.

Результатами компьютерного моделирования схемы фиг. 4, представленные на чертеже фиг. 5, показывают, что заявляемый ARC-фильтр обеспечивает высокое ослабление сигналов вне полосы пропускания, что позволяет улучшить метрологические характеристики электро-механических систем балансировки роторов различного назначения.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с известными схемотехническими решениями.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент SU 1727011, 1975 г.

2. Патент RU 97 10 10 13, 1997 г.

3. Патент RU 212 57 16, 1994 г.

4. Патент RU 212 52 48, 1997 г.

5. Патент SU 2515102, 2014 г.

6. Патент SU 138 89 78, 1985 г.

7. Патент SU 117 19 79, 1982 г.

8. Патент SU 110 33 48, 1970 г.

9. Патент RU 221 96 51, 2002 г.

10. Патент SU 180 64 42, 1989 г.

11. Заявка на патент RU 2002 103 698, 2010 г.

12. Патент SU 765 66 64, 1988 г.

13. Патент SU 156 17 93, 1994 г.

14. Патент US 3 571 741, 1967 г.

15. Патент US 6 702 755, fig. 2, 2001 г.

16. Патент US 5 371 472, 1994 г.

17. Патент US 2010/027 11 48, 2007 г.

18. Патент US 454 35 36, 1985 г.

19. Патент US 4 085 349, 1978 г.

20. Патент US 3 787 776, 1974 г.

21. Патент EP 00 91 160, 1983 г.

22. Патент SU 129 38 27, 1985 г.

23. Патент RU 239 17 70, 2008 г.

24. Патент RU 226 02 45, 2005 г.

25. Патент RU 2 509 2916, 2012 г.

26. Патент RU 2370882, 2008 г.

27. Патент SU 1727011, 1975 г.