Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 621.3

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ LRC–ФИЛЬТР

В ПРЕСЕЛЕКТОРАХ ПРИЁМО–ПЕРЕДАЮЩИХ ТРАКТОВ

СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКИ

Рогальский Ф.Б., Корниловская Н.В., Боярчук В.П., Ротонос И.В.

В радиотехнической схемотехнике сегодня доминирующее положение занимают RC-схемы частотной селекции [1]. В то же время, LC-схемы не получили такого широкого распространения, так как катушки индуктивности имеют целый ряд недостатков самым существенным из которых является плохая технологичность. Однако, LC-схмы обладают гораздо большими потенциальными возможностями частотной селекции, чем RC-схемы. В RC-схемах используется зависимость от частоты только одного элемента. В LC-схемах используется зависимость от частоты двух элементов, причём эта зависимость взаимообратная. Это соображение можно подтвердить сравнением основных RC-схем   частотной селекции двойного Т-образного моста и моста Вина со схемами на основе LC-резонансного контура. В LC-схемах меньше комплектующих, поэтому они проще в сборке и отладке. Кроме того, они значительно проще обеспечивают требуемую избирательность. [2,3] В работах [4-7] приведены результаты исследований параметров и характеристик рассматриваемых LRC – фильтров. Их можно классифицировать в обобщённом виде следующим образом.

Универсальный LRC – фильтр.

1. Можно настраивать и использовать как полосопропускающий и полосозаграждающий (режекторный) а так же как фильтр нижних частот.

2. Обеспечивает возможность выбора центральной частоты пропускания (или режекции) в широком диапазоне частот.

3. Полосу пропускания фильтра можно регулировать примерно в 10³ раз.

4. Добротность фильтра можно улучшать в 12 раз. Это свойство обеспечивает важность «экономичного» использования выделенной полосы частот.

Характеристики низкодобротных и высокодобротных фильтров представлены на рис. 1.

Рис.1

Добротность фильтров 3,4, и 5 выше, чем фильтров 1 и 2. За счёт этого в выделенной полосе частот можно получить большее количество не влияющих друг на друга каналов.

5. Центральную полосу пропускания (или режекции) можно выбирать в области от десятков килогерц до десятков мегагерц. Она определяется выражением

где       L и С – индуктивность и ёмкость резонансных контуров,

f₀ – резонансная частота контуров. Она же центральная частота пропускания. Частотно-избирательный элемент фильтра Z_экв. Представляет собой параллельное включение параллельного и последовательного резонансных контуров, настроенных на частоту f₀ (рис.1.). Элементом, регулирующим степень связи контуров является резистор R₀ в последовательном резонансном контуре.

Рис.2

На рис.1. L₁, C₁, L₂, C₂ – индуктивности и ёмкости последовательного и параллельного резонансных контуров соответственно.

Резонансные контуры настроены на одну и туже резонансную частоту.

При включении частотно-зависимого элемента Z_экв.  В обратной связи операционного усилителя получают полосопропускающий фильтр (рис.3.). А при включении Z_экв.  во входной цепи получают полосозаграждающий фильтр (рис.4.).

                                   Рис.3                                                             Рис.4

Частотные характеристики полосопропускающего К_пол.  и режекторного К_р.  определяются выражениями (2) и (3) соответственно.

6. Частотные характеристики полосопропускающего, полосозаграждающего и фильтров нижних частот представлены на рис.5, рис.6, рис.7.  соответственно.

                        Рис.5                                      Рис.6                                      Рис.7

7. В современной электронной схемотехнике широко применяется схема, изображённая на рис. 8.

Рис.8

Это полосопропускающий LC – фильтр.

Но добротность в два раза хуже, чем добротность схемы, изображённой на рис.3. Кроме того, частотная характеристика изображённого на рис.3 LRC  - фильтра (рис.3.) значительно лучше, LC – фильтра, изображённого на рис.8. Частотные характеристики LC  и LRC – фильтров изображены на рис.9. и рис.10.

                                   Рис.9                                                              Рис.10

Частотная характеристика LRC  - фильтра в некотором диапазоне частот имеет «полочку», то есть не зависит от частоты. За счёт этого отсутствуют частотные искажения сигналов. За счёт этого большая помехоустойчивость приёма.

Преимущества и недостатки LRC – фильтра по сравнению с другими видами фильтров.

1. Большим и единственным существенным недостатком является не технологичность индуктивности. При использовании в низкочастотной области индуктивность необходимо изготавливать отдельной технологией.

2. То, что фильтр является устройством дискретной сборки, а не интегральной микросхемой, можно классифицировать и как недостаток и как преимущество. Преимущество в том, что ни одна интегральная микросхема не сможет обеспечить такого широкого диапазона применимости. Кроме того, широко применяемые сейчас интегральные гираторные фильтры требуют установки навесным монтажом ёмкостей больших номиналов, что также мало технологично.

3. Фильтры на ИМС дорогостоящие элементы. Изготовление многоканальных фильтрующих устройств на ИМС обойдётся значительно дороже, чем на рассматриваемых LRC – фильтрах.

4. Фильтры на ИМС малодобротны, так как они все построены с использованием высокотехнологичной но малодобротной частотнозависимой RC – цепочки. Рассматриваемые LRC – фильтры могут обеспечить высокие добротности фильтрующих устройств, так как в их основе лежит высокодобротная LC – цепочка. Сопротивления обоих элементов и L и C зависят от частоты и эта зависимость взаимообратная. При помощи высокодобротных фильтров можно построить большее количество каналов в выделенной полосе частот, чем при помощи низкодобротных.

5. Кроме того, что ИМС малодобротны, они ещё и многоканальные. Перекрывают небольшую полосу частот. Для перекрытия большой полосы частот необходимо будет применять разнотипные ИМС. Рассматриваемую LRC – схему можно будет применять во всех частотных диапазонах.

Возможный вариант применения LRC – фильтров.

Для передачи информации от счётчиков изготовленного материала, изделий в центральный диспетчерский пункт, заводоуправление по двухпроводной выделенной телефонной паре. Структурную схему многоканальной системы сбора, преобразования и передачи информации можно представить следующим образом (рис.11.).

Рис.11

Допустим необходимо опросить 60 датчиков (счётчиков). В таком случае для уменьшения аппаратурного состава все датчики разбивают на 12 групп по 5 датчиков в группе. Для каждой группы выводят свой частотный канал. Опрос датчиков в группе разделяют во времени. Структурную схему приёмо – передач информации от каждой группы можно представить следующим образом (рис.12).

Рис.12

Коммутатор К₁ поочерёдно опрашивает выходы шести счётчиков. Каждый счётчик  изображён шестиразрядным. Значит, параллельный код, содержащий 6*6=36 элементарных кодовых знаков преобразуется в последовательный, содержащий эти же 36 знаков, следующих друг за другом. Кодовые знаки переносятся на несущую частоту  модулятором. В приёмнике происходит расфильтровка и восстановление структуры кода при помощи полосового фильтра, настроенного на центральную частоту  и с полосой пропускания , детектора, интегратора.  В качестве такого фильтра целесообразно применять рассматриваемый LRC – фильтр. Распределитель Р1 работает когерентно (синфазно и синхронно) с К1 и раздаёт восстановленный код к потребителям.

Временные диаграммы, поясняющие принцип приёмо – передачи информации, изображены на рис.13.

Рис.13

На выходе коммутатора К1 – Амн видео – сигнал. На выходах модулятора и полосового фильтра Амн – радио-сигнал. Детектор и интегратор преобразует радио-сигнал в видео-сигнал.

Итак, информация от первой группы счётчиков передаётся на частоте , а от двенадцатой группы на частоте . Значит необходимо применять двенадцать фильтров.

Кроме рассмотренного примера, RLC -  фильтр целесообразно использовать в трактах приёмо – передачи звукоречевой информации, статистической информации методом применения шумоподобных кодированных сигналов.

1.                  Хоровиц П., Хилл У. Исскуство схемотехники : Пер. с англ. –М.:     Мир, 1998.

2.                  Фолкенбери Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС: Пер. с  англ.-М.: Мир,1985.

3.                  Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – СПб.:Корона принт, 1998 г.

4.                  Рогальский Ф.Б., Корниловская Н.В., Клименко Д.С. Исследование характеристик и параметров активных LRC-полосовых фильтров. Прикладные проблемы математического моделирования: -Херсон: ХГТУ, 1998.-с.142-145.

5.                  Рогальский Ф.Б., Корниловская Н.В. Сравнительный анализ характеристик и параметров активных частотно-избирательных цепей RC и LRC типов. Автоматика, автоматизация,  электротехнические комплексы и системы, 1999, №2(5).

6.                  Рогальский Ф.Б., Корниловская Н.В. Исследование возможности регулирования полосы пропускания одного класса LRC-схем активной полосовой фильтрациии. Автоматика, автоматизация,  электротехнические комплексы и системы . 2000, №1(6).

Рогальский Ф.Б., Корниловская Н.В.  Анализ принципов регулирования добротности  и коэффициента прямоугольности АЧХ одного класса активных широкополосных LRC-полосовых фильтров. Математическое моделирование в образовании, науке  и промышленности : Сб. науч. трудов.-С.-Пб.: Санкт-Петербургское отделение МАН ВШ, 2000.