УДК 621.372.54 КУФЛЕВСКИЙ Е.И.

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ НЕЛИНЕЙНЫЙ ФИЛЬТР
НА ОСНОВЕ МИКРОСХЕМЫ UAF42

347928, г. Таганрог, ГСП 17а, пер. Некрасовский, 44, ТРТУ,
кафедра САУ, тел.: (8634)371689, e-mail: finaev@tsure.ru

В системах передачи информации с частотным разделением каналов
увеличение числа каналов в заданной полосе частот усложняет и удорожа-
ет канальные фильтры, в которых сужение полосы пропускания и/или кру-
тизны спадов АЧХ повышает порядок и добротности полюсов передаточ-
ной функции. Как следствие, растет время переходных процессов, что в
системах с ИКМ приводит к задержкам импульсов (вплоть до исчезнове-
ния коротких). В некоторых системах (например, в гидроакустике) по-
грешности фиксации момента появления импульса негативно влияют на
точность определения координат объекта. В чисто линейных устройствах
фильтрации это противоречие принципиально. Однако если в системе
требуется только обнаружение сигналов определенной частоты, негатив-
ные последствия сужения полосы можно ослабить благодаря использова-
нию в фильтрах нелинейных элементов. Одно из таких устройств рассмот-
рено в докладе.
Принцип построения нелинейного фильтра поясняет структурная схема
на рис. 1, состоящая из двух блоков, и графики на рис. 2.
U
U
П Ф
РФ
а )
f


Линейный
з
Uвых
U Р Ф
б)
фильтр

)
f
о
U вы х
f
в )
1
2
сраб
U сра б
UПФ

f 0

Рис. 1
Рис. 2
Блок 1 есть линейный фильтр с выходами полосового и режекторного
типов АЧХ. В блоке 2 обязательно осуществляется нелинейная операция
детектирования сигнала Uрф (запирающего) с последующим его вычитани-
ем (в сумматоре ) из сигнала на полосовом выходе (отпирающего). Этот
сигнал в простейшем случае также детектируется, и тогда на результи-
рующей характеристике (рис. 2,в) Uвых есть выпрямленное выходное на-
пряжение фильтра, которое управляет пороговым исполнительным уст-
ройством, срабатывающим при UвыхUсраб.. Очевидно, что полоса частот


сраб всегда меньше "нулевой полосы" 0. Если детекторы идентичны
либо работают с малыми углами отсечки, (что предпочтительнее, так как
тогда з = о 1), "нулевая полоса" практически не зависит от амплитуды
входного сигнала. Если Uвых>>Uсраб, характеристика срабатывания при-
ближается к прямоугольной, причем опасность ложных срабатываний
полностью исключается, что является одним из преимуществ нелинейного
фильтра.
Соответствующие практические реализации фильтров на ТТ-мосте с
фиксированной настройкой, которые в давних а.с. автора ( 112353 и
135549) именовались "Амплитудно-независимыми фильтрами", хорошо
себя зарекомендовали в системах радиотелеуправления (разработки ТРТИ
в конце 50-х - 60-х годах и нальчикского СКБ ТАСУ - в 70-х годах).
Расширение номенклатуры и удешевление микросхем программи-
руемых фильтров, содержащих звенья Кервина-Хьюлсмана-Ньюкомба
(KHN), позволили проектировать компактные и недорогие нелинейные
фильтры с электронной перестройкой. На рис.3 изображена упрощенная
схема такого фильтра, построенного на основе серийной ИМС UAF42
фирмы Burr-Brown (нумерация выводов соответствует фирменному ката-
логу за 2002 год). ИМС содержит 4 ОУ. Три из них реализуют звено KHN
с выходами НЧ, ВЧ и ПФ. Отпирающее напряжение поступает с выхода
ПФ, запирающее - с выхода 4-го ОУ, на входе которого за счет сумматора
R4 - R6 создается АЧХ режектора (см. рис. 2,б) с центральной частотой ц
(при R4=R5), зависящей от резисторов R1 = R2 и управляемых делителей
перед ними.
Управление
к выв.13
13
8
R1 7
14
R2
1
5R5
D1
6
R4
U
вх2
R6
C1
R7
ВЧ
вх1
12
UAF42
UВЫХ
ИУ
ВХ
U
C2
R8
ПФ вх3
U
вх4
НЧ
U
(7)
РФ
3
9
11
U
4
10
2
-E
+E
п
п
1
R3
D2

Рис. 3
2
В типовом реж ме
и работы звена выражение Uвых приводится к виду:


Q
R R

о
6
8
з
U
=
1-
Q U
вых

вх , (1)
1+ ( 2
R R
Q )

4
7
о

где = /ц -ц / - обобщенная расстройка, Q - добротность звена, ус-
танавливаемая регулировкой резистора R3..
Для расчета "нулевой полосы" приравнивается к нулю выражение в
квадратных скобках в (1). Этот параметр следует устанавливать резисто-
ром R6 а в случае электронной регулировки - включать управляемый де-
литель до или после детектора запирающего сигнала. Рост R6 сужает по-
лосу при неизменных Q и соответственно - длительности переходного
процесса, что также относится к преимуществам рассматриваемого фильт-
ра.
Центральная частота перестраивается обычным для звена KHN спо-
собом - делителями на входах интеграторов, причем в случае цифрового
управления - умножающими ЦАП либо электронными потенциометрами
(см. каталоги фирмы "Analog devises"). Помимо ограничений диапазона
перестройки линейного звена, рассмотренных в докладе [1], для нелиней-
ного фильтра возникают дополнительные ограничения, связанные с опти-
мальным выбором постоянных времени заряда и разряда в детекторах.
На рис. 3 изображен простейший вариант реализации блока 2: одно-
полупериодные детекторы с резистивным сумматором. Параметры фильт-
ра улучшаются при использовании более сложных схем детектирования (в
частности, с дополнительными ОУ), причем напряжение с выхода ПФ (от-
пирающее) можно не выпрямлять. В этом случае вместо резистивного сум-
матора добавляется еще один нелинейный элемент (например, диод), для
которого запирающее напряжение будет играть роль опорного, и тогда в
полосе срабатывания на выходе фильтра будет появляться пульсирующее
напряжение. Если же выпрямленное запирающее напряжение использо-
вать как управляющее для аналогового ключа, то на выходе фильтра в по-
лосе срабатывания будет появляться неискаженный сигнал с полосового
выхода микросхемы.
Формула (1) позволяет с хорошей точностью рассчитать характери-
стику нелинейного фильтра в стационарном режиме, однако в импульсном
режиме строгий расчет с учетом переходных процессов в линейном
фильтре и детекторах достаточно сложен. Моделирование на ЭВМ анало-
гичной схемы нелинейного фильтра в стационарном и импульсном режи-
мах, выполненное в дипломной работе выпускницы ТРТУ Н.Ф. Посеви-
ной, подтвердило предварительные приближенные расчеты.
1. Куфлевский Е.И., Тепин В.П. "Ограничения диапазона перестройки
микроэлектронных активных RC-фильтров с цифровым управлением".
7-я МНТК ПЭМ-2000 (сб. трудов ч. 2), изд. ТРТУ, 2000, с. 34-36.