Аналого-цифровой многоканальный частотный квазифильтр

Texas Instruments CD4013B CD4077B LM833

Описывается принцип работы и схема аналого-цифрового многоканального частотного квазифильтра на основе преобразования частоты входного сигнала в напряжение и последующего разбиения выходного напряжения преобразователя на несколько каналов по напряжению при помощи многооконного компаратора, что соответствует разбиению входного сигнала на несколько полос частот. Выходные сигналы компараторов поступают на аналоговые коммутаторы, пропускающие ту или иную полосу частот входных сигналов без искажений, что позволяет получить многоканальный квазифильтр.

Для фильтрации сигналов по частоте традиционно используют активные и пассивные RC- или LC-, а также кварцевые фильтры. Такие фильтры имеют одну или две достаточно размытые частоты среза [13].

В отличие от классических фильтров аналого-цифровой частотный квазифильтр обладает практически идеально прямоугольными частотами среза и пропускает на выход входной сигнал в полосе прозрачности без изменений. Многоканальный частотный квазифильтр позволяет избирательно выделять из широкополосного входного сигнала полосы частот, ширину которых и их положение по шкале частот можно легко и плавно перестраивать [410].

Структурная схема аналого-цифрового многоканального частотного квазифильтра (АЦМЧК) приведена на Рисунке 1.

Структурная схема пятиканального аналого-цифрового квазифильтра.
Рисунок 1. Структурная схема пятиканального аналого-цифрового квазифильтра.

Входной сигнал UВХ1 поступает на предусилитель, который преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму; для цифрового сигнала изменений практически не происходит.

Далее оцифрованный сигнал поступает на делитель частоты (f/2), который делит частоту входного сигнала на 2. Формально в делении частоты нет необходимости. Основное назначение делителя частоты на D-триггере – обеспечить скважность выходного сигнала, равную двум, и тем самым снизить влияние коэффициента заполнения импульсов входного сигнала на процесс последующего преобразования частоты в напряжение.

При необходимости с целью ступенчатого расширения диапазона частот фильтрации используется второй делитель частоты сигнала на два (f/2). Переключателем SA1 можно выбрать требуемый диапазон деления входной частоты – f/2 или f/4.

После переключателя SA1 сигнал поступает на линейный (или иной) преобразователь «Частота – напряжение» (f/U). Преобразованный таким образом сигнал поступает на пульт коммутации сигналов управления (ПКСУ), который в зависимости от напряжения входного сигнала распределяет и подает управляющие сигналы на коммутаторы входного сигнала. На Рисунке 1 в качестве примера изображено только 5 каналов коммутации.

Таким образом, в зависимости от амплитуды управляющего сигнала или, соответственно, частоты входного сигнала открывается тот или иной частотный клапан, и на его выход проходит определенный диапазон частот входного сигнала. Так, например, на выход первого коммутатора входного сигнала проходят сигналы, частота которых находится в пределах от 0 до FMAX/5 (для пятиканального фильтра, Рисунок 1), где FMAX – максимальная частота входного сигнала; на выход второго – FMAX/5…2FMAX/5 и т. д. Равномерность (неравномерность) разбиения интервалов частот определяется линейным или, напротив, нелинейным характером преобразования частоты в напряжение.

На Рисунке 2 показана электрическая схема входных цепей АЦМЧК. Входной усилитель с полосой пропускания от 50 Гц до 125 кГц на уровне –3 дБ (на частоте 200 кГц –5.4 дБ) и коэффициентом передачи 40 дБ выполнен на микросхеме DA1.1 LM833. Далее последовательно следуют два делителя частоты на D-триггерах DD1.1 и DD1.2 CD4013. Переключатель SA1 позволяет выбрать диапазоны частот входных сигналов от 0 до 100 кГц или от 0 до 200 кГц.

Выходной сигнал с триггеров поступает на преобразователь «Частота – напряжение», выполненный на микросхеме DA1.2, где происходит линейное преобразование частоты входного сигнала в напряжение. Все устройство, Рисунок 2, фактически представляет собой аналоговый частотомер.

Электрическая схема входной цепи аналого-цифрового квазифильтра или аналоговый частотомер на полосу частот от 0 до 100 кГц (от 0 до 200 кГц).
Рисунок 2. Электрическая схема входной цепи аналого-цифрового квазифильтра или аналоговый частотомер
на полосу частот от 0 до 100 кГц (от 0 до 200 кГц).

На Рисунке 3 показан пульт коммутации сигналов управления или пятиканальный преобразователь амплитуды входного сигнала в код переключения выходного управляющего напряжения. Этот узел выполнен на основе линейки компараторов на микросхеме DA1 LM339. Выходные сигналы компараторов подаются на логические элементы «Исключающее ИЛИ-НЕ» микросхемы DD1 CD4077, а также на вход эквивалента логического элемента «ИЛИ-НЕ» на диодах VD1, VD2, резисторе R9 и транзисторе VT1 BC547.

Пятиканальный преобразователь амплитуды входного сигнала в код переключения выходного управляющего напряжения.
Рисунок 3. Пятиканальный преобразователь амплитуды входного сигнала в код переключения выходного
управляющего напряжения.

С ростом частоты или, соответственно, напряжения на входе ПКСУ, светодиоды HL1–HL5 индицируют задействованный частотный канал коммутации. Эти светодиоды не являются обязательными элементами устройства и могут быть исключены из схемы. С выходов ПКСУ управляющие сигналы подаются на коммутаторы входного сигнала; варианты этих устройств показаны на Рисунках 4 и 5.

Аналоговый коммутатор входного сигнала, Рисунок 4, представляет собой истоковый повторитель. При подаче на вход UУПР этого коммутатора управляющего сигнала высокого уровня от ПКСУ выходной сигнал коммутатора закорачивается на шину питания, и на выход коммутатора сигнал не проходит. Для того чтобы следующий каскад не соединялся напрямую через коммутатор с шиной питания устройства, его следует отделить конденсатором.

Аналоговый коммутатор входного сигнала.
Рисунок 4. Аналоговый коммутатор входного сигнала.

Второй вариант коммутатора, Рисунок 5, при подаче на вход UУПР управляющего сигнала высокого уровня от ПКСУ шунтирует входные цепи коммутатора и не позволяет тем самым входному сигналу проходить на выход коммутатора.

Вариант аналогового коммутатора входного сигнала.
Рисунок 5. Вариант аналогового коммутатора входного сигнала.

В качестве коммутирующих устройств можно использовать и аналоговые коммутаторы-микросхемы, например CD4066.

При выделении узкой полосы из области высоких частот с помощью многополосного квазифильтра может быть использован способ гетеродинного переноса полосы частот в низкочастотную область.

Для расширения диапазона рабочих частот в высокочастотную область во входных цепях могут быть использованы специализированные высокочастотные усилители и микросхемы. Для деления частоты могут применяться высокочастотные многодекадные делители частоты. В качестве ПКСУ удобно использовать поликомпараторные микросхемы, предназначенные для индикации уровня электрических сигналов низкой частоты при помощи светодиодов. Как правило, такие микросхемы имеют 5, 10 или 12 каналов индикации и имеют возможность наращивания количества каналов индикации.

К таким микросхемам относятся: A277D, AN6884, BA656/ 681A–683A/ 6104/ 6124/ 6125/ 6137/ 6144/ 6154/ 6820F/ 6822S/ 6822F, DBL1016, HA12010, IR2E02, KA2281/ 2283/ 2284/ 2285/ 2286–2288, KIA6966S, LB1403/ 1413/ 1423/ 1433/ 1493/ 1405/ 1407/ 1408/ 1410–1417/ 1419/ 1423/ 1426/ 1433/ 1436/ 1450/ 1460/ 1493, LM3914–LM3916, NTE1866, S1A2284A01–S1A2284A04, SL322/ 325A/ 325B/ 325C, TA7666, TA7667, UAA180, UL1890N, UL1970, UL1980, U237B/ 247B/ 257B/ 267B/ 2068B/ 2069B, К1003ПП1–К1003ПП4 и др.

Данное устройство может найти применение в качестве многоканального фильтра электрических аналоговых или цифровых сигналов, устройства частотного дистанционного двухпроводного управления различными нагрузками, для многоканальной связи по однопроводной линии, а также при наличии нескольких сменных разнесенных каналов проводной или беспроводной связи обеспечить передачу аналоговых данных с декодированием исходной информации на приемной стороне с малой вероятностью ее восстановления сторонними пользователями.

Литература

  1. Гутников В.С. Фильтрация измерительных сигналов. – Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 192 с.
  2. Winder S. Analog and Digital Filter Design (2nd Ed., EDN Series for Design Engineers). – Boston: Newnes Press, 2002. – 450 p.
  3. Passive, Active, and Digital Filters (3rd Edition, The Circuits and Filters Handbook) / Ed. by Wai-Kai Chen. – New York: CRC Press, 2005. – 828 p.
  4. Шустов М.А. Применение поликомпараторных микросхем в технике радиосвязи // Радиолюбитель. – 1997. – № 6. – С. 13–15.
  5. Шустов М.А. Многоканальная ЦМУ // Радиохобби. – 1999. – № 1. – С. 43.
  6. Shustov M.A. Multichannel amplitude discriminator // Electronics World Incorporating Wireless World. – 2000. – V. 106. – № 6 (1770). – P. 458.
  7. Шустов М.А. Многоканальный квазифильтр // Автоматика, связь, информатика. – 2000. – № 3. – С. 45.
  8. Шустов М.А. Многополосный квазифильтр на основе амплитудного мультиплексора // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – 2001. – № 11. – С. 33–35.
  9. Шустов М.А. Практическая схемотехника. 450 полезных схем. – М.: Altex-A, 2001. – Кн. 1. – 352 с. (I изд.); 2003 (II изд.); М.: Додэка-XXI–Altex, 2007. – 360 с. (II изд.).
  10. Шустов М.А. Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. – СПб.: Наука и Техника, 2013. – 352 с.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments CD4013B
  2. Datasheet Texas Instruments CD4077B
  3. Datasheet Intersil LM339
  4. Datasheet Texas Instruments LM833
  5. Datasheet Fairchild BC547

Изготовление плат и монтаж компонентов для вашего проекта от $2. Получи купон на скидку: JLCNY

7 предложений от 7 поставщиков
CMOS DUAL D-TYPE FLIP-FLOP
AliExpress
Весь мир
20 шт./лот CD4013BE DIP14 CD4013B CD4013 DIP NEW
139 ₽
DM Electronics
Россия
CD4013B
по запросу
МосЧип
Россия
CD4013B----CALLREP
Texas Instruments
по запросу
CD4013B/883RCAZ8621
Texas Instruments
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя