Оконные амплитудные фильтры сигналов

Texas Instruments CD4070B CD4077B CD40106B CD4066B

Приведены схемы амплитудных оконных коммутаторов входных сигналов и возможности их использования для фильтрации (разделения) входных сигналов по уровню их напряжения по меньшей мере в трех окнах прозрачности.

Оконные фильтры, рассмотренные в настоящей статье, позволяют преобразовывать входной сигнал, попадающий по амплитуде в полосу пропускания данного фильтра, в управляющий сигнал цифровой формы [1]. Например, если на вход устройства будет подано линейно возрастающее напряжение, то на выходе устройства сигнал цифрового уровня «лог. 1» появится в случае, когда входное напряжение превысит порог срабатывания устройства, и исчезнет, как только уровень входного напряжения превысит ширину окна пропускании оконного фильтра. Таким образом, оконный фильтр является регулируемым преобразователем аналоговых входных сигналов, попадающих в окно прозрачности устройства по напряжению, в цифровой выходной сигнал.

Электрическая схема оконного амплитудного фильтра (оконного клапана) с использованием на выходе элемента «НЕ».
Рисунок 1. Электрическая схема оконного амплитудного фильтра (оконного
клапана) с использованием на выходе элемента «НЕ».

Рассмотрим работу оконного фильтра на примере устройства, изображённого на Рисунке 1. Оконный фильтр (клапан) содержит два входных полевых транзистора VT1, VT2 2N7000 и выходной логический элемент «НЕ» – DD1.1 CD40106. При отсутствии входного напряжения оба транзистора VT1 и VT2 закрыты, на выходе устройства присутствует сигнал логического нуля. Допустим, что входное напряжение плавно возрастает до тех пор, пока не достигнет порога переключения транзистора VT1 в открытое состояние (около 2 В, зависит от типа полевого транзистора). После переключения транзистора VT1 напряжение на его стоке становятся равным «лог. 0». Следовательно, на выходе устройства появляется уровень «лог. 1».

При последующем росте входного напряжения в зависимости от положения движка потенциометра R4 открывается транзистор VT2. Это транзистор шунтирует входную цепь управления транзистора VT1, закрывая его. Напряжение на стоке транзистора VT1 повышается до уровня «лог. 1», напряжение на выходе устройства становится равным «лог. 0».

Диапазон управления порогами переключения можно плавно регулировать потенциометрами R3 и R4. Высоту этого порога, начальное значение положения окна, можно плавно регулировать потенциометром R3 в пределах от 2 до 20 В (определяется свойствами используемых транзисторов). Ширину окна задает потенциометр R4. В нижнем положении движка потенциометра R4 порог отключения отсутствует, устройство превращается в однопороговый амплитудный коммутатор. При перемещении движка к верхней части потенциометра R4 ширина окна прозрачности коммутатора сужается вплоть до нулевого значения.

Элемент «НЕ» DD1.1 CD40106 обеспечивает высокую крутизну фронтов переключения выходного сигнала.

На Рисунке 2 показан вариант амплитудного оконного коммутатора, отличающегося тем, что к стокам полевых транзисторов VT1 и VT2 подключены входы логического элемента «Исключающее ИЛИ» – DD1.1 CD4070. В случае, если оба транзистора VT1 и VT2 закрыты, на выходе устройства присутствует «лог. 0»; если транзистор VT1 открыт, а VT2 закрыт, на выходе уровень «лог. 1»; если оба транзистора VT1 и VT2 открыты, на выходе вновь появляется уровень «лог. 0».

Оконный амплитудный фильтр с использованием на выходе элемента «Исключающее ИЛИ».
Рисунок 2. Оконный амплитудный фильтр с использованием на выходе
элемента «Исключающее ИЛИ».

На Рисунке 3 дана диаграмма соотношения входных и выходных сигналов при подаче на вход устройства напряжения синусоидальной формы положительной полярности. Из рисунка видно, что при попадании входного сигнала в полосу прозрачности оконного фильтра на выходе устройства формируются импульсы прямоугольной формы, положением которых и шириной можно управлять при помощи потенциометров R3 и R4, соответственно.

Диаграмма электрических процессов на входе и выходе оконного фильтра при подаче на его вход напряжения синусоидальной формы.
Рисунок 3. Диаграмма электрических процессов на входе
и выходе оконного фильтра при подаче на его
вход напряжения синусоидальной формы.
 
Использование оконного фильтра для управления прохождением входного сигнала.
Рисунок 4. Использование оконного фильтра для управления
прохождением входного сигнала.

На Рисунке 4 приведен простейший пример практического воплощения оконного фильтра – выходной сигнал оконного амплитудного фильтра (оконного клапана) управляет аналоговым ключом, пропускающим сигнал со входа устройства на его выход в пределах заданных границ окна пропускания, Рисунок 5.

Форма электрических сигналов на входе и выходе оконного фильтра (Рисунок 4) для выделения полосы амплитуд сигналов, проходящих через него.
Рисунок 5. Форма электрических сигналов на входе и выходе оконного
фильтра (Рисунок 4) для выделения полосы амплитуд
сигналов, проходящих через него.

На Рисунках 6 и 7 показано устройство более сложного построения – оконный амплитудный фильтр (клапан) с тремя окнами прозрачности. В качестве элемента селекции, как и в предыдущем примере, использован оконный коммутатор на транзисторах VT1 и VT2, а для разделения сигналов на окна прозрачности используется своеобразный фильтр, выполненный на элементах микросхемы DD1 CD4077 «Исключающее ИЛИ-НЕ». При нарастающем во времени входном сигнале на стоках транзисторов VT1 и VT2 (входах элемента DD1.1) последовательно появляются уровни «лог. 1», «лог. 1»; «лог. 1», «лог. 0»; «лог. 0», «лог. 0». Этим событиям соответствует последовательное появление управляющих сигналов уровня «лог. 1» на выходах А, В и С устройства, Рисунок 6.

Электрическая схема трехполосного формирователя управляющих сигналов амплитудного фильтра.
Рисунок 6. Электрическая схема трехполосного формирователя управляющих сигналов амплитудного фильтра.
 
Электрическая схема трехполосного амплитудного фильтра сигналов.
Рисунок 7. Электрическая схема трехполосного
амплитудного фильтра сигналов.

Диод VD1 1N4148 защищает входные цепи устройства от перенапряжения. Цепочки R3 и С2, а также R4 и C3 предназначены для подавления иглообразных импульсов, возникающих вследствие задержек прохождения сигналов через логические элементы микросхемы.

На Рисунке 7 показано, каким образом трехполосный формирователь управляющих сигналов (Рисунок 6) управляет работой аналоговых коммутаторов DA1, например, микросхемы CD4066. При помощи этих коммутаторов входной сигнал разделяется на выходы А, В и С в зависимости от его амплитуды.

На Рисунке 8 изображена динамика прохождения сигнала со входа устройства на его выходы А, В и С.

Динамика электрических процессов на входе и выходах трехполосного коммутатора входных сигналов по амплитуде.
Рисунок 8. Динамика электрических процессов на входе
и выходах трехполосного коммутатора входных
сигналов по амплитуде.

Оконные амплитудные фильтры сигналов можно использовать для разделения аналоговых сигналов по уровням входных напряжений, в селективных по уровню напряжения аналого-цифровых преобразователях, амплитудно-управляемых переключателях и коммутаторах, устройствах дистанционного управления, многоканальных системах проводной связи с наложением низковольтной высокочастотной модуляции на постоянное напряжение, управляющее выбором канала связи, для многополосной проводной или беспроводной связи с разнесенными по частоте и периодически синхронно меняющимися по заданному алгоритму каналами передачи и приема данных и т. д.

Литература

  1. Шустов М.А. Оконный транзисторный ключ

Материалы по теме

  1. Datasheet Microchip 2N7000
  2. Datasheet Texas Instruments CD4070B
  3. Datasheet Texas Instruments CD4077B
  4. Datasheet Texas Instruments CD40106B
  5. Datasheet Texas Instruments CD4066B

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

6 предложений от 6 поставщиков
Логические элементы CMOS Quad Exclusive- OR Gate
T-electron
Россия и страны СНГ
CD4070B
Texas Instruments
16,21 ₽
AliExpress
Весь мир
10 шт./лот CD4070BM CD4070B CD4070 SOP-14 в наличии
86,58 ₽
TradeElectronics
Россия
CD4070B----CALLREP
Harris
по запросу
МосЧип
Россия
CD4070B/
Harris
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Тут надо было слово "оконные" закавычить. А то можно так понять, что в статье рассказано про окна в квартире. Уважайте русский язык.
  • А можно предположить, что речь идет о предотвращении съёма звука от вибрации стекла...