Efaster - быстрый поиск электронных компонентов

Аналого-цифровой многоканальный частотный квазифильтр

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 [1–3].

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 [4–10].

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


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

Входной сигнал U_ВХ1 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 F_MAX/5 (для пятиканального фильтра, Рисунок 1), где F_MAX – максимальная частота входного сигнала; на выход второго – F_MAX/5…2F_MAX/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.


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.


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.


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.


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.