О выборе передаточных характеристик фильтров нижних частот системного назначения

Тютякин А. В. (avt@rbcmail.ru)

Орловский государственный технический университет

В разнообразных отраслях науки и промышленности широко распространены компьютеризированные системы сбора информации (КССИ), включающие в себя промышленный или персональный компьютер, ряд каналов ввода данных (КВД) и блок аналого-цифрового интерфейса (БАЦИ). Обобщенная структурная схема построения КССИ представлена на рисунке 1.

Одной из важнейших задач, решаемых при проектировании КССИ, является фильтрация выходных сигналов первичных преобразователей (1111). Она состоит в подавлении неинформативных спектральных составляющих указанных сигналов, при обеспечении минимальных искажений информативных составляющих.

Тип передаточных характеристик (ПХ) фильтров определяется частотным диапазоном информативных выходных сигналов 11 . Одними из наиболее распространенных являются информативные сигналы, лежащие в частотном диапазоне от 0 до некоторой верхней граничной частоты, fB. Таковы, например, выходные сигналы тензометрических преобразователей, линейных дифференциальных трансформаторов, потенциометрических преобразователей перемещения и ряда других распространенных типов ПП. При данном характере информативного сигнала ПП его фильтрация, очевидно, должна осуществляться фильтром нижних частот (ФНЧ).

Имеется значительное число публикаций, посвященных проектированию аналоговых и цифровых ФНЧ, например, [1 - 3]. Однако до настоящего времени в литературе отсутствует систематизированная инженерная методика выбора ПХ ФНЧ при разработке КССИ, обеспечивающая максимальные селективность и шумоподавление при ограничениях, задаваемых условиями на проектирование, в первую очередь - характерных для КССИ ограничениях на время установления при переходном процессе. В настоящей статье сделана попытка восполнения данного пробела.

КВД1

Н-Н

КВДi

КВДк

БАЦИ

с

КВД - каналы ввода данных; ПП - первичные преобразователи; БМФ - блоки масштабирования и фильтрации; АЦП - аналого-цифровые преобразователи; БАЦИ - блок аналого-цифрового интерфейса.

Рисунок 1 - Обобщенная структурная схема КСС

Варианты реализации ФНЧ. Возможны следующие основные варианты реализации ФНЧ в КССИ:

-выполнение функций ФНЧ блоками масштабирования и фильтрации (БМФ) КВД;

-осуществление фильтрации посредством цифровых ФНЧ (ЦФНЧ), обычно реализуемых в программной форме на компьютере, с возложением на БМФ функций антиэлайзинговых ФНЧ (АЭФНЧ) [1, 2].

Требования к параметрам ФНЧ, задаваемые условиями на проектирование. К основным ограничениям, определяющим требования к параметрам ФНЧ и задаваемым условиями на проектирование, относятся: верхняя граничная частота информативного сигнала, fB, нижняя граничная частота полосы заграждения, fr, максимально допустимое время установления КВД при переходном процессе, tuAKC, и разрядность АЦП, N.

Указанные ограничения задают следующие требования к параметрам ФНЧ:

1 - H (0 < f < fB ) < 2-N ,(1)

где H(f) - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ФНЧ, нормированная относительно нулевой частоты;

H(f > fr ) < 2-N,(2)

ty < tMAKC ,(3)

где ty - время установления ФНЧ с погрешностью 2- N.

При этом ФНЧ должен обеспечивать максимально возможные, при соблюдении условий (1) - (3), коэффициенты подавления основных составляющих шума ПП -«белого» и фликкер-шума [3].

Сравнительный анализ ПХ ФНЧ. Для решения поставленной задачи, в первую очередь, необходимо выявить потенциально предпочтительные для применения в КССИ типы ПХ аналоговых ФНЧ (АФНЧ) и ЦФНЧ. В общем случае, критерий предпочтительности ПХ ФНЧ системного назначения можно выразить следующим образом:

k (fU / f3 ) j + k (ty fn )min + k KБ] + k KФ] = (fn / f3 )max(ty fn ) jK Б maxK Ф max

= maxk <fn,f3)) + k 2{tyfn )mi" + k 3+ k 4

leI I (fn / f3 )max(ty fn ) iK Б maxK Ф ma)

где j - номер предпочтительного варианта ПХ;