Разработка системы автоматического контроля уровня сыпучих материалов в цилиндрическом резервуаре (стр. 5 из 15)

В РЭА фильтрацию электрических сигналов часто осуществляют с помощью электромеханических фильтров. По сравнению с LC- фильтрами имеют ряд достоинств: большая добротность, лучшую температурную и временную стабильность, меньшие габариты и массу на низких частотах. Широко применяются два типа электромеханических фильтров: пьезоэлектрические, механические.

С функциональной точки зрения электромеханические фильтры обладают ограниченными возможностями, поскольку представляют из собой полосовые или режекторные фильтры. Реализация других частотных характеристик возможна лишь при использовании дополнительных схемных элементов и компонентов: преобразователей, усилителей, конденсаторов, резисторов [3].

Достижения полупроводниковой техники и особенно микроэлектроники обусловили интенсивную разработку и широкое применение активных RC – фильтров, технология изготовления которых хорошо сочетается с технологией интегральных микросхем. Активные RC – фильтры обеспечивают возможность получения разнообразных частотных характеристик, имеют малые массу и габаритные показатели, особенно на низких и инфранизких частотах. Уступая в ряде случаев по параметрам электромеханическим фильтрам, активные RC – фильтры благодаря своей доступности и простоте реализации являются для разработчиков аппаратуры основным средством осуществления фильтрации электрических сигналов. Одним из их важных достоинств является возможность совмещения в одном устройстве функции фильтрации и усиления.

Активные RC – фильтры можно разделить на две группы: линейные и квазилинейные. В линейных активные элементы используются в линейном режиме. Принцип действия квазилинейных основан на использовании нелинейных характеристик отдельных активных элементов. Они, однако, имеют линейные амплитудные характеристики в определённом диапазоне входных сигналов. К числу квазилинейных фильтров можно отнести синхронные, квадратурные, цифровые, а также фильтры, выполненные на основе схем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Основной особенностью синхронных и квадратурных фильтров на основе схем ФАПЧ является преобразование спектра входных сигналов. При этом полоса пропускания фильтров в области высоких частот определяется узкой полосой пропускания используемых в них фильтров нижних частот. Это даёт возможность обеспечить получение добротностей до 120 дБ, т.е. даже больших, чем при использовании электромеханических фильтров.

Другими несомненными достоинствами подобных фильтров являются их принципиальная устойчивость и высокая стабильность резонансных частот, обеспечиваемая возможностью использования кварцевых генераторов. Недостатками фильтров являются их относительная сложность и невысокий динамический диапазон (50 – 60 дБ), что обусловлено их большим уровнем шумов.

В цифровых фильтрах осуществляется преобразование сигналов в цифровую форму, затем производятся арифметические действия с полученными цифрами, выполняемые по определённым алгоритмам. На завершающем этапе производится преобразование полученных цифр в аналоговый сигнал. Изменение спектрального состава входных сигналов определяется алгоритмами обработки цифрового кода. Обработка цифрового кода может производиться как в специализированном устройстве, разрабатываемом специально для цифрового фильтра, так и на ЭВМ а различных масштабах времени.

В РЭА примерно 80% случаев требуемое значение добротности не превышает 50. фильтры с такой добротностью могут быть просто реализованы на основе линейных активных RC – цепей.

Чаще всего линейные активные RC – фильтры строятся на основе звеньев второго порядка, имеющих узкополосный выброс АЧХ. Чем выше требования к крутизне АЧХ, тем большее число таких звеньев должно присутствовать в схеме фильтра.

Под полосовым RC – усилителем обычно понимают усилитель, состоящий из последовательного и параллельного соединений нескольких селективных RC – цепей и обеспечивающий преимущественное усиление сигналов в узкой полосе частот. полосовые и селективные RC – усилители объединяются общим понятием «избирательный RC – усилитель».

Выбор элементной базы является одним из важных этапов проектирования. При выборе активных элементов предпочтение в настоящее время следует отдавать усилительным микросхемам общего применения. Это позволит уменьшить габариты фильтров, снизить их стоимость и потребляемую мощность, повысить надёжность. Учитывая возможность многоцелевого использования активных RC – фильтров на основе усилительных микросхем общего применения позволяет обеспечит высокую степень унификации и стандартизации электронной аппаратуры.

Наиболее распространёнными усилительными микросхемами общего применения являются операционные и широкополосные усилители.

5.3.1 Классификация фильтров

Потенциально - устойчивые усилители

Селективная АЧХ в таких случаях может быть реализована различными путями. Один из них – введение в петлю отрицательной обратной связи двух минимально – фазовых цепей. В качестве минимально – фазовых цепей для получения селективной характеристики чаще всего используют дифференцирующие и интегрирующие цепочки.

В качестве минимально – фазовых цепей могут быть использованы также дифференциаторы и интеграторы, выполненные на основе усилителей напряжения. использование активных фазосдвигающих цепей в петле отрицательной обратной связи позволяет улучшить резонансную частоту, практически не зависимую от коэффициента усиления по петле обратной связи. В качестве примера приведена схема усилителя (рисунок 5.6), состоящая из дифференциатора, выполненного на усилителе, резисторе R2, конденсаторе С1 и включенного совместно с дифференцирующей цепочкой R1C2 в петлю общей отрицательной обратной связи. При большом коэффициенте усиления резонансная частота не зависит от коэффициента усиления.

Рисунок 5.6 – Схема усилителя

Второй путь построения потенциально – устойчивых усилителей заключается в охвате усилителя частотно - зависимой положительной обратной связью. При этом, чтобы избежать возможности самовозбуждения усилителя, усилительный каскад охватывают 100% - ой отрицательной обратной связью (рисунок 5.7). В цепь положительной обратной связи введены дифференцирующие цепи, состоящие из элементов R1 C1, и интегрирующая цепь R2C2.

Увеличить добротность схем можно, преобразуя потенциально устойчивые схемы в потенциально неустойчивые. Добиться этого можно, сняв определённые ограничения, необходимые для получения потенциально устойчивых схем. Например, если использовать не две, а большее количество минимально – фазовых цепей в петле отрицательной обратной связи, то добротность схемы принципиально можно получить сколь угодно большой. При этом естественно, следует помнить, что усилитель может возбуждаться при охвате годографом точки -1 [10].

Рисунок 5.7 – Схема усилителя с отрицательной обратной связью

Потенциально - неустойчивые усилители

Положительное качество потенциально неустойчивых схем заключается в возможности получения высоких добротностей при сравнительно малых коэффициентах усиления активных элементов. Это и определило преимущественное использование потенциально – неустойчивых схем в период ламповой и частично-транзисторной электроники. К селективным усилителям относятся схемы на ТТ – мосте (режекторный фильтр) и узко – полосный усилитель.

При использовании симметричного моста добротность схемы равна ¼ коэффициента усиления, а несимметричного ½ коэффициента усиления по петле обратной связи. Это обеспечивало получение добротностей порядка 100 – 300. основной недостаток этих схем заключается в большой чувствительности их добротности к вариациям пассивных элементов. Большая чувствительность добротности к вариациям пассивных элементов приводит к трудностям настройки схемы, перестройки резонансных частот. Например, для настройки усилителя на 2Т – мосте не другую резонансную частоту необходимо менять два элемента моста, что существенно усложняет и делает трудоёмким процесс получения необходимых параметров [10].

К полосовым и режекторным фильтрам также относится мост Вина, включённый в цепь обратной связи усилителя (рисунок 5.8, 5.9).

Рисунок 5.8 - Мост Вина включённый в цепь обратной связи усилителя

Рисунок 5.9 - Мост Вина включённый в цепь обратной связи усилителя

6. Выбор схемы электрической принципиальной

6.1 Схема высокочастотного генератора

Схема генератора УЗ – колебаний показана на рисунке 6.1. Схема выполнена на компараторе LM311. Данный компаратор имеет вход (вывод 6) разрешения работы. Этот вывод подключается к одной из семи линий порта D микроконтроллера. При подаче логического нуля на вход разрешения работы компаратор перестаёт вырабатывать импульсы и на его выходе присутствует положительное напряжение насыщения, т.е. почти положительное напряжение питания.

Рисунок 6.1 – Схема генератора УЗ

Резисторы R1 и R2 выберем из соотношения 1:10 (10 кОм и 1 кОм соответственно) для работы на линейном начальном участке экспоненциального напряжения, получаемого при заряде и разряде конденсатора. Выберем конденсатор ёмкостью 1нФ.