Синтез аналоговых фильтров на элементарных звеньях для радиотехнических систем

• Автор: Мартьянов, Павел Сергеевич
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 156 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Обзор состояния и тенденций развития современных аналоговых фильтров в микроэлектронике
Глава 2. Теоретческая часть
2.1. Цель, задачи и методы

2.1.2. Задачи
2.1.3.Метод ы
2.2. Обоснование синтеза аналоговых фильтров на элементарных звеньях
2.2.1. Введение в предлагаемый метод синтеза
2.2.2. Метод синтеза математической модели фильтров по заданным целям
2.2.3. Метод синтеза структурно - принципиальной схемы фильтра
по математической модели
2.2.4. Анализ - синтез аналоговых фильтров
2.3. Моделирование аналоговых фильтров
Глава 3. Экспериментальная часть
3.1. Цель и описание эксперимента
3.1.1. Цель эксперимента
3.1.2. Описание устройства для эксперимента
3.1.3. Описание эксперимента
3.2. Реализация звеньев микроэлектроники
3.2.1. Программное описание работы интегратора
3.2.2. Реализация дифференциатора
3.2.3. Реализация пропорционального звена (умножителя)
3.2.4. Реализация сумматора и вычитателя
3.2.5. Реализация мультиплексора
3.3. Эксперименты по реализации фильтров
3.3.1. Методика реализации фильтров на ПЛИС макета
3.3.2. Реализация фильтров из элементарных звеньев микроэлектроники
Г лава 4. Обсуждения и выводы
4.1. Анализ полученных результатов
4.2. Определение технологической погрешности измерений
4.3. Выводы и заключение
Приложение .Тексты программ, реализующих алгоритмы работы
элементарных звеньев
Список литературы

Введение
Актуальность
На сегодняшний день фильтры электрических сигналов применяются практически в любых радиоэлектронных устройствах, где требуется обработка сигналов, в частности в спектральном анализе, обработке изображений, обработке видео, обработке речи и звука и многих других приложениях. В большинстве случаев в этих устройствах применяются цифровые фильтры, поскольку они высокоточные, обладают гибкостью настройки, компактны и удобны в применении. Однако они имеют свои недостатки в сравнении с аналоговыми фильтрами:
1. Трудность работы с высокочастотными сигналами. Полоса частот ограничена частотой Нанквиста, равной половине частоты дискретизации сигнала. Поэтому для высокочастотных сигналов применяют аналоговые фильтры.
2. Трудность работы в реальном времени — вычисления должны быть завершены в течение периода дискретизации.
3. На низких частотах возможно появление выбросов или шумов.
4. Для большой точности и высокой скорости обработки сигналов требуется не только мощный процессор, но и дополнительное, возможно дорогостоящее, аппаратное обеспечение в виде высокоточных и быстрых ЦАП и АЦП.
Поэтому аналоговые фильтры актуальны в диапазоне высоких и низких частот, используют при выборе определённой радиостанции в радиоприёмниках, в устройствах воспроизведения звука, где необходимо разделение звукового сигнала перед воспроизведением, а также высокие требования к выходному сигналу.
Что касается аналоговых фильтров, то для их синтеза в большинстве случаев используется метод полиномиальной аппроксимации. Данный метод предполагает аппроксимацию по известным полиномам Баттерворта, Чебышева, эллиптическая аппроксимация. Недостатки такого метода:
1. Сложность получаемого полинома.
2. Разрывность, нелинейность полинома.
3. Сложность при проектировании фильтров высоких порядков.
Выход из создавшегося положения наметился в работах Мишина Г.Т., Прокимова П.А., Джонса Д.Т., где была. предложена попытка создания универсального метода синтеза аналоговых устройств. За теоретическую базу аналоговой микроэлектроники принята математическая теория систем дифференциальных уравнений в обобщенной форме. На основании анализа систем дифференциальных уравнений, были сформированы звенья аналоговой микроэлектроники (предлагаемая элементная база микроэлектроники), которые состоят всего из пяти элементарных звеньев: интегрирующего, дифференцирующего, сложения / вычитания, масштабирования (умножения / деления), разделения/соединения. На основании этих звеньев был сформирован предлагаемый метод синтеза аналоговых фильтров для адаптивной фильтрации, которые используется в системах связи.
Предлагаемый метод имеет следующие достоинства:

1. Простые процедуры расчета схем фильтров.
2. Линейность получаемой передаточной функции.
3. На основе вновь введенных элементарных звеньев, возможно, сформировать как МАБИС (матричные аналоговые большие интегральные схемы), так и ПАИС (программируемые аналоговые интегральные схемы). Такая возможность обусловлена малочисленностью элементов в базе и позволяет спроектировать уникальный чип для данной МАБИС, или единый перепрограммируемый элемент для ПАИС.
4. Сокращает время проектирования и изготовления фильтра, что удешевляет процесс изготовления в условиях мелкосерийного производства.
5. Отсутствие индуктивностей, что позволяет значительно уменьшить габариты фильтра.
Те большие возможности, которые открываются введением предлагаемой элементной
базы (элементарные звенья), требуют обширной предварительной работы, связанной с исследованием особенностей проектирования различных типов аналоговых устройств. Настоящая работа посвящена разработке метода, алгоритма и процедуры синтеза аналоговых пассивных фильтров. Это и определяет актуальность работы.
Цель и основные задачи работы
Целью настоящей работы является создание метода синтеза радиоэлектронных аналоговых фильтров (применяемых в адаптивных фильтрах для систем связи), который позволит сократить время проектирования и их изготовления.
Основными задачами, решение которых необходимо для достижения поставленной цели, являются:
• Разработка метода синтеза аналоговых фильтров, состоящих из элементарных звеньев микроэлектроники.
• Разработка методики синтеза фильтров.
• Разработка моделей элементарных звеньев микроэлектроники на языке УРГОЬ в САПР МАХ РШ8+11.
• Разработка методики проектирования фильтров на основе программируемых интегральных микросхем для использования их в системах связи.
• Экспериментальные исследования фильтров на предлагаемой элементной базе.
• Разработка рекомендаций по использованию полученных результатов в системах связи.
Решение этих задач имеет большое значение для дальнейшего совершенствования процесса проектирования аналоговых устройств, для создания отечественных систем, конкурентоспособных на мировом рынке.
В связи с тем, что элементарные звенья имеют не сложную структз'рно-принципиальную схему, в реальном производстве они могут быть реализованы на операционных усилителях по технологии МОП структур или технологии биполярных структур.
На защиту выносятся:
• Метод синтеза передаточной функции фильтра по заданным параметрам.
• Метод синтеза структурно - принципиальной схемы фильтра по заданной математической модели.

6. передаточная функция IV = —-— соответствует функции пропорционального звена и
1 + к0
может быть получена при соединении пропорционального звена с передаточной функцией кь и пропорционального звена с передаточной функцией ка по схеме с отрицательной обратной связью; две остальных передаточных функции являются функциями элементарных звеньев.
Сделав соответствующие замены передаточных функций на эквивалентные им схемы, составленные из элементарных звеньев, получим структурно - принципиальную схему фильтра, показанную на рис. 2.12. Эта схема составлена из блоков, которые, являясь элементарными звеньями САУ, могут одновременно восприниматься как функциональные звенья РЭА, а сама схема может быть принята за функциональную схему синтезируемого устройства.
Упомянутое выше соответствие между элементарными звеньям САУ и функциональными звеньями РЭА особенно наглядно прослеживается в схемотехнике интегральных операционных усилителей [55, 56, 57]. Так, для построения схемы, изображенной на рис. 2.11, необходим следующие функциональные узлы аналоговой микроэлектроники: сумматор, умножитель, интегратор дифференциатор.
Рис. 2.12. Структурно -принципиальная схема фильтра
Рассмотренный выше пример синтеза фильтра по математической модели в виде системы дифференциальных уравнений позволяет признать, что предложенный в этой работе теоретический подход предоставил возможность сформулировать реальную методику синтеза