Универсальный цифровой фильтр
Маккинли, Исследовательский центр Холлибартона (Дункан, шт. Оклахома)
Не так уж сложно собрать цифровой фильтр, обеспечивающий пропускание нижних или верхних частот, а также пропускание или режекцию полосы частот. Все это достигается простым сочетанием логических вентилей, триггеров и инверторов. Поскольку эта схема импульсная, она обеспечивает почти идеальную фильтрацию сигнала прямоугольной формы.
Частота среза фильтра нижних или верхних частот (А) (см. фигуру) определяется величинами R1 и C1 Этими же компонентами задается длительность импульса т одновибратора, которая равна половине периода То частоты среза:
Первый положительный перепад входного прямоугольного напряжения запускает одновибратор. Импульс одновибратора отпирает вентиль G1 и налагает запрет на вентиль С2.
Если частота прямоугольного напряжения выше fо, вентиль G1 дает выходной импульс, который перебрасывает триггеры FF1 и FF2. Выходное напряжение триггера FF1 отпирает вентиль G3, и входной сигнал получает возможность пройти на выход схемы. В это время вентиль G2 остается в запертом состоянии.
Когда входная частота падает, ниже fо, вентиль G1 запирается, а вентиль G2 отпирается и сигнал с его выхода сбрасывает триггер FF1. При этом запирается G2 и прекращается прохождение прямоугольного напряжения на выход схемы.
Триггер FF2 предотвращает неправильное срабатывание триггера FF1 при высоких частотах. Этот триггер сбрасывается с началом импульса одновибратора.
Небольшое изменение схемы превращает фильтр верхних частот в фильтр нижних частот. Для этого нужно лишь включить инвертор между выходом FF1 и входом G3. Частота среза остается прежней.
Полосовой пропускающий цифровой фильтр (В) можно получить, подав входной сигнал и сигналы
с выходов фильтра нижних частот и фильтра верхних частот на трехвходовый вентиль И. При этом частота среза фильтра нижних частот f1 должна быть выше частоты среза фильтра верхних частот f2.
Подобным образом можно получить и полосовой заграждающий фильтр (С): выходы фильтров нижних и верхних частот надо подключить к вентилю НЕ-И, а на выходе схемы включить двухвходовый вентиль И. При этом частота среза фильтра нижних частот f1 по-прежнему должна быть выше частоты среза фильтра верхних частот f2.
Эти цифровые фильтры могут обрабатывать любые периодические сигналы, лишь бы из последних было предварительно сформировано прямоугольное напряжение достаточной для срабатывания логических схем амплитуды. Частотный диапазон каждого фильтра ограничивается лишь допустимой частотой запуска одновибратора и быстродействием логических схем.
Использованная в основной схеме фильтра ИС однополупериодного мультивибратора МС790Р фирмы Motorola нормально работает при большом коэффициенте заполнения и выдает после запуска импульс строго постоянной длительности. Другими компонентами схемы являются ИС двухвходовых вентилей МС9713Р, R-S-триггер МС790 и схема МС789Р (все схемы фирмы Motorola), содержащие шесть инверторов. Для сопротивления R1 и емкости C1 возможен широкий выбор значений в зависимости от быстродействия логических схем и добротности конденсатора.
R. J.McKinley. Versatile digital circuit filters highs, lows, or bands, p. 66.