Методика расчета влияния дестабилизирующих факторов на Т-образные пассивные фильтры

Введение

Особенностью настоящего этапа развития железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) является активное внедрение цифровых методов обработки сигналов с помощью специализированных процессоров, которые позволяют унифицировать схемотехнические решения и строить разнообразную, в том числе и новую специализированную каналообразующую аппаратуру передачи сигналов и дискретной информации ЖАТ с более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с традиционной [1].

Модернизация действующих и создание новых систем АБ, ДЦ и АЛС осуществляется в условиях использования, как правило, далеких от совершенства, таких традиционных каналов передачи информации ЖАТ, как рельсовые цепи и кабели СЦБ. Данные каналы передачи характеризуются значительной нестабильностью своих характеристик, наличием высокого уровня помех и их спецификой. В свою очередь, реализация цифровой обработки сигналов предполагает выполнение следующих основных требований, без соблюдения которых невозможно оптимизировать режим приема этих сигналов и построить надежное приемное устройство:

• динамический диапазон сигналов на входе аналого-цифрового преобразователя никогда не должен превышать его предельных паспортных значений;

• минимальный уровень входного сигнала должен быть на 20 дБ больше шумов квантования;

• спектр входного сигнала должен быть ниже половинной частоты дискретизации, а для качественного приема сигналов с изменяющимися фазовыми характеристиками он должен быть значительно ниже частоты дискретизации.

Для выполнения этих требований любое устройство цифровой обработки сигналов должно иметь на входе преселектор, ограничивающий спектр входного сигнала, подавляющий внеполосные помехи и мешающие каналы. Он должен иметь широкий входной динамический диапазон и низкий уровень собственных шумов. Этим требованиям более полно удовлетворяют пассивные фильтры.

Не последнюю роль в цифровых системах играют его габариты, стоимость и технологичность производства. Применение же LC-фильтров для низкочастотных сигналов требует установки низкотехнологичных моточных изделий, требующих настройки. В результате рассмотрения ряда возможных вариантов выполнения активных и пассивных схем фильтров было установлено, что наиболее полно перечисленным выше требованиям удовлетворяет режекторный Т-образный фильтр 2-го порядка на RC звеньях [2,3]. При малом количестве элементов он позволяет формировать амплитудно-частотные характеристики фильтров ФНЧ, ФВЧ и ППФ и одновременно имеет сравнительно низкую чувствительность к разбросам элементов. В результате появляется возможность построения преселекторов не только с заданными характеристиками и пониженными требованиями к трудозатратам при настройке и регулировке в процессе производства и эксплуатации, но и допускающих автоматизацию процесса изготовления и микроминиатюризацию.

Применение фильтров требует рассмотрения методов компенсации «ухода» частоты настройки от изменения параметров элементов при воздействии различных дестабилизирующих факторов, чтобы гарантировано обеспечивать требуемые пороговые характеристики разрабатываемого устройства в течении всего срока его эксплуатации.

Данная работа посвящена выбору методов расчета влияния дестабилизирующих факторов на амплитудно-частотные характеристики фильтра.

Указанные выше фильтры были применены во входном преселекторе приемников сигналов контроля рельсовой цепи системы АБТЦ-М, что позволило на практике проверить соответствие теоретических расчетов результатам, полученным в серийном производстве.

Исходные расчетные соотношения

На рис.1 приведена электрическая схема звена Т-образного фильтра, для которого в соответствии с практическими соображениями в были определены следующие зависимости для заданной единичной частоты настройки :

ω0 = 1,1547·(Rф·С)-1, (1)

где Rф расчетное сопротивление фильтра;

R2 = п1·Rф. R3 = п2·Rф R3 = 6·Rф С=С1=С2=СЗ элементы фильтра;

пi -коэффициент перестройки (соотношение сопротивлений в плечах фильтра);

i-номер плеча фильтра.

 

электрическая схема звена Т-образного фильтра

Рис. 1

 

Учет влияния дестабилизирующих факторов

При определении величины расстройки фильтра в результате старения его элементов и последствий воздействия на них производственных и других дестабилизирующих факторов важно установить границы оценки изменений параметров этих элементов.

Минимаксные оценки, как правило, дают излишне оптимистическую или, наоборот, пессимистическую картину. Тем не менее, они используются на практике, поскольку характеризуют диапазон предельных флуктуации параметров, определяющий возможность работоспособности изделия в редких или критических ситуациях с оценкой границы на уровне « два сигма». При минимаксных оценках учитывается алгебраическая сумма нормируемых отклонений в процентах по каждой i-ой составляющей или каждому дестабилизирующему фактору из их общего числа N, влияющих на стабильность оцениваемого параметра. Применительно к рассматриваемой задаче предельная величина отклонения частоты, которая характеризует долевое влияние резисторов и конденсаторов из (1), равна

δf = -(δRC)     (2)

где каждая составляющая суммы может быть найдена из выражения

формула

Среднеквадратические оценки более реалистичны, что с большим основанием позволяет применять вероятностные методы для прогноза результатов эксплуатации, расчета надежности работы изделия и планирования производства с заданным процентом выхода годных изделий. Они также позволяют определять необходимые сроки периодической проверки изделия в процессе эксплуатации, что особенно важно для систем, отвечающих за безопасность движения на железных дорогах.

При среднеквадратических оценках учет ведется по сумме квадратов нормируемых отклонений. В предельном случае, с завышением оценки на 30-40 %, допустимо пользоваться соотношением

формула

Учитывая, что перестройка возможна только вверх по частоте, расчет элементов фильтра производится для нижнего значения (6) при соответствующей величине предельного относительного отклонения частоты по формуле (2) или (5). Перестройка осуществляется путем изменения сопротивления в одном плече, причем коэффициенты перестройки находятся решением уравнения

формула

Из (8) следует, что в отсутствии расстройки обеспечивается единственно возможная частота настройки фильтра и коэффициент п = 0.5, а результирующие сопротивления в плечах фильтра рассчитываются по формулам:

формула

а среднеквадратическая оценка отклонения частоты может быть найдена в виде

формула

где составляющие суммы принимаются равными (3) или (4) в зависимости от постановки задачи.

Следует иметь в виду, что смещение частоты режекции данного фильтра всегда противоположно знаку и характеру изменения параметров его образующих элементов, и новое значение частоты режекции удобно определить из выражения

формула

Наиболее просто компенсация отклонения частоты может быть осуществлена изменением соотношения между сопротивлениями в плечах фильтра. Для этого в фильтр вводится дополнительный потенциометр Rд, регулировочный вывод которого соединяют с общим проводом. Противоположные выводы потенциометра подключаются к нижним по схеме концам резисторов R2 и R3, образуя с ними общее сопротивление плеч фильтра

формула

формула

Если подстройка осуществляется путем подбора резисторов плеч фильтра из заданного ряда и без изменения схемы рис.1, то величины сопротивлений должны, соответственно, находиться в пределах:

формула

В заключение отметим, что, выбирая тип и параметры дополнительного регулировочного элемента, следует руководствоваться (2), отдавая предпочтение тому из них, чьи характеристики более сопоставимы с основными свойствами используемых элементов фильтра.

Пример расчета

Ниже приводится пример расчета компенсации отклонения частоты настройки фильтра по предлагаемой методике.

Исходные требования :

1. Тип фильтра: режекторный.

2. Частота режекции: 300 Гц, подстраивается только при настройке.

3. Оценка нестабильности параметров элементов: среднеквадратическая.

4. Оценка нестабильности частоты: предельная.

5. Диапазон рабочих температур: от минус 10° С до плюс 50° С.

6. Элементная база: резисторы С2-29В-0Д25 ± 0,5%-А-1 ОЖО.467.138ТУ; конденсаторы К71-7-250В ± 0,5%-В ОЖО.461.100 ТУ.

Нормируемые отклонения параметров элементной базы приведены в табл. 1.

Таблица 1

Причина отклонения параметраС2-29, сопротивлениеК71-7, конденсатор
Норма, %Норма, %
1.Изготовление±0,5±0,5
2.Пайка при установке± 0,5 -
3.Действие температуры - минус 10 С - плюс 50°С± 0,225 ± 0,075± 0,42 ± 0,06 ± 0,42 ± 0,06
4.Рабочее состояние±0,5±0,25
5.Сохранность на складе±0,5±3
6.Механические воздействия при монтаже±0,5±0,5
7.Циклические температурные воздействия±0,5±0,5
8.Действие влажности±0,5±0,5

Последовательность расчета:

1. Расчетные отклонения параметров элементов после монтажа фильтра приведены в табл.2.

Таблица 2

Элемент, параметрОблегченные условияВозможные условия
Отклонение по табл. 1Требуемая регулировка, %Отклонение по табл. 1Требуемая регулировка, %
Резистор1,2+0,71,2,5,6,8±1,11
Конденсатор1,2+0,51,2,5,6,8+3,1
Частота--(± 1,2 )--(±4,21)

2. Расчетные отклонения параметров элементов при эксплуатации фильтра приведены в табл.3.

Таблица 3

Элемент, параметрОблегченные условияВозможные условия
Отклонение по табл. 1Требуемая регулировка, %Отклонение по табл. 1Требуемая регулировка, %
Резистор3,4±0,553,4,8±0,74
Конденсатор3,4±0,493,4,8+0,7
Частота-- (± 1,04)--(±1,44)

Примечание: для жестких условий дополнительно следует учитывать старение элементов и результат циклических воздействий перепадов температуры.

3. Рассчитываем элементы фильтра при конденсаторе С = 0,0218 мкФ и при предельном отклонении частоты после монтажа элементов δf = ±4,21%:

- нижнее значение частоты fmin=287,88 Гц;

- расчетное сопротивление фильтра Rф= 28100 Ом;

- сопротивление R1 =168600 Ом;

- сопротивление в плече фильтра R2= 14050 Ом;

- коэффициенты перестройки nmin = 0,356 , nmax =0,644 .

- сопротивление в плече фильтра R3 < 10521 Ом; - потенциометр в плече фильтра RД > 4711 Ом.

4. При монтаже фильтра устанавливаются :

-резисторы R1 = 169 кОм ; R2=14 кОм ; R3 = 10,5 кОм ;

-конденсаторы С1= С2= С3= 0,0218 мкФ;

-потенциометр типа СП5-22 сопротивлением RД= 4,7 кОм.

Расчетное ожидаемое отклонение значения частоты режекции фильтра при эксплуатации в заданном температурном диапазоне находится в пределах 295,68 - 304,32 Гц.

Заключение

Приведенный метод расчета позволяет оценить необходимость и величину регулировки как на этапе изготовления, так и в процессе эксплуатации на протяжении всего заданного срока службы. Актуальность применения Т-фильтров, как уже отмечалось выше, в качестве преселекторов в системах, содержащих сигнальные процессоры, обусловлена тем, что при цифровой обработке сигналов качество обработки не зависит от внешних дестабилизирующих факторов, присущих аналоговым элементам. Приведенная методика позволяет оценить в зависимости от технических требований к системе необходимые допуски на параметры элементов и обеспечить качество серийно выпускаемой продукции.










Системы передачи данных

 


Комплексные проектные решения

 


Управление распределенными системами

 


Автоматизированные рабочие места

 


Системы и средства обеспечения безопасности движения

 


Цифровые сети технологической связи

 


Информационные системы управления движением

 


Автоматизированное управление разработками проектов

 




ПКП Стальпром основано в 1991 году и занимается организацией изготовления и поставкой котельных труб различного сортамента на рынки стран СНГ и дальнего зарубежья. ГОСТ 550-75 Трубы стальные бесшовные для нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

 


Радиомодемы, GSM/GPRS/3G модемы, IP радиороутеры

 



Copyright (c) 2008, Infotest, Inc.