Filter - Entwicklung bis Realisierung

Fragen zu Elektronik und Elektro allgemein.Fragen zu Bauteilen wie z.B. Tansistoren, Dioden, Kondensatoren usw.

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Filter - Entwicklung bis Realisierung

Neuer Beitragvon b03ch7 am Samstag 5. Mai 2007, 22:19

Guten Abend, und erstmal ein großes Kompliment an dieses Forum!
Ich konnte mich in den letzten Stunden seit meiner Anmeldung etwas einlesen, und bin doch positiv überrascht, wieviel geballte Hilfe es hier doch gibt, im sonst doch etwas hilfskargen Internet wenn es um E-Technik geht.
Doch leider sucht man immer erst nach guten Foren, wenn man Hilfe benötigt, so auch ich, aber jeder fängt wohl mal klein an, denke ihr seht mir das nach ;)

Kurz meine Aufgabenstellung:
Bild
Dazu hätte ich dann leider ein paar grundlegende Fragen, denn ich wurde da doch ins kalte Wasser geworfen. Mir geht es vorerst darum, ob ich etwas falsch verstanden habe oder etwas übersehen habe oder es bessere Lösungsansätze gibt, doch muss logischerweise zuerst mein Denkansatz stimmen, bevor ich mich an die Berechnung machen kann.

Bisher bin ich mir bei folgenden Sachen sicher:
Platine mit Frequenzgenerator als Quelle.
2 Filter sollen hintereinander durch Kabelstecken angeordnet werden.

Meine bisherigen Erkenntnisse haben zu unten angehängtem Schaltplan geführt, Werte fehlen logischerweise noch, es geht mir momentan mehr ums Prinzip.
Damit es fürs beantworten etwas einfacher wird, hab ich meine Fragen bzw. Unsicherheiten mal durchnumeriert:
  1. Ist die Impedanzwandlung überhaupt so gedacht?
  2. Und was tut sie? Soll sie nur die Quelle entlasten und einen Schwingkreis zwischen den beiden Filtern verhindern oder noch mehr?
  3. Sollen die Filter überhaupt so (zwischen den OP-AMPs) angeordnet werden?
  4. Soll ich überhaupt passive Filter verwenden (RCL) ließ mich darauf schließen,
  5. aber gibt es evtl. noch andere Möglichkeiten mit L?



Vielen Dank schonmal für eure Hilfe, da ich leider nur bis Ende der Woche Zeit habe die Platine fertig zustellen, wäre es schön zu wissen, ob ich überhaupt auf dem richtigen Weg bin...
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b03ch7
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Neuer Beitragvon anders am Samstag 5. Mai 2007, 22:36

Das kann so ähnlich funktionieren., allerdings solltest du die Gegenkopplung an den invertierenden Eingang legen.

Da die meisten Filter für bestimmte Ein- und Ausgangswiderstände berechnert werden, und der Ausgangswiderstand des Pufferverstärkers sehr klein ist, solltest du zwischen Ausgang des Puffers und Eingang des Filters noch einen ohmschen Serienwiderstand vorsehen, damit die aus dem Filter reflektierte Energie absorbiert werden kann.
anders
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Neuer Beitragvon Stromus am Sonntag 6. Mai 2007, 14:16

Das wird so nicht funktionieren. Die 1V-Signalquelle stellt eine Wechselspannung dar. Das hat Dein Professor scheinbar vergessen, denn er verlangt eine einseitige 5V-Versorgung für die OP's. In Wirklichkeit werden 2 Spannungen benötigt: +5V für die positive Versorgung und -5V für die negative Versorgung.
Des weiteren sollte die 1V-Quelle an den positiven Eingang eingespeist werden und die jeweilige Rückkopplung sollte an den negativen Eingang angeschlossen werden.
Der Widerstand, den Herr Anders angesprochen hat, sollte so gewählt werden, dass eine Spannungsüberhöhung nicht stattfindet. Er wird jeweils mindestens den Wert Rx = Wurzel(Lx/Cx) haben.
Stromus
Threadstarter
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Neuer Beitragvon b03ch7 am Sonntag 6. Mai 2007, 16:14

Dankeschön schonmal,
das Eingangssignal wird vorrangig Sinus 10Vss sein, nix genaues weiß man nicht, da der Prof sich über den genaueren späteren Verwendungszweck etwas bedeckt hält. Die Spannungsversorgung der AMPs ist klar, da kümmert sich jemand anders um die +5 und -5V (wenigstens das).

Dass vor dem Filter ein Widerstand rein muss, hab ich dann heute Mittag in der Theorie gesehen, vor dem ersten OP ist er jedoch (zumindest theoretisch) unnötig, wird der OP jedoch evtl. brauchen (mit genaueren Bauteilspezifikationen konnte ich mich bisher noch nicht beschäftigen, eilt aber auch nicht so extrem).
Der Lastwiderstand verhindert die Spannungsüberhöhung, hab ich in PSpice gesehen, lässt jedoch, genau wie der Vorwiderstand, Spannung abfalen, die mir dann am Ausgang fehlt. Das wird ja so wohl kaum gewünscht sein, somit müsste ich diese wieder über den OP verstärken, war also das Wort Impedanzwandler nur ein Zaunpfahl (Wink kann mans ja wohl kaum mehr nennen) um mich auf diese Fährte zu bringen? Aber dann fehlt mir nach dem zweiten Filter ja immernoch die Spannung, die dort abfällt, muss also evtl. der vordere OP ganz nach hinten und kann vorne entfallen? Macht das ein Standard-Labor-Signalgenerator überhaupt mit oder verzerre ich durch die Last evtl. die ganze Kurve?

Sorry, wenn ich viele Grundsatzfragen stelle, die für euch Grundvoraussetzungen sind, aber der Prof hat leider die angewohnheit die Studis grundsätzlich zu überfordern, was man ihm in höheren Semestern sicherlich dankt, aber im Moment eben einfach nicht damit zurecht kommt.
b03ch7
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Neuer Beitragvon derguteweka am Sonntag 6. Mai 2007, 18:04

b03ch7 hat geschrieben:Dass vor dem Filter ein Widerstand rein muss, hab ich dann heute Mittag in der Theorie gesehen, vor dem ersten OP ist er jedoch (zumindest theoretisch) unnötig, wird der OP jedoch evtl. brauchen (mit genaueren Bauteilspezifikationen konnte ich mich bisher noch nicht beschäftigen, eilt aber auch nicht so extrem).

Yepp, der Widerstand vor dem erstenOP ist als explizier Widerstand eigentlich nicht noetig - wird aber vielleicht durch den Ausgangswiderstand des Signalgenerators gebildet (Hat aber durch den hochohmigen OP-Eingang keinen Einfluss auf die Schaltung).
Wie's mit Widerstaenden an den Filterein- und Ausgaengen steht, ist vom Filter abhaengig. Du kannst Filter so bauen, dass sie an Ein- und Ausgang auf einen bestimmten Widerstand arbeiten; du kannst Filter aber auch so bauen, dass sie z.b. auf einer Seite auf 0 Ohm oder auch Unendlich arbeiten. Beispiel: Frequenzweiche fuer Lautsprecher, da ist der Ausgang des Verstaerkers (= das,was das Filter an seinem Eingang "sieht" sehr, sehr niederohmig (z.b. <<4 Ohm)).
b03ch7 hat geschrieben:Der Lastwiderstand verhindert die Spannungsüberhöhung, hab ich in PSpice gesehen, lässt jedoch, genau wie der Vorwiderstand, Spannung abfalen, die mir dann am Ausgang fehlt. Das wird ja so wohl kaum gewünscht sein, somit

Die 6dB Daempfung sind halt ein unangenehmer Nebeneffekt, wenn mit definierten Ein- und Ausgangsimpedanzen gearbeitet werden soll.
Das ist aber immer so - also auch ohne Filter - wenn du eine Spannungsquelle mit Innenwiderstand, die einen Lastwiderstand (bei Leistungsanpassung)speist, anguckst.
Wenn ich mir deine Schaltung aber so anguck', dann arbeiten die Filter ja jeweils an ihren Eingaengen auf eine sehr niedrige Impedanz (Eben die Ausgangsimpedanz der OPs), d.h. da gibts keine "automatische 6dB-Strafdaempfung"
b03ch7 hat geschrieben:müsste ich diese wieder über den OP verstärken, war also das Wort Impedanzwandler nur ein Zaunpfahl (Wink kann mans ja wohl kaum mehr nennen) um mich auf diese Fährte zu bringen?

Glaub' ich weniger. Die Impedanzwandler zwischen den Filterstufen bewirken, dass die beiden Filter sich gegenseitig nicht "sehen", d.h. die Einzelfrequenzgaenge beider Filter koennen einfach multipliziert werden. Sind 2 Filter direkt in Kette geschaltet, wird der Gesamtfrequenzgang anders aussehen, als das Produkt der Einzelfrequenzgaenge - weil sich beide Filternetzwerke gegenseitig beeinflussen koennen.
b03ch7 hat geschrieben:Aber dann fehlt mir nach dem zweiten Filter ja immernoch die Spannung, die dort abfällt, muss also evtl. der vordere OP ganz nach hinten und kann vorne entfallen? Macht das ein Standard-Labor-Signalgenerator überhaupt mit oder verzerre ich durch die Last evtl. die ganze Kurve?

Naja, das kommt halt immer drauf an, welche Impedanzverhaeltnisse du an Ein- und Ausgang haben willst.
Bei einem Signalgenerator hast du ja i.a. einen definierten Ausgangswiderstand (steht drauf oder in der Bedienungsanleitung). Wenn der in der Groessenordnung ist, die fuer die Filter akzeptabel sind, dann kannst du den ersten OP vor dem Filter weglassen und das Filter direkt (oder ueber ein rein ohmsches Daempfungsglied) ansteuern.
Am Ausgang des 2. Filters waere ein OP nicht schlecht, weil dann das Signal mit einer definieten Ausgangsimpedanz (~ 0 Ohm) aus dem OP entnommen werden kann und nicht direkt aus dem Filter.
b03ch7 hat geschrieben:Sorry, wenn ich viele Grundsatzfragen stelle, die für euch Grundvoraussetzungen sind, aber der Prof hat leider die angewohnheit die Studis grundsätzlich zu überfordern, was man ihm in höheren Semestern sicherlich dankt, aber im Moment eben einfach nicht damit zurecht kommt.

Kein Problem. Das Schwierige ist halt nur, dass man bei Filtern recht viel "drehen" kann (z.b. bzgl. Ein- und Ausgangsimpedanz) und davon natuerlich der die Filter umgebende Teil der Schaltung (hier evtl. Ein- und Ausgangswiderstaende der Signalquellen,-senken und OPs) beeinflusst wird.

Gruss
WK
derguteweka
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Neuer Beitragvon Stromus am Sonntag 6. Mai 2007, 19:14

Die 6dB Daempfung sind halt ein unangenehmer Nebeneffekt, wenn mit definierten Ein- und Ausgangsimpedanzen gearbeitet werden soll.


Welche 6dB?

Der Lastwiderstand verhindert die Spannungsüberhöhung, hab ich in PSpice gesehen


Vorsicht Falle! Der jeweilige Lastwiderstand (ich nehme an, Du meinst die jeweiligen Widerstände parallel zu den C's) dämpft eventuell nicht. Es kann sein, dass der OP den Strom bei der Resonanz nicht liefern kann.
Du solltest die Kreisimpedanz der jeweiligen LC-Kombination bei der Resonanz so dimensionieren, dass die benötigte Dämpfung nicht einen Strom bedeutet, der vom OP nicht lieferbar wäre!!!
Stromus
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26474
 

Neuer Beitragvon Stromus am Sonntag 6. Mai 2007, 20:06

Kurze Betrachtung, um zu verstehen was ich meine.

Nehmen wir an, Du willst ein Tiefpassfilter bauen. Dabei soll ein Impedanzwandler zwischen Signalquelle und Filter eingebaut werden.
Annahmen:
1. Amplitude der Signalquelle = û
2. Grenzfrequenz festgelegt als fg
3. Der Op kann nur I_max liefern

Eine Grenzwertige Dimensionierung auf den maximal lieferbaren Strom ist nicht nötig. Wir wählen pauschal Ia = Imax/2
Bei der Resonanz der Spannungen (RLC-Serie) wird der Strom nur durch den Serienwiderstand begrenzt.
Damit keine Spannungsüberhöhung stattfindet lautet die Bedingung:
R mindestens = Wurzel (L/C)

(Bitte Herleitung!)

Aus WL kleiner/gleich als û/Ia (Remember der Strom darf nicht überschritten werden)
und W = 2*Pi*fg bekommen wir L
Aus 1/WC = WL bekommen wir C
R = Wurzel(L/C)

Die Phasenbeziehungen habe ich vernachlässigt. Anderenfalls gilt die komplexe Rechnung mit "j" ...
bekommen wir L
Stromus
Threadstarter
26475
 

Neuer Beitragvon b03ch7 am Montag 7. Mai 2007, 16:46

Danke erneut für die Antworten, der theoretische Teil und die Dimensionierung der Filterbauteile ist nichteinmal das Problem, das bekommen wir mittlerweile ganz gut hin, nur der Übertrag in die verknüpfte Praxis ist doch etwas schwierig.

z.B. die Versorgung des OPs mit +5V und -5V.
Zuerst in den Sinn kam mir ein ICL 7660, der ja auch die passende Spannung bereitstellen kann. Nur dann: Und der Strom? Wir haben z.B. im Tiefpass mit einer schönen Flanke einen Spitzenstrom bei den gedämpften Frequenzen von fast Î=150mA, was ja hieße, dass auch die negative Spannungsversorgung knapp 50mA liefern müsste (Effektivstrom der negativen Halbwelle) oder hab ich hier einen groben Denkfehler drin, und sie muss garkeinen Strom liefern?

Weiter komme ich um die Flankensteilheit zu wahren nicht um die Spannungserhöhungen rum, der OP läuft dann doch in den Anschlag und schneidet diese Überhöhung einfach weg (zumindest nach dem ersten Filter), was mir ja sogar entgegenkommt, oder zerschiesse ich ihn mir damit?

Außerdem hat der OP ja schon einen Ausgangswiderstand von 20-1k, die schönste Trennung hab ich etwas mit einem Vorwiderstand von 26Ohm, was meinen Vorwiderstand auf 6 schrumpfen ließe, was mir wieder nicht ganz knusper vorkommt.
b03ch7
Threadstarter
26482
 

Neuer Beitragvon Stromus am Montag 7. Mai 2007, 18:51

Du hast gar nicht gelesen, was ich geschrieben habe. Deshalb:

Viel Spaß!
Stromus
Threadstarter
26485
 


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