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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik bandpass für Ultraschall


Autor: Waldgichtel (Gast)
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Guten Mittag zusammen,

ich versuche gerade einen Filter+Verstärker für ein Ultraschallmikrofon 
zu erstellen. Die Mittenfrequenz soll also bei 40khz liegen.

Gefunden habe ich hierzu diese Schaltung:
http://www.mikrocontroller.net/articles/Aktiver_RC-Bandpass

Ich bin jetzt auf diese Werte hier gekommen:

R1: 150 Ohm
R2: 10 kOhm
C1: 0.1 uF
C2: 0.1 nF

Habe dazu mal den Frequenzgang in Calc bzw Exel gezeichnet und hätte 
demnäch bei 40kHz eine Verstärkung von ~32db.

http://toflo.homeunix.org/~toni.burger/temp/bandpass.ods
http://toflo.homeunix.org/~toni.burger/temp/bandpass.xls

Und nun die Frage wo ist mein Denk/Rechenfehler? Nachdem ich das nun so 
in spice simuliert habe, ist die Ausgangsspannung um ein vielfaches 
kleiner als die Eingangsspannung ... was ja eigentlich nicht der Plan 
war.

Kann mir hier jemand weiterhelfen?

Toni

Autor: HildeK (Gast)
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An einer Spannungsquelle (Ri = 0) macht die Schaltung rund 35dB bei 
20kHz (meine Simulation mit LTSpice).
Wie hochohmig ist dein Mikrofon? Dessen Ausgangsimpedanz geht natürlich 
voll in den Frequenzgang und die Verstärkung ein.

Autor: Marvin (Gast)
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Ich würde meinen, wenn er sich schon die Mühe macht, hat er auch einen 
Impedanzwandler vorgeschaltet, das lässt sich ohne Schaltplan aber 
schwer sagen....

Autor: Waldgichtel (Gast)
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Vielen Dank für die schnelle Antwort,

das Mikrofon hat glaube ich einen Ausgangswiderstand von 10kOhm bei 
40khz. Aber ein Impedanzwandler kommt denke ich schon noch davor.

Ich scheiter ja leider schon an der Schaltung mit einer idalen 
Spannungsquelle :(. Da bei deiner Simulation nun 35db bei 20kHz sind G 
lässt mich irgendwie vermuten dass meine Rechnung ordentlich daneben 
ging :).

Wenn ich in die Formel hier für die Resonanzfrequenz:
http://www.mikrocontroller.net/articles/Aktiver_RC-Bandpass
meine Werte einsetzte lande ich bei ~41khz .

Wo habe ich denn da den Fehler gemacht? :/ ...

Mal abgesehen davon bekomme ich keine gescheite Simulation hin in 
LT-Spice. Ich hab da nämlich ne Dämpfung vom Eingangssignal :(. Würdest 
du mir mal deine Simulation in den Anhang machen?

Toni

Autor: HildeK (Gast)
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Gerne,
ich hatte ursprünglich ein Modell des TL074 drin - da das aber nicht in 
der Lib ist, habe ich den OPA durch einen aus der LT-Serie ersetzt - wie 
gut der es trifft, weiß ich aber nicht. Der Frequenzgang ist jedenfalls 
fast gleich. Bei Ausprobieren verschiedener OPAs habe ich auch 
festgestellt, dass der Kurvenverlauf auch vom OPA abhängig ist. Der 
LT1351 scheint aber dem TL074 sehr nahe zu kommen.

Das zweite Filter (rechts) ist nach TI FilterPro erstellt und hat einen 
deutlich anderen Verlauf. Vergleiche einfach mal.

Autor: HildeK (Gast)
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>Wo habe ich denn da den Fehler gemacht? :/ ...

Die realen Eigenschaften des OPAs sind in der Rechnung nicht enthalten. 
Bei 40kHz kann das schon eine Rolle spielen und die werden ja in der 
Simulation berücksichtigt.
Mit welchem OPA hast denn du simuliert?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Waldgichtel,

dein Bandpaßfilter hat eine Eingangsimpedanz von nur rund 150 Ohm. Ist 
das gewollt? Ich glaube nicht, daß das ein vorangehender OPamp sehr mag.

Für das Verstärken und Auswerten der Signale von Ultraschallmikrofonen 
wird gerne eine Schaltung wie im Anhang verwendet. Die 10k/1n (bzw. 
1k/10n) Hochpässe und die endliche Bandbreite des LM324 ergeben in der 
Regel genug Bandpaßcharakteristik.

Kai Klaas

Autor: Bernd (Gast)
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Hallo!

Könnte jemand erklären, welcher Bedeutung der Diode in Kai Klaas' 
Zeichnung unten rechts im Bild zugeschrieben wird?!


Danke im Voraus!

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Bernd,

>Könnte jemand erklären, welcher Bedeutung der Diode in Kai Klaas'
>Zeichnung unten rechts im Bild zugeschrieben wird?!

Um die Schaltschwelle von Versorgungsspannungsänderungen unempfindlich 
zu machen. Die Schaltung ist mal für 9V Batteriebetrieb ausgelegt 
worden.

Kai Klaas

Autor: Bernd (Gast)
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Welche Funktionsweise hat die Diode hier? Könntest du die Schaltung 
eventuell etwas näher erklären?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Bernd,

>Welche Funktionsweise hat die Diode hier? Könntest du die Schaltung
>eventuell etwas näher erklären?

Ohne Ultraschallsignal liegt die Spannung am "+" Eingang des Komparators 
auf rund Vcc/2 - 0,5V. Am "-" Eingang sind es dagegen rund Vcc/2 + 0,5V. 
Damit der "+" Eingang größer ist als der "-" Eingang und der Komparator 
umschaltet, muß die Signalspannung am Ausgang des letzten OPamp also 
rund 1Vs betragen.

Man hätte die untere Diode theoretisch auch der oberen in Reihe schalten 
können. Es ging in dieser Anwendung nur darum die Schaltschwelle auf 
ungefähr 1Vs zu bringen (unabhängig von Versorgungsspannungsänderungen). 
Mit der Diode unten ist die Schaltschwelle nur etwas konstanter.

Kai Klaas

Autor: Bernd (Gast)
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Danke für die Erklärung! Leider bin ich mir nach wie vor noch nicht so 
sicher über den Nutzen der Diode.
Hebt sie das Potenzial vom (+) Eingang um 0,7V an?
Ich finde es etwas verwirrend, da sie "falsch herum" hinter einem 
Spannungswandler geschaltet ist, wärend rechts von ihr ebenfalls eine 
Spannung eingeprägt wird.
Ich habe das ganze mal mit Maschengleichungen versucht, jedoch komme ich 
nicht auf den grünen Zweig...

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Also, die Idee ist, daß der Komparator dann umschalten soll, wenn ein 
Ultraschallsignal ausreichender Größe am Mikrofon ansteht. Dazu wird das 
Ultraschallsignal rund 5,7 x 5,7 x 5,7 x 5,7 = 1060 mal verstärkt. Damit 
der LM324 dieses Wechselspannungssignal mit einer unipolaren 
Spannungsversorgung überhaupt verarbeiten kann, wird er durch den 
Spannungsteiler ganz links unten auf Vcc/2 vorgespannt. Ohne 
Ultraschallsignal liegt also an jedem OPamp eine Spannung von Vcc/2 an 
den Eingängen und Ausgängen.

Der 1nF Kondensator hinter der oberen Diode lädt sich dabei auf eine 
Spannung von rund Vcc/2 - 0,5V = 4,0V auf, weil durch die 
Reihenschaltung aus 1k Widerstand, Diode und 1M Widerstand ein Strom von 
rund (4,5V - 0,5V) / 1MOhm = 4µA fließt, der eine Diodenflußspannung von 
rund 0,5V bewirkt.

Kommt jetzt ein Ultraschallsignal, dann überlagert sich am Ausgang des 
letzten OPamp dem DC-Pegel von 4,5V eine Wechselspannung von sagen wir 
einmal 1Vs und rund 40kHz und bewirkt eine Spannung von 4,5V +/-1V vor 
der oberen Diode. Die Spannung schwankt dort also zwischen 3,5V und 
5,5V. Das hat zur Folge, daß der 1nF Kondensator auf eine Spannung von 
5,5V - 0,5V = 5,0V aufgeladen wird, also 0,5V weniger als 5,5V, weil an 
der Diode rund 0,5V hängen bleiben.

Wegen der Diode wird der Kondensator von der negativen Halbwelle nicht 
mehr entladen, sondern bleibt auf dieser Spannung. Erst, wenn das 
Ultraschallsignal wegfällt, kann sich der 1nF Kondensator wieder 
entladen. Dafür sorgt der 1M Widerstand parallel zum 1nF Kondensator, 
der ein verzögertes Entladen bewirkt, um beispielsweise einem 
nachgeschalteten Mikrocontroller genügend Zeit zu geben, um auf den 
veränderten Pegel am Ausgang des Komparators zu reagieren.

Der "-" Eingang des Komparators dagegen ist auf eine Spannung von Vcc/2 
+ 0,5V vorgespannt. Dafür sorgt der Spannungsteiler ganz rechts unten, 
der die Kathode der dortigen Diode auf rund Vcc/2 legt. Durch den 1M 
Widerstand wird ebenfalls ein Strom von rund (9V - 4,5V - 0,5V) / 1M = 
4,0V / 1M = 4µA fließen gelassen, der eine Diodenflußspannung von 0,5V 
erzwingt. Die Anode dieser Diode ist dehalb um 0,5V positiver als Vcc/2, 
liegt also permanent auf 5,0V.

Wenn man die Schaltung genauer analysiert, dann fällt auf, daß der 
Komparator immer dann schaltet, wenn das Ultraschallsignal einen Pegel 
von rund 1Vs besitzt. Die genaue Größe der Versorgungsspannung hat in 
erster Näherung keinen Einfluß auf die Schaltschwelle und kürzt sich 
heraus, weil die beiden Spannungsteiler ganz links unten und ganz rechts 
unten mit dem gleichen Teilungsfaktor arbeiten.

Kai Klaas

Autor: Bernd (Gast)
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Vielen Dank für die ausführliche Erklärung !

Autor: Waldgichtel (Gast)
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Guten Nachmittag zusammen,
vielen dank für die vielen Antworten.

Das Simulationsbeispiel hat mir schon sehr weitergeholfen. Vor allem die 
zweite Schaltung mit der mehrfach Gegenkopplung. Danke, Kai Klaas für 
den Schaltplan. Das sieht schon ordentlich aufwändig aus, vor allem weil 
ich die Schaltung zweimal benötige.

Daher noch ein Versuch ... ich hoffe ich habe richtig gerechnet. In der 
Simulation von HildeK ist Mehrfachgegengekoppelte Schaltung wie im 
Anhang.

Ich bin bei dieser nun auf eine Eingangsimpedanz von 3580 Ohm gekommen. 
Verrechnet oder passts halbwegs? Bin wieder von einem idealen OP 
ausgegangen. Das müsste ein vorgeschalteter Impedanzwandler noch 
mitmachen oder?

Wenn nicht, brauch ich halt doch ein paar OPs mehr :( und werd's so 
machen wie in obigem Schaltplan.

Schönen Sonntag noch.

Toni

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Waldgichtel,

>Ich bin bei dieser nun auf eine Eingangsimpedanz von 3580 Ohm gekommen.

Das könnte hinkommen. Die Eingangsimpedanz sieht jetzt auf jeden Fall 
viel besser aus. Die Resonanzfrequenz scheint auch bei 40kHz zu liegen.

Was mir aber Sorgen macht, ist die hohe Filtergüte! Ich komme da auf 
Q=9,8. Da die offene Sschleifenverstärkung des OPamp bei der 
Resonanzfrequenz, also 40kHz, rund 20 x Q^2 = 1920 betragen sollte, 
brauchst du für diese Schaltung einen OPamp mit einer Unity Gain 
Bandwidth von 80MHz!

Meine Schaltung braucht zwar mehr Bauteile, kommt dafür aber mit einem 
4fach-OPamp mit nur 1MHz Bandbreite aus.

Kai Klaas

Autor: Waldgichtel (Gast)
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Uff das ist ja was ;-).
Da lern ich jetzt seit nem Jahr G wie man mit idealen Bauteilen 
rumrechnet ... und kaum brauch ich's ma richtig scheiter ich an lauter 
Dingen, über die ich mir noch nie Gedanken gemacht hab :(.

"Unity Gain Bandwidth" ist die Frequenz bis zu der die Verstärkung 
nahezu konstant ist?

Wie man auf 80Mhz kommt hab ich noch nicht ganz verstanden G Muss ich 
wohl erst mal nochwas drüber lesen :/.

Habe mit dem 35db etwas arg übertrieben glaub ich. Ich werd jetzt erst 
mal schauen wieviel wirklich nötig sind und meld mich dann wieder ;-). 
Mit 10db siehts wahrscheinlich schon wieder ganz anderst aus :).

Das Mikrofon steht ca 5cm vom Sender entfernt da wird die Verstärkung 
wahrscheinlch gar nicht so groß sein müssen. Hab da noch nicht so ne 
Vorstellung davon :(.

Danke für die Hilfe.

Toni

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Waldgichtel,

>Habe mit dem 35db etwas arg übertrieben glaub ich. Ich werd jetzt erst
>mal schauen wieviel wirklich nötig sind und meld mich dann wieder ;-).
>Mit 10db siehts wahrscheinlich schon wieder ganz anderst aus :).

Dann braucht der Opamp noch 5MHz.

>Wie man auf 80Mhz kommt hab ich noch nicht ganz verstanden G Muss ich
>wohl erst mal nochwas drüber lesen :/.

Bedenke, daß die Open Loop Gain eines OPamp gewöhnlich mit 20dB pro 
Dekade abfällt.

Kai Klaas

Autor: Waldgichtel (Gast)
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Guten Abend wieder :),

habe mir nun die Mikrofone mal angeschaut und den Ultraschallsender.

Hier mal das Datenblatt:
http://www.reichelt.de/?;ACTION=6;LA=3;ARTICLE=221...

Habe mir da nun folgendes überlegt ... hoffe keine groben Fehler drin 
;-)

in 30cm Abstand macht der Ultraschallwandler 120db, laut Datenblatt. 
Überschlagsmäßig müsste das bei 3.5cm Abstand dann +18db sein. (falls in 
alle Richtungen gleichmäßig abgestrahlt wird ... ist nicht so ... also 
wirds wohl eher mehr sein)

in 3.5cm steht das Mikrofon ... bekommt also ~138db ab. 138db sind 
~159Pa.

Das Mikrofon (gleiches Datenblatt) hat eine "Receiving Sensitivity" von 
-65db ...  = 0.562 mV/Pa

Es sollten am Mikrofon also ca. 0.0941V rauskommen. Mit einem Bandpass 
der bei den 40khz 12db macht wärens 0,376V richtig?

So und jetzt während ich hier schreib merk ich dass das wohl auch schief 
gehen wird. Ziel war es nun das Signal gleichzurichten, damit einen 
Kodensator zu laden und das dann mittels D/a wandler zu messen.
Nur hab ich die Schwellenspannung der Diode vergessen :(

ähm ja ... jetzt bin ich erstmal deprimiert ;-) und überleg nochmal ;-) 
Hoffe dass die Überlegung hier tortzdem halbwegs richtig war.
Solangsam hab ich die 4 ops dann auch zusammen G ... impedanzwandler, 
filter, extra Verstärker hrhr ...
Könnte bei deiner Schaltung das Signal ja eigentlich nach der ersten 
Diode verwenden?

Mich intressiert letztendlich nur die Amplitude.

Danke für die Geduld ;-)

Toni

Autor: B e r n d W. (smiley46)
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Hallo Waldgichtel

Verwende doch erst mal einen nicht invertierenden Verstärker am Eingang. 
Dieser belastet deine hochohmige Spannungsquelle nicht. Dann kannst du, 
ähnlich wie bei der Handskizze, die Verstärkung auf 2-3 Stufen 
verteilen. Ein TL084 weist z.B. ein Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt von 
typisch 4 Mhz auf.

Bei 100kHz Bandbreite kann er also 40fach verstärken, hat dann jedoch 
keine Reserve mehr für die Gegenkopplung. Du könntest also in deinem 
Fall bei 40kHz einer Stufe durchaus bis zum Faktor 10 zumuten und 
hättest noch eine funktionierende Gegenkopplung.

Die 4. Stufe wäre dann immer noch frei als Gleichrichter/Komparator o.ä.

Mfg. Bernd

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Waldgichtel,

>Könnte bei deiner Schaltung das Signal ja eigentlich nach der ersten
>Diode verwenden?

Das kannst du machen. Meine Schaltung ist aber eher dazu gedacht, 
Ultraschall nur nachzuweisen, wenn der Pegel über einen bestimmten Wert 
geht. Wenn du an der genauen Amplitude interessiert bist, solltest du 
einen Präzisionsgleichrichter verwenden, der bei der Gleichrichtung die 
Diodenflußspannung herausrechnet.

Kai Klaas

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Wenn du an der genauen Amplitude interessiert bist, solltest du
>einen Präzisionsgleichrichter verwenden, der bei der Gleichrichtung die
>Diodenflußspannung herausrechnet.

Du könntest so etwas wie im Angang ausprobieren. Die Simulation zeigt, 
daß da doch eine ordentliche Bandpaßkurve zustande kommt.

Kai Klaas

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Waldgichtel,

> Habe mir da nun folgendes überlegt ... hoffe keine groben Fehler drin
> ;-)
>
> in 30cm Abstand macht der Ultraschallwandler 120db, laut Datenblatt.
> Überschlagsmäßig müsste das bei 3.5cm Abstand dann +18db sein. (falls in
> alle Richtungen gleichmäßig abgestrahlt wird ... ist nicht so ... also
> wirds wohl eher mehr sein)

die Schallabstrahlung funktioniert etwas anders, als Du sie Dir 
vorstellst.

Im Nahfeld hast Du Orte, bei denen sich die von den einzelnen Punkten 
des Senders ausgehenden Elementarwellen destruktiv überlagern. Dort ist 
dann gar kein Schall.

Du mußt die Interferenzeffekte beachten. Ich habe in einem anderen 
Beitrag einmal die Schallfelder für verschiedene Wandler unter 
idealisierten Bedingungen berechnet.

http://www.mikrocontroller.net/attachment/preview/...

Ein hochaufgelöstes Bild für eine andere Anordnung findest Du auch 
unter:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/66...


Gruß,
  Michael

Autor: Guesta (Gast)
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Hallo,

ich habe eine Frage zu dem Beitrag von Klaas verwendeten Bandpass mit 
dem OPAM MCP602. Wie heißt denn die Filtertopolgie dafür?

Ich suche schon die ganze Zeit im Internet danach, werde jedoch nicht 
fündig. Finde andauernd immer nur die "Sallen-Key" Topologie. Deine 
Topologie ist jedoch weniger aufwendig und erfüllt den Zweck vollkommen.

Die nächste Frage ist: Für was ist der Offset unten gedacht und warum 
wird über den 10K Ohm Widerstand am Anfang das Singal zuerst auf 
Impedanzwandler und dann nochmal auf einen Komperator geleitet?

Könntest du bitte die Schaltung erläutern?

Vielen Dank im voraus!

Guesta! :)

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