Hallo Freunde der Analogtechnik! Ich stehe gerade vor dem Problem einen analogen Filter entwerfen zu müssen - auf dem Gebiet habe ich praktisch keine Erfahrungen. Nun habe ich alles was man mal im Studium gelernt hat zusammengekratzt und bin damit offensichtlich kläglich gescheitert, nun suche ich Hilfe: Es geht darum einer Sinus-Quelle (ca. 95Hz) einen Filter nachzuschalten um deren SNR noch zu verbessern, dem ganzen folgt ein ADC. Der Filter, der vorher mal keiner war soll gleichzeitig auch noch das Nutzsignal auf ca. 1/5 der Amplitude bringen. An dem Aufbau ist nicht zu rütteln, also bitte keine Vorschläge dazu auch wenn es sich vielleicht merkwürdig anhört. Im Anhang ist mein Vorschlag dazu. Ein Bandpass 2ter Ordnung und Q=6 und ein nachgeschaltener Tiefpass, der so die Theorie, Störungen die außerhalb des für den OP machbaren liegen, filtern sollte. In der Simulation läuft das auch hervorragend (Sperrdämpfung ist ausreichend etc.), nur leider verschlechtert mein Filter das THD ganz enorm (insbesondere 2. Oberwelle, 4. Oberwelle etc. sind extrem stark vertreten). Im Test lag die 2. Oberwelle bei ca. -100dB mit der nackten Quelle, mit Filter bei -50dB. Jetzt ist die Frage woran liegt das? Der Operationsverstärker (TI OPA227) sollte das ja eigentlich noch schaffen, dachte ich. Habe ich ihn so schlecht beschalten? Können die suboptimalen Netzteile die ich für den Test genommen habe die Ursache dafür sein? Immerhin sind bei Netzfrequenz + Oberwellen kaum Störungen sichtbar, wird das dann irgendwie auf die Oberwellen des Nutzsignals verteilt? Das Layout ist mit Sicherheit ziemlich schlecht, allerdings dürfte das ja alleine keine neuen Oberwellen einführen, oder irre ich mich da? Ich würde mich sehr freuen, wenn mir hier jemand weiter helfen könnte!
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Wenn es um die genauen Daten der Caps geht muss ich leider passen, der Prototyp wurde eben gebaut mit "was da ist", Keramik-Caps waren es aber definitiv.
Keramische Kondensatoren mit 4,7 µF oder auch schon 330 nF sind ziemlich sicher welche mit starker Nichtlinearität. Das sollten schon Folienkondensatoren sein, ggf. auch mit etwa 10 mal höheren Widerstandswerten. Solange die Störungen nicht dem Wertebereich der AD-wandlers zu sehr begrenzen, kann man auch einen Digitalen Filter hinter dem AD nutzen.
Okay, das war mir nicht bewusst, vielen Dank! An welchem Parameter könnte ich jetzt im Datenblatt erkennen ob es sich um diese nichtlinearen Typen handelt? Und gibt es dann Folienkondensatoren in der Größenordnung die tatsächlich so linear sind, dass man auch noch bei -100dB etwas verbessern kann? Digitaler Filter leider aus, da im Idealfall der ADC das begrenzende Element sein sollte, sonst müsste ich jetzt hier nicht so rumstöpseln. ;-)
>Keramische Kondensatoren mit 4,7 µF oder auch schon 330 nF sind ziemlich >sicher welche mit starker Nichtlinearität. Das sollten schon >Folienkondensatoren sein, ggf. auch mit etwa 10 mal höheren >Widerstandswerten. Genau! Erhöhe die Widerstände des Bandpasses um den Faktor 10 und verwende 470nF Foliencaps. Besorg dir von Reichelt o.ä. 5%-ige MKH oder MKS-2 Caps. Wenn du ein genaues C-Meter hast, versuche aus einer Handvoll dieser Typen ein paar noch genauere Exemplare zu selektieren. Den Tiefpaß kannst du so lassen. >Okay, das war mir nicht bewusst, vielen Dank! An welchem Parameter >könnte ich jetzt im Datenblatt erkennen ob es sich um diese >nichtlinearen Typen handelt? Die Kapazitätsabhängigkeit von der angelegten Spannung.
Das werde ich tun, vielen Dank euch! Habt ihr vielleicht auch noch eine Seite parat, auf der man sich mal einen Überblick über die verschiedenen Sorten machen könnte? Ich habe jetzt schon ein bisschen im Internet gestöbert, aber bisher nichts befriedigendes gefunden. Schönes Wochenende noch!
Dein Wochenende ist "gerettet". :-) Google: low thd capacitor
Wenn es sehr genau sein muß, solltest du auch an die zeiltiche Inkonstanz und den Temperaturgang denken. Heute wird dann gerne PPS in solchen Anwendungen als Dielektrikum verwendet.
Das hört sich sehr interessant an, werde ich mir auf jeden Fall mal anschauen! Jetzt aber mal noch eine Frage: wenn ich jetzt die Kapazitäten verkleinere, muss ich ja zwangsweise die Widerstände erhöhen - mache ich mir dann nicht bald schon wieder etwas mit Temperaturrauschen kaputt? Ich kann mich noch an diese 4kTBR erinnern, aber wie wäre denn in meinem Fall die Bandbreite? Nur das kleine Stück innerhalb der 3dB Frequenzen?
Die Bandbreite in der Rauschformel ist Teil des Systems das das Rauschen misst. Gemessen wird ja in der Regel die Rauschdichte. Je nach Position des rauschenden Widerstandes ist da noch ein Teil des Filters zwischen. Wenn es sein muss, dann auch die Widerstände so klein lassen, und mit den großen Kondensatoren leben. 4,7 µF sind ja auch noch nicht unmöglich groß. Wie gut oder schlecht die Keramikkondensatoren sind, sind man an der Bezeichnung (für das Matrial). Die Typen aus NPO, COG oder ähnlichem sind von der Qualität sehr gut, aber halt in der Regel nur als Kleine Kapazitäte bis vielleicht 10 nF zu bekommen. Die Typen mit X5R und ähnliche sind fast nur als Kondensator an der Versorgungsspannung zu gebrauchen.
>Jetzt aber mal noch eine Frage: wenn ich jetzt die Kapazitäten >verkleinere, muss ich ja zwangsweise die Widerstände erhöhen - mache ich >mir dann nicht bald schon wieder etwas mit Temperaturrauschen kaputt? Kommt drauf an, wie groß dein Signal ist. >Ich kann mich noch an diese 4kTBR erinnern, aber wie wäre denn in meinem >Fall die Bandbreite? Nur das kleine Stück innerhalb der 3dB Frequenzen? Ja, so ungefähr. Man kann das übrigens schön simulieren, indem man in Serie zu den Widerständen kleine Rauschspannungsquellen annimmt, die das thermische Rauschen der Widerstände modellieren. Du siehst dann leicht, wie sich das frequenzmäßig auswirkt. Die Eingangsrauschspannungsquelle des OPamps plazierst du zwischen "+" Eingang und Masse und das Eingangsstromrauschen des OPamp simulerst du mit einer Stromquelle von Masse zum "-" Eingang des OPamps. Damit siehst du recht schnell, wie sich die Rauschquellen frequenzmäßig auswirken und welche Anteile dominieren.
>Die Typen mit X5R und ähnliche sind fast nur als Kondensator an der >Versorgungsspannung zu gebrauchen. Oder auch in Tiefpaßfiltern im Signalweg von Quasi-DC-Anwendungen, wobei die genau Lage der Grenzfrequenz bzw. die genaue Einschwingzeit unwichtig sind.
Hi, ich habe jetzt noch einmal ein wenig recherchiert und simuliert, und bin jetzt der Überzeugung das sich wohl Folienkondensatoren mit Polypropylen als Dielektrikum am besten eignen würden. PPS Typen habe ich leider nur bis 220nF gefunden, das wäre wohl etwas zu wenig. Bevor ich mir jetzt so einen Klunker bestelle: http://www.reichelt.de/?ACTION=3;GROUP=B321;GROUPID=3150;ARTICLE=32005;SID=13TU-kiX8AAAIAAEZHhYE1bd6f9b6b3b9e5ae55ef2bee6001a929 ist der wirklich für solche Filteranwendungen geeignet? Das sieht nun wirklich nicht mehr nach graziler Elektronik aus, und macht mich ein bisschen nervös. ;-)
>Bevor ich mir jetzt so einen Klunker bestelle: > >http://www.reichelt.de/?ACTION=3;GROUP=B321;GROUPI... > >ist der wirklich für solche Filteranwendungen geeignet? Erste Sahne! Der MKP10 war mal ein Geheimtipp bei Aktivboxenbauern. Aber warum machst du die Schaltung nicht höherohmig? Dann kannst du auch deine 220nF PPS-Caps einsetzen. Die sind wirklich noch einen Tick besser!
Solange keine super geringe Temperaturabhängigkeit gefordert ist sollten auch die normalen Polyester (MKS) Kondensatoren gehen. Die haben zwar etwas höhere dielektrische Verluste, aber das gibt erstmal nur eine minimale (weniger als die typischen Toleranzen der Widerstände / Kondensatoren) Verschiebung der Filterfrequenz und Güte. Nichlinear wird es dadurch noch nicht.
>Solange keine super geringe Temperaturabhängigkeit gefordert ist sollten >auch die normalen Polyester (MKS) Kondensatoren gehen. Ich würde MKP10 wegen der besseren zeitlichen Inkonstanz nehmen: http://www.wima.de/DE/stability.htm PPS ist hier zwar nicht aufgelistet, ist aber, meiner Erinnerung nach, vergleichbar mit der von Polypropylen. Von besonderem Vorteil ist der niedrigere Temperaturgang von PPS gegenüber Polypropylen.
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> Aber warum machst du die Schaltung nicht höherohmig? Dann kannst du auch > deine 220nF PPS-Caps einsetzen. Die sind wirklich noch einen Tick > besser! In erster Linie deshalb, weil ich an die schneller bekomme. Ich überlege aber die PPS in einer späteren Version einzusetzen. Im Bild ist das Ergebnis der Noise-Simulation von TINA zu sehen. Ich weiß nicht ob du damit schon einmal gearbeitet hast, ich vermute (vielleicht weiß da jemand mehr?) mit dem Total-Noise wird das Integral über das ganze Rauschen sein bis zu der Frequenz die unten aufgetragen ist. Wenn das stimmt, dann wäre das thermische Rauschen schon etwas zu groß für meinen Geschmack. Dabei habe ich den Filter schon etwas umgebaut, so das die Spannung erst direkt vor dem Tiefpass geteilt wird, deshalb auch diese starke Verbesserung nach der 1st Stage. Ich werd mir aber wohl nochmal eine Lösung mit mehr Stufen durch den Kopf gehen lassen.
Wie groß ist denn dein Signal und welchen Rauschabstand strebst du an?
> Solange keine super geringe Temperaturabhängigkeit gefordert ist sollten > auch die normalen Polyester (MKS) Kondensatoren gehen. Die Temperaturstabilität könnte tatsächlich mal eine Rolle spielen, deshalb würde ich die MKP vorziehen. Wie es aussieht haben die MKP ja auch sonst nur Vorzüge und da die Stückzahl so niedrig ist spielt der Preisunterschied keine Rolle. Trotzdem Danke für den Hinweis!
> Wie groß ist denn dein Signal und welchen Rauschabstand strebst du an?
Das Signal dürfte ca. 1Vpp => 0dB haben und wenn möglich wären 120dB
Rauschabstand gefordert. Ich hätte daher gern das thermische Rauschen
unter -130dB gehalten.
>Das Signal dürfte ca. 1Vpp => 0dB haben und wenn möglich wären 120dB >Rauschabstand gefordert. Ich hätte daher gern das thermische Rauschen >unter -130dB gehalten. 120dB?? Was ist denn das für eine Anwendung?
Es ist schon eine sehr spezielle Anwendung - ich möchte hier nicht alles ausplaudern, sorry - aber ich bin mir der Höhe durchaus bewusst.
Je nach Art der Störungen die auf dem Signal drauf sind, wäre eventuell eine andere Filterart sinnvoll. Also z.B. lieber ein Bandpass 4 ter Ordnung und dafür mit weniger Filtergüte. Als Sallen Key Form hat man da keinen Teiler am Eingang. Bei hoher Filtergüte hat man auch einen relativ starken Temperatureinfluss. Die höhere Filterordnung wäre auch gegen 1/f Rauschen der Signalquelle effektiver.
Ulrich schrieb: > Je nach Art der Störungen die auf dem Signal drauf sind, wäre eventuell > eine andere Filterart sinnvoll. Also z.B. lieber ein Bandpass 4 ter > Ordnung und dafür mit weniger Filtergüte. Als Sallen Key Form hat man da > keinen Teiler am Eingang. Bei hoher Filtergüte hat man auch einen > relativ starken Temperatureinfluss. > > Die höhere Filterordnung wäre auch gegen 1/f Rauschen der Signalquelle > effektiver. Damit bin ich auch gerade am experementieren, Danke. Inzwischen habe ich bei Bürklin auch noch Keramik-Kondensatoren (C0G) bis zu 220nF gefunden, ich denke denen werde ich dann mal den Vorzug vor PPS geben da die deutlich kleiner sind (SMD 1210!).
>Inzwischen habe ich bei Bürklin auch noch Keramik-Kondensatoren (C0G) >bis zu 220nF gefunden, ich denke denen werde ich dann mal den Vorzug vor >PPS geben da die deutlich kleiner sind (SMD 1210!). +/-5% sind aber vielleicht schon zu viel Toleranz. >Das Signal dürfte ca. 1Vpp => 0dB haben. Könntest du es noch rauscharm verstärken, bevor es in das Filter geht?
120dB sind schon eine knackige Anforderung! Mit den Widerstandswerten darfst Du nicht beliebig hochgehen, sonst dominiert das thermische Rauschen und du kannst dir den guten OPAMP sparen: http://www.beis.de/Elektronik/Nomograms/R-Noise/ResistorNoise.html 60 Ohm entsprechen 1nV/sqrt(Hz). Martina schrieb: > Der LT1037 ist übrigens noch einen Tick rauschärmer als der OPA227! Der hier ist noch besser: http://www.linear.com/product/LT1028 Probier doch mal den OPAMP als reinen Tiefpass aus. Sollte das zu schlecht sein, ist das auch ein Hinweis :)
> +/-5% sind aber vielleicht schon zu viel Toleranz. Ich werde wohl etwas mehr bestellen und dann aussortieren. Den Wert ändern sie dann ja nicht mehr nennenswert - oder habe ich etwas übersehen? > Könntest du es noch rauscharm verstärken, bevor es in das Filter geht? Wird schon gemacht, am Ende soll eben 1Vpp rauskommen, das habe ich vielleicht ungünstig ausgedrückt. Deshalb hat der Filter auch so eine Grunddämpfung, das war wohl eine eher schlechte Idee, inzwischen schicke ich das Signal erst durch den Filter und dämpfe es anschließend. Mir ist heute noch aufgefallen, dass ja die gewöhnlichen Widerstände nicht viel besser sein sollen! Meine ganze heile Analog-Welt bricht gerade zusammen... ;-) Habt ihr da vielleicht auch irgendwelche Tipps? Reicht es wenn man die Spannungsauslegung für die Widerstände nach oben schraubt, oder muss ich da wieder an etwas größeres denken? In den Datenblättern wird das Thema leider so gut wie nie erwähnt, habe ich das Gefühl. Danke für die Hinweise mit den OPs, werd ich mir anschauen! Allerdings hab ich das Gefühl das die Widerstände wohl das meiste an Rauschen zusteuern werden, nachdem da jetzt viele im XXkOhm Bereich liegen...
Die Schaltung ganz oben hat schon mal das Problem, dass die Spannung vom Eingang über den relativ hohen Widerstand (11 K) an den niederohmigen Knoten mit 30 Ohm gegen GND geht. Geht einfach schon viel des Signals verloren. Schon vom Prinzip ist ein Filter mit viel Resonanzüberhöhung (Güte) problematisch, weil der empfindlich von den Kapazitäten und Widerstandswerten abhängt. Ohne zu wissen, was für Störungen auf dem Signal sind, ist es aber schwer zu sagen was für ein Filter besser ist. Bei den Widerständen sollte man Kohle-Typen vermeiden. Metallfilm sollte schon ausreichen - so viel besser geht es vom Rauschen nicht. Sonst ist einfach der Widerstandswert entscheidend. Für die hohe Dynamik kommt man ggf. nicht um eine niederohmige Auslegung und damit große Kondensatoren herum. Die Auslegungsspannung der Widerstände macht keine merklichen Unterschied. Was man noch vermeiden sollte ist ein unnötig hoher Gleichstrom durch die Widerstände - das ergibt sich bei einer symmetrischen Versorgung aber oft sowieso. Wie viel die einzelnen Bauteile zum Rauschen am Ausgang beitragen kann man sich oft bei der Simulation anzeigen lassen (geht jedenfalls bei LTCad), das kann Spice berechnen.
>Ich werde wohl etwas mehr bestellen und dann aussortieren. Den Wert >ändern sie dann ja nicht mehr nennenswert - oder habe ich etwas >übersehen? Selektieren ist natürlich eine Option. Schau, daß du einen guten Cap-Meter bekommst, der dir stabile und genaue Werte anzeigt. Wenn das Teil mit Kabeln arbeitet, die zu checkenden Caps dicht nebeneinander legen und die Kabel beim Messen der Caps immer genau gleich halten. Bei größeren Kapazitäten ist das natürlich weniger ein Thema als bei kleinen. Ansonsten gibt es noch die Lötwärmebelastung, die die Kapazität noch etwas ändern kann. Aber das ist eher bei den Kunststofffolienkondensatoren ein Thema. Achtung: Den 1210 solltest du nicht ohne Pre-Heating löten, wenn du es von Hand machst. Bei normalem Reflow-Löten natürlich kein Thema. >Mir ist heute noch aufgefallen, dass ja die gewöhnlichen Widerstände >nicht viel besser sein sollen! Meine ganze heile Analog-Welt bricht >gerade zusammen... ;-) Metallfilm-Widerstände sind, zumindest im Vergleich zu den Unlinearitäten und Unbilden von Kapazitäten, über jeden Zweifel erhaben. Wenn du die Belastung so auslegst, daß die Oberflächentemperatur deutlich unter 40°bleibt, altern gute Metallfilmwiderstände praktisch nicht. Die genauesten und driftärmsten Metallfilmwiderstände sind die im Bereich zwischen 1k und 100kOhm. Jedenfalls war das mal so, als ich das vor vielen Jahren mal analysiert habe. Heute gibt es ja 0,1%-ige Widerstände mit 25ppm/°C an jeder Ecke... >Allerdings hab ich das Gefühl das die Widerstände wohl das meiste an >Rauschen zusteuern werden, nachdem da jetzt viele im XXkOhm Bereich >liegen... Rechne einfach mal verschiedene Topologien durch. Und wenn nur eine niederohmige Schaltung am Ende als Kandidat übrig bleibt, dann schaltest du eben ein paar von den Caps parallel, um auf die dann nötige größere Kapazität zu kommen.
Ulrich schrieb: > Wie viel die einzelnen Bauteile zum Rauschen am Ausgang beitragen kann > man sich oft bei der Simulation anzeigen lassen (geht jedenfalls bei > LTCad), das kann Spice berechnen. Hi, ich dachte ich hätte die Sache mit dem Rauschen verstanden gehabt, aber gerade bin ich wieder total verwirrt: Wenn ich in LTSpice oder mit TINA die Noise-Simulation mache, muss ich ja jeweils eine Start- und eine Endfrequenz angeben. Woher bekomme ich die? Insbesondere die Startfrequenz? Ich habe jetzt ein paar Versuche gemacht und umso weiter ich runter gehe desto größer wird die Rausschspannung. Wenn ich in LTSpice auf die den Namen des Ausgangs drücke + STRG, gibt das ja das Integral von dem ganzen Rauschen aus (= V_noiseRMS) - ist das SNR dann tatsächlich: 20*log(V_signalRMS / V_noiseRMS)? Die obere Frequenz ist ja wahrscheinlich durch die Abtastfrequenz meines ADCs gegeben. Irgendwie kommen mir nämlich gerade alle Ergebnisse etwas spanisch vor. :/ Wenn ihr irgendwelche interessanten Links dafür habt, besonders für TINA, nur her damit! Ich finde leider garnichts.....
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