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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Bandpass 7 - 9MHz


Autor: branadic (Gast)
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Hallo Leute,

vielleicht kann mir jemand von euch helfen.
Ich brauche für eine Anwendung einen ziemlich flankensteilen Bandpass 
mit den Eckfrequenzen 7MHz und 9MHz. Das ist ein gewaltig großer 
Bereich, das ist mir klar, aber mein Signal liegt nun mal in dem Bereich 
und um Störungen außerhalb des Bereiches zu unterdrücken und nicht 
weiter zu verstärken eben jener Bandpass.
Also habe ich mich mal hingesetzt und ein Bandpass 5.Ordnung als 
Chebychev-Filter mit AADE-Filterdesign entworfen und anschließend noch 
mal mit rationellen Bauteilen in LTSpice simuliert. Funktioniert als 
Bandpass-Filter ganz hervorragend, bis auf die Tatsache, dass ich im 
Durchlassbereich mit -15dB Dämpfung zu kämpfen habe.
Hab auch mal einen Cauer-Filter 5. Ordnung simuliert, aus dem Bauch 
heraus würde ich aber sagen, dass der Chebychef schon flankensteil genug 
ist.

Gut dachte ich mir, schaust dich mal bei aktiven Filtern um. Man geht ja 
unbelastet an die Sache ran, denn aktive Filter waren bei mir noch nie 
Thema.

Also hab ich mir FilterPro runtergeladen und mal ein Wide-Bandpass 
Sallen-Key mit besagten Eckdaten errechnen lassen. Für den Anfang erst 
einmal mit nur einem Hochpass und einem Tiefpass. Als ich diese 
OP-Schaltung wiederum in LTSpice simuliert habe musste ich feststellen, 
dass nicht nur der Frequenzbereich nicht getroffen wurde, nein auch hier 
hatte ich mit Dämpfung erhebliche Probleme.
Nach dem Lesen der Hilfe bei FilterPro war auch schnell klar woran das 
liegt. Demnach komme ich mit meinen OPV's (AD8009) nicht wirklich weit.

Aktive Filter scheinen demnach nur für Frequenzen <1MHz geeignet zu 
sein, nicht aber für den von mir avisierten Bereich.

Nur die passiven Filter machen mich auch nicht glücklich. Was ist also 
die Alternative?
Naheliegend ist, das Signal 40dB verstärken und mit den -15dB des 
passiven Filters leben?
Oder gibt es noch Ansätze, die ich bisher nicht gesehen habe?

Ich würde mich über Anregungen von den Profi's wirklich sehr freuen.

Beste Grüße, brandaic

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> vielleicht kann mir jemand von euch helfen.
> Ich brauche für eine Anwendung einen ziemlich flankensteilen Bandpass
> mit den Eckfrequenzen 7MHz und 9MHz.
Wie steil ist denn "ziemlich steil"?

> Das ist ein gewaltig großer Bereich,
Ich weiß ja nicht, was Du gewohnt bist. Wenn Du sonst nur 
Audioschaltungen gewohnt bist, sind 2MHz vielleicht viel. Aber in 
Wirklichkeit sprechen wir hier nur über +/-1/8 der Mittenfrequenz.

> das ist mir klar, aber mein Signal liegt nun mal in dem Bereich
> und um Störungen außerhalb des Bereiches zu unterdrücken und nicht
> weiter zu verstärken eben jener Bandpass.
Ich könnte mir vorstellen, daß ein Bandpaß fünfter Ordnung etwas 
schwierig wird, da Du die Bauteilwerte ziemlich genau treffen mußt.

> Also hab ich mir FilterPro runtergeladen und mal ein Wide-Bandpass
> Sallen-Key mit besagten Eckdaten errechnen lassen. Für den Anfang erst
> einmal mit nur einem Hochpass und einem Tiefpass. Als ich diese
> OP-Schaltung wiederum in LTSpice simuliert habe musste ich feststellen,
> dass nicht nur der Frequenzbereich nicht getroffen wurde, nein auch hier
> hatte ich mit Dämpfung erhebliche Probleme.
> Nach dem Lesen der Hilfe bei FilterPro war auch schnell klar woran das
> liegt. Demnach komme ich mit meinen OPV's (AD8009) nicht wirklich weit.
Der AD8009 ist ein hervorragender OPV für solch hohe Frequenzen. Ich 
selbst nutze einen sehr verwandten OPV, den AD8000, für 
Ultraschallschaltungen im Frequenzbereich 4-30 MHz.
Allerdings mußt Du wissen, daß der AD8009 ein sogenannter Current 
Feedback OPV ist. Diese OPV verhalten sich etwas anders als die 
"normalen" OPV.

Wenn Du einen geeigneten "normalen" OPV brauchst, kannst Du Dir mal den 
MAX4104 anschauen. Der ist sogar Unity Gain Stable, d. h. er verträgt 
auch Verstärkungen von 1, ohne von alleine zu schwingen. Bloß kapazitiv 
belasten solltest Du ihn nicht.

> Aktive Filter scheinen demnach nur für Frequenzen <1MHz geeignet zu
> sein, nicht aber für den von mir avisierten Bereich.
Ach wo.

> Nur die passiven Filter machen mich auch nicht glücklich. Was ist also
> die Alternative?

Das hier hier ist ein Tiefpaß zweiter Ordnung mit integrierter 
Verstärkung (bei Unity-Gain-OPV kannst Du die auch weglassen).

      C       L                |\
o-----||-----####----*---------|+\
                     |         |  \            47
                     |         |  / ----*----#####---o Ausgang
                    ###     *--|-/      |
                 47 ###     |  |/       |
                    ###     |           |
                     |      *---####----*
                     |      |     R2
---------------------* GND  |
                            |
                           ###
                           ### R1
                           ###
                            |
                            | GND


Wenn Deine Quelle hochohmig ist, mußt Du das bei der 
Übertragungsfunktion berücksichtigen. Du kannst natürlich auch 
alternativ einen Spannungsfolger vorschalten. Ich vermute ja, bei den 
Frequenzen benutzt Du schon ein 50-Ohm-System; daher die Festlegung auf 
47 Ohm.

Und ehe Du Dich wunderst: In unmittelbarer Nähe zu den OPV gehören je 
ein 100nF-Keramikkondensator von +VCC und -VCC nach Masse. Das ist für 
die Simulation egal, in der Praxis aber unbedingt erforderlich.

Wenn es erstmal nur um den Tiefpaß geht, kann ich dir die Tiefpässe von 
Minicircuits empfehlen:
http://www.minicircuits.com/cgi-bin/modelsearch?mo...

Die hohen Frequenzen machen ja wegen der großen Bandbreite normalerweise 
das größere Rauschen.

> Naheliegend ist, das Signal 40dB verstärken und mit den -15dB des
> passiven Filters leben?
Variier in der Simulation am besten mal die Werte Deines passiven 
Filters leicht und schau, wie sehr sich die Übertragungsfunktion ändert. 
Mir ist so, als wäre das nicht so einfach einzustellen, weil die 
relative Bandbreite relativ schmal ist.


Gruß,
  Michael

Autor: Gerhard (Gast)
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Um was für ein Signal handelt es sich?! Ohne Informationen kommen wir 
hier nicht weiter.

Solche HF-Filter baut man üblicherweise mit LC-Gliedern, wobei einige 
Bauteile sicherlich aufgrund der großen Toleranzen abgleichbar gestaltet
sein müssen. Daß ein solches Filter eine Einfügedämpfung hat, ist klar.

OPs sind hier wahrscheinlich fehl am Platze, je nach Amplitude des 
Signals und deinen Anforderungen.

Aber wie gesagt, ohne weitere Informationen kann man dir nicht helfen.

Autor: branadic (Gast)
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Hallo Michael,

danke für deinen Beitrag, werde mir den in aller Ruhe auf der Zunge 
zergehen lassen.

Steil bedeutet, dass ich in einer industrieähnlichen Umgebung alle 
anderen Frequenzen gut dämpfen sollte, die außerhalb meines 
Frequenzbereiches liegen. Ich denke daher an mindestens =>40dB pro 
Dekade???
Daher auch mein LC-Filter als Chebychev 5. Ordnung. Der arbeitet, bis 
auf eine Resonanzüberhöhung an einer Stelle, was ich aber auf den Aufbau 
zurück führe, ordentlich. Hab mir das Filter mit Funktionsgenerator 
(Sinussignal an 50-Ohm) und Speicher-Oszi (50-Ohm) angeschaut.
Soweit also gut, bis auf die Dämpfung. Aber wie ich der oberen Aussage 
entnehmen konnte lässt sich hier vielleicht noch etwas rausholen.

Hallo Gehard,

auch dir danke für dein Statement.

Mein Eingangssignal ist ein Sinussignal (im Bereich von 7 - 9MHz) von 
einigen wenigen hundert mVpp an 50-Ohm Ausgang.
Im Prinzip wollte ich das Signal durch den Bandpass jagen, bevor ich es 
verstärke, damit ich mir Störungen nicht auch noch mit verstärke. Ab 
Filtereingang hätte ich dann alles gekapselt ausgeführt, um sicher zu 
stellen, dass zumindest leitungsgebunden keine neuen Störungen 
einkoppeln können.

Als Verstärker habe ich einen einfachen nichtinvertierenden Verstärker 
mit dem AD8009 aufgebaut, der auch wunderbar funktioniert. 
Eingangsimpedanz des Verstärkers ist auf 50-Ohm ausgelegt, 
Ausgangsimpedanz auf 1-MOhm. Der Grund für die hohe Ausgangsimpedanz sei 
jetzt hier mal nicht weiter kommentiert.

Das mit den 100nF an den Versorgungspins ist mir im Übrigen nichts Neues 
;)

Nun wollte ich den Bandpass wie gesagt davor schalten. Der Bandpass ist 
ebenfalls auf 50-Ohm gematched, also Eingangs- und Ausgangsimpedanz sind 
50-Ohm.
Die Frage die sich mir nun stellt ist, wie gut bekommt man ein solches 
passives Filter hin?
Sprich, unter Verwendung von Neosid-Filterspulen fertig abgeglichen oder 
abgleichbar (Messmittel dafür sind vorhanden) und Keramikkondensatoren, 
mit welcher Dämpfung muss man von Haus aus einfach rechnen?

Ich hatte einfach auf Erfahrungen einiger Leute gehofft, keine 
Fertiglösung. Vielleicht hat sich ja schon mal jemand mit einem 
ähnlichen Problem in dem Frequenzbereich auseinander gesetzt.

Beste Grüße branadic

Autor: JetztAber (Gast)
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Also, 2Mhz auf 8 MHz ist nicht steil. Ein paar gekoppelte Schwingkreise 
sollten passen.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> danke für deinen Beitrag, werde mir den in aller Ruhe auf der Zunge
> zergehen lassen.
Ich hab meinen Text ja nochmal gelesen. Ein Tiefpaß zweiter Ordnung ist 
mein LC-Serienschwingkreis wirklich nicht gewesen...

> Daher auch mein LC-Filter als Chebychev 5. Ordnung. Der arbeitet, bis
> auf eine Resonanzüberhöhung an einer Stelle, was ich aber auf den Aufbau
> zurück führe, ordentlich. Hab mir das Filter mit Funktionsgenerator
> (Sinussignal an 50-Ohm) und Speicher-Oszi (50-Ohm) angeschaut.
> Soweit also gut, bis auf die Dämpfung. Aber wie ich der oberen Aussage
> entnehmen konnte lässt sich hier vielleicht noch etwas rausholen.
Kannst Du nicht in die Filterschaltung gleich eine Verstärkung 
integrieren? So kenne ich das eigentlich.

Im Tietze-Schenk steht der Aufbau von Hochpaß-/Tiefpaßfilter drin, inkl. 
Berechnungsvorschrift für die Bauteile. Im Praktikum vor etwa 5 Jahren 
hab ich damit mal einen aktiven Butterworth-Tiefpaß 4. Ordnung gebaut. 
Das war für 100kHz und hat ohne weiteres geklappt.

In SMD-Technik ist das denke ich bei 10MHz auch nicht sehr viel 
schwieriger. Du mußt allerdings auf die Transitfrequenz der Spulen und 
Kondensatoren achten. Allerdings hast Du Freiheitsgrade bei der Wahl der 
Bauteile, die Du dazu nutzen kannst, um ideale Bauteile zu erhalten.


Spulen
Bei den Spulen geht es um die parasitäre Kapazität, die die Wicklungen 
gegeneinander aufweisen.
Grundregel: Je größer die Spulen, umso weiter sind die Wicklungen 
auseinander, umso geringer ist die Kapazität, umso höher ist die 
Transitfrequenz, und umso idealer verhält sich die Spule.
Hier hilft der Blick ins Datenblatt der Spulen. Die Transitfrequenz ist 
üblicherweise angegeben. Wenn es um Signale geht, findest Du für viele 
Induktivitätswerte Spulen mit ~300MHz Transitfrequenz. Das ist von den 
7-9MHz so weit weg, daß Du von einem weitgehend idealen Verhalten 
ausgehen kannst. Bei Leistungssignalen dürftest Du die Spulenkerne 
allerdings nicht in die Sättigung bringen. Ich gehe aber nicht davon 
aus, daß das bei Dir zu einem Problem wird.

Kapazitäten
Für den Frequenzbereich sind denke ich SMD-Keramikkondensatoren am 
besten geeignet. (Ich lasse mich aber auch gerne korrigieren.)

Hier besteht das Problem in den Induktivitäten der Zuleitung. Du kannst 
auf der Leiterplatte mit etwa 1nH/mm, 1-2nH/Via rechnen.
Das Ersatzschaltbild für einen Kondensator ist dementsprechend ein 
LC-Serienschwingkreis.

Entscheidend für die Resonanzfrequenz ist außerdem das Material:
Mit NPO (typisch für kleine Kapazitätswerte, z. B. 100pF) wirst Du 
keine Probleme bekommen. Bei X7R (typisch für mittlere Kapazitätswerte 
wie 100nF) kommst Du in die Nähe Deiner Signalfrequenzen. (Als 
UCC-Entstörkondensatoren für 20MHz sind 100nF daher allerdings nahezu 
ideal.) Mit X5R würde ich gar nicht erst anfangen.

Auf Seite 11 siehst Du die typischen Resonanzkurven für 1nF, 10nF und 
100nF X7R:
http://www.avx.com/docs/masterpubs/mccc.pdf

Die Kapazität ist außerdem noch spannungsabhängig. Aber ich denke, für 
+/-5V ist das noch kein Problem.

Überschreiten der OPV-Versorgungsspannung
Ich würde Dir außerdem empfehlen, mit einem Simulator nachprüfen, daß Du 
nicht irgendwo die +/- 5V Versorgungsspannung der OPV überschreiten 
mußt.

Wenn Du keine aktiven Filter bauen willst, kannst Du auch ein passives 
Filter nehmen und die Signale mit einer OPV-Schaltung wieder verstärken.
Das ist wahrscheinlich ohnehin das einfachste Vorgehen.


> Mein Eingangssignal ist ein Sinussignal (im Bereich von 7 - 9MHz) von
> einigen wenigen hundert mVpp an 50-Ohm Ausgang.
Das ist ja recht groß. Ich habe üblicherweise Rohsignale von 10..500µV. 
Aber das Problem mit den Störstrahlungen kenne ich schon. Motoren, 
Schaltnetzteile und Amateurfunker, die mit 500W vom Dach her senden, 
sind Gift für solche Signale.

Vielleicht hast Du aber auch nur ein EMV-Problem. Ich habe die Probleme 
hauptsächlich über Masseschleifen.

> Im Prinzip wollte ich das Signal durch den Bandpass jagen, bevor ich es
> verstärke, damit ich mir Störungen nicht auch noch mit verstärke. Ab
> Filtereingang hätte ich dann alles gekapselt ausgeführt, um sicher zu
> stellen, dass zumindest leitungsgebunden keine neuen Störungen
> einkoppeln können.
Ob Du die Störungen vor dem (passiven) Filter verstärkst oder danach, 
macht denke ich keinen besonders großen Unterschied.
Um was für Störungen handelt es sich denn? Getaktete Signale, zufällige 
Signale? Gleichtakt/Gegentakt? Wie groß etwa?

> Als Verstärker habe ich einen einfachen nichtinvertierenden Verstärker
> mit dem AD8009 aufgebaut, der auch wunderbar funktioniert.
> Eingangsimpedanz des Verstärkers ist auf 50-Ohm ausgelegt,
> Ausgangsimpedanz auf 1-MOhm. Der Grund für die hohe Ausgangsimpedanz sei
> jetzt hier mal nicht weiter kommentiert.
Das würde mich trotzdem mal interessieren. Du kannst ja dann die Leitung 
nicht besonders lang machen, ohne Wellenleitungseffekte zu 
berücksichtigen.

> Das mit den 100nF an den Versorgungspins ist mir im Übrigen nichts Neues
> ;)
Ok. Ich wollte ja nur nochmal daran erinnern. Eigentlich hätte ich dann 
ja auch gleich die Massefläche hinzufügen sollen.

> Die Frage die sich mir nun stellt ist, wie gut bekommt man ein solches
> passives Filter hin?
> Sprich, unter Verwendung von Neosid-Filterspulen fertig abgeglichen oder
> abgleichbar (Messmittel dafür sind vorhanden) und Keramikkondensatoren,
> mit welcher Dämpfung muss man von Haus aus einfach rechnen?
Der Ansatz ist schonmal richtig. Du kannst eh nur die Spulen abgleichen, 
da bei ihnen die Zuleitungsinduktivitäten unkritisch sind.
Ich denke nicht, daß die Dämpfung von den parasitären Effekten kommt, 
sondern deshalb, weil 7 und 9 MHz relativ nah beieinander sind.
Bei einem Bandpaß 10...50 MHz könntest Du den Tiefpaß dimensionieren, 
ohne an den Hochpaß zu denken.

> Ich hatte einfach auf Erfahrungen einiger Leute gehofft, keine
> Fertiglösung. Vielleicht hat sich ja schon mal jemand mit einem
> ähnlichen Problem in dem Frequenzbereich auseinander gesetzt.
Direkten analogen Filterbau betreibe ich nicht. Ich verwende einen 
LC-Serienschwingkreis, damit die groben Störungen beseitigt werden, und 
ein Antialiasingfilter. Und den Rest erledige ich digital im Rechner.


Gruß,
  Michael

Autor: branadic (Gast)
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Hallo Michael,

danke für deine Ausführungen.
Nun, wieso ich hochohmig am Ausgang bin hat den folgenden Grund:

Ich habe ein Amplitudenmoduliertes Signal, welches ich derzeit einfach 
stumpf verstärke, demoduliere und dann digitalisiere. Momentan stelle 
ich den hochohmigen Abgriff des ADC durch einen hochohmigen Abgriff 
(1-MOhm) mit einem Speicheroszi dar und das schaut auch bis dahin gut 
aus.

Es wird wohl nun darauf hinauslaufen, dass ich nach der Verstärkung 
meinen Bandpass schalte und dann erneut verstärke, wobei sich da noch 
zeigen muss, wie stark das Signal mit dem gleichen Filter aber 
Filterspulen gedämpft wird. Danach wird dann demoduliert und 
digitalisiert.

Ich werd das einfach mal ausprobieren, danach weiß ich mehr.

Danke erst einmal an dieser Stelle.

Beste Grüße, branadic

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Ich habe ein Amplitudenmoduliertes Signal, welches ich derzeit einfach
> stumpf verstärke, demoduliere und dann digitalisiere. Momentan stelle
> ich den hochohmigen Abgriff des ADC durch einen hochohmigen Abgriff
> (1-MOhm) mit einem Speicheroszi dar und das schaut auch bis dahin gut
> aus.
Das liegt an der immer noch sehr großen Wellenlänge.

Deine Wellenlänge beträgt etwa:
lambda = c/f = 2E8 m/s / 8E6 = 25 m

(c ist die Lichtgeschwindigkeit im Dielektrikum)

Mit Kabellängen im Bereich 1/20...1/10 der Wellenlänge gibt es noch 
keine Probleme. Bei einem Kabel von 5m (oder gar 10m) dürfte das Signal 
schon deutlich anders aussehen.

> Es wird wohl nun darauf hinauslaufen, dass ich nach der Verstärkung
> meinen Bandpass schalte und dann erneut verstärke, wobei sich da noch
> zeigen muss, wie stark das Signal mit dem gleichen Filter aber
> Filterspulen gedämpft wird. Danach wird dann demoduliert und
> digitalisiert.
Ok, verstehe. Du willst die Demodulation analog machen, weil das der 
geringste Aufwand ist. Was nimmst Du zur Demodulation?


Gruß,
  Michael

Autor: branadic (Gast)
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Hallo Michael,

derzeit verwende ich einfach eine Schottky-Diode und einen Tiefpass, 
also einen Einweggleichrichter.
Ich wollt bei Gelegenheit mal noch schauen, ob man mit einem 
Zweiweggleichrichter nicht sogar noch besser kommt. Die Demodulation 
muss ich sogar analog machen, weil das auch die günstigste Geschichte 
ist. Stell dir vor du würdest das digital machen, dann bräuchtest du 
einen unglaublich schnellen ADC, um das Signal noch ausreichend 
darstellen zu können.
Die analog demodulierten Signale digitalisiere ich und glätte sie 
derzeit dann digital. Auch hier bin ich soweit erst einmal zufrieden mit 
dem Ergebnis.

Beste Grüße, branadic

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