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
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.
Ich würde meinen, wenn er sich schon die Mühe macht, hat er auch einen Impedanzwandler vorgeschaltet, das lässt sich ohne Schaltplan aber schwer sagen....
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
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.
>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?
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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
Hallo! Könnte jemand erklären, welcher Bedeutung der Diode in Kai Klaas' Zeichnung unten rechts im Bild zugeschrieben wird?! Danke im Voraus!
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
Welche Funktionsweise hat die Diode hier? Könntest du die Schaltung eventuell etwas näher erklären?
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
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...
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
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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
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
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
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
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=22188;GROUPID=3190;GROUP=B6;SID=32RY1AJKwQASAAACfOt5od190be62fcc300888f827570fcb1469a 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
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
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
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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
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/47349/page_snapshots/001.png Ein hochaufgelöstes Bild für eine andere Anordnung findest Du auch unter: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/66/Soundfield_Water_4MHz_TransducerRadius5mm.png Gruß, Michael
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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