mikrocontroller.net

Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 50 Hz Tiefpass-Filter mit Eingangsimpedanz ADC möglich?


Autor: Markus M. (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

mal eine grundsätzliche Frage. Ich muss einen 50 Hz Tiefpass-Filter vor 
meinen ADC (MAX1132) schalten. Allerdings soll die Impedanz der Quelle 
(also meines Signals) kleiner 10 Ohm sein, ansonsten muss ein 
Impedanzwandler benutzt werden. Auf den Operationsverstärker möchte ich 
eigentlich um jeden Preis verzichten, da ich ansonsten nochmal 1-2 
zusätzliche Versorgungsspannungen benötige.

Jetzt die Frage:
Mein ADC hat ja auch eine Eingangsimpedanz (typisch 7.9k Ohm und 32 pF). 
Stellt diese Eingangsimpedanz zusammen mit einem parallel geschalteten 
Kondensator auch ein RC-Glied dar? Sprich, kann ich mir damit meinen 
50Hz-Tiefpassfilter bauen?

Vielen Dank schonmal für eure Hilfe!

Gruß,

Markus

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Markus M. schrieb:
> Mein ADC hat ja auch eine Eingangsimpedanz (typisch 7.9k Ohm und 32 pF).
> Stellt diese Eingangsimpedanz zusammen mit einem parallel geschalteten
> Kondensator auch ein RC-Glied dar?
Mal das mal auf:
                 | IC ___
 Uin  -----o-----|---|___|--o---->
           |     |          |
          ===    |         ===
           |     |          |
          ---    |         ---
Wie soll denn der externe Kondensator noch mitwirken können?

> Sprich, kann ich mir damit meinen 50Hz-Tiefpassfilter bauen?
Egal wie: du wirst mit 32pF nicht mal annähernd an 50Hz rankommen...

Autor: Markus M. (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Wirkt der externe Kondensator denn nicht in irgendeiner Weise mit? Der 
muss doch dann auch in irgendeiner Weise als Filter wirken, oder nicht?

Grundsätzlich gehts mir nicht um AC-Messung. Eigentlich langt es mir 
einen DC-Wert etwa 10 mal pro Sekunde abzutasten. Es muss nichts 
rekonstruiert werden, oder so.

Ist denn ein Aliasing-Filter immer nötig, da ich sonst acuh bei 
DC-Messung falsche Werte bekomme, oder braucht man den Filter nur, wenn 
man sich acuh für die auftretenten Frequenzen interessiert?

Hat jemand eine Lösung, die ohne Operationsverstärker auskommt? Oder 
sonst noch irgendeine andere Idee?

Danke!

Gruß,

Markus

Autor: Michael (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Sollten Rin=7,9kOhm und Cin=32pF nicht parallel sein?

@ Markus: Ein RC-Tiefpaß ist offensichtlich nicht möglich. Ein 
RLC-Tiefpaß auch nicht (da bräuchte man etwa 100H, wenn man die 7k9 als 
Bedämpfung verwenden will).

Also bleibt i) ein zusätzlicher Buffer (wie von dir nicht gewünscht) 
oder ii) Filtern in der Schaltung davor (irgendetwas muss dir ja ein 
Signal mit ausreichend niedriger Impedanz zur Verfügung stellen).

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Michael schrieb:
> Sollten Rin=7,9kOhm und Cin=32pF nicht parallel sein?
Ok, du hast (theoretisch*) recht, aber es was ändert das?
Letztlich bedeutet es nur, dass man ohne externen Widerstand überhaupt 
gar keine Änderung der Grenzfrequenz erreichen wird...
                 | IC 
 Uin  -----o-----|----o-----o---->
           |     |    |     |
          ===    |   [ ]   ===
           |     |    |     |
          ---    |   ---   ---


(*)weil der Widerstand aus etlichen Bahnwiderständen besteht, die 
teilweise auch schon vor dem Kondensator auftauchen werden.

Autor: Markus M. (Gast)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ich hab mal das Datenblatt vom ADC angehängt. Da ist auf Seite 9 eine 
äquivalentes Ersatzschaltbild. Vielleicht wird man daraus auch schlauer.

Auf Seite 14 steht auch etwas was ich absolut nicht verstehe:
"If the frequency of interest is low, AIN can be bypassed with a large 
enough capacitor to charge the capacitive DAC with very little change in 
voltage. However, for AC use, AIN must be driven by a wideband buffer 
(at least 10MHz), which must be stable with the DACs capacitive load (in 
parallel with any AIN bypass capacitor used) and also settle quickly 
(Figures 8 or 9)."

Was hat es denn mit dieser Kapazität von der die sprechen auf sich?

@Michael:
An die Schaltung davor kann ich nicht ran. Dabei handelt es sich um 
einen DAC mit nachgeschaltetem OP. Habe aber keinerlei Schaltpläne oder 
Ähnliches und komme auch nicht ran. Für mich ist das eine Blackbox, von 
der ich das analoge Signal einlese...

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Markus M. schrieb:
> Da ist auf Seite 9 eine äquivalentes Ersatzschaltbild.
> Vielleicht wird man daraus auch schlauer.
Ja, die Sache ist wohl etwas komplexer...

Markus M. schrieb:
> Was hat es denn mit dieser Kapazität von der die sprechen auf sich?
Wenn du extern z.B. einen 1000uF Kondensator anschließt, dann ist die 
Ladungsmenge, die du da für den 30pF Wandler-Kondensator entnimmst, so 
gering, dass der Fehler vernachlässigbar ist...

Autor: Markus M. (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Aber wirklich weiterbringen tut mich das nicht, oder? ;)

Also komme ich wohl um den OP nicht drumherum?

Oder gibts noch ne andere Möglichkeit? LC Filter?

Autor: U.R.Schmitt (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Markus M. schrieb:
> Was hat es denn mit dieser Kapazität von der die sprechen auf sich?

Der Wandler hat ein Sample and Hold Glied um während der Wandlung zu 
gewährleisten, daß die Messspannung konstant bleibt. Dieses Sample und 
Hold besteht im Wesentlichen aus einem Analogschalter und einem 
Kondensator.
Wenn du hochfrequent misst, muss die zu messende Spannung entsprechend 
viel Strom liefern um diesen Kondensator in der kurzen Zeit auf genau 
den zu messenden Spannungswert aufzuladen.

Ob Du ein Aliasing-Filter brauchst hängt davon ab was du für ein Signal 
am Eingang hast. Ist es eine Akkuspannung, kannst Du das 
vernachlässigen, ist es ein Signal, das im Frequnzspektrum Anteile hat, 
die höherfrequenter sind als die Hälfte deiner Abtastfrequenz, dann 
musst Du möglichst steilbandig filtern ansonsten misst Du 
Schwebungseffekte mit.

Autor: Markus M. (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
mmh, das Signal das ich messe, kommt von einem 14 Bit DAC mit einer 
Grenzfrequenz von 2 kHz. Das Gerät ist quasi eine Regelung für einen 
Motor. Einlesen tue ich diesen Drehzahlsollwert (+/- 10V). Also 
eigentlich eine Gleichspannung, die aber durchaus Schwankungen haben 
kann, die für die Regelung zuständig sind. Kann also keine genaue 
Frequenz nennen. Aufjedenfall lese ich dieses Signal ein und simuliere 
mit der gemessenen Solldrehzahl die Inkrementalgeber des Motors. Da der 
Motor ja doch recht träge ist (höhere Last) dachte ich, dass es 
ausreichend ist, mit 10 Hz abzutasten. Allerdings verstehe ich den 
Aliasing-Effekt noch nicht ganz. Anhand der FFT ist es soweit klar. Aber 
wie ist das, wenn mich wirklich nur der Gleichspannungswert 
interessiert?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Markus M. schrieb:
> Aber wie ist das, wenn mich wirklich nur der Gleichspannungswert
> interessiert?
Nimm einen großen Kondensator und einen Widerstand davor.
Der Kondensator sorgt für einen kleinen dynamischen Widerstand (<10 Ohm) 
und der Widerstand sorgt für eine fg=50Hz:
        ___ R         | IC 
 Uin --|___|----o-----|----o-----o---->
                |     |    |     |
               ===    |   [ ]   ===
          10uF  |     |    |     |
               ---    |   ---   ---
R = 1/(2*pi*fg*10uF) = 330 Ohm

Autor: Kai Klaas (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
>Auf den Operationsverstärker möchte ich eigentlich um jeden Preis
>verzichten, da ich ansonsten nochmal 1-2 zusätzliche
>Versorgungsspannungen benötige.

Willkommen im wirklichen Leben!

Besorg dir dafür einen OPamp, der eben nicht 1-2 zusätzliche 
Versorgungsspannungen benötigt...

Kai Klaas

Autor: U.R.Schmitt (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Markus M. schrieb:
> Da der
> Motor ja doch recht träge ist (höhere Last) dachte ich, dass es
> ausreichend ist, mit 10 Hz abzutasten.
Wenn du den Sollwert abtastest ist es eher interessant wie schnell die 
Regelung ist. Um schnelle Änderungen oder gar instabilitätend er 
regelung simulieren zu können, musst Du mindestens so schnell sein wie 
die Regelung.
Aber auch hier wieder das alte Problem: Sagt was genau erreicht werden 
soll, nicht wie die vermeintliche Lösung ist.

Markus M. schrieb:
> ufjedenfall lese ich dieses Signal ein und simuliere
> mit der gemessenen Solldrehzahl die Inkrementalgeber des Motors.
Wenn du den Motor aber halbwegs simulieren willst, dann musst Du auch 
das dynamische Verhalten des Motors simulieren. Deine Simulation ist nix 
wert, wenn der Motor 5s benötigt um seine Drehzahl zu verdoppeln wenn 
ein entsprechender Sollwertsprung am Eingang ist, deine Simulation 
diesen Eingangssprung dann in 0,2s macht. Dann kannst Dus gleich sein 
lassen.

Lothar Miller schrieb:
> Der Kondensator sorgt für einen kleinen dynamischen Widerstand (<10 Ohm)
> und der Widerstand sorgt für eine fg=50Hz:
Eine Grenzfrequenz von 50Hz bei einer Abtastrate von 10Hz kommt nicht 
wirklich gut.

Was der Te braucht ist ein Modell des Motors mit Last (wahrscheinlich 
einfaches PT1) und die entsprechenden Zeitkonstanten um das halbwegs 
genau zu simulieren.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
U.R.Schmitt schrieb:
> Eine Grenzfrequenz von 50Hz bei einer Abtastrate von 10Hz kommt nicht
> wirklich gut.
Das war nicht meine Forderung... ;-)
Markus M. schrieb:
> Ich muss einen 50 Hz Tiefpass-Filter vor meinen ADC (MAX1132) schalten.

BTW: 10Hz Abtastung wären mir für eine Motorregelung auch etwas zu 
wenig...
>>> Da der Motor ja doch recht träge ist (höhere Last)
Die Sprungantwort/Grenzfrequenz des Gesamtsystems wäre noch zu 
quantifizieren.

Autor: U.R.Schmitt (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Markus M. schrieb:
> llerdings verstehe ich den
> Aliasing-Effekt noch nicht ganz.

Dann male Dir mal in ein Diragramm 10 Sinusschwingungen auf, die jeweils 
2cm Periodendauer in X Richtung haben. Das ist dein tatsächliches 
Signal.
Dann zeichne ab dem Punkt 0cm alle 2,2 oder auch alle 4cm (deine 
Abtastrate) dein 'Messwert' ein und lese den Wert ab.
Jetzt zeichne die Messwerte mal in ein 2. Diagramm und sage mir was die 
mit dem tatsächlichen Signal zu tun haben.

Merke: Wer misst, misst Mist. Wer ohne Ahnung misst, misst großen Mist!

Autor: U.R.Schmitt (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Lothar Miller schrieb:
> Das war nicht meine Forderung... ;-)
> Markus M. schrieb:
>> Ich muss einen 50 Hz Tiefpass-Filter vor meinen ADC (MAX1132) schalten.

hast recht, das hatte der TE auch geschrieben :-), ich hatte halt noch 
folgende Aussage im Kopf:
Markus M. schrieb:
> dachte ich, dass es ausreichend ist, mit 10 Hz abzutasten.

Ist ja egal, solange der TE nicht sagt was genau er machen will ist es 
Raterei.

Autor: Markus M. (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Schonmal vielen Dank für eure Antworten.

Ich habe inzwischen in Erfahrung bringen können, dass die Motorsteuerung 
den Wert alle 2ms aktualisiert (500 Hz). Also würde ich dazu tendieren 
mit 1.5kHz-2kHz abzutasten. Würde eher zu 2kHz tendieren und dann den 
Filter bei etwas unter von 1kHz anzusetzen. oder doch lieber bei 500Hz?

Ansonsten vielleicht noch ein paar Infos, die eventuell weiterhelfen 
würden. Es handelt sich hierbei um den Baumantrieb einer 
Kettenwirkmaschine (Textilmaschine). Auf diesem "Baum" sind die Fäden 
aufgewickelt. Da es hierbei nicht zu schnellen Änderungen kommen darf, 
da sonst die Fäden das Zeitliche segnen, dachte ich, dass ich acuh 
langsamer abtasten könnte.

Das System besteht aus verschiedenen Modulen:
1) Rechner, der die Fadenzuführung regelt
2) Dem Wechselrichter
3) Dem Antrieb
4) Dem Baum mit Fäden drauf
5) Der Tastrolle (Inkrementalgeber)

Ich simulieren quasi 2-5. Ich bekomme von 1) einen Drehzahlsollwert und 
simuliere die Inkremente der Tastrolle.

Bei einem Sollwertsprung der Fadenzuführung wird irgendwo (warscheinlich 
Wechselrichter) nochmal eine Rampe hoch oder runtergefahren, da sonst 
die Fäden reißen könnten.

Drehzahlsignal ist +/-10V was dann +/- 3000 Umdrehungen des Antriebs 
entspricht. Getriebeübersetzung zwischen Antrieb und Baum ist 1:120 (Ist 
dass richtig rum? Oder ist es 120:1? Motor dreht schneller als Baum)

Welche Abtastfrequenz, welche Filterfrequenz und welchen Filtertyp 
würdet  ihr dann empfehlen?

Wäre nett, wenn ich noch ein paar Tips von euch bekommen könnte. Das 
würde mir sehr weiterhelfen. Danke schön!

Gruß,
Markus

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Markus M. schrieb:
> Da es hierbei nicht zu schnellen Änderungen kommen darf,
> da sonst die Fäden das Zeitliche segnen, dachte ich, dass ich acuh
> langsamer abtasten könnte.
Das ist, wie wenn du sagst:
Wenn ich auf der Autobahn in der Kolonne fahre und sich der Abstand zum 
Vordermann nicht schnell ändern darf, schaue ich nur jede halbe Minute 
aus dem Fenster...

Markus M. schrieb:
> 2) Dem Wechselrichter
> 3) Dem Antrieb
> 4) Dem Baum mit Fäden drauf
> 5) Der Tastrolle (Inkrementalgeber)
> Ich simulieren quasi 2-5. Ich bekomme von 1) einen Drehzahlsollwert und
> simuliere die Inkremente der Tastrolle.
Simulieren? Das ist also für den Labortisch?
Dann mußt du die Strecke nachbilden und nicht irgendwas "herumraten". 
Nimm eine Sprungantwort am Originalsystem auf, damit du das Verhalten 
deiner Strecke erfassen kannst, und dann bastle das nach.

Autor: oszi40 (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Wenn ich das so lese, ist ein Filter hier fast so nützlich wie der 
Blinddarm. Wichtiger scheint mir die möglichst schnelle, STÖRUNGSFREIE 
Erfassung der Istdaten. Schau Dir Deine Impulse mal auf dem Oszi an, 
bevor Du weitere Aktionen planst. Es könnte auch sein, daß Du mehr 
Motor-Störungen als Nutzsignal siehst.

Autor: ulrich (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Wenn man einen 50 Hz Tiefpass davor schaltet fragt man sich wozu so ein 
guter AD Wandler. Wenn man es denn braucht kann man den Tiefpass digital 
realisieren. Da kann man dann auch noch gleich einen 50 Hz und 100 Hz 
Bandsperre mit dabei haben. Oder wählt gleich einen langsameren Sigma 
Delta AD, da hat man oft gleich die 50 Hz Unterdrückung mit drin, und 
der Anti-Antialiasing Filter ist auch weniger aufwendig.

Auch ein passiver Filter (RC) ist nicht unmöglich. Wenn der Kondensator 
groß genug ist, darf der Widerstand auch wieder größer werden. Selbst 
wenn der Kondensator nicht groß genug sein sollte - wird der Fehler duch 
die S&H Stufe erstmal wohl eine kleine Abweichung im Skalenfaktor sein.

Autor: Markus M. (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Könnte ich also mit einem passiven Filter auskommen?

Die 50 Hz sind ja sowieso nicht mehr relevant. Ich habe mir jetzt 
überlegt mit 2 kHz abzutasten. Filter würde ich so um die 700 Hz 
ansetzen. Das wäre dann z.B. ein Widerstand von 100 Ohm und eine 
Kapazität von 2.2µF. Geht aber auch mit 10 Ohm und 22µF.

Wäre sowas dann ohne OP machbar?

Alternativ: Kann man einen OP direkt aus einer 24V Netzteilspannung 
versorgen? Ich habe da schöne single Supply OPs gefunden. Von der 
Spannung her kein Problem. Aber wie reagiert der OP auf Schwankungen der 
Versorgungsspannungen? Nach meinem Verständnis sollte das nicht weiter 
von Belang sein, solange ich genügend Luft nach oben habe, oder?

Habe eine +/- 10V Signal. Wenn ich den Single Supply OP mit +24V und GND 
verbinde, sollte das doch dann funktionieren, oder?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Markus M. schrieb:
>>> Ich habe inzwischen in Erfahrung bringen können, dass die
>>> Motorsteuerung den Wert alle 2ms aktualisiert (500 Hz).
Wenn du alle 2ms einen neuen Wert bekommst, dann reicht es aus, alle 2ms 
neu abzutasten.
> Also würde ich dazu tendieren mit 1.5kHz-2kHz abzutasten.
Du kannst natürlich auch überabtasten und mit einem Mittelwert 
arbeiten...
Übrigens: warum willst du überhaupt filtern, wenn dir die maximale 
Signalfrequenz bekannt ist?

BTW:
> Wäre sowas dann ohne OP machbar?
Du willst hier offenbar irgendwelche Detailprobleme lösen, ohne das 
Gesamtsystem aureichend spezifiziert zu haben.
Lothar Miller schrieb:
> Dann mußt du die Strecke nachbilden und nicht irgendwas "herumraten".
...du hast da evtl. auch noch irgendwelche Totzeiten mit drin...

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.