Hallo, ich bin gerade dabei - zur Übung - einen DCF77-Empfänger selbst zu basteln. Ich versuche momentan das Signal-Rausch-Verhältnis des Signals mit einem Kerbfilter zu verbessern. Als Eingangssignal verwende ich das noch schwache (NF-)Signal direkt aus dem Schwingkreis. Mein Soundkarten-"Oszilloskop" zeigt mir in der FFT-Auswertung, einen Peak bei 77.5kHz (ca. -60dB, Grundrauschen: etwa -80dB). Wenn ich meine Stereoanlage auf volle Lautstärke stelle und das Signal anklemme höre ich auch ein regelmäßiges "Ticken" aller Sekunde. Dürfte also passen. Zum Design des Filters hatte ich mich anfänglich an das Filter Design Guide von Texas Instruments (siehe Anhang) gehalten. Dort hatte ich mich für die obere Schaltung (+/- Supply) unter "4 Narrow (Single Frequency) Band Pass Filter" entschieden. In der Simulation (mit LTSpice) hatte es nicht funktioniert (Filter-Antwort passte absolut nicht), also habe ich rum-experimentiert und am Ende die Schaltung erstmal reduziert und so weiter. Herausgekommen ist die Schaltung im Anhang. Erklärung: Rechts erzeugt ein Spannungsteiler ein positives (Vp) und ein negatives (Vn) Potenzial, relativ zur Mitte des Spannungsteilers (Masse). Zuerst hatte ich gedacht, dass nur der C1 Auswirkung auf die Mittelfrequenz hätte. Dann habe bemerkt, dass die Widerstände Rvar und R6 auch eine Rolle spielen. Es scheint, dass diese mit C1 ein RC-Glied bilden. Das war mir sehr recht, denn so konnte ich C1 auf die Standardgröße (680pF) setzen und mit einem der beiden Widerstände (hier Rvar) nachregeln... OK, also Schaltung aufgebaut: Als OPAmp habe ich einen LM324N genommen. Betriebsspannung war eine Knopfzelle (3V; nicht mehr ganz voll; in Schaltung gemessen: 2.71V). Da das Potenzial Vp-Vn als Versorgungsspannung des OpAMP hing, sollte das ja in den Limits liegen. Das Signal am Oszilloskop geprüft ergab aber, dass eher ein Grundrauschen... bei 77.5 kHz war das SNR sogar schlechter. Das "Kalibrieren" am Widerstand Rvar war in der FFT-Auswertung keine Veränderung sichtbar. Ich hätte erwartet, dass wenigstens das Grundrauschen eines bestimmten Frequenzbereichs hervorgehoben würde... da war aber nichts. Jetzt Frage ich mich nach dem Grund! Was ist in meiner Simulation anders als in der Realität...? Irgendwelche Ideen? Grüße, Stefan
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Stefan K. schrieb: > Was ist in meiner Simulation anders > als in der Realität...? Parasitäre Effekte der Leitungsführung etc. in deinem Testaufbau. Allerdings kann ich deinen LT-Spice-Schaltplan nicht wirklich als typisches Notchfilter, so wie man es eben baut, identifizieren. Ich würde dir ein "Narrow (Single Frequency) Band Pass Filter" wie auf Seite 6 deines PDF da empfehlen. mfg mf
Wie soll der OP dein "DCF77-Signal" verstärken, wenn du es über einen Kondensator an den Ausgang des OP anschließt? Das Konzept wirst du wohl noch mal überdenken müssen.
Werner schrieb: > Wie soll der OP dein "DCF77-Signal" verstärken, wenn du es über einen > Kondensator an den Ausgang des OP anschließt? Das Konzept wirst du wohl > noch mal überdenken müssen. Da das Signal noch nicht demoduliert und daher eine Wechselspannung ist, sollte das doch gehen, oder nicht? @Mini Float: Ok... also im Prinzip müsste es der Realität entsprechen, wenn man sämtliche Kabel als RC-Glied modellieren würde? Irgendwie wär dann so ein Plugin gut, welches sämtliche Verbindungen durch kleine Widerstände usw. ersetzt. Und dann durchtestet, wie stark Veränderungen der Leitungswiderstände/-kapazitäten usw sich auf das Ausgangssignal auswirken... Gibts dafür (kostenlose) Software? Werde jetzt mal wie empfohlen den Filter aus dem PDF aufbauen und dann nochmal die Simulation posten... dann können wir das nochmal diskutieren, was da nicht stimmt. Denn irgendwie hatte das Original in der Simulation nicht funktioniert...
>> Wie soll der OP dein "DCF77-Signal" verstärken, wenn du es über einen >> Kondensator an den Ausgang des OP anschließt? Das Konzept wirst du wohl >> noch mal überdenken müssen. >Da das Signal noch nicht demoduliert und daher eine Wechselspannung ist, >sollte das doch gehen, oder nicht? Blödsinn, das ist ein satter Kurzschluß.
Versuchs mal mit dem angehängten Filter. Das hat mich mehr als 30 Sekunden gekostet.
Hans-werner M. schrieb: > Das hat mich mehr als 30 Sekunden gekostet. Diese Übertreibungen sind normal bei TI und anderen US-Unternehmen. In diesem Sinne - ach hab ich schon erwähnt dass es das beste Tutorial zum Filterdesign ist? Nein? Wirklich nicht? ... mf
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Hans-werner M. schrieb: > Versuchs mal mit dem angehängten Filter. > Das hat mich mehr als 30 Sekunden gekostet. Danke für die Schaltung. Die scheint ja in der Simulation schon mal richtig gut zu funktionieren. Hab sie dann mal für meine Bedürfnisse etwas angepasst. Da ich keine +/- 15V habe, hab ich die Spannung mal auf +/- 1.5 V reduziert. Das hat ohne Qualitätseinbußen funktioniert. Dann habe ich den OpAmp durch einen LM324 ersetzt, jetzt stimmt schon mal die Mittelfrequenz nicht mehr... muss halt drauf umgeändert werden. Ich hab leider grad nur LM324N und noch nen TL084CN (mit JFET-Eingang) zur Verfügung. Leider bin ich etwas limitiert was Bauteile angeht: Metallschicht-Widerstände habe ich jede Menge (Sortiment 1%, 1/4 Watt, einzelne 1 Ohm-Widerstände), 3x Drehpoti 10 Ohm. Aber ich hab kaum Kondensatoren da: 2x 150pF, 2x 180pF, 6x 680pF (Keramik); 2x 4.7nF (Folienkondensator) sowie 2x 22µF und 2x 47µF (Elko) Für meine DCF-Versuche habe ich mir auch ein paar Kondensatoren selbst gewickelt und ausgemessen (1x ~100nF Folko [sieht aus wie nen 3.3V LiIon-akku von der Größe]; 4.33nF Folko, ~800pF Papier [scheint instabil]). Besonders in den niedrigeren Kapazitäten scheint das aber nicht praktikabel zu sein, weil man die genauen Kapazitäten nicht trifft. Im Versuchsaufbau habe ich nur den 100nF-Folko als "Eigenbau" im Schwingkreis verbaut. Sonst alles gekaufte Teile... Fazit: ich müsste also dafür entweder die Schaltung auf meine Kondensatoren/OpAMPs umstellen oder welche kaufen. Apropos: da gibt es so Kondensator-Sortimente ( http://www.conrad.de/ce/de/product/535507/Kemo-Keramikkondensatoren-Set-S007-1-100000-pF/SHOP_AREA_17436&promotionareaSearchDetail=005 ) ohne genauere Angaben. Sind die brauchbar? Ansonsten: Was für Werte sollte man sich als Sortiment zum Basteln zulegen? (Budget: ~15 EUR) Zum Texas Instruments-Aufbau: --- Ich habe den mal nach den Design-Regeln aufgebaut und simuliert... 1. C1 = C2 aussuchen: 680pF 2. R1 = R4: 1 / (2 * 3.1415279 * 150*10^-12 * 77500) = 13691 Ohm (~ 13,7KOhm; Standard-Wert) 3. R3 = 19 * R1 = 260,3 kOhm 4. R2 = 721 Ohm Ergebnis (siehe Bild im Anhang): Mittel-Frequenz bei ca. 43,85 kHz. Also weit daneben... Ich vermute inzwischen, dass der LM324 (oder das Simulations-Modell) das Problem ist. Jemand ne Idee dazu??
Der LM324 ist mit den 77 kHz schon ziemlich an der Grenze, und da alles andere als ein idealer OP. Wie gut der LM324 tatsächlich ist, kann vom Hersteller abhängen - entsprechend darf man da von der Simulation nicht zu viel verlangen. Auch sind 3 V sehr knapp für den LM324. Der TL084 braucht mehr Spannung, so aber etwa 8 V, wäre dann aber besser. Beim Simulieren ist etwas mehr Spannung auch keine schlechte Idee.
Ulrich schrieb: > Der LM324 ist mit den 77 kHz schon ziemlich an der Grenze, und da alles > andere als ein idealer OP. Ich hab mich mal noch mal durch das Datenblatt gewühlt: Slew Rate: 0.5 V/µs Unity Gain Bandwidth: 1.2 MHz Nachdem ich nun recherchiert habe, was die Slew Rate bedeutet: SR = 2 PI fg * Up Up = 1.5V fg = 80kHz Benötigte Slew Rate wäre dann 0.753982248 V/µs. Damit wären wir also 50% über der Spezifikation. Allerdings müsste es bis Up=1V funktionieren (absolute Grenze). D.h. Scheitelspannung 1 Volt. Wenn man also die Verstärkung nicht zu hoch dreht, sollte es ja gehen. > Wie gut der LM324 tatsächlich ist, kann vom > Hersteller abhängen - entsprechend darf man da von der Simulation nicht > zu viel verlangen. Auch sind 3 V sehr knapp für den LM324. Hersteller ist TI. Von denen ist auch das PSpice-Modell. Dass 3V sehr knapp sind, hab ich grad auch im Datenblatt gesehen. Entsprechend sollten 2.71V evtl. schon instabiles Verhalten provozieren können. > Der TL084 braucht mehr Spannung, so aber etwa 8 V, wäre dann aber > besser. Wäre dann von "ST". Datenblatt sagt 6-36 V... Das wird komplizierter. Nen billiges Netzteil hab ich zwar auch noch, aber wer weiß, was da wieder für Schwankungen einschleust. Aber da steht zumindest 16V/µs Slew Rate (typical) für Vin=10V im Datenblatt drinnen. > Beim Simulieren ist etwas mehr Spannung auch keine schlechte Idee. Klar, mach ich normal auch. Hab nur zum Überprüfen/Vergleichen runter geregelt.
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So... also ich habe jetzt mal die Schaltung nochmal gemäß TI Design-Empfehlung aufgebaut, simuliert und dann die Widerstände so abgeändert, dass der Frequenzgang in der Simulation gestimmt hat. Danach hab ich die Schaltung aufgebaut und ausgemessen. Versorgungsspannung diesmal 6.12V (d.h. +/- 3.06V). Wie gehabt LM324... Die Frequenzanalyse des Oszis zeigt jetzt einen Peak bei rund 44kHz (~20dB). Beim Regeln an R3 (teilweise über Potentiometer realisiert) ändert sich nichts. Das lässt mich stark vermuten, dass der LM324 einfach an seinen Grenzen ist. Würde ich also die unveränderte Schaltung aufbauen (nach TI-Formeln berechnete Widerstände) würde es wahrscheinlich auch nicht funktionieren. Habe vorher testweise 5V / GND von meinem Arduino Board angehängt, da gab es dann nur jede Menge Rauschen... war über USB am Notebook, diese über Akku gespeist (kein Ladegerät angeschlossen). Sprich: Testen per Batteriebtrieb ist erstmal die bessere Lösung, bis saubere Signale da sind. Hab jetzt mal noch das Pin-Out vom TL084(CN) geprüft... da das identisch ist, kann ich ja einfach mal den einsetzen und dann vergleichen. Wie's aussieht, ist das Ergebnis nahezu identisch! Ebenso keine Reaktion auf Änderung von R3. Das verwundert mich dann schon... Merkwürdig... Ich hab die gesamte Schaltung noch mal überprüft. Die Widerstände habe ich auch nochmal zur Sicherheit gemessen... falls da irgendeiner im falschen Fach gelandet sein sollte. Aber es ist nichts zu finden. Meine nächste Idee wäre ja, die Amplituden-Demodulation doch vor dem OpAMP durchzuführen. Ich habe gerade eine Germanium-Diode (1N60) aus einem Taschenrechner ausgebastelt... Die Frage ist nur, ob das lohnt. Weil ohne Frequenz-Filter, ja die Amplitude vom gesamten Spektrum bekommt. === Nachtrag: === So, meine Tests haben gergeben, dass die 45kHz irgendwo entstehen, wenn ich ein Kabel an meine Oszilloskop-Messleitung anschließe. Sprich: ich habe oben totalen Mist "gemessen"... hmpf Nach ner Weile hatte ich dann so ne Idee... und tatsächlich: Schalten wir doch mal die Sparlampen 50cm über dem Versuchsaufbau aus... Bingo! Also ist zumindest das "Messgerät" in Ordnung... trotzdem finde ichs heftig, dass die Dinger so schlecht geschirmt sind. Ich mein: da is nur nen 10cm Stück Draht (andere Länge geht auch) außerhalb der Schirmung und schon haben wir 20dB über dem Grundrauschen. So nun gehts aber erstmal ins Bettchen...
Stefan K. schrieb: > Benötigte Slew Rate wäre dann 0.753982248 V/µs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . ./^\ Bist du dir bei der markierten "2" sicher?
... schrieb: > Bist du dir bei der markierten "2" sicher? Da die Fertigungsgenauigkeit solcher ICs im Mikromillimeterbereich liegt, würde ich klar "ja" sagen (Spaß) ;-) Die vielen Kommastellen zeigen an, dass ich die Zahl mit dem Taschenrechner ausgewürfelt habe... und danach zu faul war, Nachkommastellen wegzuschmeißen. Allerdings habe ich auch PI von Hand und nicht bis zu Ende eingegeben... Das steht noch auf meiner ToDo-Liste: PI bis zum Ende eintippen und einspeichern. Wer dann ne Kopie will, kann sich auf der Liste eintragen. Falls die Frage ernst gemeint war: Nein. Und wahrscheinlich liegts dann am PI, welches ich nur bis 3.1415927 eingegeben habe (letzte Stelle ist schon gerundet, eigentlich: 3,141592653589793238462643383279...). Das führt dann dazu, dass das Ergebnis entsprechend abweichen könnte. Gruße, Stefan PS: Solange es nicht übertrieben wird, find ich so Kommentare recht witzig ;-); Immerhin ist auch ne gewisse Wahrheit enthalten.
Stefan K. schrieb: > Ich hab mich mal noch mal durch das Datenblatt gewühlt: > Slew Rate: 0.5 V/µs > Unity Gain Bandwidth: 1.2 MHz > > > Nachdem ich nun recherchiert habe, was die Slew Rate bedeutet: > SR = 2 PI fg * Up > Up = 1.5V > fg = 80kHz > > Benötigte Slew Rate wäre dann 0.753982248 V/µs. > Damit wären wir also 50% über der Spezifikation. Hast du auch mal recherchiert was Unity Gain Bandwith ist? Bei 77 KHz hast du noch eine Leerlaufverstärkung von 20! Da ist nicht mehr viel von einem Operationsverstärker mit (fast) unendlich hoher Verstärkung da.
Udo Schmitt schrieb: > Hast du auch mal recherchiert was Unity Gain Bandwith ist? Jain, hab ich mal überflogen... dachte das wär die maximale Bandbreite bei einem "Einheits"-Ausgangssignal von 1V. D.h. die Slew Rate umgerechnet für 1V Amplitude in maximale Signalbandbreite. So ... Hab mich mal bzgl. der Unity Gain Bandwidth schlau gemacht.. d.h. die Rechnung lautet dann 1,2 MHz / 77,5 kHz ~= 15,5. > Bei 77 KHz hast du noch eine Leerlaufverstärkung von 20! > Da ist nicht mehr viel von einem Operationsverstärker mit (fast) > unendlich hoher Verstärkung da. In der Anwendung wäre mir die Verstärkung nicht so wichtig, sondern eher die Dämpfung sonstiger Frequenzanteile. Wahrscheinlich ginge das auch mit vielen vielen RC-Gliedern umzusetzen... Die Verstärkung würde ich danach klassisch über ein paar Transistoren erledigen. Alternativ hab ich noch 3 OpAMPs in dem IC übrig. Das ergibt dann 15,5^3 =~ 3712x Verstärkung für 3 OpAMPs. Das wär' bestimmt ausreichend. Allerdings: Das Problem ist ja scheinbar eher die Slew Rate, wenn man bei der Frequenz auf >1 V Ausgangsamplitude gehen will. Fazit: Würde man die Ausgangsamplitude auf < 1V (oder einfacher 0.1V) halten, müsste ja sogar die Slewrate vom LM324 reichen. Das müsste man ja mit ein paar Transistoren auf 5V-TTL-Level verstärkt bekommen. Nötiger Verstärkungsfaktor 5 bis 50...
Die Verstärkung ist mit nur einer Reserve von 15 auch schon relativ knapp: Die Filterschaltung braucht intern schon eine Verstärkung von etwa der Größe der Güte Q, und eine Rest an Verstärkung wird gebraucht um Fehler des OPs auszugleichen. Dabei hat gerade der LM324 eine ausgeprägt Übernahmeverzerrung - so das er schon für Audioanwendungen kaum geeignet ist. Bei der Slew rate kommt dadurch in der Mitte so etwas wie eine Pause von einige µs dazu. Ein passender OP wäre hier eher ein TLC274 (bzw. die 2-fach Version TLC272) . Wie fast alle 4-fach OPs hat auch der die gleiche Pinbelegung. Der TL084 neigt bei kleiner Spannung zum schwingen.
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