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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik T Filter Problem


Autor: Malte M. (Gast)
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Guten Tag liebe Forumleser.

Ich bin seit einiger Zeit mit einer Schaltung am kämpfen und versuche 
diese gerade komplett zu verstehen. In dieser Schaltung ist ein T Filter 
verbaut und ich komme alleine nicht darauf was er macht und wofür er da 
ist.
Der Filter besteht aus R11, R12, R13, C17, C18, C19, C20.

Im Anhang habe ich den oben genannten T Filter angeheftet und meine 
Fragen würden nun zu diesem Bild lauten:

1. Warum wandelt mein Filter das eingehende Rechtecksignal in einen 
Sinus um?
2. Mein Filter ist ein Filter "X" Ordnung?
3. Die Parallelschaltung aus den Hoch- sowie Tiefpässen ergibt eine 
Bandsperre. "Wandelt" mir mein OPV die Bandsperre in einen Bandpass um? 
Wenn ja, warum ist das so?
4. Welche Durchlassfrequenz hat mein Filter?
5. Warum benutzt man hier diesen Filter und keinen anderen?

Über jegliche Hilfe würde ich mich riesig freuen.

Mit freundlichen Grüßen,
Malte

: Verschoben durch Moderator
Autor: Ingo Less (corrtexx)
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MaWin fass ;) !

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

1. Wenn man aus einem Rechtecksignal die Grundwelle ausfiltert wird es 
ein Sinus.

Der erste Filter ist R14/15  mit C21.

3. Ja. Weil bei der Sperrfrequenz die Gegenkopplung verringert wird.

4. ca. 10kHz  : 
http://www.electronicdeveloper.de/FilterAktiv_Doppel_T.aspx

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Malte M. schrieb:
>3. Die Parallelschaltung aus den Hoch- sowie Tiefpässen ergibt eine
>Bandsperre. "Wandelt" mir mein OPV die Bandsperre in einen Bandpass um?
>Wenn ja, warum ist das so?

Weil Hoch- und Tiefpas im Gegenkopplungszweig des OPV liegen.
Hohe Frequenzen und tiefe Frequenzen werden dadurch abgeschwächt,
also kann der OPV nur noch die mittleren Frequenzen verstärken.

Autor: Possetitjel (Gast)
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Malte M. schrieb:

> ein T Filter

Diese Konfiguration heißt "Doppel-T-Filter" und ist eine
Standardschaltung.

Autor: asdf (Gast)
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karadur schrieb:
> 1. Wenn man aus einem Rechtecksignal die Grundwelle ausfiltert wird es
> ein Sinus.

lass das ja nicht den kurt hören, der haut dir seine bindl-teilchen um 
die ohren... ;-)

@to: war nur ein insider-witz, will dich nicht verunsichern
 das gesagte stimmt natürlich!

Autor: Malte M. (Gast)
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karadur schrieb:
> 1. Wenn man aus einem Rechtecksignal die Grundwelle ausfiltert wird es
> ein Sinus.
>
> Der erste Filter ist R14/15  mit C21.

Der erste Filter ist also dafür da, dass ich am Eingang meines OPV einen 
Sinus habe? :)

LG

Autor: Inkognito (Gast)
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Simuliere die Schaltung doch mit LT-Spice. Dann wirst du erleuchtet 
werden.
Mit dem Tutorial aus dem Web, kannst du das spätestens nach 20 Seiten.

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

ein Tiefpass reicht da nicht. Das Signal ist aber kein Rechteck mehr 
sondern wird zu einer RC Lade/Entlade-Kurve.

Autor: Inkognito (Gast)
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karadur schrieb:
> ein Tiefpass reicht da nicht.

Der Filter ist ja auch kein nur T-Tiefpass, sondern parallel kombiniert
mit einem T-Hochpass, glaube zweiter Ordnung, aber da bin ich unsicher.

Hier eine nette Seite dazu.
http://elektroniktutor.de/analogtechnik/filter.html

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

ist mir schon klar.

Es ging um R14/15 C21.

Der Bandpass kommt erst dahinter.

Autor: Dergute Weka (derguteweka)
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Moin,

karadur schrieb:
> Hallo
>
> ist mir schon klar.
>
> Es ging um R14/15 C21.

Naja, das ist ein Tiefpass mit 160kHz Grenzfrequenz.

> Der Bandpass kommt erst dahinter.

Der hat 10kHz Mittenfrequenz; also nehm' ich mal an, dass da auch das 
Nutzsignal liegt. Dann wird da auch bei einem Rechtecksignal mit 10kHz 
bei 160kHz nicht mehr allzuviel los sein, was da gefiltert werden muss.

Gruss
WK

Autor: Klaus Ra. (klara)
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Inkognito schrieb:
> Simuliere die Schaltung doch mit LT-Spice. Dann wirst du erleuchtet
> werden.
> Mit dem Tutorial aus dem Web, kannst du das spätestens nach 20 Seiten.

Guter Tipp!

Sehr gutes Tutorial.
http://www.gunthard-kraus.de/LTSwitcherCAD/index_L...

Download, nimm das neuere LTspice XVII.
http://www.linear.com/designtools/software/

mfg klaus

Autor: Malte M. (Gast)
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Klaus R. schrieb:
> Guter Tipp!
>
> Sehr gutes Tutorial.
> http://www.gunthard-kraus.de/LTSwitcherCAD/index_L...
>
> Download, nimm das neuere LTspice XVII.
> http://www.linear.com/designtools/software/
>
> mfg klaus

Werde ich ausprobieren :)

Dergute W. schrieb:
> Moin,
>
> karadur schrieb:
>> Hallo
>>
>> ist mir schon klar.
>>
>> Es ging um R14/15 C21.
>
> Naja, das ist ein Tiefpass mit 160kHz Grenzfrequenz.
>
>> Der Bandpass kommt erst dahinter.
>
> Der hat 10kHz Mittenfrequenz; also nehm' ich mal an, dass da auch das
> Nutzsignal liegt. Dann wird da auch bei einem Rechtecksignal mit 10kHz
> bei 160kHz nicht mehr allzuviel los sein, was da gefiltert werden muss.
>
> Gruss
> WK

Für was ist denn jetzt der Filter genau da?

LG

Autor: Inkognito (Gast)
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Malte M. schrieb:
> Für was ist denn jetzt der Filter genau da?

Ergründet sich das nicht aus dem Schaltungszweck?
Wofür ist die Schaltung denn vorgesehen?

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Hallo,
Die Schaltung filtert aus dem 10kHz Rechtecksignal des Zähler die 
Grundwelle mit 10kHz. Das funktioniert auch recht gut allerdings liegt 
die Mittenfrequenz des Filters auf Grund der geringen Bandbreite des 
LM741 trotz der idealen Bauteilewerte um 3% zu niedrig. Mit einem 
schnelleren Opamp (TL071, TL072) trifft man fast exakt die 10kHz. In der 
Praxis kommen aber jetzt Toleranzen der Widerstände und Kondensatoren 
dazu. Dadurch wird das Ganze natürlich etwas zum Glücksspiel, falls die 
Amplitude sehr genau sein soll. Generell erfordern extrem schmalbandige 
Filter sehr eng tolerierte Bauteile oder einen Abgleich. Ein Abgleich 
ist hier aber nicht vorgesehen.
Im Anhang die Dateien für die Transienten- und AC-Analyse mit LTspice.

Gruß
Helmut

: Bearbeitet durch User
Autor: Inkognito (Gast)
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Helmut S. schrieb:
> Im Anhang die Dateien für die Transienten- und AC-Analyse mit LTspice.

Gut gemacht, nur , wenn der TO das liest, wird er vermutlich kein
Interesse zeigen, es mal selbst zu simulieren und dabei was zu lernen.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Inkognito schrieb:
> Helmut S. schrieb:
>> Im Anhang die Dateien für die Transienten- und AC-Analyse mit LTspice.
>
> Gut gemacht, nur , wenn der TO das liest, wird er vermutlich kein
> Interesse zeigen, es mal selbst zu simulieren und dabei was zu lernen.

Ein schnelles Erfolgserlebnis kann auch motivieren.

Autor: Malte M. (Gast)
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Guten Tag.

Die Dateien für die Transienten- und AC-Analyse mit LTspice haben mir 
sehr geholfen. Ich konnte mir diese auch vorerst anschauen, nur jetzt 
kommt bei mir die angehängte Fehlermeldung.
Habe ich etwas falsch eingestellt?

-------

Günter Lenz schrieb:
> Weil Hoch- und Tiefpas im Gegenkopplungszweig des OPV liegen.
> Hohe Frequenzen und tiefe Frequenzen werden dadurch abgeschwächt,
> also kann der OPV nur noch die mittleren Frequenzen verstärken.

Kann mir dies noch jemand in einer anderen Version erklären?

LG

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Da fehlt die Datei LM741.mod
Kopiere die in das Verzeichnis deines Schaltplanes.

Autor: Malte M. (Gast)
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Helmut S. schrieb:
> Da fehlt die Datei LM741.mod
> Kopiere die in das Verzeichnis deines Schaltplanes.

Danke hat geklappt.

-----

Ich habe nun herausgefunden, dass R14 / R15 einen Spannungsteiler 
darstellen - mit dem Teilfaktor 220.
Nun ist mir allerdings die Funktion von C21 nicht bewusst.
Was ist die Funkion eines Kondensators mit 10nF an einer 
Rechteckspannung von ~20mV?

LG

Autor: HildeK (Gast)
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Malte M. schrieb:
> Nun ist mir allerdings die Funktion von C21 nicht bewusst.
> Was ist die Funkion eines Kondensators mit 10nF an einer
> Rechteckspannung von ~20mV?

karadur schrieb:
> Der erste Filter ist R14/15  mit C21.

Hat mit der Spannung nichts zu tun und wurde schon beantwortet - es ist 
ein Tiefpass, bestehend aus C21 und R15 (R14 vernachlässigbar).
Mit 100Ω und 10nF liegt aber dessen Grenzfrequenz (≈160kHz) deutlich 
oberhalb der interessierenden 10kHz und soll vor allem die durch 
parasitäre Effekte noch durchkommenden hohen Frequenzanteile bedämpfen.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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> Nun ist mir allerdings die Funktion von C21 nicht bewusst.

Der C21 soll die Anstigeszeit des Rechtecksignals vergrößern damit der 
Opamp dem Signal folgen kann. Ohne den C gibt es einen kleinen Sprung im 
Ausgangssignal. Siehe Bild - CX mit 1p 10n 33n.


Mit dem Spannungsteiler teilt man das Eingangssognal auf eine kleine 
Spannung. Das ist notwendig da der Opamp im Bereich der Resonanzfrequenz 
das Signal sehr hoch verstärkt.

: Bearbeitet durch User
Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Helmut S. schrieb:
> Mit einem schnelleren Opamp (TL071, TL072) trifft man fast exakt die
> 10kHz.

Und mit einem noch etwas schnelleren Opamp (so ab ca. 15 oder 20 MHz),
schwingt das Filter von selber, dann kann man sogar auf die digitale
Erzeugung des 10kHz-Signals verzichten ;-)

Das Filter verhält sich theoretisch (d.h. mit einem idealen Opamp und
mit R12=R13=2·R11) wie ein verlustfreier Schwingkreis. Damit ist dessen
Bandbreite 0, an der Mittenfrequenz ist die Verstärkung unendlich, und
zudem gibt es dort einen abrupten Phasensprung von 180°. Das alles sind
keine guten Voraussetzungen, um damit ein Rechteck- in ein Sinussignal
mit definierter Amplitude umzuwandeln.

Das Ding muss also bedämpft werden, um einerseits die Verstärkung zu
begrenzen und andererseits die Bandbreite zu erhöhen. Normalerweise tut
man dies durch geeignete Dimensionierung der passiven Bauteile. Den
Opamp wählt man so aus, dass er trotz seiner Nichtidealität das
Frequenzverhalten des Filters nur wenig beeinflusst. Damit ist das
Verhalten des Filters genau vorhersehbar.

In dieser Schaltung ist für die Dämpfung jedoch einzig und allein der
Opamp zuständig nach der Faustregel: Je schlechter der Opamp, umso höher
die Dämpfung. Dass die Filtereigenschaften somit durch die Parameter des
Opamps festgelegt werden, die teilweise starken Streuungen unterliegen
und temperaturabhägig sind, wird völlig ignoriert.

Ich würde sagen, die Schaltung ist einfach nur Murks, deswegen muss man
sie auch nicht unbedingt im Detail verstehen ;-)

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Das Problem mit der "unendlichen" Verstärkung bei Resonanz kann durch 
einen passenden Widerstand R9 (<=470k) behoben werden.

: Bearbeitet durch User
Autor: Possetitjel (Gast)
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Yalu X. schrieb:

> Das Filter verhält sich theoretisch (d.h. mit einem
> idealen Opamp und mit R12=R13=2·R11) wie ein
> verlustfreier Schwingkreis. [...]

Dazu würde mich eine Herleitung interessieren, denn
mit R16 ist in der Originalschaltung eine Belastung
für das Doppel-T-Filter vorhanden.

Ich übersehe aus dem Stand nicht, welche Folgen das
hat; das müsste ich rechnen.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Possetitjel schrieb:
> Dazu würde mich eine Herleitung interessieren, denn mit R16 ist in der
> Originalschaltung eine Belastung für das Doppel-T-Filter vorhanden.

Das spielt hier keine Rolle. Natürlich entstehen an R16 Verluste, aber
das ist auch im eigentlichen Doppel-T-Glied wegen der darin enthaltenen
Widerstände der Fall. Alle diese Verluste werden aber durch den Opamp
ausgeglichen.

Der Betragsfrequenzgang des Filters (zwischen dem nicht invertierenden
Eingang und dem Ausgang des Opamp) ist


Dabei ist Ω=ωRC die normierte Kreisfrequenz, A=1+R/R16 die
DC-Verstärkung der Schaltung, R=R12=R13=2·R11 und C=C17=C18=C19=C20.

Für Ω=1, also im Resonanzfall, wird – unabhängig von A bzw. von R16 –
der obige Ausdruck unendlich. Gleichzeitig ändert sich an dieser Stelle
das Vorzeichen, was einem Phasensprung um 180° entspricht.

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Helmut S. (helmuts)
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> Für Ω=1, also im Resonanzfall, wird – unabhängig von A bzw. von R16 –

Das stimmt nicht.

R16 begrenzt die maximale Verstärkung. Siehe Anhang mit Rp=180k, 470k, 
10G(unendlich). Damit hilft diese Methode.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Helmut S. schrieb:
>> Für Ω=1, also im Resonanzfall, wird – unabhängig von A bzw. von R16 –
>
> Das stimmt nicht.
>
> R16 begrenzt die maximale Verstärkung. Siehe Anhang mit Rp=180k, 470k,
> 10G(unendlich). Damit hilft diese Methode.

Reden wir vom selben R16?

Ich bezog mich auf den Beitrag von Possetitjel, also auf

> […] R16 […] in der Originalschaltung […]

der R3 (und nicht R9) in deiner Simulation entspricht.

Unabhängig davon gefällt mir aber dein Vorschlag mit dem parallel
geschalteten Widerstand zur Bedämpfung der Filterschaltung. Damit hängt
die Filtercharakteristik weit weniger den Opamp-Parametern ab als dies
bei der Originalschaltung der Fall ist.

Autor: Possetitjel (Gast)
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Yalu X. schrieb:

> Possetitjel schrieb:
>> Dazu würde mich eine Herleitung interessieren, denn mit
>> R16 ist in der Originalschaltung eine Belastung für das
>> Doppel-T-Filter vorhanden.
>
> Das spielt hier keine Rolle. Natürlich entstehen an R16
> Verluste, aber das ist auch im eigentlichen Doppel-T-Glied
> wegen der darin enthaltenen Widerstände der Fall.

Nee... darauf wollte ich nicht hinaus, denn das ist klar.

Mein Zielpunkt war, dass alle "normierten" Aussagen in den
Lehrbüchern i.d.R. von idealen Verhältnissen ausgehen, also
entweder beidseitig Impedanzanpassung oder ideale Spannungs-
quelle am Eingang und Leerlauf am Ausgang -- je nach
Notwendigkeit.

R16 verletzt aber den ausgangsseitigen Leerlauf, daher meine
Frage.

Wahrscheinlich hast Du ja Recht mit Deiner Aussage, aber ich
habe da gerade eine Ladehemmung, denn ich verstehe den Grund
nicht. Muss wohl doch mal selber rechnen.

Autor: Jobst M. (jobstens-de)
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Inkognito schrieb:
> Wofür ist die Schaltung denn vorgesehen?

Die Schaltung ist zur Prüfung von Lehrlingen vorgesehen.
Die Schaltungen in den Prüfungsunterlagen sehen immer so aus und dort 
werden auch endlos 741, 555 und Konsorten eingesetzt.
Und dort kommt man auch auf solche Schaltungsvarianten.


Gruß

Jobst

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