Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Anti-Aliasing Filter für digitale Regelung


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von Benjamin Nels (Gast)


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Hallo Leute,

anbei eine Frage:

Ich messe mit einem Lasersensor (Grenzfrequenz 10 kHz) die Regelgröße 
und führe diesem ADC-Eingang zu. Mit dem ADC habe ich eine 
Abtastfrequenz von 1 kHz eingestellt.

Diese Art der Regelung funktioniert auch im praktischem Betrieb (erstes 
Blockschaltbild oben)!


Nun les ich aber überall, dass Anti-Aliasing Filter eingesetzt werden. 
Aber wieso funktioniert meine Regelung ohne diesen Filter und wäre es zu 
empfehlen diesen Filter nachträglich mit reinzunehmen?

Ändert sich dadurch meine Systemdynamik oder hab ich irgendwelche 
Nachteile durch diesen AL-Filter?


Besten Dank für eure Antworten vorab!


Gruß
Benjamin

von Benjamin Nels (Gast)


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Benjamin Nels schrieb:
> ch messe mit einem Lasersensor (Grenzfrequenz 10 kHz)

Eine Frage noch dazu:

Wenn die Grenzfrequenz des Sensors bei 10 kHz liegt und die Frequenz des 
Filters bei 200 Hz, kann ich bei einer entsprechenden Simulation dann 
den Sensor als normalen P-Verstärker simulieren und dannach ein Tiefpass 
mit fg=200 Hz?

von Harald W. (wilhelms)


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Benjamin Nels schrieb:

> Ich messe mit einem Lasersensor (Grenzfrequenz 10 kHz)
> Mit dem ADC habe ich eine Abtastfrequenz von 1 kHz eingestellt.

> Nun les ich aber überall, dass Anti-Aliasing Filter eingesetzt werden.
> Aber wieso funktioniert meine Regelung ohne diesen Filter und wäre es zu
> empfehlen diesen Filter nachträglich mit reinzunehmen?

Du brauchst das Anti-Aliasing Filter nicht  für die Regelung,
sondern für die AD-Wandlung. Wenn Dein Sensor kein Signale
>500Hz liefert, gehts auch ohne Filter. Allerdings gibts
solche hochfrequenten Anteile oft schon allein durch das
allgegenwärtige Rauschen.

> Ändert sich dadurch meine Systemdynamik oder hab ich irgendwelche
> Nachteile durch diesen AL-Filter?

Wenn das Filter sauber konstruiert wurde, sollte es keine oder
nur sehr geringe Verfälschungen im Durchlassbereich haben.

Übrigens ist die Abkürzung unglücklich  bis verfälschend.
Wenn schon Aküfi, dann besser AA-Filter.

von Benjamin Nels (Gast)


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Harald W. schrieb:
> Wenn das Filter sauber konstruiert wurde, sollte es keine oder
> nur sehr geringe Verfälschungen im Durchlassbereich haben.

Na ja, jetzt ist die Frage nach der sauberen Konstruktion?

Ich hätte hier einen einfachen RC-Filter genommen, bei der ich die 
Kapazität vorgebe und daraus den Widerstand berechne.

von Harald W. (wilhelms)


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Benjamin Nels schrieb:

> Ich hätte hier einen einfachen RC-Filter genommen, bei der ich die
> Kapazität vorgebe und daraus den Widerstand berechne.

Ich denke, da sollte man schon ein aktives Filter mit OPV nehmen.

von Benjamin Nels (Gast)


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Harald W. schrieb:
> Benjamin Nels schrieb:
>
>> Ich hätte hier einen einfachen RC-Filter genommen, bei der ich die
>> Kapazität vorgebe und daraus den Widerstand berechne.
>
> Ich denke, da sollte man schon ein aktives Filter mit OPV nehmen.

Ja also vielen Dank zwar für die Hilfe, aber ohen Begründung hilft mir 
das alles nichts. Ich will ja auch was dabei lernen.

von Harald W. (wilhelms)


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Benjamin Nels schrieb:

> Ja also vielen Dank zwar für die Hilfe, aber ohen Begründung hilft mir
> das alles nichts. Ich will ja auch was dabei lernen.

Was willst Du begründet haben?
https://de.wikipedia.org/wiki/Alias-Effekt

von Analog OPA (Gast)


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Eine Abtastung mit 1ms erfordert einen Filter auf 0,5 ms. Das sind bei 
mir 2kHz.

von Analog OPA (Gast)


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Vertippt: Es sind 0,5 kHz und 2ms.

von Harald W. (wilhelms)


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Analog OPA schrieb:

> Vertippt: Es sind 0,5 kHz und 2ms.

Wobei man gern einen etwas grösseren Sicherheitsabstand wählt.
Leider sagt der TE wenig bis garnichts zur Anwendung. So kann
man nur recht allgemeine Tipps geben.

von Benjamin Nels (Gast)


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Analog OPA schrieb:
> Vertippt: Es sind 0,5 kHz und 2ms.

Hä? Eine Abtastzeit von 1ms heißt, meine Abtastfrequenz ist 1 kHz!

Die höchste im Signal vorkommende Frequenz darf daher nicht größer als 
500 Hz sein! Ich nehme jedoch lieber den Faktor 5 und sage das die 
höchste Frequenz nich höher als 200 Hz sein soll.

Harald W. schrieb:
> Was willst Du begründet haben?
> https://de.wikipedia.org/wiki/Alias-Effekt

Warum ein OPV besser geeignet ist als ein RC-Filter?

von Harald W. (wilhelms)


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Benjamin Nels schrieb:

> und sage das die
> höchste Frequenz nich höher als 200 Hz sein soll.

Wie hoch ist denn die höchste Nutzfrequenz im Signal?
Das ist der entscheidende Wert für die Bemessung.

> Warum ein OPV besser geeignet ist als ein RC-Filter?

Auch ein aktives Filter mit OPV ist ein RC-Filter.
Es sind aber Filter mit höherer Ordnung, die steilere
Übertragungsfunktionen ermöglichen.

von Benjamin Nels (Gast)


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Harald W. schrieb:
> Wie hoch ist denn die höchste Nutzfrequenz im Signal?
> Das ist der entscheidende Wert für die Bemessung.

Wie bekommt man die denn raus?

Ich dachte da ich sowieso nur mit 1kHz abtaste, darf die höchste 
Nutzfrequenz nicht höher sein als 500 Hz. Da es doch üblich ist die 
Abtastfrequenz 5 ...10 mal der Nutzfrequenz zu machen, hätte ich einfach 
200 Hz angesetzt.


Geht um ein Voice-Coil Motor, der positionsgeregelt wird.

von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

Benjamin Nels schrieb:
> Geht um ein Voice-Coil Motor, der positionsgeregelt wird.

Das klingt so, als ob da irgendwelche beschleunigten Massen im Spiel 
sind, das wird also tendentiell eh' schon einen (mechanischen) 
Tiefpasscharakter haben.
Mal ganz allgemein: Das mit den lustigen Faustregeln fuer die 
Abtastfrequenz ist alles Quatsch. Es gibt das Abtasttheorem, was da 
recht klar formuliert ist. Punkt.
Leider ist's so formuliert, dass man es im "echten" Leben immer irgendwo 
verletzt. Also ist die Frage, wie sehr darf ich's verletzen, bis es auch 
mir wehtut.
Nur danach richtet sich das Vorhandensein / Steilheit des 
Antialiasingfilters.

Wird so ein Filter in eine Regelung eingebracht, wirds zusaetzlich 
tricky, weil das Filter natuerlich mit in die Strecke eingeht. Und da 
wirds insbesondere bei Filtern hoeherer Ordnung immer "bloeder", denn 
die haben immer eine hoehere Gruppenlaufzeit. Und Gruppenlaufzeit heisst 
auf Regelungstechnisch: Totzeit. Und das macht die Regelung instabil 
oder, wenn man sie miteinbezieht, langsamer.

Speziell hier: Du musst gucken, ob du in deinem zu digitalisierenden 
Signal ueberhaupt irgendwelche Frequenzanteile hast, fuer die das 
Abtasttheorem verletzt werden wuerde. Und wenn ja, wie stark die sind 
und wie stark du die daempfen muesstest, damit sie dich gerade so nicht 
mehr stoeren. Daraus kannst du dir dann die Eigenschaften eines Filters 
ableiten. Ob dieses Filter dann per passivem RC, LC, mit OpAmps, 
Massen+Federn+Daempfung oder Melitta 1x4 realisiert wird, ist voellig 
wumpe. Und welche Ordnung es haben muss, geht eben aus den 
Daempfungsanforderungen fuer die stoerenden Bereiche hervor.
Sorry, unschwammiger gehts nicht.

Gruss
WK

von Mutti (Gast)


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Kannst du die abtastfrequenz höher wählen? So dass du garkeiben Filter 
mehr brauchst, dein Sensor hat ja tiefpassverhalten.

von Karl (Gast)


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Dergute W. schrieb:
> Abtastfrequenz ist alles Quatsch. Es gibt das Abtasttheorem, was da
> recht klar formuliert ist. Punkt.
Klar, es gilt aber nur für unendlich lange Messungen. Gerade bei einer 
Regelung hat man das aber nicht. Das Abtastheorem ist daher nicht 
anzuwenden.

> Leider ist's so formuliert, dass man es im "echten" Leben immer irgendwo
> verletzt.
Das hat mit der Formulierung nichts zu tun. Es ist, was es ist.

>Also ist die Frage, wie sehr darf ich's verletzen, bis es auch
> mir wehtut.
Genau da liegt der Hase im Pfeffer. Faustformel 5-10 x schneller 
abtasten als das Abtasttheorem vorgibt.

@ Regelung:
Wie schon geschrieben macht ein AAF eine Phasenverschiebung oder Totzeit 
und ist damit für eine Regelung nicht günstig.
Man muss sich halt die Frage stellen, ob man auf hohe Frequenzen nicht 
reagieren will, weil das AAF sie nicht durchlässt oder weil ich sie 
wegen Aliasing nicht korrekt erfassen kann. Beides ist Mist. Im einen 
Fall schwingt es unkontrolliert und im anderen Fall regle ich auf was, 
was nicht da ist.

Lösung? Abtastfrequenz des kompletten Reglers so weit erhöhen bis das 
Aliasing nicht mehr stört, da durch die Zeitkonstante des Systems 
begrenzt. Was der Sensor an Bandbreite hat ist dann beinahe 
nebensächlich, wenn das mechanische System nur 50 oder 100 Hz an 
Bandbreite zulässt.

Ich persönlich spare mir in so einem Fall das AAF oder lege es so aus, 
dass nur sehr hochfrequente Störungen gefiltert werden, damit sich die 
Güte der Regelung nicht negativ von der Phasenverschiebung beeinflussen 
lässt.

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