Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Dimensionierung Komponenten für Tiefpass


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von HansFranz (Gast)


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Hallo,

die Formeln für einen Tiefpass (RC-Glied 1. Ordnung) sind ja im Netz 
überall zu finden, leider finde ich nirgends eine Anleitung / 
Hilfestellung wie mein Tiefpass überhaupt dimensioniert sein muss.
Der Tiefpass soll als Filter für einen ADC, der mit 16 bit und einer 
datenoutputrate von ~330Hz bipolar messen soll, eingesetzt werden.
Das zu messende Signal ist im Bereich +-20mV und wird mit gain 128 vom 
ADC verstärkt.
Wie sollte man für diesen zweck R und C des Tiefpass wählen? Was ist die 
Grenzfrequenz in diesem Falle?
Hab sowas noch nie gemacht und benötige einfach ein wenig Hilfestellung.

Danke im Vorraus.

: Verschoben durch Moderator
von derElf (Gast)


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Das Stichwort zur Suche heißt "anti aliasing filter", die Grenzfrequenz 
hängt maßgeblich davon ab mit welcher Frequenz du abtastest.

von Wolfgang (Gast)


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HansFranz schrieb:
> Der Tiefpass soll als Filter für einen ADC, der mit 16 bit und einer
> datenoutputrate von ~330Hz bipolar messen soll, eingesetzt werden.

Falls du den Filter als Anti-Aliasing Filter einsetzen möchtest, muss 
die Grenzfrequenz so gewählt werden, dass die Signalanteile aus dem 
Frequenzbereich ab der halben Abtastfrequenz (>= fa) so weit 
abgeschwächt werden, dass sie unterhalb deines tolerierbaren Messfehlers 
liegen.
https://de.wikipedia.org/wiki/Nyquist-Shannon-Abtasttheorem

von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

Im Gegensatz zur "reinen Lehre" musst du bei einem realen Filter auch 
die real vorherrschenden  Ein- und Ausgangsimpedanzen 
mitberuecksichtigen. Dadurch ergibt sich oft schon ein Anhaltswert fuer 
R und C.

Gruss
WK

von HansFranz (Gast)


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Vielen Dank für die Hilfe...

derElf schrieb:
> Das Stichwort zur Suche heißt "anti aliasing filter", die Grenzfrequenz
> hängt maßgeblich davon ab mit welcher Frequenz du abtastest.
... der ADC sampled meines Wissens nach mit einer Rate min 10x höher als 
dataoutput, wäre das dann in meinem Fall grob 3 KHz als Grenzfrequenz?

Wolfgang schrieb:
> Falls du den Filter als Anti-Aliasing Filter einsetzen möchtest, muss
> die Grenzfrequenz so gewählt werden, dass die Signalanteile aus dem
> Frequenzbereich ab der halben Abtastfrequenz (>= fa) so weit
> abgeschwächt werden, dass sie unterhalb deines tolerierbaren Messfehlers
> liegen.
> https://de.wikipedia.org/wiki/Nyquist-Shannon-Abtasttheorem
... das bekomme ich doch nur durch ausprobieren und messen heraus, 
richtig?

Dergute W. schrieb:
> Im Gegensatz zur "reinen Lehre" musst du bei einem realen Filter auch
> die real vorherrschenden  Ein- und Ausgangsimpedanzen
> mitberuecksichtigen. Dadurch ergibt sich oft schon ein Anhaltswert fuer
> R und C.
... das zu messende Signal kommt von einer DMS Messbrüke (Kraftmessdose) 
dazu sollte ich ja die Impendanz irgendwo finden können, die des ADC 
sollte doch im datenblatt stehen. Nur in wie fern berücksichtige ich das 
dann? Habe ehrlich gesagt wenn überhaupt nur "gefährliches Halbwissen" 
was das ganze analoge Frequenz-zeug, Abtastraten, Impendanzen etc. 
betrifft...
 1'en und 0'en liegen mir da mehr :)

von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

HansFranz schrieb:
> Nur in wie fern berücksichtige ich das
> dann? Habe ehrlich gesagt wenn überhaupt nur "gefährliches Halbwissen"
> was das ganze analoge Frequenz-zeug, Abtastraten, Impendanzen etc.
> betrifft...

Hm. Da wirds halt schwierig, so auf die Schnelle. Der schulbuchmaessige 
RC-Tiefpass geht halt von einer Eingangsspannung (mit Innenwiderstand 0) 
aus und liefert eine Ausgangsspannung, die nicht belastet werden darf. 
Wenn dem in Realitaet nicht so ist, dann verschiebt das halt die 
Grenzfrequenz und vielleicht auch die Durchlasscharakteristik.

Gruss
WK

von HansFranz (Gast)


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Dergute W. schrieb:
> Hm. Da wirds halt schwierig, so auf die Schnelle. Der schulbuchmaessige
> RC-Tiefpass geht halt von einer Eingangsspannung (mit Innenwiderstand 0)
> aus und liefert eine Ausgangsspannung, die nicht belastet werden darf.
> Wenn dem in Realitaet nicht so ist, dann verschiebt das halt die
> Grenzfrequenz und vielleicht auch die Durchlasscharakteristik.
.. was ich bis jetzt raus gefunden habe ist die Impendanz des ADC bei 
der outputrate sehr hoch ~ 4,5MOhm, die der DMS Messbrücke ist dagegen 
sehr gering ~ 350 Ohm, wählt man dann den R des Tiefpass eher groß, auch 
im MOhm Bereich, oder lieber gering (nahe dem der Messbrücke) damit sich 
das irgendwie angleicht?

von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

Naja, mal gucken: Wenn du den Widerstand auch so bei 4.5MOhm waehlst, 
wuerde der Tiefpass mit den 4.5MOhm EIngangswiderstand belastet; damit 
waere die Daempfung auch im Durchlassbereich bei -6dB; die Grenzfrequenz 
auch doppelt so hoch wie vermutet.
Wenn du den Widerstand auf ca. 350 Ohm setzt, dann stimmt die 
Grenzfrequenz auch nicht mit der erwarteten Grenzfrequenz ueberein, 
alldieweilen die 350 Ohm DMS zu deinem Widerstand in Reihe liegen; also 
eher 700 Ohm...
Beides Kacke. Dann wuerde sich doch vielleicht anbieten, den Widerstand 
irgendwo in der Mitte zu haben, und Mitte ist eher sowas wie 
"geometrischer Mittelwert.
Also: sqrt(350*4.5e6)= ca. 39kOhm. Mit einem Tiefpass aus so einem 
Widerstand und entsprechendem C waere der Einfluss von Deckeffekten aus 
den angeschlossenen Impedanzen dann noch recht klein...
Aber vielleicht gibts noch andere Gruende, die grad keiner kennt, warum 
39k jetzt gerade keine gute Wahl waeren...
So Sachen wie: Rauschen, Will die Messbruecke einen bestimmten 
Widerstand an ihrem Ausgang sehen, etc.?

Gruss
WK

von Wolfgang (Gast)


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HansFranz schrieb:
> ... der ADC sampled meines Wissens nach mit einer Rate min 10x höher als
> dataoutput, wäre das dann in meinem Fall grob 3 KHz als Grenzfrequenz?

Der Begriff "Grenzfrequenz" ist im Zusammenhang mit Filtern fest für den 
-3dB Punkt des Amplitudenfrequenzgangs belegt.

3kHz wäre deine Abtastfrequenz und das heißt, dass alle Signalanteile ab 
1.5kHz so weit abgeschwächt sein müssen, dass sie dich nicht mehr 
stören. Es kommt also auch drauf an, wie das Spektrum deines 
Eingangssignals aussieht, i.e. DMS-Signal und Signalrauschen.

HansFranz schrieb:
> ... das bekomme ich doch nur durch ausprobieren und messen heraus,
> richtig?

Oder durch Wissen über deine Signalquelle und ein bisschen Rechnerei.

von Patrick (Gast)


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Hierfür solltest du auch wissen, wie hoch die Amplituden deiner 
"Störfrequenzen" sein können, das weiß nur in der Regel keiner.
Bei Dehnmessstreifen kann ich mir hier nicht wirklich nen Reim draus 
machen, die sind ja an Verformungskörper gekoppelt, "mechanisch langsam" 
und durch ihre Niederohmigkeit auch recht EMV-unempfindlich.

Ziel sollte es sein, dass Signale mit der halben Abtastfrequenz soweit 
gedämpft sind, dass sie keinen nennenswerten Ausschlag mehr haben. Hart 
gesagt wäre das eine halbe Quantisierungsstufe deines ADC. Wenn du +- 20 
mV mit 16 bit misst, hast du also eine Quantisierung von 40 mV / (2^16), 
also furchtbar klein. Ein RC-Tiefpass dämpft oberhalb der Grenzfrequenz 
mit -20dB/Dekade, also auf 1/10 beim zehnfachen der Grenzfrequenz, 1/100 
beim hundertfachen und so weiter. Da du kaum wissen wirst, wie die 
Störsignale aussehen, würde ich mich z.B. an der mechanischen 
Eigenfrequenz deines Aufnehmers orientieren. Für messtechnische Zwecke 
solltest du dich mit deinem Filter unterhalb dieser mechanischen 
Frequenz bewegen, denn 30 % Messfehler bei der Grenzfrequenz sind i.d.R. 
nicht tolerierbar. Ob du deine Störungen damit in den Griff kriegen 
kannst, weiß ich nicht, aber wenigstens hast du "was" eingebaut :)
Mit einem Filter erster Ordnung kommt man in solchen Fällen im 
Allgemeinen nicht weit, aber es ist "ein Anfang".

von Harald W. (wilhelms)


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HansFranz schrieb:

> ... das zu messende Signal kommt von einer DMS Messbrüke (Kraftmessdose)
> dazu sollte ich ja die Impendanz irgendwo finden können, die des ADC
> sollte doch im datenblatt stehen. Nur in wie fern berücksichtige ich das
> dann? Habe ehrlich gesagt wenn überhaupt nur "gefährliches Halbwissen"
> was das ganze analoge Frequenz-zeug, Abtastraten, Impendanzen etc.
> betrifft...

Im Kleinleistungsbereich ist es immer das Beste, sog. aktive Filter
mit OPV und mindestens zweiter Ordnung zu nehmen. Für die Grenz-
frequenz ist nicht die Nutzfrequenz wichtig, sondern die Abtast-
frequenz. Du solltest Dir auf jeden Fall noch Grundwissen über
den Alias-Effekt aneignen. In den Links im INet darüber gibts
auch meistens Tips für die Dimensionierung. Einen ersten Einstieg
über aktive Filter gibts hier:
https://de.wikipedia.org/wiki/Filter_(Elektrotechnik)#Aktiv_vs._Passiv
Im INet gibts aber auch fertige Tools zur Berechnung der Komponenten.

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