DE2626881C3

DE2626881C3 - Selbstabstimmendes Bandsperren-Filter

Info

Publication number: DE2626881C3
Application number: DE19762626881
Authority: DE
Inventors: Norbert Prof. Dr.-Ing. 7517 Waldbronn Fliege
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-06-16
Filing date: 1976-06-16
Publication date: 1979-03-15
Also published as: DE2626881B2; DE2626881A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein selbstabstimmendes Bandsperren-Filter mit einer ersten, die Frequenzabstimmung des Filters steuernden Phasenvergleichsstufe, deren einer Eingang an den Ausgang des Filters und deren anderer Eingang an einer: Schaltpunkt des Filters angeschlossen ist, dessen Spannung gegenüber der am Eingang des Filters einen Phasenwinkel von 90° aufweist, sobald das Filter genau auf die Frequenz der Eingangsspannung des Filters abgestimmt ist und mit einer zweiten, den Restwert der Spannung am Ausgang des Filters beeinflussenden Phasenvergleichsstufe, αεί ο ren einer Eingang an den Ausgang des Filters und deren anderer Eingang an einen Schaltpunkt des Filters angeschlossen ist, dessen Spannung mit der Eingangsspannung des Filters gleichphasig ist, sobald das Filter genau auf die Frequenz am Eingang des Filters is abgestimmt ist.

Stand der Technik

Es sind Klirrfaktormeßgeräte gebaut worden, die ein selbstabstimmendes Bandsperrenfilter enthalten, das a!s Filternetzwerk eine Wienbrücke enthält. Wird die Phase der Eingangsspannung des Filternetzwerkes mit der der Ausgangsspannung verglichen, so ergibt sich der Phasenunterschied Null (180°), wenn das Filternetzwerk genau auf die Frequenz der Spannung am Eingang des Filternetzwerkes abgestimmt ist. Den Eingängen einer Phasenvergleichsstufe werden die Eingangsspannung und unter Zwischenschaltung eines 90° -Phasenschiebers die Ausgangsspannung des Filternetzwerkes zugeführ:, so daß das Ausgangssignal zur Beeinflussung

so der Abstimmung (Variation der Widerstandswerte) des Filternetzwerkes herangezogen werden kann.

Die beschriebene Anordnung zur Selbstabstimmung sorgt dafür, daß die Sperrfrequenz des Filternetzwerkes identisch wird mit der Frequenz des sinusförmigen

ν, Eingangssignals. Als Referenzsignal dient somit das Eingangssignal selbst. Als Kriterium für die richtige Selbstabstimmung der Sperrfrequenz des Filternetzwerkes auf die Frequenz des Eingangssignals wird allein der Phasenunterschied zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung des Filternetzwerkes verwendet.

Auf diesem Grundprinzip beruhen alle bekannten selbstabstimmenden Filter, wie sie zum Stand der Technik gehören. Das gilt für selbstabstimmende

v, Bandpaßfilter (US-PS 37 14 588), für Filteranordnungen zum Unterdrücken einer einzigen periodischen Signalkomponente (DE-AS 21 43 560) und für das im H P- Katalog, 1970, Seite 448 ff. beschriebene Gerät zur Klirrfaktormessung.

,(ι Weil einfache Phasenschieber den eingestellten Phasenwinkel nur innerhalb eines schmalen Frequenzbereiches halten, müssen sie umschaltbar und/oder mit einem Allpaß versehen sein. Deshalb ist es erwünscht, den zusätzlichen Aufwand für einen Phasenschieber

v, einzusparen, und die um 90° phasenverschobene Spannung dem Filternetzwerk selbst zu entnehmen.

Ein selbstabstimmendes Bandsperren-Filter, bei dem die um 90° in der Phase verschobenen Spannungen vom Filternetzwerk abgeleitet werden, ist bei einem

bo automatischen Verzerrungsmesser ebenfalls bekannt.

Bei den eingangs beschriebenen Bandsperren-Filtern erfolgt die Abstimmung auf die Frequenz am Eingang und die Einstellung auf eine minimale Restspannung am Ausgang des Filters durch Variation von im Filternetzwerk enthaltenen Widerständen mit Hilfe von Photowiderständen. Diese werden durch Glühlampen beeinflußt, deren Helligkeit von den Phasenvergleichsstufen gesteuert wird. Abgesehen davon, daß zur Steuerung

der Glühlampen zusätzliche Leistungsverstärker notwendig sind, verläuft die Selbstabstimmung schleppend, was die Bedienung des Gerätes erheblich erschwert Außerdem ist die Sperrdämpfung wegen der hohen Auslieferungstoieranzen und der geringen zeitlichen Konstanz der lichtgesteuerten Widerstände für verschiedene Anwendungsfälle nicht ausreichend. Dazu kommt noch, daß die Grobabstimmung durch Bereichsumschaltung und kontinuierliche Handabstimmung erfolgen muß und die Restdämpfung von der Abstimmung abhängig ist Darüber hinaus muß bei einem der erwähnten Verzerrungsmesser die maximale Sperrdämpfung von Hand eingestellt werden.

Für viele Anwendungsfälle von Bandsperren-Filter reichen die Sperrdämpfung und die Güte von Wienbrücken, bei denen nur die Symmetrie der Brücke optimal eingestellt wird, nicht aus. Zur Verbesserung dieser Werte beschreibt die Literaturstelle »Sharpen active null networks« in Electronic Design ¹3, Juni 21, 1974, Seiten 102 bis 104, insbesondere Seite 104, 2» Abbildung 5 eine Schaltung mit einer Wienbrücke, in der außer einer Symmetrieeinstellung noch ein Rückkopplungsnetzwerk zur Güteeinstellung vorgesehen ist. Diese Maßnahmen reichen aber noch nicht aus, die Restspannung am Ausgang eines Bandsperrenfilters unabhängig von der Frequenzeinstellung von Hand oder automatisch nahezu auf den Wert Null zu bringen.

Die deutsche Auslegeschrift 20 25 936 weist einen Binärzähler, dessen Ausgänge mit einem Digital-Analog-Wandler, der z. B. aus Widerständen aufgebaut ist, μ als bekannt nach, der in der Lage ist, die Sperr- oder Resonanzfrequenz eines Filternetzwerkes in diskreten Stufen abzustimmen. Diese und andere bekannten Steuerschaltungen haben den schwerwiegenden Nachteil der geringen Frequenzauflösung. Wegen der Diskre- j> tisicrung der einstellbaren Frequenzen haben sie stets einen Restfehler in der Frequenzabstimmung zur Folge, der eine hohe Sperrdämpfung des Filternetzwerkes vereitelt.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein selbstabstimmendes Bandsperren-Fiiter zu schaffen, bei dem die Restspannung am Ausgang unabhängig von der eingestellten Frequenz automatisch auf den Wert Null 4^r> eingeregelt wird, und bei dem die Abstimmung auf die Frequenz am Eingang des Filternetzwerkes ohne Bereichsumschaltung und zusätzliche Handabstimmung erfolgt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 ^r,o angegebene Erfindung gelöst.

Vorteile

Das erfindungsgemäße Bandsperren-Filter hat den Vorteil, daß über einen großen Frequenzbereich von v, z.B. 10 Hz bis 100 kHz eine automatische Kompensation der Restspannung am Ausgang auf einen Wert, der praktisch Null gleichgesetzt werden kann, möglich ist, und die Abstimmung auf die Frequenz am Eingang ohne zusätzliche Handabstimmung erfolgt. Alle selbsttätigen on Vorgänge verlaufen mit geringstmöglicher Zeitkonstante, wodurch eine schleppende und ungenaue Einstellung vermieden wird. Außerdem stellt die Schaltung ohne zusätzliche Schaltmittel zwei immer um 90° in der Phase verschobene Vergleichsspannungen zur Verfügung, die t>^r> zur unabhängigen Regelung der Frequenz und der Restdämpfung dienen. Schließlich ist der technische Aufwand gegenüber den bekannten Lösungen wesentlich geringer, weil keine Mittel zur Handabstimmung und keine Leistungsverstärkung zur Beeinflussung von Photowiderständen durch Glühlampen notwendig sind.

Beschreibung der Erfindung

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen nachfolgend näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Bandsperren-Filters in Form eines Blockschaltbildes,

F i g. 2 das Bandsperren-Filter gemäß F i g. 1 mit einer vorzugsweise Ausführungsform des Filternetzwerkes in Blockdarstellung,

Fig.3 das Schaltbild einer vorzugsweisen Ausführungsform der Frequenzabstimmung.

In eiern Blockschaltbild nach F i g. 1 ist ein Filternetzwerk 1 für eine Bandsperre mit einem Eingang 2, einem Bandsperrenausgang 3 und einem Bandpaßausgang 4. Für die selbstständige Abstimmung des Filternetzwerkes 1 auf die Frequenz am Eingang 2 ist eine Phasenvergleichssti'fe 5 vorgesehen. Diese erhält im abgestimmten Zustand des Filternetzwerkes 1 vom Bandsperrenausgang 3 und von einem weiteren Ausgang 6 um 90° phasenverschobene Eingangssignale. Das Ausgangssignal der Phasenvergleichsstufe 5 steuert die Abstimmung des Filternetzwerkes 1 und strebt dabei dem Wert Null zu.

Zur automatischen Kompensation der Restspannung am Bandsperrenausgang 3 dient eine Phasenvergleichsstufe 7, die im abgestimmten Zustand des Filternetzwerkes 1 vom Bandsperrenausgang 3 und vom Bandpaßausgang 4 phasengleiche Eingangssignale erhält. Gemäß der Erfindung steuert die Phasenvergleichsstufe 7 einen bipolaren Regelverstärker 8, der eine dem Bandpaßausgang 4 entnommene Kompensationsspannung an eine dem Bandsperrenausgang 3 vorgeschaltete Summierstufe 9 liefert. — Der Aufbau und die Wirkungsweise eines bipolaren Regelverstärkers sind im Prinzip in der Zeitschrift Electronic Design 15, Juli 1975, Seite 68 beschrieben. Derartige Regelverstärker geben in Abhängigkeit von der Regelung eine von einem maximalen negativen Wert nach einem maximalen positiven Wert verlaufende Ausgangsspannung ab. — Im abgestimmten Zustand des Filternetzwerkes 1 sind die Eingangssignale der Phasenvergleichsstufe 7 genau phasengleich. In diesem Fall erreicht die Ausgangsspannung der Phasenvergleichsstufe 7 einen Maximalwert. Dadurch wird der bipolare Regelverstärker 8 derart eingestellt, daß die an die Summierstufe 9 gelangende Kompensationsspannung die Restspannung am Bandsperrenausgang 3 auf den Wert Null bringt.

Gemäß dem Blockschaltbild Fig.2, in das die Bezugszeichen der F i g. 1 mit gleicher Bedeutung übernommen sind, ist als Filternetzwerk 1 ein aktives Filter zweiten Grades vorgesehen. Es umfaßt zwei Tiefpässe, die je aus einem Zeitkonstantenglied 10 bzw. 12 und einem Operationsverstärker 11 bzw. 13 bestehen, denen zwei Summierstufen 14 und 15 nachgeschaltet sind. Die letztgenannte Summierstufe übernimmt zusätzlich die Funktion der Summierstufe 9 in Fig. 1. Die Arbeitsweise eines derartigen Filters ist beschrieben in dem Buch von Adam B u d a k »Passive and Active Network Analysis and Synthesis«, Verlag Houghton Mifflin Company, Boston, 1974.

Der Bandpaßausgang 4, der im abgestimmten Zustand eine mit der Spannung am Bandsperrenausgang 3 phasengleiche Spannung abgibt, liegt am Ausgang des Operationsverstärkers 11. Der Ausgang

des Operationsverstärkers 13 liegt am Ausgang 6 des Füternetzwerkes 1 und gibt im abgestimmten Zustand eine gegenüber dem Signal am Bandsperrenausgang 3 um 90° phasenverschoben Spannung ab.

Zur Giobabstimmung des Füternetzwerkes 1 auf die Frequenz am Eingang 2 iil eine Suchlaufschaltung 19 vorgesehen, durch die die Zeitkonstantenglieder 10 und 12 so la^ge stufenweise eingestellt werden, bis die Ausgangsspannung der Phasenvergleichsstufe 5 einen vorgegebenen Mindestwert unterschritten hat. Daraufhin bewirkt die gleiche Phasenvergleichsslufe 5 über eine Leitung 20 die Feinabstimmung durch kontinuierliche Einstellung der Zeitkonstantenglieder 10 und 12.

Wie in den Ausführungen zum Blockschaltbild nach Fig. 1 beschrieben, steuert die Phasenvergleichsstufe 7 den bipolaren Regelverstärker 8. Dieser liefert an einen Eingang der Summierstufe 15 (entsprechend Summierstufe 9 in F i g. 1) eine Spannung zur Kompensation der Restspannung am Bandsperrenausgang 3. Zur Erhöhung der Güte des Filternetzwerkes 1 ist der Ausgang des Operationsverstärkers 11 noch mit dem MQ bezeichneten Eingang der Summierstufe 14 verbunden.

Die Frequenzabstimmung erfolgt durch die Schaltung gemäß F i g. 3. Das Schaltbild zeigt in detaillierter Ausführung den Schaltungsabschnitt der Fig.2, der durch die Anschlüsse 16, 17 und 18 markiert ist. Der Abstimmvorgang wird aus Vereinfachungsgründen nur in Verbindung mit dem Tiefpaß 10/11 der Fig. 2 erläutert. Durch die parallel geführte Ansteuerung des Zeitkonstantengliedes 12 erfolgt die Abstimmung des Tiefpasses 12/13 der Fig. 2 in identischer Weise und durch die gleichen Schaltungsmittel.

Wie Fig.3 zeigt, enthält das Zeitkonstantenglied 10 einen Kondensator 24 und eine Reihe zueinander parallelgeschalteter Widerstände 25 bis 28, deren Werte binär gestaffelt sind. In Reihe mit dem Widerstand 25 liegt ein Feldeffekttransistor 39, der über die Leitung 20 direkt von der Phasenvergleichsstufe 5 ansteuerbar ist (F i g. 2). In Reihe mit den Widerständen 26 bis 28 liegen Relaiskontakte 36 bis 38, deren zugehörige Relais 33 bis 35 Bestandteil der Suchlaufschaltung 19 sind. Diese hat eine Schaltstufe 30. die über den Anschluß 18 von der Phasenvergleichsstufe 5 gesteuert wird (Fig.2). Der Schaltstufe 30 nachgeordnet ist ein Zähler 31, der einen Binärkudiercr 32 steuert. Über diesen sind die Relais 33 bis 35 erregbar.

Über den Anschluß 18 liegt die Ausgangsspannung der die Frequenzabstimmung bewirkenden Phasenvergleichsstufe 5 ar. der Basis des Feldeffekttransistors 39 und an der Schaltstufe 30 an. Hat die Ausgangsspannung der Phasciivergleichbstufe 5 einen Wert, der über einem vorgegebenen Mindestwert liegt, dann setzt diese die

ίο S'i~h!nv.f -chaUung 16 zur Grobabstimmung in Tätigkeit, Über die Schaltstufe 30 wird der Zähler 31 angelassen, der seinerseits den Binärkodierer 32 betätigt. Dieser schaltet nacheinander ein oder mehrere der Relais 33 bis 35 ein. Die über die zugehörigen Kontakte 36 bis 38 eingeschalteten Widerstände 26 bis 28 bewirken eine stufenweise Änderung der Einstellung des Zeitkonstantengliedes 10. Dieses erfolgt so lange, bis die Ausgangsspannung der Phasenvergleichsstufe 5 den vorgegebenen Mindestwert unterschritten hat. Dieses Kriterium veranlaßt die Schaltstufe 30 den Zähler 31 auszuschalten.

Die Relais 33 bis 35, die z. B. als Haftrelais ausgebildet sind, verbleiben somit in dem zuletzt eingenommenen Schaltzustand. — Die Anzahl der einschaltbaren Widerstände 26 bis 28 richtet sich nach dem zu überdeckenden Frequenzbereich und dem Feinheitsgrad der Abstufung. Die Möglichkeit der Erweiterung der Abstufung ist in F i g. 3 durch gestrichelt dargestellte Leitungen angedeutet. Nach Beendigung der Grobab-

jo Stimmung steuert die am Anschluß 18 noch anstehende Ausgangsspannung der Phasenvergleichsstufe 5 den Durchlaßwiderstand des mit dem Widerstand 25 in Reihe geschalteten Feldeffekttransistors 39 in der Weise, daß innerhalb der kleinsten Abstufung der

J5 Grobabstimmung die Feinabstimmung auf den genauer Wert der Frequenz am Eingang 2 des Bandsperren-Filters erfolgt.

Die Verwendung einer Suchlaufschaltung mit einer Grobabstimmung in Stufen hat den Vorteil, daß in weiten Grenzen elektronisch veränderbare Widerstände vermieden werden, die meist nichtlineare Verzerrungen verursachen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Selbstabstimmendes Bandsperren-Filter gebildet aus einer ersten, die Frequenzabstimmung des Filters steuernden Phasenvergleichsstufe, deren einer Eingang an den Ausgang des Filters und deren anderer Eingang an einen Schaltpunkt des Filters angeschlossen ist, dessen Spannung gegenüber der am Eingang des Filters einen Phasenwinkel von 90° aufweist, sobald das Filter genau auf die Frequenz der Eingangsspannung des Filters abgestimmt ist und aus einer zweiten, den Restwert der Spannung am Ausgang des Filters beeinflussenden Phasenvergleichsstufe, deren einer Eingang an den Ausgang des Filters und deren anderer Eingang an einen Schaltpunkt des Filters angeschlossen ist, dessen Spannung mit der Eingangsspannung des Fdters gleichphasig ist, sobald das Filter genau auf die Frequenz am Eingang des Filters abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (I) außer dem Bandsperrenausgang (3) einen Bandpaßausgang (4) aufweist, der an einen Schaltpunkt (17, Fig.2) des Filters (1) angeschlossen ist, dessen Spannung mit der am Ausgang (3) des Filters (1) gleichphasig ist, sobald das Filter (1) genau auf die Frequenz der Spannung am Eingang (2) des Filters (1) abgestimmt ist, daß an den Bandpaßausgang (4) der Eingang eines bipolaren Regelverstärkers (8) angeschlossen ist, der von einer Phasenvergleichsstufe (7) gesteuert wird, deren Eingänge am Ausgang (3) des Filters (1) und am BandpaUausgang (4) liegen, und daß der Ausgang des bipolaren Regelverstärkers (8) an eine am Ausgang (3) des Filters (1) vorgeschaltete Summierstufe (9 bzw. 15, F i g. 2) eine Kompensationsspannung liefert, die die Restspannung am Ausgang (3) im abgestimmten Zustand des Filters (1) auf den Wert Null bringt.

2. Selbstabstimmendes Bandsnerren-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter (1) vorgesehen ist, das zwei aus abstimmbaren Zeitkonstantengliedern (10 und 12) und Operationsverstärkern (11 und 13) bestehende Tiefpässe aufweist, die mit zwei Summierstufen (14 und 15) in an sich bekannter Weise derart zusammengeschaltet sind, daß sich am Ausgang des ersten Tiefpasses (10 und 11) das Verhalten eines Bandpasses, am Ausgang des zweiten Tiefpasses (12 und 13) das Verhalten eines Tiefpasses, am Ausgang der ersten Summierstufe (14) das Verhalten eines Hochpasses und am Ausgang der zweiten Summierstufe (15) das Verhalten einer Bandsperre ergibt.

3. Selbstabstimmendes Bandsperren-Filter nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Grobabstimmung des Filternetzwerkes (1) eine Suchlaufschaltung (19) vorgesehen ist, durch die Zeitkonstantenglieder (10 und 12) so lange stufenweise verändert werden, bis die Ausgangsspannung der steuernden Phasenvergleichsstufe (5) einen vorgegebenen Mindestwert unterschritten hat, und daß die Feinabstimmung durch die gleiche Phasenvergleichsstufe (5) durch kontinuierliche Einstellung der Zeitkonstantenglieder (10 und 12) erfolgt.