DE2831107A1 - Aktivfilter dritter ordnung und verfahren zu dessen regelung - Google Patents

Description

Association des Ouvriers en Instruments de Precision Paris / Frankreich

Aktivfilter dritter Ordnung und Verfahren zu dessen

Regelung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Aktivtiefpaßfilter dritter Ordnung mit unabhängig von einander regelbaren Parametern, sowie auf ein Verfahren zum Regeln der Parameter des Aktivtiefpaßfilters, und auf dessen Anwendung bei der Herstellung des Modulations- bzw. Demodulationsfliters einer Vorrichtung zum Senden und Empfangen kodierter Ferr.sprechimpul se.

Aktive Tiefpaßfilter dritter Ordnung werden beispielsweise bereits bei solchen Modulations- bzw. Demodulationsfiltern verwendet. Sie v/eisen im wesentlichen einen Operationsverstärker und ein Netzwerk aus Widerständen und Kondensatoren auf, das insbesondere so ange-

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schlossen ist, daß an den Operationsverstärker eine vorbestimmte Rückkopplung angelegt wird. Damit einem Aktivfilter dieser Art eine vorgegebene übertragungsfunktion und ein vorgegebener Verstärkungsfaktor gegeben werden, müssen die Abweichungen berücksichtigt werden, die sowohl die resistiven wie auch kapazitiven Bauteile des genannten Netzwerks wie auch die Charakteristika des Operationsverstärkers gegenüber ihrem jeweiligen Sollwert aufweisen können. Bei diesen verschiedenen Bauteilen lassen sich nur die Widerstandswerte des Netzwerkes verhältnismäßig einfach und insbesondere kontinuierlich dimensionieren, um der jeweiligen Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der anderen Bauteile des Filters Rechnung zu tragen. Nach Messung der Charakteristika des Operationsverstärkers und der Werte der kapazitiven Bauelemente des Metzwerkes lassen sich somit die Werte theoretisch berechnen, die die resistiven Bauteile des Netzwerkes aufweisen müssen, damit das Filter die gewünschte übertragungsfunktion und den gewünschten Verstärkungsfaktor hat.

Es hat sich jedoch erwiesen, daß dieses Verfahren wenig zufriedenstellend ist, je nachdem, ob es eine genaue Kalibrierung aller Bauteile des Filters und komplizierte Berechnungen erfordert, oder ob es die Herstellung völlig zuverlässiger oder sicherer Aktivfilter nicht gestattet, deren verschiedene Parameter genau die vorgesehenen Werte aufweisen. Aus diesem Grunde ist man für die Herstellung von Aktivfilter der genannten Art zu einem Verfahren übergegangen, das darin besteht, daß kontinuierlich die verschiedenen zu regelnden Parameter des Aktivfilters in dem Maße mißt, wie man die verschiedenen Bauteile des Netzwerkes kontinuierlich regelt und einstellt. Die Anwendung dieses Verfahrens ist besonders in dem immer häufiger auftretenden Fall günstig anzuwenden, in dem das betreffende Aktivfilter aus einer Festkörperschaltung in integrierter oder Hybridtechnik hergestellt wird, in welcher die verschiedenen resistiven

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Elemente als Widerstandsbänder bzw. -bereiche ausgeführt sind, deren Dimensionierung in Querrichtung kontinuierlich eingestellt werden kann, damit der entsprechende Widerstandswert mit höherer Genauigkeit regelbar ist; insbesondere wurde zu diesem Zweck eine Vorrichtung entwickelt, die einen Laserstrahl erzeugt, dessen Bewegungen automatisch über einen Rechner so gesteuert werden, daß die Dimensionierung des Widerstandsbereiches, auf den der Laserstrahl auftrifft, eingestellt werden kann. Dieses verbesserte Verfahren weist den großen Vorteil auf, daß eine genaue Messung der Charakteristika des Operationsverstärkers und der Werte der kapazitiven Bauteile des Netzwerkes und auch die komplizierten Berechnungen auf Grundlage der Meßwerte entfallen.

Bisher war es nur vorgesehen, dieses verbesserte Verfahren zum Regeln der Parameter verschiedener Arten von Aktivtiefpaßfiltern zweiter Ordnung anzuwenden.

In der Zeichnung (Fig.l) ist nun ein Blockschaltbild eines Aktivtiefpaßfilters dritter Ordnung vorgesehen, bei dem in einer sogenannten Sallen-Key-Schaltung mit T-ZeIIe zwischen den Ausgang und den Eingang des Verstärkers A₅ mit dem die T-Zelle über einen Eingang verbunden ist, zwei Kondensatoren geschaltet sind, von denen der eine mit einem der Widerstände eine Gegenkopplungsschleife bildet, während der andere zwischen den Eingang des Verstärkers A und Masse geschaltet ist. Die übertragungsfunktion dieses Aktivtiefpaßfilters folgt der folgenden Formel:

1) ^Vs - ^K

^e Fp + Gp^fHp + 1

wobei K den Verstärkungsfaktor des Verstärkers A bezeichnet, während F, G und H Koeffizienten darstellen, die jeweils von den Werten des Verstärkungsfaktors K und der Bauteile R,, Rp, R₃, C,, Cn und C₃ ab-

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hängen. Das verbesserte Verfahren zum Regeln der Parameter der Aktivfilter, das im vorhergehenden beschrieben wurde, läßt sich nicht bei, Tiefpaßfiltern der dritten Ordnung anwenden, deren Blockschaltbild in Fig. 1 dargestellt ist, weil jeder der Koeffizienten F, 6 und H der übertragungsfunktion dieser Filter von den Werten der drei Widerstände R,, R^ und R- abhängt. Dies ist umso bedauerlicher, als ein Aktivtiefpaßfilter dritter Ordnung dieser Art besonders gut für die Verwendung in der Hybridtechnik in dem Maße geeignet ist, als es damit möglich ist, allen resistifen und kapazitiven Bauteilen des Filters Werte vorzugeben, die einander sehr ähnlich und bei einigen sogar einander gleich sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Aktivtiefpaßfilter dritter Ordnung zu schaffen, dessen verschiedene Parameter sich unabhängig voneinander dimensionieren lassen, und unter Zugrundelegung des vorbeschriebenen verbesserten Verfahrens ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Parameter eines Aktivtiefpaßfilters dritter Ordnung dimensioniert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Aktivtiefpaßfilter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß es im wesentlichen aus einer sogenannten Sail en-Key-Schal tung mit einer T-Zelle besteht, die mit einem Eingang eines Operationsverstärkers über.einen Widerstand verbunden ist, sowie aus zwei Kondensatoren, die jeweils zwischen den Ausgang und den Eingang des Operationsverstärkers bzw. zwischen den Sammelpunkt der Widerstände und Masse geschaltet sind, und daß ein Widerstand zusätzlich parallel zum Kondensator der T-ZeIle geschaltet ist.

Weiterhin trägt zur Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch bei, daß man im ersten Schritt die verminderte übertragungsfunktion das Aktivfilters regelt, das nur aus dem Operationsverstärker und den Bauteilen besteht, indem nacheinan-

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der die Widerstandswerte und anschließend der Verstärkungsfaktor in geschlossener Schleife des Operationsverstärkers kalibriert v/erden, und daß in einem zweiten und einem dritten Schritt jeweils ein Signal vorbestimmter Frequenz an den Sammelpunkt der Widerstände bzw. an den Eingang der T-ZeIIe angelegt wird, und daß dann der Wert des Widerstandes in der Weise kalibriert wird, daß das jedes Mal am Sammelpunkt der Widerstände erscheinende Signal bezüglich des angelegten Signals eine Phasenverschiebung bzw. Dämpfung aufweist, deren Wert gleich dem Wert ist, der den für die resistiven.und kapazitiven Bauteile vorgesehenen Werten entspricht.

Indem nacheinander die Widerstandswerte R₃, R₂, der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers und dann der Widerstand R. und R^ kalibriert werden, lassen sich die verschiedenen Parameter des Filters einzeln regeln.

Nachstehend wird die Erfindung nun anhand eines AusfUhrungsbeispiel es des erfindungsgemäßen Tiefpaßfilters unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Aktivtiefpaßfilters dritter Ordnung bekannter Bauart,

und
Fig. 2 ein erfindungsgemaßes Aktivtiefpaßfilter im Blockschaltbild.

Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aktivfilters gemäß Fig. 2 weist einen Operationsverstärker A und eine T-Zelle auf; diese T-Zelle besteht aus zwei Widerständen R, und Rp, die in Reihe hintereinander und in Reihe mit einem dritten Widerstand R, zwischen der Eingangsklemme a des Filters und einem der Eingänge e des Operationsverstärkers A geschaltet sind; weiterhin besteht die T-ZeIle auch aus

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einem Kondensator Cp der parallel zum Sammelpunkt der Widerstände R, und R₂ einerseits und Masse andererseits geschaltet ist, während ein Widerstand R, außerdem erfindungsgemäß parallel zum Kondensator C, liegt. Ein Gegenkopplungskondensator C₂ ist außerdem zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers A, der selbst wiederum an die Aüsgangsklemme b des Filters angeschlossen ist, einerseits und den Sammelpunkt d der Widerstände R₂ und R₃ andererseits geschaltet. Schließlich liegt zwischen dem Eingang e des Verstärkers A und Masse ein Kondensator Co, während der andere Eingang des Verstärkers e' mit dem Sammelpunkt eines regelbaren Trimmwiderstandes r und eines festen Widerstandes ro verbunden ist, die in Reihe zwischen der Ausgangsklemme b und Masse liegen.

Die verschiedenen Parameter des erfindungsgemäßen Aktivfilters gemäß Fig. 2 werden vorzugsweise unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kalibriert, das drei aufeinanderfolgende Arbeitsschritte wie folgt aufweist:

1. In einem ersten Arbeitsschritt wird die verminderte übertragungsfunktion des Aktivfilters geregelt, das nur aus dem Operationsverstärker A und den Bauteilen R₂, R₃, C₂ und C₃ besteht, beispielsweise unter Anwendung eines Verfahrens, bei welchem die Werte der Widerstände R₃ und R₂ und des Verstärkungsfaktors in geschlossener Schleife K des Verstärkers A nacheinander dimensioniert werden. Werden Aktivfilter gemäß der Erfindung in Serie gefertigt, so läßt sich die Auflösung der jeweiligen Empfindlichkeit der hergestellten Filter in äußerst vorteilhafter Weise dadurch verringern, daß in diesem ersten Arbeitsschritt drei aufeinanderfolgende Arbeitsstufen vorgesehen sind. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelverfahrens besteht die erste Stufe, in der die übertragungsfunktion des Aktivfilters in verringerter Form geregelt wird, darin, daß an den

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Sammelpunkt d der Widerstände R₂, R₃ ein Signal angelegt wird, das beispielsweise von einem Signalgenerator mit der vorgegebenen folgenden Frequenz erzeugt wird:

2) B₁ = R₃ C₃

v/obei Ro und C₃ in dieser Formel 2) die bei Dimensionierung des FiI-ters vorgegebenen Sollwerte aufweisen; dann wird der Wert des Widerstandes R₃, beispielsweise in der vorgenannten Art, in der Weise kalibriert, daß das nun am Ausgang b des Operationsverstärkers A erscheinende Signal bezüglich des an d angelegten Signals um 45 in der Phase verschoben ist. In der zweiten Stufe zum Regeln der verminderten übertragungsfunktion des Filters wird nun an den Sammelpunkt c der Widerstände R-. und R₂ ein Signal angelegt, das beispielsweise von einem Signal generator mit einer vorgegebenen und von ω, verschiedenen Frequenz erzeugt wird, die folgender Gleichung folgt:

3) ω₉

2 /R₂ R₃ C₂ C₃

wobei in dieser Formel 3) die bei Dimensionierung des Aktivfilters vorgesehenen Sollwerte auch an R₂, R₃, C₂ und C₃ liegen; anschließend wird der Wert des Widerstandes R₂, beispielsweise in der vorbeschriebenen Weise, in der Art eingestellt, daß das am Ausgang b des Operationsverstärkers A erscheinende Signal bezüglich des an c angelegten Signals eine Phasennacheilung von 90° aufweist. Nach dieser Kalibrierung der Werte der Widerstände R₃ und R₂ findet nun die dritte Arbeitsstufe statt, bei welcher der Frequenz des am Punkt c angelegten Signals ein von ω^ und ω₂ verschiedener Wert gegeben wird, worauf der Verstärkungsfaktor in geschlossener Schleife K des Verstärkers A dadurch dimensioniert wird, daß man den Widerstand r in der Weise regelt, daß das nun am Ausgang b des Operationsverstärkers A anliegende Signal bezüglich des an c angelegten Signals ein Amplitudenverhältnis bzw. eine

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Phasenverschiebung aufweist, deren Wert ganz wesentlich gleich dem Wert ist, der sich aus der verminderten übertragungsfunktion des Aktivfilters für die Frequenz des angelegten Signals errechnen läßt, indem für die verschiedenen Bauteile Rp₉ R₃₅ C₂ und C₃ deren jeweilige Sollwerte eingesetzt werden.

2. Im zweiten Verfahrensschritt gemäß der Erfindung zum Regeln des in Fig. 2 dargestellten Aktivfilters wird ein Signal mit vorgegebener Frequenz an den Sammelpunkt d der Widerstände Ro und R₃ angelegt, worauf der Wert des Widerstandes R^ in der Weise dimensioniert wird, daß das am Sammelpunkt c der Widerstände R ,und Ro anliegende Signal bezüglich des angelegten Signals eine Phasenverschiebung bzw. eine Dämpfung aufweist, deren Wert gleich dem Wert ist, der den für Rp R₂, R₃, R₄, C₁, C₂ und C₃ bei Dimensionierung des Filters vorgesehenen Werten entspricht.

3. Im dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln des Aktivfilters wird an den Eingang a der T-Zelle ein Signal mit vorgegebener Frequenz angelegt, das von ω verschieden oder gegebenenfalls gleich ω ist, worauf der Wert des Widerstandes R-, in der Weise kalibriert wird, daß das nun am Sammelpunkt c der Widerstände R, und R₂ erscheinende Signal eine Phasenverschiebung bzw. eine Dämpfung aufweist, deren Wert gleich dem Wert ist, der den bei Dimensionierung des Filters für Rp R₂, R₃, R₄, Cp C₂ und C₃ vorgesehenen Werten entspricht.

Das erfindungsgemäße. Aktivfilter läßt sich vorteilhafterwei.se zur Herstellung eines Modulations- und/oder Demodulations^ Hers für eine Vorrichtung zum Senden und Empfangen von kodierten Fernsprechsignalen verwenden, insbesondere für eine Vorrichtung der Art, wie sie in der französischen Stamm-Patentanmeldung Nr. 72 OO 102 (angemeldet 4. Januar 1972 von derselben Anmelderin, Titel: "Vorrichtung zum Senden und Empfangen kodierter Fernsprechsignale") und in deren erster Zusatz-

anmeldung Nr. 72 43 763 (angemeldet am 8. Dezember 1972) und deren zweiter Zusatzanmeldung Nr. 75 34824 (angemeldet am 14. November 1975) beschrieben ist.

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Claims (4)

Association des Ouvriers en Instruments de Precision, Paris / Frankreich Aktivfilter dritter Ordnung und Verfahren zu dessen Regelung Patentansprüche

1. Aktivtiefpaßfilter dritter Ordnung mit unabhängig von einander regelbaren Parametern, dadurch GEKENNZEICHNET, daß es im wesentlichen aus einer sogenannten SALLEN-KEY-Schaltung mit einer T-Zelle (R-,, C,, R₂) besteht, die mit einem Eingang (a) eines Operationsverstärkers (A) über einen Widerstand (R₃) verbunden ist, sowie aus zwei Kondensatoren (C₂ und C₃), die jeweils zwischen den Ausgang und den Eingang des Operationsverstärkers (A) bzw. zwischen den Sammelpunkt (d) der Widerstände (Rp, R₃) und Masse geschaltet sind₃ und daß ein Widerstand (R^) zusätzlich parallel zum Kondensator (C₁) der T-ZeIle (R₁, C., R_?) geschaltet ist. -Z-

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2. Verfahren zum Regeln der Parameter des Aktivtiefpaßfilters nach Anspruch 1, dadurch GEKENNZEICHNET, daß man im ersten Schritt die. verminderte übertragungsfunktion des Aktivfilters regelt, das nur aus dem Operationsverstärker und den Bauteilen (Rp, Ro, C₂, Cg) besteht, indem nacheinander die Viiderstandswerte (R₂ und R-) und anschließend der Verstärkungsfaktor in geschlossener Schleife (K) des Operationsverstärkers (A) kalibriert werden, und daß in einem zweiten und einem dritten Schritt jeweils ein Signal vorbestimmter Frequenz an den Sammelpunkt der Widerstände (R2 und R^) bzw. an den Eingang der T-Zelle (R,, C-,, R₂) angelegt wird, und daß dann der Wert des Widerstandes (R^ bzw. R₁) in der Weise kalibriert wird, daß das jedes Hai am Sammelpunkt (c) der Widerstände (R-, und Rp) erscheinende Signal bezüglich des angelegten Signals eine Phasenverschiebung bzw. Dämpfung aufweist, deren Wert gleich dem Wert ist, der den für R₁, R₂, R₃, R₄, C₁, C₂, C₃ vorgesehenen Werten entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch GEKENNZEICHNET, daß im ersten Schritt des Regel Vorgangs zunächst zwei Verfahrensstufen durchgeführt werden, in denen jeweils ein Signal vorgegebener Frequenz Γ

c ν Kp Ro Cp

an den Sammelpunkt der Widerstände (R₂, R₃) bzw. der anderen Widerstände (R₁, R₂) angelegt wird, dann anschließend der Wert des Widerstandes (R₃ bzw. R₂) in der Weise kalibriert wird, daß das jedes Mal am Ausgang des Operationsverstärkers erscheinende Signal bezüglich des angelegten Signals eine Phasenverschiebung um 45° bzw. 90 aufweist, wobei die Frequenzen (ω, und o>₂) den für die Bauteile

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(Rp> Ro» Cp» C₃) entsprechen, worauf in einer dritten Verfahrensstufe ein von den bereits angelegten Frequenzen (ω,, op) in der Frequenz verschiedenes Signal an den Sammelpunkt der Widerstände (R₁, R₂)angelegt wird, worauf der Verstärkungsfaktor in geschlossener Schleife des Verstärkers in der Weise kalibriert wird, daß das an dessen Ausgang erscheinende Signal ein Amplitudenverhältnis bzw. eine Phasenverschiebung gegenüber dem angelegten Signal aufweist, das größenmäßig im wesentlichen gleich dem ist, welches den Werten entspricht, die für Rp₅ R₃, Cp, C₃ vorgesehen sind.

4. Anwendung des Aktivfilters nach Anspruch 1, bei der Herstellung des Modulations- bzw. Demodulationsfilters einer Vorrichtung zum Senden und Empfangen kodierter Fernsprechimpulse.

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