DE3342347A1

DE3342347A1 - Low-pass filter arrangement

Info

Publication number: DE3342347A1
Application number: DE19833342347
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. 8524 Neunkirchen Smutny
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-11-23
Filing date: 1983-11-23
Publication date: 1985-05-30

Abstract

The low-pass filter arrangement achieves a gain-independent filter delay time using amplifiers of relatively low transit frequency,and a significantly lower current consumption (improved efficiency) by the series connection of two RC elements (R1, C1, R2, C2) of the parallel connection of in each case one operational amplifier (OP1, OP2) to the capacitors (C1, C2), the non-inverting input of the first operational amplifier being connected to the output (UA) of the series circuit, and the non-inverting input of the second operational amplifier being connected to earth. <IMAGE>

Description

Tiefpaß-FilteranordnungLow-pass filter arrangement

Die Erfindung betrifft eine Tiefpaß-Filteranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a low-pass filter arrangement according to the preamble of claim 1.

In neuzeitlichen Umspannwerken werden zur Verarbeitung der von einer Primäranlage (Kraftwerk) gelieferten 50 Hz Strom-und Spannungswerte Mikroprozessoren und Rechner für Netzschutz und Betriebsmessungen eingesetzt. Hierzu werden die Momentanwerte der Ströme und Spannungen in einem wesentlich über der Netz frequenz liegenden Rhythmus (ca. 1 kHz bis mehrere kHz) abgetastet und diese, abhängig von den im Bereich von 50 mV bis 10 V liegenden Ausgangspegeln der Geber auf ein einheitliches Niveau verstärkt und nach dem Ausfiltern von Frequenzen oberhalb etwa 500 Hz in Digitalwerte umgewandelt.Modern substations are used to process the from one Primary plant (power plant) supplied 50 Hz current and voltage values microprocessors and computers are used for network protection and operational measurements. The instantaneous values are used for this of currents and voltages in a rhythm that is significantly higher than the network frequency (approx. 1 kHz to several kHz) and these, depending on the in the range of 50 mV to 10 V output levels of the encoder are amplified to a uniform level and converted into digital values after filtering out frequencies above about 500 Hz.

Mit den eingangs genannten Tiefpaß-Filteranordnungen lassen sich, gegebenenfalls auch gemeinsam, kleine Anteile von Gleichstromfehlern, wählbare Verstärkungen im Bereich 1:200, gleiche Phasendrehungen über den ganzen Verstärkungsbereich sowie ein hoher Eingangswiderstand bei Netzfrequenz (50 Hz) und für sich allein eine kleine Verlustleistung zur Ausnutzung der von der Größe der Schaltungselemente gegebenen Integrationsdichte erreichen, jedoch bringt die Erfüllung der letztgenannten Forderung, insbesondere mit einer einheitlichen Phasendrehung über alle Verstärkungen Probleme, da Verstärker mit kleiner Stromaufnahme ein relativ kleines Produkt aus Verstärkung und Bandbreite aufweisen, das nur bei schwacher Verstärkung hinreichend kleine Phasenfehler ergibt, jedoch bei größerer Verstärkung von z.B. 50 mV auf 10 V unzulässige Phasenfehler verursacht. Es ergibt sich somit bei einer Verknüpfung von Signalen aus Gebern mit unterschiedlichen Signalpegeln ein unzulässig großer Phasenfehler. Andererseits ergibt sich bei Verwendung schneller Verstärker eine relativ hohe Stromaufnahme der Filteranordnung mit einem daraus resultierenden Unterschied des Gleichstromfehlers bei Abgleich außerhalb eines Schrankes und anschließendem Betrieb derselben innerhalb des Schrankes mit nachteilig großem Platzbedarf wegen der höheren Stromaufnahme.With the low-pass filter arrangements mentioned at the beginning, possibly also jointly, small proportions of DC errors, selectable gains in the range 1: 200, equal phase rotations over the entire gain range as well a high input resistance at mains frequency (50 Hz) and a small one in and of itself Power dissipation to utilize the given by the size of the circuit elements Achieve integration density, but the fulfillment of the latter requirement brings problems especially with a uniform phase shift across all gains, since amplifiers with low power consumption are a relatively small product of amplification and bandwidth have sufficiently small phase errors only with weak amplification results, however, in the case of a greater amplification of e.g. 50 mV to 10 V, inadmissible phase errors caused. It thus results from a combination of signals from encoders with different Signal levels an impermissibly large phase error. On the other hand, results when using faster amplifier a relatively high current consumption of the filter arrangement with a resulting difference in direct current error when calibrating outside of a cabinet and subsequent operation of the same within the cabinet disadvantageously large space requirements because of the higher power consumption.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filteranordnung der genannten Art zu schaffen, bei der insbesondere eine von der Verstärkung unabhängige Filterlaufzeit unter Verwendung von Verstärkern mit relativ niedriger Transitfrequenz (Low Power Typen) und eine wesentlich verminderte Stromaufnahme ermöglicht wird.The invention is based on the object of a filter arrangement of to create the type mentioned, in particular one that is independent of the gain Filter delay using amplifiers with a relatively low transit frequency (Low Power Types) and a significantly reduced power consumption is made possible.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.The solution to the given task succeeds through the characteristic Features of claim 1.

Dabei ist eine Verstärkung v = 1 vorgesehen. Zur Bestimmung einer von "Eins" abweichenden Verstärkung v > 1 sind die ergänzenden Maßnahmen entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 2 vorzusehen.A gain v = 1 is provided. To determine a If the gain v> 1 differs from "one", the supplementary measures are appropriate the features of claim 2 to be provided.

Zur Erhöhung der Steilheit der Filterflanke beim Ubergang vom Durchlaß zum Sperrbereich bedarf es lediglich einer Zuschaltung eines weiteren Widerstandes in Verbindung mit einem dritten Kondensator entsprechend dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 3.To increase the steepness of the filter flank at the transition from the passage for the blocking range, only an additional resistor needs to be switched on in connection with a third capacitor according to the characterizing feature of claim 3.

Eine besonders günstige Filteranordnung mit Bessel-Charakteristik ergibt sich durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 4.A particularly favorable filter arrangement with Bessel characteristics results from the measures of claim 4.

Einige Ausführungsbeispiele der Fileranordnung nach der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und nachfolgend näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Filteranordnung mit verstärkungsabhängiger Filterlaufzeit und einer Verstärkung v = 1, Fig. 2 eine entsprechende Filteranordnung bei beliebiger Verstärkung v > 1, Fig. 3 eine Filteranordnung mit zusätzlich erhöhter Flankensteilheit.Some embodiments of the filter arrangement according to the invention are shown in simplified form in the drawing and explained in more detail below. It demonstrate 1 shows a filter arrangement with a gain-dependent filter run time and a gain v = 1, FIG. 2 shows a corresponding filter arrangement for any Gain v> 1, FIG. 3 shows a filter arrangement with an additionally increased edge steepness.

Eine einfache Tiefpaß-Filteranordnung nach Fig. 1 weist eine Verstärkung v = 1 unter Verwendung von Operationsverstärkern OPi und OP2 mit relativ niedriger Transitfrequenz mit einer verringerten Stromaufnahme, d.h. kleiner Verlustleistung, kleinem Anteil an Gleichstromfehlern irnd hohem Eingangswiderstand bei Netzfrequenz auf. Sie besteht hierzu aus der Reihenschaltung eines ersten Widerstandes R1 mit einem ersten Kondensator C1, einem zweiten Widerstand R2 sowie einem weiteren Kondensator C2 zwischen Eingang UE und Ausgang UA. An die Verbindungen Ul und U2 beiderseits des Kondensators C1 ist ein erster Operationsverstärker OP1 mit seinem invertierenden Eingang (-) und seinem Ausgang angeschlossen, dessen nichtinvertierender Eingang (+) über einen dritten Widerstand R3 an den Ausgang UA geschaltet ist. An diesem ist außerdem der Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers OP2 angeschlossen, dessen invertierender Eingang (-) an der Verbindung U3 zwischen Widerstand R2 und Kondensator C2 und dessen nichtinvertierender Eingang (+) an Masse liegt.A simple low-pass filter arrangement according to FIG. 1 has an amplification v = 1 using operational amplifiers OPi and OP2 with relatively lower Transit frequency with a reduced power consumption, i.e. low power loss, small proportion of DC errors and high input resistance at mains frequency on. For this purpose, it consists of the series connection of a first resistor R1 a first capacitor C1, a second resistor R2 and a further capacitor C2 between input UE and output UA. To the connections Ul and U2 on both sides of the capacitor C1 is a first operational amplifier OP1 with its inverting Input (-) and its output connected, its non-inverting input (+) is connected to the output UA via a third resistor R3. At this the output of a second operational amplifier OP2 is also connected, its inverting input (-) at connection U3 between resistor R2 and Capacitor C2 and its non-inverting input (+) is connected to ground.

Die Werte der Widerstände und Kondensatoren können im Rahmen der Belastbarkeit gewählt werden ohne besondere gegenseitige Abstimmung.The values of the resistors and capacitors can be within the scope of the load capacity be elected without any special mutual vote.

Zur freien Wählbarkeit der Verstärkung v > 1 unter Beibehaltung der sonstigen Vorteile der Schaltung nach Fig. 1 ist gemäß Fig. 2 dem Widerstand R3 ein vierter Widerstand R4 parallelgeschaltet und in Reihe mit dem Widerstand R3 ein fünfter Widerstand R5 zur Bildung eines Spannungsteilers mit Masse verbunden. Der Spannungsteiler ist am Abgriff unbelastet.For free selection of the gain v> 1 while maintaining it The other advantages of the circuit of FIG. 1, as shown in FIG. 2, is the resistor R3 a fourth resistor R4 connected in parallel and in series with the resistor R3 a fifth resistor R5 to form a voltage divider connected to ground. The voltage divider is unloaded at the tap.

Zur Verbesserung, d.h. Erhöhung der Steilheit der Filterflanke beim Ubergang vom Durchlaß zum Sperrbereich ist gemäß Fig. 3 zusätzlich ein sechster Widerstand R6 dem Widerstand R1 vorgeschaltet und an die Verbindung U4 zwischen beiden ein an Masse gelegter dritter Kondensator C3 angeschlossen.To improve, i.e. to increase the steepness of the filter edge for According to FIG. 3, there is also a sixth transition from the passage to the blocking area Resistor R6 upstream of resistor R1 and to connection U4 between a third capacitor C3 connected to ground is connected to both.

Es ergibt sich ein Frequenzgang F der Filteranordnung 1 = 1 (1 + a1p + a2p2 +a3 . p3) F(p) mit p = j O (w= 2Sf) und den Koeffizienten a1, a2, a3, wobei die Koeffizienten Funktionen der verwendeten Widerstands-Kapazitätswerte und der Grenzfrequenzen der verwendeten Operationsverstärker sind.The result is a frequency response F of the filter arrangement 1 = 1 (1 + a1p + a2p2 + a3. p3) F (p) with p = j O (w = 2Sf) and the coefficients a1, a2, a3, where the coefficients functions of the resistance-capacitance values used and the The cut-off frequencies of the operational amplifiers used are.

Das Frequenzverhalten des Integrators (R2, R4, C2, OP2) ist bei endlicher Transitfrequenz des Operationsverstärkers OP2 von der gewählten Verstärkung v abhängig, die ihrerseits allein von den Widerständen R4 und R5 bestimmt ist (bei Wegfall von R4 und R5 ist v = 1).The frequency response of the integrator (R2, R4, C2, OP2) is finite Transit frequency of the operational amplifier OP2 depends on the selected gain v, which in turn is determined solely by the resistors R4 and R5 (if R4 and R5 is v = 1).

Für Frequenzen, die klein gegenüber der Eckfrequenz sind, wird die Laufzeit in erster Näherung allein durch den Koeffizienten a1 bestimmt.For frequencies that are small compared to the corner frequency, the As a first approximation, the running time is determined solely by the coefficient a1.

Unabhängig von den Widerständen R4 und R5 ergibt sich eine Bessel-Charakteristik der Filteranordnung, wenn die Widerstandswerte R6 : R1 : R2 = 0,5: 1 : 1 und Kapazitätswerte C3 : Ci : C2 = 2 : 1 : 1 betragen und R4 : R2 = R5 : R3 ist.A Bessel characteristic results independently of the resistors R4 and R5 the filter arrangement if the resistance values R6: R1: R2 = 0.5: 1: 1 and capacitance values C3: Ci: C2 = 2: 1: 1 and R4: R2 = R5: R3.

Für beliebige Verstärkung v muß gewählt werden R4 = R2 i R3 : R2 = k und R5 : R4 = k.For any gain v one must choose R4 = R2 i R3: R2 = k and R5: R4 = k.

v - 1 ) Der Faktor k hat weder Einfluß auf das Frequenzverhalten noch auf die Verstärkung v und kann daher so frei gewählt werden, daß sich für die verstärkungsbestimmenden Widerstände R3 und R5 günstige Werte ergeben. v - 1) The factor k has no influence on the frequency behavior nor on the gain v and can therefore be freely chosen that for the Gain-determining resistors R3 and R5 give favorable values.

4 Patentansprüche 3 Figuren - Leerseite -4 claims 3 figures - blank page -

Claims

Claims 1. Low-pass filter arrangement made of resistors, capacitors and operational amplifiers with selectable amplification, d a u r c h e k e n n n z e i c h n e t that with a gain v = 1 between the input (UE) and the output (UA) of the filter circuit is the series connection of a first resistor (R1), a first capacitor (C1), a second resistor (R2) and one second capacitor (C2) and a first operational amplifier (OP1) with his inverting input (-) to the connection (U1) between the first resistor and the first capacitor and with its output to the connection (U2) between the first capacitor and the second resistor is connected that the inverting Input (-) of a second operational amplifier (OP2) to the connection (U3) between connected to the second resistor and the second capacitor, its non-inverting Input (+) connected to ground and its output directly to output (UA) connected via a third resistor (R3) or directly to the non-inverting one Input (+) of the first operational amplifier (OP1) is connected.

2. Filter circuit according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that to determine the gain v v> 1 the second resistor (R2) a fourth resistor (R4) connected in parallel and the third resistor (R3) a grounded fifth resistor (R5) is connected in series with the third resistor has a voltage divider for the output voltage that is not loaded at the tap forms.

3. Filter circuit according to claim 1 and 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that to increase the steepness of the filter edge at the transition from the passage to the Blocking area between the first resistor (R1) and the input (UE) a sixth resistor (R6) and to the connection (U4) both A third capacitor (C3) connected to ground is connected to resistors.

4. Filter circuit according to claim 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the resistance values are used to match a Bessel characteristic the series resistors (R1, R2, R6) in a ratio of 1: 1: 0.5 and the Capacities of the capacitors (C1, C2, C3) are dimensioned in a ratio of 1: 1: 2 and the respective desired gain v by dimensioning the resistance values R3 / R2 = R5 / R4 with R4 = R2 / (v - 1) determined.