DE3718097A1

DE3718097A1 - Bandpass-filter

Info

Publication number: DE3718097A1
Application number: DE19873718097
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: BRUEGEMANN HANS GmbH
Current assignee: BRUEGEMANN HANS GmbH
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1987-05-29
Publication date: 1988-12-08
Also published as: WO1988009585A1; AU1801288A

Description

Die Erfindung betrifft ein Bandpaß-Filter der im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Art.

Bandpaß-Filter als Kombination eines Hochpasses mit einem Tiefpaß werden in der Elektrotechnik schon seit langem zum selektiven Ausfiltern bzw. Durchlassen eines bestimmten Frequenzbandes benutzt und sind in der Regel nach ihren Erfindern benannt (z. B. Filter nach Bessel, Butterworth, Gauß, Tschebyscheff).

Die am weitesten verbreitete Ausführung stellt das RC-Bandpaß-Filter dar, das eine Kombination von Widerständen R und Kapazitäten C als frequenzselektive Siebglieder beinhaltet. Daneben haben auch LC-Bandpaß-Filter, die demgemäß eine Kombination von Induktivitäten L und Kapazitäten C als frequenzselektive Bauelemente umfassen, eine gewisse Bedeutung erlangt. Werden diese Filter zum Kompensieren der mit einem Filter stets verbundenen Signaldämpfung mit Trennverstärkern, die man seit etwa 15 Jahren bevorzugt mit Operationsverstärkern ausführt, bestückt, spricht man von aktiven Filtern. Ihre Vorteile liegen in der größeren Flankensteilheit, im wesentlich günstigeren Signal/Rauschverhältnis und generell größeren Möglichkeiten zur Beeinflussung der Filterfunktion im Vergleich zu "passiven" RC-, RL-, LC-, Kreuz-, T-Filtern usw. Derartige veränderliche aktive Filter werden in der Elektronik für die verschiedenartigsten Zwecke eingesetzt, beispielsweise für Schwingungsuntersuchungen, Geräuschspannungsmessungen und in Spektrumanalyser. Mehrfach-Filter dieser Art mit einstellbaren Grenzfrequenzen, Flankensteilheiten und Durchgangsverstärkungen bzw. -dämpfungen sind sowohl in Form separater Bausteine als auch fertig aufgebauter Laborgeräte kommerziell erhältlich.

Nachteilig bei konventionellen Ausführungen ist allerdings in der Regel der hohe Aufwand an Bauelementen und die mangelnde Variations-Bandbreite der Durchlaßfrequenz und der Güte der Bandpaß-Filter. Weiterhin ist es im allgemeinen nicht möglich, diese charakteristischen Größen nicht-manuell, d. h. automatisch bzw. ferngesteuert, beliebig zu wählen bzw. dem jeweiligen Einsatzfall anzupassen.

Angesichts dieses Stands der Technik ergibt sich die Aufgabe, ein aktives Bandpaß-Filter aus möglichst wenigen Bauelementen zu schaffen, dessen Güte sich stufenlos verstellen und dessen Durchlaßfrequenzbereich sich spannungsgesteuert innerhalb einer großen Bandbreite einstellen läßt.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Bandpaß-Filter aus RC-Gliedern in aktiver Verstärker-Technik, bestehend aus drei Operationsverstärkern und entsprechenden Rückkopplungswegen gelöst.

Der Operationsverstärker 1 (der unter Bezug auf Fig. 1 nachfolgend O 1 bezeichnet wird), auf dessen invertierenden Eingang das Eingangssignal über einen ohmschen Widerstand R 1 gegeben wird, dient der Signalvorverstärkung sowie durch die Rückkopplung eines Teils des Ausgangssignals des Operationsverstärkers O 1 über den ohmschen Widerstand R 3 auf den invertierenden Eingang dieser Stufe der Phasenverschiebung um 180°.

In der 2. und 3. Operationsverstärkerstufe kann die Durchlaßfrequenz des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters durch Verstellen der veränderlichen Widerstände R 5 bzw. R 9, die mit vor den nicht-invertierenden Eingängen der Operationsverstärker O 2 und O 3 geschalteten Kapazitäten C 1 und C 2 jeweils ein RC-Glied bilden und die jeweils zwischen Masse und den nicht-invertierenden Eingängen der Operationsverstärker O 2 und O 3 geschaltet sind, gemäß der allgemeinen Formel

variiert werden.

Die Verstärkung des 2. und 3. Operationsverstärkers O 2 und O 3 wird durch Rückkopplung des jeweiligen Ausgangssignals über einen festen ohmschen Widerstand R 7 bzw. R 10 auf den invertierenden Eingang in Verbindung mit einem gleich großen Widerstand R 4 bzw. R 8 zwischen Ausgang der jeweiligen Vorstufe und diesem invertierenden Eingang nach der hierfür allgemein gültigen Operations-Verstärker-Gleichung

auf den Wert 1 (unter gleichzeitiger Phasenverschiebung um 90°) begrenzt.

Parallel hierzu wird ein Teil des Ausgangssignals des Operationsverstärkers O 3 von Punkt 4 nach Punkt 1 über einen verstellbaren Widerstand R 6 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers O 1 zurückgeführt. Mit dieser veränderlichen Rückkopplung kann die Güte des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters über einen beträchtlichen Bereich eingestellt werden.

Eine einfache Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters sieht für die Einstellung des Durchlaßfrequenzbands durch die veränderlichen Widerstände R 5 bzw. R 9 zwischen Masse und den nicht-invertierenden Eingängen der Operationsverstärker O 2 und O 3 ein konventionelles Tandem-Kohleschicht-Potentiometer vor. Der Nachteil dieser Ausführung besteht allerdings darin, daß ein nicht-manuelles Verstellen dieses Potentiometers nur durch einen aufwendigen Verstellmotor möglich ist.

Außerdem stellen die Gleichlaufschwankungen beim Verstellen dieses Tandem-Potentiometers speziell unter Berücksichtigung der unterschiedlichen mechanischen Abnutzung der beiden Widerstandsbahnen ein gewisses Problem in kritischen Einsatzgebieten, insbesondere bei häufig zu verstellenden Widerstandswerten, dar.

Diese beiden oben geschilderten Nachteile lassen sich in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters durch Einsatz von Foto-Widerständen für die veränderlichen Widerstände R 5 bzw. R 9 vermeiden. Der Widerstandswert dieser Fotowiderstände kann in einem sehr weiten Bereich (typisch zwischen ca. 100 Ω und 10 MΩ) durch Verändern der Speisespannung zweier in Serie geschalteter Leuchtdioden, die mit den Fotowiderständen optisch gekoppelt sind, eingestellt werden. Als Vorteil ergibt sich durch diese schaltungstechnische Maßnahme zum einen die elektrische Entkopplung der Steuerspannung zum Einstellen des Durchlaßfrequenzbands von der das Filter durchlaufenden Signalspannung, zum anderen die Möglichkeit der Fernsteuerung, da die Spannungsquelle zum Ansteuern der Leuchtdioden im Prinzip beliebig weit entfernt sein kann. Das Problem der Gleichlaufschwankung kann hier durch Selektion von Leuchtdioden- und Fotowiderstands-Pärchen mit möglichst gleichartigen technischen Daten gelöst werden. Analog hierzu ist in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters das Einstellpotentiometer R 6 für die Güte zum Zwecke der Fernverstellung durch eine entsprechende Kombination aus Leuchtdiode und optisch gekoppeltem Fotowiderstand ersetzt.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters können anstelle der oben erwähnten Leuchtdioden auch andere Lichtquellen eingesetzt werden, z. B. eine Laserdiode, deren kohärentes Licht über optische Fasern unter Zwischenverstärkung beliebig weit auf den jeweiligen opto-elektronischen Empfänger übertragen und durch optische Elemente in beliebige Teilstrahlen aufgeteilt werden kann, so daß nur ein einziger Sender benötigt wird. Es versteht sich, daß auch anstelle der oben erwähnten Fotowiderstände andere opto-elektronische Bauelemente wie beispielsweise Fotodioden, Fototransistoren oder Fotovervielfacher treten können.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters können mit den opto-elektronischen Empfängern noch weitere passive oder aktive Bauelemente zwecks Erzielung einer nicht-linearen Funktion parallel oder in Serie geschaltet werden. Beispielsweise würde das Dazwischenschalten einer Emitter-Kollektor-Strecke eines geeigneten Transistors in den Gegenkopplungsweg zwischen Punkt 4 und Punkt 1 einer Verstellung der Güte des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters in logarithmischer Abhängigkeit der betreffenden Steuerspannung ermöglichen.

Nach der Erläuterung der schaltungstechnischen Verwirklichung soll nachfolgend das grundsätzliche Wirkprinzip der oben geschilderten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters diskutiert werden.

Die eigentliche Filterwirkung wird primär erzielt durch die Phasenverschiebung des Signals zwischen dem Eingang des 2. Operationsverstärkers O 2 und dem Ausgang des 3. Operationsverstärkers O 3, also zwischen den Punkten 2 und 4. Diese Phasenverschiebung beträgt bei der Mittenfrequenz f₀ 180°C. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters besteht nun darin, daß es gegenüber Gleichlaufschwankungen beim Verstellen der veränderlichen Widerstände R 5 bzw. R 9, die z. B. eine Phasenverschiebung nach dem Operationsverstärker O 2 um 80° und nach dem Operationsverstärker O 3 um 110° bewirken würden, relativ unempfindlich ist, da es nur auf die Summe der Phasenverschiebungen des Signals zwischen den Punkten 2 und 4 ankommt.

Die Rückkopplung vom Ausgang des Operationsverstärkers O 3 bei Punkt 4 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers O 1 bei 1 ergibt dann bei der dort erfolgenden Addition des Eingangssignals der Phase 0° mit dem Rückkopplungssignal der Phase 360° die maximale Verstärkung. Die Güte des Filters läßt sich demgemäß über den verstellbaren Widerstand R 6 stufenlos über einen weiten Bereich einstellen.

Liegt das Signal hingegen außerhalb der Mittenfrequenz f₀ des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters, so ergibt sich am Ausgang des Operationsverstärkers O 3 bei Punkt 4 ein von 360° verschiedener Phasenwinkel, der dann bei der Addition am Eingang des Operationsverstärkers O 1 am Punkt 1 zu einer deutlichen Verstärkungsminderung des Signals am Ausgang des Operationsverstärkers O 3 führt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von 2 Zeichnungen, die lediglich zwei Ausführungsformen darstellen, näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 das Prinzip-Schalt-Schema des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau der fremdspannungsgesteuerten opto-elektronischen Durchlaßfrequenz-Verstellung.

Als Verstärkerelemente, die den aktiven Charakter des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters ausmachen und entscheidend prägen, kommen handelsübliche, frequenzkompensierte, kurzschlußgeschützte Operationsverstärker O 1 bis O 3 zum Einsatz. Es eignen sich beispielsweise die Typen UA 741 oder LS 141 bzw. für höhere Grenzfrequenzen der Typ TL 081.

Für die veränderlichen Widerstände R 5 bzw. R 9 kommt ein Tandem-Potentiometer mit Kohle- oder Metall-Widerstandsschicht in Frage. Wird eine hohe Konstanz des Widerstandswerts auch bei sehr häufiger Verstellung des Abgriffs verlangt, kann für R 5 bzw. R 9 ein weitgehend vom mechanischen Verschleiß verschontes Tandem-Feldplatten-Potentiometer eingesetzt werden.

Beide Arten von Tandem-Potentiometer können in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mittels eines Stellmotors ferngesteuert verstellt und damit ihr Widerstandswert verändert werden.

Wichtig für einen stabilen, schwingungsfreien Betrieb des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters ist die symmetrische Nullung des Aufbaus zwischen den beiden Widerständen R 5 und R 9.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Schaltungsaufbaus der Erfindung werden für R 5 und R 9 Fotowiderstands-Pärchen LDR 1 und LDR 2 eingesetzt, die auf weitgehend identische technische Daten (speziell des Hell- und Dunkelwiderstands und der Steilheit) selektiert sind.

Geeignete Bauteile hierfür sind z. B. die CdS-Typen LDR 05 oder LDR 07 mit einem Maximum der Empfindlichkeit um 500 nm und einem Dunkelwiderstand R _d von typisch 10 MΩ und einem Hellwiderstand (bezogen auf 1000 Lx) R _h von 75 bis 300 Ω.

Hiermit ergibt sich also bei entsprechender Beleuchtungsintensität ein dynamischer Bereich von ungefähr 1 : 10⁵ für die maximale Frequenzbandverstellung.

Um diesen Bereich optimal nutzen zu können, finden lichtemittierende Dioden LED 1 bzw. LED 2 mit ausreichender Lichtstärke (vorzugsweise auf GaP-Basis bei 500 nm emittierende mit einer Lichtstärke 400 mCd) Verwendung.

Sie werden in gutem optischen Kontakt mit LDR 1 und LDR 2 montiert und in ihrer Helligkeit über eine stabilisierte Steuerspannung variiert.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Fotodioden-, Fototransistoren- bzw. Fotomultiplier-Pärchen anstelle der LDR eingesetzt.

Soll das Steuersignal U _st über sehr weite Entfernung bzw. durch stark Störspannungs-verseuchte Bereiche geführt werden, wird vorzugsweise an der Steuerspannungsquelle ein Diodenlaser, spannungsvariabel im Dauerstrich betrieben, vorgesehen, dessen Strahl sich durch geeignete optische Fasern (je nach Wellenlängenbereich aus Glas, Kunststoff oder Metallsalzen) verlustfrei über große Entfernungen störfrei transportieren und durch geeignete optische Elemente beliebig in Teilstrahlen aufteilen läßt. Als Empfängerelement für einen GaAs-Diodenlaser mit einer Emission um 800 nm werden vorzugsweise Siliciumfotodioden bzw. -transistoren, für Diodenlaser auf InP-Basis mit einer Emission um 1600 nm bevorzugt PbS-Fotowiderstände mit dem Maximum der Empfindlichkeit im nahen Infraroten eingesetzt.

Das Verstell-Potentiometer R 6 zum Einstellen der Güte des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters besteht im einfachsten Fall aus einem Kohleschicht-Potentiometer (typisch: 0-50 kΩ).

Es kann in einer weiteren Ausgestaltung analog zu R 5 bzw. R 9 als Feldplatten-Potentiometer bzw. als fremdspannungsgesteuertes opto-elektronisches Potentiometer ausgeführt sein.

Für die Widerstände R 1 bis R 4, R 7, R 8 und R 10 finden handelsübliche Kohle- oder - bei höherer Anforderung an die Temperaturkonstanz des Widerstandswert - Metallschichtwiderstände Verwendung.

Um den Verstärkungsgrad der Operationsverstärker O 2 bzw. O 3 auf 1 zu beschränken, wird R 4 bzw. R 8 möglichst exakt gleich R 7 bzw. R 10 gewählt (typischer Wert: 10 kΩ).

Als typische Werte für R 3 ist 27 kΩ und für R 1 4,7 kΩ anzusetzen. R 1 kann frei gewählt werden zwischen etwa 10 kΩ und 300 kΩ.

R 1 bestimmt zusammen mit R 3 nach der Formel

den Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers O 1.

Die Kondensatoren C 1 und C 2 der beiden RC-Glieder vor O 1 bzw. O 2 sind ebenfalls auf einen möglichst identischen Kapazitätswert und Temperaturkoeffizienten zu selektieren (typischer Wert: 470 pF).

Nachfolgend werden einige wesentliche Meßwerte, die an einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Bandpaß-Filters erzielt wurden, aufgeführt.

Ausführungsbeispiel

O 1-O 3:TL 081R 5, R 9:LDR 1 = LDR 2: LDR 05;
LED 1 = LED 2: grün emittierend, 400 mCd;

R 1:10-270 kΩ; R 2: 4,7 kΩ;R 3:27 kΩ; R 4, R 7, R 8, R 10: 10 kΩ;R 6:0-50 kΩ; C 1=C 2: 470 pF.

Meßwerte:

Verstärkung:V=0,5-30 (als Funktion von R 1); Frequenzbereich:2-200 kHz (als Funktion von O 1-O 3); Filtergüte:40 dB/Oktave (als Funktion von R 6).

Claims

1. Bandpaß-Filter aus RC-Gliedern in aktiver Operationsverstärker-Technik, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster Operationsverstärker (O 1) durch Rückkopplung seines Ausgangssignals über einen ohmschen Widerstand (R 3) auf seinen invertierenden Eingang, dem ein Eingangswiderstand (R 1) vorgeschaltet ist, der Signalvorverstärkung und der Phasenverschiebung des Eingangssignal um 180° dient,
daß über je einen festen ohmschen Widerstand (R 7, R 10) das jeweilige Ausgangssignal eines zweiten und dritten Operationsverstärkers (O 2; O 3) auf den jeweiligen invertierenden Eingang des betreffenden Operationsverstärkers (O 2; O 3) rückgekoppelt und so eine Phasenverschiebung des Signals um jeweils 90° erreicht wird;
daß verstellbare ohmsche Widerstände (R 5; R 9), die zwischen Masse und dem nicht-invertierenden Eingang des zweiten und dritten Operationsverstärkers (O 2, O 3) geschaltet sind und mit dem vor diesem Eingang und dem jeweiligen Eingangssignal geschalteten Kapazitäten (C 1; C 2) ein RC-Glied bilden, die Einstellung der Durchlaßfrequenz des Filters ermöglicht;
daß über einen verstellbaren ohmschen Widerstand (R 6) das Ausgangssignal des dritten Operationsverstärkers (O 3) auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (O 1) rückgekoppelt ist, wodurch eine Gesamtphasenverschiebung um 360° erreicht wird, und die Güte des Filters damit einstellbar ist.

2. Bandpaß-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderlichen Widerstände (R 5; R 9) zwischen Masse und den nicht-invertierenden Eingängen der Operationsverstärker zwei und drei (O 2; O 3) durch spannungsgesteuerte optische Potentiometer, gebildet durch zwei in Reihe geschaltete Leuchtdioden (LED 1; LED 2), deren Helligkeit durch eine veränderliche stabilisierte Spannungsquelle stufenlos verstellt werden kann, und durch zwei optisch mit ihnen gekoppelte Fotowiderstände (LDR 1, LDR 2) realisiert sind.

3. Bandpaß-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderlichen Widerstände (R 5; R 9) zwischen Masse und den nicht-invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 2 und 3 (O 2; O 3) durch zwei opto-elektronische Empfänger (Fotowiderstände, -dioden, -transistoren) mit jeweils identischen technischen Daten und einen Halbleiterlaser, dessen Strahlung in eine geeignete optische Faser eingekoppelt und durch Aufteilung der Faser symmetrisch auf die beiden opto-elektronischen Empfänger verteilt wird, gebildet werden.

4. Verwendung des Bandpaß-Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem NF-Frequenzgang-Meßgerät, Geräuschspannungs-Meßgerät, in einem Spektrumanalyser, als spannungsgesteuertes Filter für Tondecoder, als Auswertelektronik für Meß- und Abgleichgeräte auf Laserbasis bzw. Lichtbasis und als Baustein in hochempfindlichen bio-physikalischen und medizinischen Meßgeräten zur Messung, Auswertung, Modulation und Rückführung Patienten-eigener Schwingungen eingesetzt ist.

5. Medizinisches Gerät zur Aufnahme, diagnostischen Verarbeitung, therapeutischen Bearbeitung und Abgabe der bearbeiteten Schwingungen über Sensoren, insbesondere Handelektroden, gekennzeichnet durch ein Bandpaß-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Aufbereitung der Eingangsschwingungen.