Zusammenfassung

Dieser Artikel beschreibt ein abstimmbares Kerbfilter, das in Messsystemen verwendet wird, um die Grundschwingung eines Signals vor der Analog-Digital-Wandlung gezielt herauszufiltern.

Zweck

Für eine Verzerrungsmessung soll ein Sinus-Signal zur Analyse digitalisiert werden das meist sehr geringe Harmonische enthält. Um zum Beispiel 1 ppm messen zu können benötigt man also eine AD Wandlung mit einer linearität die deutlich besser ist als 120dB. Wenn man die Grundschwingung (H0) von den Oberwellen (H1–Hn) getrennt misst, muss der AD-Wandler nicht die gesamte Dynamik des Signals erfassen. Dazu kann man das Signal einmal direkt wandeln und einmal nach herausgefilterter Grundschwingung und nachfolgender Verstärkung.

Beispiel erweterter Wandler-Dynamik

Angenommen die AD Wandling erfolgt nur mit 12 bit, und die Verstärkung nach dem Kerbfilter ist 60 dB was also 10 bit entspricht, dann entspricht die Gesamtdynamik bei diesem getrennten Verfahren theoretisch 22 bit. Zu diesem Zweck benötigt man ein Kerbfilter. Die Zusammenführung der beiden digitalen Wandlersignale ist hier vereinfacht als Addition angedeutet.

Mögliche Filter-Topologien

• Twin-T aka Doppel-T aka Tee-Filter
• Spule-Kondensator Sperrkreis und Schwingkreis
• Aktiver Multiple Feedback-Kerbfilter
• Sallen-Key
• Bainter
• Tow-Thomas
• Akerberg-Mossberg
• Fliege-Filter

Anforderungen

• Abstimmbar um 1 kHz.
• Kerbtiefe (Dämpfung der Grundschwingung) > 70 dB
• niedriges Rauschen.
• Verzerrungsfrei.
• Hohe Güte nicht unbedingt erforderlich.

Auswahl der Topologie

Die Anforderung Verzerrungsfrei schliesst praktisch alle Topologien aus, bis auf doppel-T. Die Kerbtiefe des Doppel-T Filters ist von den Bauteiletoleranzen abhängig. Dieses Problem kann durch Selektion von Bauteilen gelöst werden. Das Doppel-T Filter muss hochohmig abgeschlossen werden. Dadurch ist das Eigenrauschen dieser Topologie ist ein gewisses Problem.

Abstimmbarkeit

Der Abstimmungsbereich bei 1000 Hz ist mit ca. +- 20 Hz ausreichend. Die Werteänderung ist also nur um die 2%. Man kann also Festwiderstände mit jeweils einem Poti kombinieren. Um ein Doppel-T Filter abstimmbar zu machen müssen alle 3 Potis synchron variiert werden. Das ist mit gekoppelten Potentiometern lösbar.

Die Kondensatoren sind handverlesen um 0,1% gleiche Werte zu erreichen. Auch die Widerstände mit gleichen Werten sind aus der Serie selektiert. Das ist unabdingbar um die erwartete Kerbtiefe zu erreichen.

Ergebnis

Das Messergebnis der Übertragungsfunktion des Doppel-T Filters zeigt eine brauchbare Kerbtiefe. Das ist durch die selektierten Bauteile und die Feinabstimmung mit dem Trimmer möglich. Eine zu niedrige Abschlussimpedanz hat drastische Messabweichungen zur Folge. Wird z.B. REW zur nachfolgenden Signalanalyse verwendet kann diese Filterkurve leicht als Kalibrierung hinterlegt werden. Damit werden die Pegelabweichungen für die Oberwellen bei 2,3,4...kHz sehr gut kompensiert. Deswegen ist auch keine Schaltung mit Rückkopplung zur Erhöhung der Filtergüte nötig, diese könnte auch wieder Verzerrungen erzeugen. Der rein passive Filter mit einer Güte von 0,25 ist ausreichend.

Getriebe aus 3D gedruckte Zahn-riemenscheiben auf den Potiwellen.

Prototyp mit "Luft-Platine"

Eine weitere, rauschärmere Variante mit nachfolgendem 60 dB Verstärker. Die Längswiderstände des Doppel-T sind hier 898 Ohm. Die Abstimmung ist mit 2 Potis gemacht, die iterativ abgestimmt werden müssen.

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