Frage zum Schaltungsdesign - Tiefpassfilter

Ich habe einen Tiefpass-Butterworth-Filter mit der Spezifikation entworfen, um eine Grenzfrequenz von 500 Hz mit dem Diagramm wie gezeigt zu haben:

Butterworth Active-Tiefpassfilter

In der Spezifikation heißt es "Signale müssen um mindestens 80 dB relativ zur Differenzfrequenz von 400 Hz gedämpft werden", aber ich bin mir nicht sicher, was das bedeutet?

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Der Eingang des Filters ist ein 100-mV-Wechselstromsignal, das gefilterte Signal muss in ein 5-V-Signal umgewandelt werden. Ich habe daran gedacht, diese Komparatorschaltung nach dem Ausgang der Filterschaltung zu verwenden?Komparatorschaltung

Was das bedeutet, Klaus, ist, dass die Schaltung zweiter Ordnung, die du gezeigt hast, nicht überall genug sein wird.
Signale mit welcher Frequenz müssen gegenüber Signalen mit 400 Hz um 80 dB gedämpft werden? Bedeutet die 500-Hz-Grenze -80 dB oder -3 dB? Sind die 500 Hz das obere Ende des Durchlassbands oder das untere Ende des Sperrbands?

Antworten (3)

Ein Butterworth-Tiefpassfilter 2. Ordnung, wie Sie es gezeigt haben, hat einen ähnlichen Frequenzgang wie unten in Spur 2 gezeigt: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wenn also 500 Hz neu normalisiert wird, um mit "1" entlang der x-Achse zusammenzufallen, werden Sie sehen, dass die Dämpfung bei 5000 Hz um 40 dB nach unten und unter 500 Hz bis DC ziemlich flach ist (aber mit eine gewisse Verstärkung, die von R3 und R4 in Ihrer Schaltung vorgegeben wird).

In der Spezifikation heißt es "Signale müssen um mindestens 80 dB relativ zur Differenzfrequenz von 400 Hz gedämpft werden", aber ich bin mir nicht sicher, was das bedeutet?

Es gilt sicherlich nicht für einen Filter 2. Ordnung, wie Sie in Ihrer Frage gezeichnet haben. Dies kann bedeuten, dass bei 900 Hz (500 Hz plus 400 Hz) die Dämpfung mindestens 80 dB betragen muss und wenn dies der Fall ist, ein Butterworth-Filter fünfter Ordnung erforderlich wäre.

Es könnte sogar bedeuten, dass Sie einen Passbandfilter mit einer Dämpfung von 80 dB (oder mehr) 400 Hz zu beiden Seiten der Mitte bei 500 Hz wünschen.

Aber am Ende des Tages liegt es an Ihnen, die vollständige Spezifikation zu verstehen, die Sie erhalten, also veröffentlichen Sie vielleicht ein bisschen mehr davon.

Meinst du mit Reihenfolge des Filters, dass ich einen 4-poligen statt eines 2-poligen Filters benötigen würde?
@Klaus es hängt alles davon ab, wie Sie die Spezifikation interpretieren. Wie ich bereits sagte, könnte dies bedeuten, dass Sie einen Butterworth-Tiefpassfilter fünfter Ordnung oder vielleicht einen Bandpassfilter zehnter Ordnung benötigen. Die Spezifikation ist unklar, daher würde ich Ihnen raten, zu klären, was gemeint ist.
Ich habe mich für einen 4-poligen Butterworth-Filter entschieden; Dies macht den Roll-Off zu 80 dB / Dekade, was meiner Meinung nach das ist, was ich brauche. Der Nenneingang liegt bei etwa 100 mV, muss dann aber in ein 5-V-Logik-kompatibles Signal umgewandelt werden. Müsste ich dafür nur eine einfache Operationsverstärkerschaltung verwenden? aber ich verstehe, dass der Filter der Schaltung eine gewisse Verstärkung hinzufügen würde
Sie können Millivolt (zehn bis mehrere hundert) mit einem Komparator (normalerweise ein LM339 für niedrige Geschwindigkeiten bis zu MAX999 für blitzschnelle Geschwindigkeiten) in ein logisches Signal umwandeln. Angesichts dessen, was Sie in Ihrer Frage gesagt haben, würde ich keinen Operationsverstärker verwenden.
Ich habe die Komparatorschaltung oben angebracht, wird dies ausreichen?
Es sollte in Ordnung sein - der schwebende Emitter im Komparator muss auf 0 V gehen, und Sie müssen sicherstellen, dass die Eingangssignale nicht außerhalb des Bereichs der Grenzen des LM311 liegen (möglicherweise sind 1 k in Reihe mit dem Eingangskondensator erforderlich). Sie könnten auch eine gewisse Hysterese in Betracht ziehen, wenn das echte Eingangssignal ziemlich verrauscht ist (siehe Problem hier: brown.edu/Departments/Engineering/Courses/En123/arch/graphics/… ) und Lösung: brown.edu/Departments/Engineering/Courses /En123/arch/graphics/… )

Die Angabe ist etwas unklar (wegen der Bezeichnung "Differenzfrequenz"). Viel besser wäre es zu sagen: „Die Mindestdämpfung bei (XXX) Hz muss mindestens (YY) dB betragen.

Aber unabhängig von diesem Punkt (und auch unabhängig von der erforderlichen Filterordnung) fürchte ich, dass Sie mit DIESER Topologie (Sallen-Key) niemals eine Dämpfung von 80 dB erhalten werden. Der Grund ist folgender: Es ist ein bekannter Effekt, dass alle Sallen-Key-Tiefpassstufen unter direkter Signaldurchleitung leiden.

Das bedeutet: Die gewünschte Filterwirkung wird im Sperrbereich stark gestört, da ein unerwünschter Anteil des Eingangssignals über den Rückkopplungskondensator C1 direkt auf den Ausgang gekoppelt wird. Über dem endlichen Ausgangswiderstand des Operationsverstärkers wird daher ein entsprechender Signalanteil erzeugt. In vielen Fällen begrenzt dieser Effekt die Sperrbanddämpfung auf ein Niveau von ca. Nur (-40...-50) dB.

Das Stoppband wird ruiniert, nicht nur durch C1, sondern auch durch die kollabierende Verstärkung des OpAmp bei den höheren Frequenzen. Und der hochfliegende Zout des OpAmp über UnityGain Bandwidth.

Fügen Sie einige diskrete R+C-Tiefpassfilter hinzu, die zwischen den aktiven Filterstufen hoher Ordnung verstreut sind, damit die passiven R+C-Filter die Dämpfung der allerhöchsten Frequenzen übernehmen können.

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