专利摘要:

公开号:WO1988009585A1
申请号:PCT/EP1988/000454
申请日:1988-05-20
公开日:1988-12-01
发明作者:Hans BRÜGEMANN;Kai Schlieper
申请人:Hans Brügemann Gmbh;
IPC主号:H03H11-00
专利说明:
[0001] __________________________________________________________
[0002] Bandpass-Filter __________________________________________________________
[0003] B e s c h r e i b u n g
[0004] Die Erfindung betrifft ein Bandpass-Filter der im Oberbegriff des Hauptanspruches genannten Art.
[0005] 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 umfasseπi 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.
[0006] 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 Grossen 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 Gütesich stufenlos verstellen, und dessen Durchlaόsfrequenzbereich sich spannungsgesteuert innerhalb einer grossen Bandbreite einstellen lässt.
[0007] Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemässe Bandpass- Filter aus RC-Gliedern in aktiver Verstärker-Technik, bestehend aus drei Operationsverstärkern und entsprechenden Rückkopplungswegen gelöst.
[0008] Der Operationsverstärker 1 [der unter Bezug auf Fig. 1 nachfolgend 01 bezeichnet wird], auf dessen invertierenden Eingang das Eingangssignal über einen ohmschen Widerstand R1 gegeben wird, dient der Signalvorverstärkung sowie durch die Rückkopplung eines Teils des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 01 über den ohmschen Widerstand R3 auf den invertierenden Eingang dieser Stufe der Phasenverschiebung um 180°.
[0009] In der 2. und 3. Operationsverstärkerstufe kann die Durchlassfrequenz des erfindungsgemässen Bandpass-Filters durch Verstellen der veränderlichen Widerstände R5 bzw. R9, die mit vor den nicht- invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 02 und 03 geschalteten Kapazitäten C1 und C2 jeweils ein RC-Glied bilden und die jeweils zwischen Masse und den nicht-invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 02 und 03 geschaltet sindi gemäss der allgemeinen Formel variiert werden.
[0010] Die Verstärkung des 2. und 3. Operationsverstärkers 02 und 03 wird durch Rückkopplung des jeweiligen Ausgangssignals über einen festen ohmschen Widerstand R7 bzw. R10 auf den invertierenden Eingang in Verbindung mit einem gleich grossen Widerstand R4 bzw. R8 zwischen Ausgang der jeweiligen Vorstufe und diesem invertierenden Eingang nach der hierfür allgemein gültigen Operations-Verstärker-Gleichung
[0011]
[0012] auf den Wert 1 {unter gleichzeitiger;. Phasenverschiebung um 90°} begrenzt.
[0013] Parallel hierzu wird ein Teil des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 03 von Punkt 4 nach Punkt 1 über einen verstellbaren Widerstand R6 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 01 zurückgeführt. Mit dieser veränderlichen Rückkopplung kann die Güte des erfindungsgemässen Bandpass-Filters über einen beträchtlichen Bereich eingestellt werden.
[0014] Eine einfache Ausgestaltung des erfindungsgemässen Bandpass-Filters sieht für die Einstellung des Durch- lassfrequenzbands durch die veränderlichen Widerstände R5 bzw. R9 zwischen Masse und den nicht- invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 02 und 03 ein konventionelles Tandem-Kohleschicht- Potentiometer vor. Der Nachteil dieser Ausführung besteht allerdings darin, dass ein nicht-manuelles Verstellen dieses Potentiometers nur durch einen aufwendigen Versteilmotor 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.
[0015] Diese beiden oben geschilderten Nachteile lassen sich in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Bandpass-Filters durch Einsatz von Foto-Widerständen für die veränderlichen Widerstände R5 bzw. R9 vermeiden. Der Widerstandswert dieser Fotowiderstände kann in einem sehr weiten Bereich {typisch zwischen ca. 100 Ω und 10 M Ω } 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 R6 für die Güte zum Zwecke der Fernverstellung durch eine entsprechende Kombination aus Leuchtdiode und optisch gekoppeltem Fotowiderstand ersetzt.
[0016] In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Bandpass- Filters können anstelle der oben erwähnten Leuchtdioden auch andere Lichtquellen eingesetzt werden, z.B. eine Laserdiode, eren kohärentes Licht über optische Fasern unter Zwischen- Verstärkung beliebig weit auf den jeweiligen optoelektronischen 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.
[0017] In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Bandpass-Filters können mit den optoelektronischen Empfängern noch weitere passive oder aktive Bauelemente zwecks Erzielung einer nichtlinearen 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.
[0018] Nach der Erläuterung der schaltungstechnischen Verwirklichung soll nachfolgend das grundsätzliche Wirkprinzip der oben geschilderten Ausführungsformen des erfindungsgemässen Bandpass-Filters diskutiert werden.
[0019] Die eigentliche Filterwirkung wird primär erzielt durch die Phasenverschiebung des Signals zwischen dem Eingang des 2. Operationsverstärkers 02 und dem Ausgang des 3. Operationsverstärkers 03. also zwischen den Punkten 2 und 4. Diese Phasenverschiebung beträgt bei der Mittenfrequenz fo 180º . Ein Vorteil des erfindungsgemäasen Bandpass-Filters besteht nun darin, dass es gegenüber Gleichlaufschwankungen beim Verstellen der veränderlichen Widerstände R5 bzw. R9, die z.B. eine Phasenverschiebung nach dem Operationsverstärker 02 um 80º und nach dem Operationsverstärker 03 um 110º bewirken würden, relativ unempfindlich ist, da es nur auf die Summe der Phasenverschiebungen des Signals zwischen den Punkten 2 und 4 ankommt.
[0020] Die Rückkopplung vom Ausgang des Operationsverstärkers 3 bei Punkt 4 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 01 bei 1 ergibt dann bei der dort erfolgenden Addition des Eingangssignals der Phase 0° mit dem Rückkopplungssignal der Phase 360 ° die maximale Verstärkung . D i e Güte des F i l ters l ässt s ich demgemäss über den verstellbaren Widerstand Rb stufenlos über einen weiten Bereich einstellen.
[0021] Liegt das Signal hingegen ausserhalb der Mittenfrequenz fo des erfindungsgemässen Bandpass-Filters, so ergibt sich am Ausgang des Operationsverstärkers 03 bei Punkt 4 ein von 360 ° verschiedener Phasenwinkel, der dann bei der Addition am Eingang des Operationsverstärkers 01 am Punkt 1 zu einer deutlichen Verstärkungsminderung des Signals am Ausgang des Operationsverstärkers 03 führt.
[0022] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von 2 Zeichnungen, die lediglich zwei Ausführungsformen darstellen, näher erläutert.
[0023] Es zeigt
[0024] Fig- 1 das Prinzip -Schal t-Schema des erfindungsgemässen Bandpass- Filters ,
[0025] Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau der fremdspannungsgesteuerten optoelektronischen Durchlassfrequenz- Verstellung. Als Verstärkerelemente, die den aktiven Charakter des erfindungsgemässen Bandpass-Filters ausmachen und entscheidend prägen, kommen handelsübliche, frequenzkompensierte, kurzschlussgeschützte Operationsverstärker 01 bis 03 zum Einsatz. Es eignen sich beispielsweise die Typen UA 741 oder LS 141 bzw. für höhere Grenzfrequenzen der Typ TL 081.
[0026] Für die veränderlichen Widerstände R5 bzw. R9 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 R5 bzw. R9 ein weitgehend vom mechanischen Verschleiss verschontes Tandem-Feldplatten-Potentiometer eingesetzt werden .
[0027] Beide Arten von Tandem-Potentiometer können in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mittels eines Stellmotors ferngesteuert verstellt, und damit ihr Widerstandswert verändert werden.
[0028] Wichtig füreinen stabilen, schwingungsfreien Betrieb des erfindungsgemässen Bandpass-Filters ist die symmetrische Nullung des Aufbaus zwischen den beiden Widerständen R5 und R9.
[0029] In einer bevorzugten Ausgestaltung des Schaltungsaufbaus der Erfindung werden für R5 und R9 Fotowiderstands-Pärchen LDR 1 und LDR 2 eingesetzt, die auf weitgehend identische technische Daten {speziell des Hell- und Dunkelwiderstands und der Steilheit} selektiert sind.
[0030] 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 Rd von typisch 10 MΩund einem Hellwiderstand {bezogen auf 1000 Lx} Rh von 75 bis 300 Ω . Hiermit ergibt sich also bei entsprechender Beleuchtungsintensi tät ein dynamischer Bereich von ungefähr 1 : 105 für die maximale Frequenzbandverstellung.
[0031] Um diesen Bereich optimal nutzen zu können , f inden lichtemittierende Dioden LED 1 bzw. LED: 2 mit ausreichender Li chtstärke {vorzugsweise auf GaP-Basis bei 500 nm emittierende mit einer Lichtstärke > 400 mCd} Verwendung .
[0032] Sie werden in gutem optischen Kontakt mit LDR 1 und LDR 2 montiert und in ihrer Helligkeit über eine stabilisierte Steuerspannung variiert.
[0033] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Fotodioden- , Fototransistoren- bzw. Fotomultipl ier- Pärchen anstel le der LDR eingesetzt .
[0034] Soll das Steuersignal Ust über sehr weite Entfernung bzw. durch stark Störspannüngs-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 R6 zum Einstellen der Güte des erfindungsgemässen Bandpass-Filters besteht im einfachsten Fall aus einem Kohleschicht-Potentiometer {typisch: 0-50 kΩ }.
[0035] Es kann in einer weiteren Ausgestaltung analog zu R5 bzw. R9 als Feldplatten-Potentiometer bzw. als fremd- spannungsgesteuertes opto-elektronisches Potentiometer ausgeführt sein.
[0036] Für die Widerstände R1 bis R4 , R7-, R8 und R10 finden handelsübliche Kohle- oder - bei höherer Anforderung an die Temperaturkonstanz des Widerstandswert - Metall- schichtwiderstände Verwendung.
[0037] Um den Verstärkungsgrad der Operationsverstärker 02 bzw. 03 auf 1 zu beschränken, wird R4 bzw. R8 möglichst exakt gleich R7 bzw. R10 gewählt {typischer Wert: 10 kΩ .
[0038] Als typische Werte für R3 ist 27 k Ω und für R1 4,7 k Ω anzusetzen. R1 kann frei gewählt werden zwischen etwa 10 kΩ und 300 k Ω .
[0039] R1 bestimmt zusammen mit R3 nach der Formel
[0040]
den Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers 01.
[0041] Die Kondensatoren C1 und C2 der beiden RC-Glieder vor 01 bzw. 02 sind ebenfalls auf einen möglichst identischen Kapazitätswert und Temperaturkoeffizienten zu selektieren {typischer Wert: 470 pF}. Nachfolgend werden einige wesentliche Messwecte, die an einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemässen Bandpass-Filters erzielt wurden, aufgeführt.
[0042] Ausführungsbeispiel
[0043] 01-03: TL 081
[0044] R5,R9: LDR1 = LDR2: LDR 05;
[0045] LED1 - LED2: grün emittierende > 400 mCd;
[0046] R1: 10-270 kΩ ; R2: 4 .7 k ΩL ;
[0047] R3: 27 kΩ ; RM-.R7-.R8,R10: 10 kΩ;
[0048] R6: 0 — 50 kΩ ; C1=C2: 470 pF.
[0049] Messwerte:
[0050] Verstärkung: V = 0.5-30 {als Funktion von R1}; Frequenzbereich: 2 - 200 kHz {als Funktion von 01-031; Filtergüte: 40 dB/Oktave {als Funktion von R6}.
权利要求:
Claims

__________________________________________________________
Bandpass-Filter __________________________________________________________
P a t e n t a n s p r ü c h e
Bandpass-Filter aus RC-Gliedern in aktiver Operationsverstärker-Technik, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass ein erster Operationsverstärker {01} durch Rückkopplung seines Ausgangssignals über einen ohmschen Widerstand {R3} auf seinen invertierenden Eingang, dem ein Eingangswiderstand {R1} vorgeschaltet ist, der Signalvorverstärkung und der Phasenverschiebung des Eingangssignals um 180° dient, dass über je einen festen ohmschen Widerstand {R7, R10} das jeweilige Ausgangssignal eines zweiten und dritten Operat ionsverstärkers {02 : 03} auf den j ewe i l igen invertierenden Eingang des betreffenden Operationsverstärkers {02; 03} rückgekoppelt, und so eine Phasenverschiebung des Signals um jeweils 90° erreicht wird: dass verstellbare ohmsche Widerstände {R5:R9}, die zwischen Masse und dem nicht invertierenden Eingang des zweiten und dritten Operationsverstärkers {02,03} geschaltet sind und mit dem vor diesem Eingang und dem jeweiligen Eingangssignal geschalteten Kapazitäten {C1: C2} ein RC- Glied bilden, die Einstellung der Durchlassfrequenz des Filters ermöglichen; dass über einen verstellbaren ohmschen Widerstand {R6} das Ausgangssignal des dritten Operationsverstärkers {03} auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers {01} rückgekoppelt ist, wodurch eine Gesamtphasenverschiebung um 360° erreicht wird, und die Güte des Filters damit einstellbar ist.
Bandpass-Filter nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die veränderlichen Widerstände {R5:R9} zwi schen Masse und den nicht- i nvert ierenden E ingängen der Operationsverstärker zwei und drei {02: 03} durch spannungsgesteuerte optische Potentiometer, gebildet durch zwei in Reihe geschaltete Leuchtdioden {LED1: LED2}, deren Helligkeit durch eine veränderliche stabilisierte Spannungsquelle stufenlos verstellt werden kann, und durch zwei optisch mit ihnen gekoppelte Fotowiderstände {LDR1, LDR2} realisiert sind.
3. Bandpass-Filter nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die veränderlichen Widerstände {R5:R9} zwischen Masse und den nicht-invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 2 und 3 {02: 03} durch zwei optoelektronische 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 optoelektronischen Empfänger verteilt wird, gebildet werden.
4. Verwendung des Bandpass-Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass es in einem NF-Frequenzgang-Messgerät, Geräusch- spannungs-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, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Bandpass-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Aufbereitung der Eingangsschwingungen.
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法律状态:
1988-12-01| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AU US |
1988-12-01| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE |
优先权:
申请号 | 申请日 | 专利标题
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