Praktikum LC- SC-Filter

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1 ZHAW, ASV, FS205, (8) Praktikum L- S-Filter. Ziele In diesem Praktikum soll die Spezifikation und Design von passiven L-Filtern vertieft werden. Es soll ein Tiefpass Design von Hand berechnet werden und mit einem OnLine Tool verglichen werden. In einem zweiten Teil sollen die Möglichkeiten von S-Filtern betrachtet und getestet werden und ein cleverer Sinusgenerator entstehen. 2. Warm-up Rekapitulieren sie die Haupteigenschaften von R-, S- und L-Filter mit den Folien des Kapitels Filtertheorie. 3. Praktischer Teil 3. Design eines Tiefpasses Ihre R&D hefin erteilt ihnen die folgende Designaufgabe für ein L-Filter. Einsatzgebiet: Die als Direct Digital Synthesizer (DDS, wird im Kapitel Frequenzsynthese behandelt) bekannte Erzeugung eines Sinussignals benötigt am Ausgang ein Tiefpassfilter um die Treppenform zu glätten. Fig. P3: DDS Generator, z.. Laborgerät TG50 von TTi Spezifikation: Der Takt betrage /T s 00 MHz, die tiefste genutzte Frequenz f MHz und die höchste Frequenz f 20 MHz. Das Ausgangspektrum zeigt Linien bei der Ausgangsfrequenz mit Pegel 0 dm und bei n*00 MHz +- Ausgangsfrequenz. Wegen der Sample&Hold Schaltung im D/A-onverter sind die Frequenzterme in der Amplitude bereits mit einer sinx/x gewichtet (Herleitung später im Unterricht). sinπ f T T π f T s s

2 ZHAW, ASV, FS205, 2(8) Fig. P4: Zu filterndes Spektrum (nur schwarze Linie erwünscht) erechtigte Annahmen: Der Term bei n, also f 80 MHz ist der stärkste und zugleich am wenigsten durch einen Tiefpass gedämpfte Term. Er soll für eine sauberen Sinus auf < -80 dm gedämpft werden. Die max. Dämpfung im Durchlassbereich A max soll besser 0.2 d betragen. Es wird eine hebishev Approximation benutzt um eine möglichst geringe Ordnung zu erhalten. ezugsimpedanz des Generator Systems: 50 Ω. Ihr Job: estimmen sie die Filterspezifikation und berechnen sie die Ordnung N des Tiefpasses für hebishev mit den Formeln () und (6) aus dem Skript: 2 2 ωs A A d(jωs ) 20 log + ε cosh N acosh ε max 0 - ωp 0 Prüfen sie die Ordnung für das L Filter Design mit einem Online Tool z.. Online L Filter SW alculator: Dimensionieren sie ein passendes L-Tiefpass Filter mit der Tabelle in Anhang A und vergleichen sie die Werte und Amplitudengang mit dem OnLine alculator: Vergleichen sie die Dämpfungsperformance des L Filters mit einem käuflichen Active R- Filter, das für diesen Zweck angeboten wird, dem LT :

3 ZHAW, ASV, FS205, 3(8) 3.2 Einfache Sinusquelle mit variabler Frequenz Aktive R-Filter können in Switched apacitor Filter (S) umgewandelt werden und werden dann sehr attraktiv für die präzise Integration auf hips. Dies ist so, weil das S-Filter keine Widerstände benötigt, welche nur ungenau und flächenintensiv integrierbar sind. Dafür wird aber ein Taktsignal benötigt. V REQ I Q V I T V I T V T REQ V T Fig. P5: S-Integrator Prinzip und Formeln R T 0 fclk Die Genauigkeit der Integrator-Zeitkonstante hängt von einem -Verhältnis und einer Taktfrequenz ab. Noch nützlicher für den Anwender ist die einfache Möglichkeit zur Variation der Grenzfrequenz, bzw. bei andpässen der Mittenfrequenz. Man muss lediglich das Taktsignal in der Frequenz verändern, die auteile bleiben unverändert. esonders eignet sich die Implementation des Filters als Universal Active Filter (UAF) oder Tow Thomas Filter TT), bei welchen die Eigenfrequenzen einzig durch die Integrator Zeitkonstanten festgelegt sind. Neben vollständig integrierten S-Filtern gibt es auch solche, die nur die Integratoren des UAF bzw. TT als S-Schaltung ausführen. Mit Hilfe von Widerständen können Gain und Approximation gewählt werden. Die Grenzfrequenz wird aber nur die Integratoren bestimmt und ist daher direkt proportional zur S-Taktfrequenz (vgl. Fig. P5). Aufgabe: Man erzeuge ein 20 khz Sinussignal aus einem 20 khz Rechtecksignal. erechnen sie die zu erwartende Dämpfung bei 60 khz (dritte Harmonische Rechtecksignal) für ein utterworth Tiefpass-Filter mit N 6 für die 3 d Grenzfrequenz f c 20 khz. ω 2N 2 ωs 2 ωs A d(jωs ) 20 log + ε 0 log + ε ωp ωp 2N

4 ZHAW, ASV, FS205, 4(8) Fig. P6: Sinusgenerator mit programmierbarer Frequenz f f clk /N N ist typ. 50, 64, 00, 28, 200, 256 für S-Filter Als S-Filter wird der hip LT068 von Linear Technologies benutzt: Link: Zur Dimensionierung hilft das Tool FilterAD Link: ( vom Hersteller. Nach dem Start wählen sie Enhanced Design, denn sie sind Profi. Weitere Einstellungen im Verlauf: austein LT068, 00: ±5V, PDIP24 Gehäuse Erzeugen sie damit den utterworth Tiefpass 6. Ordnung und generieren sie Frequenzgang und Schema. Das Tool Schema nutzt die Stufen --A für die Implementation. Messung: Nehmen sie das S Filter oard in etrieb: ± 5 V Speisung, nicht überschreiten! Zu f c 20 khz passende Taktfrequenz von 2 MHz MOS (0V / 5V High-Z) Rechtecksignal anlegen, mit KO zuerst überprüfen. Achtung: Stufenreihenfolge im Aufbau und dessen Schema im Anhang ist -A-D. Mit zweitem Generator Eingang zu Stufe speisen mit Sinus V peak, variable Frequenz Dazu uchse Vin benutzen und mit Jumper Vin mit verbinden. Messen sie grob Frequenz den Frequenzgang und speziell die Dämpfung bei 0, 20, 40 und 60 khz für den Tiefpass mit N 6. Messen mit KO oder mit Spektrumanalyzer Max Hold und Vorwiderstand (470 Ω, 20 d). Vergleichen sie mit ihrer erechnung. Zoomen sie am KO einmal ins Signal und sie erkennen die Treppenstruktur des Abtast- Halteprozesses (ähnlich dem DDS Signal aus 3..) Aufgabe: Um die schlimmste Oberwelle im Recktecksignal stärker zu dämpfen wird dem Tiefpass 6.Ordnung eine andsperre nachgeschaltet (Stufe ), welche genau diese Harmonische unterdrückt.

5 ZHAW, ASV, FS205, 5(8) Fig. P7: Lowpass Notch Stage (LPN) Diese Stufe kann im selben Filter hip implementiert werden. Wählen sie im Menu Design die Approximation unter Response als ustom und klicken ins erste leere Feld in der Spalte type. Fügen sie ein LPN (Low Pass Notch (Eigenschaften siehe Fig.P7) als 4. Stufe dazu, so dass die 60 khz Oberwelle zwar ausgelöscht wird, jedoch der 3 d Punkt bei 20 khz grob erhalten bleibt: Parametersuche erfolgt nach der Try&Error Methode im Tool durch manuelle Eingabe in die 4. Zeile und überprüfen des odeplot im Menu Freq. Response. Gutes Resultat: LPN, f 0 40 khz, Q.0, f N 60 khz. Übernahme der vorhergehenden utterworth-werte in die oberen Zeilen, sofern nicht schon vorhanden. Für den Aufbau ist die Stufenfolge aus praktischen Gründen (Noise, Übersteuerung, Summierer sparen) anzupassen. Mit dem Menu Implement wird das Design erstellt. Tauschen sie nun die Eingaben nach Reihenfolge LPN, LP geordnet nach absteigender Güte -A-D wie in Fig. P8. Dies geht durch Selektion von 2 Stufen mit der linken Maustaste bei gedrückter TRL- Taste und Tausch mit dem Swap All utton. Fig. P8: Stufen entsprechen nun im Schema (Anhang ) wie folgt: LPN und LP -A-D Messung: Eingang ist nun Stufe! d.h. uchse Vin2 benutzen und mit Jumper mit verbinden Wiederholen sie die Messung der Grenzfrequenz und der Unterdrückung bei 60 khz mit dieser Stufe. ei 60 khz ist das Nutzsignal nun nicht mehr sichtbar mit den verfügbaren Laborinstrumenten. Dafür sieht man Feedthrough der Flanken der Taktfrequenz, welche mit einem einfachen R-Glied weggefiltert werden könnte. Variieren sie einmal die Taktfrequenz und überzeugen sich von der einfachen Steuerbarkeit der Grenzfrequenz und der Notch-Frequenz. Aufgabe: Zum Schluss wird ein Sinusgenerator mit variabler Frequenz aufgebaut. In der Praxis stehen oftmals passende Rechtecksignale zur Verfügung, welche sich z.. in einem Prozessor oder mit Logikbausteinen auf die gewünschte Frequenz herunterteilen lassen. Daraus jeweils ein Sinussignal zu formen ohne auteile anzupassen ist mit S Filtern einfach realisierbar. Messung: enutzen sie nun als Rechteck Eingangssignal das auf dem oard vorhandene durch 00 geteilte S-Taktsignal. Egal welche Frequenz sie einstellen, sie erhalten immer ein ansprechend reines Sinussignal. Wo ist die obere Grenze dieses hips?

6 ZHAW, ASV, FS205, 6(8) 4. Weiterführende Aufgabe: etrachtung der andpass Filterwirkung mit Hilfe von einfachen Schwingkreisen und Einfluss des Verlustwiderstandes von Spulen, z.. in RFID Antennen. andmitte f 0 f 2f 2π L f 0 andbreite b f 2 f Q Güten Q L R w 2πf0 L R w Q R p L Rp 2πf L 0 Praxis Q >> : Req W e 2 Q R L L 2π f R R / 2π f L Q 0 eq eq 0 Example oils: oilcraft Slot0

7 ZHAW, ASV, FS205, 7(8) Anhang A: L-Tiefpass g(0) und g(n+) sind die Impedanzen an Ein- und Ausgang Für Design mit Tabellen muss wie folgt normiert werden: R ezugswiderstand in Ω L ezugsinduktivität in H ezugskapazität in F f eine ezugsfrequenz in Hz R R R2 L R 2 π f 2 π f R (Quellen- und Lastwiderstand) f Ω f Die ezugsfrequenz f des Tiefpass ist: f f d G(0) g(2) g(4) g(n-) Koeffizienten g(i) sind tabelliert L g(i) i L g(n+) g(i) i R g(i) i R g() g(3) g(n-2) g(n)

8 ZHAW, ASV, FS205, 8(8) Anhang : LT068 S UAF A D Stufenfolge: Stufe : LPN Stufe Input OpAmp HPN LP Stufen,A,D: N 6 utterworth LP mit : highest Q, A: mid Q, D: lowest Q