Pilottonfilter - ein Beispiel für den Filterentwurf mit AktivFilter 3.3
Hinweis: Dieses Beispiel ist nicht mit der Demo Edition von AktivFilter 3.3 nachvollziehbar.
Aufgabe
Es soll ein Bandpassfilter entworfen werden, um den Pilotton (Frequenz: 19 kHz), der zur Übertragung eines Stereosignals im UKW-Runkfunk verwendet wird, im Vergleich zum NF-Signal anzuheben. Eine solche Filterschaltung wird benötigt, wenn der Pilotton z.B. als Referenzsignal für Frequenzzähler, Sender etc. genutzt werden soll und lediglich ein herkömlicher UKW-Rundfunkempfänger zur Verfügung steht.
Spezifikation
Der zu entwerfende Bandpass soll folgende Anforderungen erfüllen:
- Die Mittenfrequenz soll 19 kHz betragen.
- Die Güte soll möglichst hoch sein, um den Pilotton möglichst
stark im Vergleich zum NF-Signal anzuheben. In der Praxis zeigt sich, dass es oft
problematisch ist, ein aktives Bandpassfilter mit einer Güte von wesentlich mehr
als 25 aufzubauen, da es zum Schwingen neigt. Daher soll die Güte den Wert 25 haben.
Daraus ergibt sich für das zu realisierende Filter eine Bandbreite B von:
B = f / Q = 19 kHz / 25 = 760 Hz. - Die Ordnung soll zwei betragen, damit eine Realisierung mit einem einzigen Operationsverstärker möglich ist.
- Die Verstärkung der Mittenfrequenz soll etwa 100 betragen, also 40 dB. Diese Festlegung beruht auf der Annahme, dass der Pilotton mit etwa 10 mV zur Verfügung steht und für eine weitere Bearbeitung, z.B. mit einer PLL, ein Ausgangssignal von etwa 1 V wünschenswert ist.
- Die Eingangsimpedanz soll größenordnungsmäßig etwa 10 kOhm betragen, jedoch darf der Wert auch niedriger sein.
- Die Widerstandswerte sollen aus der Reihe E48 stammen.
- Es soll der Operationsverstärker LF411 eingesetzt werden, weil er bei 19 kHz die geforderte Verstärkung bietet und sehr preiswert ist.
Die Frequenz des Pilottons wird senderseitig sehr konstant auf 19 kHz gehalten, so dass sich dieses Signal sehr gut für Mess- und Abgleichzwecke eignet. Den Anteil des Pilottones kann man beispielsweise am Lautsprecherausgang eines üblichen UKW-Radios nachweisen. Zur Nutzung des Pilottonsignals ist es erforderlich, dieses mit Hilfe eines Bandpasses wesentlich stärker anzuheben als die niederfrequenten Anteile. Ein solches Bandpassfilter soll hier mit Hilfe der Software AktivFilter 3.3 von SoftwareDidaktik dimensioniert werden.
Der erste Entwurf
Sie starten AktivFilter 3.3 und rufen den Menüpunkt Datei, Neues Filter, Bandpass mit Mehrfachgegenkopplung auf. Im Dialog machen Sie folgende Eingaben:
Die Kapazitätswerte sollen vorerst vom Programm optimiert werden, daher wählen Sie in diesem Dialog Kapazitätswerte optimieren.
Wenn Sie alles wie dargestellt eingegeben haben, klicken Sie auf OK. Die Berechnung wird gestartet und nach einiger Zeit sehen Sie den Amplitudenfrequenzgang Ihres Ergebnisses:
Der Sollfrequenzgang ist im Bild grün dargestellt. Der im Bild rot dargestellte traditionelle Entwurf berücksichtigt den Einfluss der OPV-Eigenschaften nicht. Blau dargestellt ist das Ergebnis der Rechenarbeit von AktivFilter 3.3: Das auf den Operationsverstärker abgestimmte Filter. Sie erkennen, dass der OPV einen mäßigen Einfluss hat, der zu dem relativ schlechten Ergebnis des traditionellen Entwurfs führt. Sie erkennen ferner, dass AktivFilter 3.3 in der Lage ist, das zu dimensionierende Filter nahezu ideal auf den OPV abzustimmen.
Der Übersichtlichkeit halber wollen wir jetzt die Darstellung des traditionellen Entwurfs und des Sollfrequenzgangs abschalten. Wählen Sie hierzu den Menüpunkt Grafik, Kurvenauswahl. Entfernen Sie die Häkchen an den Feldern Sollfrequenzgang und Traditioneller Entwurf. Schließen Sie den Dialog mit OK. Jetzt sehen Sie nur noch die blaue Kurve, die Ihr entworfenes Filter darstellt.
Öffnen Sie jetzt den Menüpunkt Ergebnis, Dimensionierung, um das Berechnungsergebnis zu inspizieren:
Was Ihnen möglicherweise nicht gefällt, ist der große Wert von R3 und die relativ kleinen Werte der Kapazitäten. Wie Sie gleich sehen werden, können Sie dies schnell und einfach korrigieren. Schließen Sie hierzu zunächst den Ergebnis-Dialog mit OK.
Ein verbessertes Design
Wählen Sie nun den Menüpunkt Bearbeiten, Kapazitäten ändern. Der im folgenden Bild dargestellte Dialog öffnet sich:
Klicken Sie jetzt auf den Knopf Ändern. Im nun erscheinenden Dialog Kapazität vorgeben können Sie den neuen Wert der beiden Kapazitäten vorgeben. Geben Sie hier 470p ein:
Klicken Sie dann auf OK, um diesen Dialog zu schließen. Sie sehen wieder den vorherigen Dialog, in dem jetzt der aktuelle Wert von C1=C2 in 470 p geändert angezeigt wird. Schließen Sie diesen Dialog durch Anklicken von OK.
Nachdem die Berechnung abgeschlossen ist, wird abermals das Ergebnis dargestellt:
Eine Inspektion der Dimensionierung zeigt jetzt Bauteilwerte, die Ihnen zusagen sollten:
Schließen Sie diesen Dialog mit OK und klicken Sie dann auf Spice, Amplitudengang in dB. Wählen Sie in PSpice den Menüpunkt Simulation, Run oder klicken Sie einfach auf den blauen nach rechts zeigenden Pfeil unterhalb der Menüleiste. Wenn Sie im anschließend erscheinenden PROBE-Fenster den Cursor einschalten und das Maximum suchen lassen, erhalten Sie folgendes Ergebnis:
Die Mittenfrequenz des Filters beträgt also 18,989 kHz. Das ist ein vollauf überzeugendes Ergebnis, da die Bandbreite des Filters B = fm / Q = 19 kHz / 25 = 760 Hz beträgt. Damit liegt die Mittenfrequenz des Filters sehr dicht an der Frequenz des zu filternden Pilottons.
Beenden Sie jetzt PSpice.
Das Ergebnis speichern
Sie sind mit Ihrem Design zufrieden und wollen Ihr Ergebnis abspeichern. Klicken Sie hierzu auf Ergebnis, Speichern unter. Das Entwurfsergebnis wird als HTML-Datei gespeichert. In unserem Beispiel geben wir als Dateiname Pilottonfilter-Beispiel ein. Die Ergebnisdatei können Sie hier ansehen: Pilottonfilter-Beispiel
Die Spezifikation speichern
Jetzt sollten Sie Ihre Spezifikation abspeichern, also Ihre Vorgaben, die zu Ihrem Design geführt haben. Wählen Sie hierzu den Menüpunkt Datei, Spezifikation speichern unter. Die Spezifikationsdatei hat immer die Dateinamenserweiterung AFS (AktivFilter-Spezifikation). Beenden Sie jetzt AktivFilter 3.3.
Die Spezifikation laden
Suchen Sie die Spezifikationsdatei im Windows-Explorer und klicken Sie sie mit einem Doppelklick an. Sofort wird AktivFilter gestartet und berechnet wieder Ihr Filter. Sie könnten jetzt an Ihrem Filterentwurf weiterarbeiten, Kapazitäten ändern oder Änderungen an Ihrer Spezifikation vornehmen - und schließlich eine neue Spezifikationsdatei abspeichern. Das ist die professionelle Arbeitsweise, die mit AktivFilter 3.3 möglich ist. Die von Ihnen abgespeicherte Spezifikationsdatei kann von jedem geladen werden, der über eine AktivFilter 3.2-Installation verfügt. Auf diese Weise können Sie z.B. Ihre Arbeitsergebnisse an andere Mitarbeiter weiter geben.
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