DE2222795A1

DE2222795A1 - Filter fuer Traegerfrequenzmesssystem

Info

Publication number: DE2222795A1
Application number: DE19722222795
Authority: DE
Inventors: Bruinshorst Berend Theodor Jan; Kessel Theodorus Jozef Van
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-05-13
Filing date: 1972-05-10
Publication date: 1972-12-14
Also published as: JPS5443860B1; AU461398B2; IT955434B; NL7106554A; US3781697A; FR2139403A5; DE2222795C3; AU4200472A; DE2222795B2; GB1392541A

Description

Filter für Trägerfrequenzmessystem.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Filter für ein amplitudenmoduliertes Trägerfrequenzmessystem zur Herabsetzung störender Modulation auf der Trägerfrequenzamplitude, das einen Eingangskreis, dem das zu filternde Trägersignal zugeführt werden muss, ferner Filternetzwerke und Schalter enthält, die synchron und in Phase mit der Trägerfrequenz schalten. ' -

Zum Hessen physikalischer Grossen werden im allgemeinen ?!essaufnehmer verwendet, die die Grosse in ein elektrisches Signal umwandeln» Dieses elektrische .Signal kann verschiedene Störanteile enthalten, die die Messung ungenau machen«

Bei Aufnehmern, die mit Gleichspannung arbeiten und

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nur geringe Spannungen oder Ströme abgeben, ist der Einfluss von Thermospannungen und des Driftes derselben bei Aenderung der Temperatur gross.

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, werden Aufnehmer, die dazu geeignet sind, mit Wechselspannung gespeist. Das Messignal ist also eine Wechselspannung oder ein Wechselstrom, die (der), gegebenenfalls in einem engen Frequenzbereich, verstärkt werden kann, ohne Beeinträchtigung durch Gleichspannungen oder Niederfrequenzstörsignale. Derartige Messysteme sind unter der Bezeichnung "Trägerfrequenzmessystem" bekannt. Die zu messende Information kann durch die Amplitude einer Wechselspannung oder eines -Stromes festgesiegt werden.

Anwendungsbereiche für diese Trägerfrequenzmesssysteme sind z.B. das elektronische Wägen, wobei eine mit Dehnungsstreifen bestückte Messbrücke mit Wechselspannung von z,B, 50 Hz gespeist wird, und Servosysteme, die z.B. mit einer Trägerfrequenz von 50 Hz oder kOO Hz arbeiten.

Für diese praktischen Anwendungen ist es oft erwünscht, dass der Gesamtmess- oder -Regelkreis eine genau definierte Bandbreite aufweist, so dass z.B. schnelle Aenderungen der Trägeramplitude nicht und bestimmte langsame Aenderungen wohl weitergeleitet werden.

So soll ein Servosystem eine feste Frequenzkennlinie aufweisen, um eine richtige Regelung zu erhalten, während es beim elektronischen Wägen zum Erhalten einer richtigen Gewichtsanzeige erforderlich ist, Niederfrequenz-Amplitudenmodulationen des Trägers in dem Servokreis, mit dem das

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Gewicht der Belastung gemessen \tfird, zu entfernen. Diese Aniplitudenmodulationen werden durch Schwankungen der Belastung auf der ¥ägeplattform herbeigeführt.

."ine Lösung dieser Bandbreiteeinstellung besteht in der Anordnung von Bandfiltern in dem Messkreis, Dies hat ■lon Nachteil, dass keine Beziehung zwischen der Trägerfrequenz und der Durchlassfrequenz des Filters besteht, so dass Aenderungen dieser Frequenzen unmittelbar das Messergebnis beeinflussen. Auch ist die Bauart dieser Filter verhältnismässig umfangreich bei einer niedrigen Trägerfrequenz von z.B. 50 Hz.

Auch ist es bekannt, die Trägerfrequenz zu demodulieren, das nach Demodulation erhaltene Signal zu filtern und dann das gefilterte Signal einer Trägerwelle mit derselben Frequenz und derselben Phase wie die ursprüngliche Trägerwelle aufzumodulieren, Dieses System hat den Nachteil, dass störende Eigenschaften des Modulators und des Demodulators und des Filters dem Messergebnis hinzugefügt werden. Dabei sollen Gleichspannungs- oder Gleichstromverschiebungen, die Nullpunktverschiebungen herbeiführen, Drift und Leckeffekte von Schaltern und Kondensatoren berücksichtigt werden,

Die Erfindung hat den Zweck, die erwähnten Nachteile erheblich zu verringern. Zu diesem Zweck ist ein Filter der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass es einen Verstärker enthält, dessen erste und zweite Eingangsklemmen mit dem Eingangskreis verbunden sind und dessen Ausgangsklemmen den Avisgang des Filters bilden, während der erste und zweite parallel geschaltete, identische

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Gegenkopplungsschleifen enthält, die mit je einem Schalter in Reihe mit einem Filternetzwerk versehen sind, das mindestens ein Speicherelement enthält, wobei ein Schalter in Phase und der andere Schalter in Gegenphase schaltet.

Die Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, dass der Modulator und der Demodulator mit dem Filternetzwerk in der Gegenkopplungsschleife eines Verstärkers kombiniert werden können, wodurch Eigenschaften von Schaltern, wie Spannungs- oder Stromverschiebungen, Drift, Leckeffekte, Schaltspitzen und entsprechende Eigenschaften von Filterteilen, um den Verstärkungsfaktor des Verstärkers herabgesetzt werden. Ein Vorteil eines Filters nach der Erfindung ist noch der, dass eine Verstärkung des Eingangssignals erhalten wird.

Bei gewissen Systemen mit einem Servokreis ist es zur Steuerung des Gesamtregelkreises erwünscht, gleichspannungsmässig gekoppelte Kreise zu verwenden. Es kann, daher notwendig sein, Gleichspannungsverschiebungen des Signals zu vermeiden. Der in dem Filter nach der Erfindung verwendete Verstärker kann eine Spannungs- und Stromverschiebung und Drifterscheinungen aufweisen, die in verstärkter Form an dem Ausgang des Filters auftreten und in dem Regelkreis störend wirken oder unzulässige Aussteuerungen von Verstarkern in dem Regelkreis veranlassen. Ein Kopplüngskondensator bietet z.B. wegen des differenzierenden Charakters mit dem sich daran anschliessenden Kreis keine Lösung,

' Eine günstige Ausführungsform eines Filters nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass über dem Filter

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zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem Eingangskreis eine dritte Gegenkopplungsschleife angebracht ist» die aus einem Niederfrequenzdurchlassfilternetzwerk besteht» Dadurch ist es möglich, unter Beibehaltung der Filtereigenschafteh und der Verstärkung von Signalen im Trägerfrequenzband das Filter gleichspannungsmässig gegenzukoppeln, so dass sowohl zugeführte Gleichspannungen als auch vom Verstärker erzeugte Gleichspannungen proportional in geringerem Masse verstärkt werden.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher be* schrieben» Es zeigent

Fig. 1 ein bekanntes Deniodulator-Modulator-System,

Fig. 2 ein Filter für ein Trägerfrequenzmessystem nach der Erfindung,

Fig. 3 eine Ausfuhrungsform der Erfindung mit Gleichspannungsgegenkopplung, und

Fig. k eine andere Ausführungsform der Erfindung mit Gleichspannungsgegenkopplung.

In Fig. ΐ ist eine bekannte Demodulator-Modulätor-Filterschaltung 1 dargestellt, die einen Teil eineä Tfägerfrequenzmessystems 2 bildet, das von einer Quelle 3 mit einer Wechselspannung oder einem Wechselstrom mit einer Frequenz f, gespeist wird. Die physikalische Grosse P, die gemessen werden muss, wird symbolisch der Klemme U- des Messystems 2 zugeführt, wodurch sie in eine elektrische GrÖsse umgewandelt wird, die eine Spannung oder ein Strom mit einer Frequenz f. der Speisequelle ist. Die Amplitude

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der elektrischen GrSsse ist ein Mass für den Wert der physikalischen Grosse. Um diese Amplitude zu filtern, ist das Filter 1 an die Klemmen 5 und 6 des Messystems 2 angeschlossen, so dass den Ausgangsklemmen 7 und 8 des Filters eine Spannung oder ein Strom entnommen werden kann, die bzw. der eine Frequenz rund um die Trägerfrequenz mit einer durch das Filter bestimmten Bandbreite aufweist.

Das Filter 1 enthält einen Synchrondetektor 9_t der die den Klemmen 5 und 6 zugeführte Information in die Niederfrequenzinformation umwandelt, die der Trägerwelle aufmoduliert war. Diese Niederfrequenzinformation passiert ein Filter, das durch einen Reihenwiderstand R mit einem sich daran anschliessenden Parallelkondensator C dargestellt ist. Eine Modulationsschaltung 10 moduliert die gefilterte Niederfrequenzinformation wieder der Trägerwelle auf. Diese bekannte Schaltung weist die in der Einleitung bereits beschriebenen Nachteile auf.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Filters nach der Erfindung, bei dem gemäss Fig. 1 die zu filternde Trägerfrequenzinformation den Klemmen 5 und 6 zugeführt wird und die gefilterte Information an den Klemmen 7 und 8 zur Verfügung 3teht.

Der Verstärker 11, der in diesem Beispiel ein Operationsverstärker ist, ist mit seinen beiden Eingangsklemmen und 13 über Widerstände 18 und 19 an die Klemmen 5 und 6 angeschlossen. Die Klemme 6 ist mit der Ausgangsklemme 8 verbunden. Eine etwaige Stromverschiebung des Verstärkers wird vom Widerstand 19 ausgeglichen. Der Widerstand 18

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bildet zusammen mit den Kondensatoren 20 und 21 und dem Verstärker 11 mit Gegenkopplungswxderständen 15» 16, 17 das FiIternetzwerk,

Der Verstärkungsfaktor A_ der Verstärkerschaltung wird durch die zwischen der Ausgangsklemme lh des Verstärkers und der Erdleitung der Schaltung angebrachten Widerstände und 16 und durch die Widerstände 17 und 18 bestimmt. Zwischen der Klemme 12 und der Ausgangsklemme lh sind ein Umschalter 22 und Kondensatoren 20 und 21 angeordnet. Der Umschalter 22 schaltet mit der Frequenz und der Phase des Trägers und führt dadurch während einer z.B. positiven Trägerwellenperiode den Kondensator 20 in den Verstärkergegenkopplungszustand und schaltet während der anderen, also negativen Trägerwellenperiode den Kondensator 21 ein. Es leuchtet ein, dass die Filterwirkung für den positiven Teil der Träfjerwellenperiode durch die Teile 18, 20 und 11 mit den Teilen 15» 16 und 17 und ftir den negativen Teil durch die Teile 18, 21 und 11 mit den Teilen 15, 16 und 17 erhalten wird. Die Kondensatoren 20 und 21 dienen also zugleich als Speicherelement zum Festlegen des Spannungszustandes der vorangehenden Einschaltung für di· auffolgende Einschaltung. Es wurde bereits angenommen, dass der Verstärkungsfaktor der VerstKrkerschaltung 11 mit den Teilen 15» 16, 17 und 18 gleich A_q ist. Die Frequenaikennlinie der Uebertragungsfunktion des Gesamtfilters für Frequenzen, die viel niedriger als die Schaltfrequenz des Umschalters sind, kann für sinusförmige Signale durch Formel 1:

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V A ■

aus o »

^Vein⁼ " 1 + J 2JTf₁ - ^A _o*_l8 ^C _S
angegeben werden, wobei

V . = Eingangsspannung zwischen Klemmen 5 und 6, V= Ausgangsspannung zwischen Klemmen 7 und 8, f. = Frequenz der Eingangsspannung, R^o= Widerstandswert des Widerstandes 18, C = Kapazitätswert der Kondensatoren 20 und 21.

Diese Filterkennlinie ist auch, links und rechts von der Trägerfrequenz vorhanden und bildet also ein Durchlassband für Frequenzen rund die Trägerfrequenz.

Es leuchtet ein, dass infolge der Speicherfunktion der Kondensatoren 20 und 21 die Spannung an den Kondensatoren, falls die Eingangsspannung einen konstanten Spitzenwert aufweist, eine Frequenz gleich der Sehaltfrequenz hat und mit dem Schalt signal in Phase ist, sich auf einen Wert, der dem Mittelwert über die Halbperiode eines sinusförmigen Signals proportional ist, also auf 2/7Γ , einstellen wird. Die Uebertragungsfunktion des Filters beträgt dann:

V
aus _ -2 ν

V . - It ο ^Z) ein ⁶

Dabei ist nun die Ausgangsspannung V eine Blockspannung

aus

mit dem angegebenen Spitzenwert für die positiven und negativen Teile, während die Eingangsspannung V . den Spitzenwert der zugeführten Sinusspannung darstellt.

Für den Fall, dass der Spitzenwert nicht konstant ist, sondern sich z.B. mit einer Frequenz f ändert, die niedriger als f. ist, wobei m die Modulation darstellt, kann die Eingangsspannung durch:

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^Vein = ^VeinSpit_Ze(¹+^{m cos} ^27[tm^ ^sin

dargestellt werden.

Entsprechend den Gleichungen 1) und 2) beträgt die Uebertragungsfunktion:

V
aus-Block 2_A ι „ . in «— _Λ "j. ι ^\

V ~ X ο

ein-Spitze

Wenn die Trägerwelle der Eingangsspannung einen Phasenwinkel CD in bezug auf das Schaltsignal aufweist, soll der Gleichung 4) noch der Faktor cos<p zugesetzt werden.

Fig, 3 zeigt ein Filter nach der Erfindung,.das im Vergleich zu dem Filter nach Fig. 2 durch Anwendung einer zusätzlichen Gegenkopplung noch zwei Vorteile aufweist. Zu diesem Zweck wird das ganze Filter nach Fig. 2 gegengekoppelt. Wie bereits erwähnt wurde, werden Gleichspannungen und Wechselspannungen niedriger Frequenzen, die den Klemmen und 6 zugeführt werden, in' Fig. 2 an den Ausgangsklemmen 7 und 8 nach der Gleichung 1) in verstärkter Form auftreten. Die Gleichspannung wird also um A verstärkt. Auch werden die an den als Bezugspunkten dienenden Eingangsklemmen 12 und 13 auftretenden Verschiebungs- und Driftspannungen des Verstärkers 11 um A verstärkt. Kleine zu messende Eingangssignale an den Klemmen 5 und 6 können in der gleichen Grössenordnung wie die genannten Störspannungen liegen. Dies bedeutet, dass die Ausgangsblockspannung eine verschobene Nullinie besitzt. Für eine weitere Verarbeitung des Messignals kann dies störend sein. Auch ist es möglich, dass der Verstärker 11 durch diese Störgleichspannungen übersteuert wird und infolgedessen das ^fθssθrgebnis beeinflusst,

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Durch Anwendung einer Gegenkopplung, die nur in dem Niederfrequenzbereich wirksam ist und die Durchlassbandverstärkung rund um die Trägerfrequenz nicht beeinträchtigt, können sowohl störende Niederfrequenzeingangsspannungen als auch Einflüsse des Verstärkers auf ein Mindestmass beschränkt werden.

Zu diesem Zweck ist in Fig. 3 zwischen der Eingangsklemme 5 und dem Widerstand 18 ein Widerstand Zh angeordnet, während ein Gegenkopplungsstrom für die Eingangskiemme 5 über einen Widerstand 25 eines Niederfrequenzfilternetzwerks zugeführt wird, das in funktioneller Hinsicht nur aus dem mit dem Ausgang 14 verbundenen Widerstand 26 und dem an die Erdleitung der Schaltung gelegten Kondensator 27 zu bestehen braucht. - '

Um Resonanz bei bestimmten niedrigen Frequenzen zu verhindern, ist in Reihe mit dem Kondensator 27 eine Parallelschaltung eines Widerstandes 28 und eines Kondensators 29 angeordnet. Die Anbringung einer derartigen Gegenkopplung beeinflusst das Verhalten des Filters rund um die Trägerfrequenz nicht.

Fig. h zeigt eine andere günstige Ausführungsform nach dem Prinzip der Fig. 3.

Das Gegenkopplungsnetzwerk ist aus den Widerständen 2'+, 25 und 26 und dem Kondensator 27 aufgebaut, während"die Parallelschaltung des Widerstandes 28 und des Kondensators der Fig. 3 nun in dem Filternetzwerk der beiden geschalteten Gegenkopplungsschleifen der Verstärkerschaltung angeordnet ist, Zu diesem Zweck ist in Reihe mit dam Reihenkondensator 20

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die Parallelschaltung eines Widerstandes 31 und eines Kondensators 30 und in Reihe mit dem Kondensator 21 die Parallelschaltung des Widerstandes 33 und des Kondensators angeordnet. Dies hat zur Folge, dass das Durchlassband •rund die Trägerfrequenz auch beeinflusst wird .

Die Werte der einzelnen Teile im Filter nach Fig. h können derart gewählt werden, dass:

a) eine sehr starke Gegenkopplung für den Niederfrequenzbereich erhalten wird, die durch die Widerstände 2Λ, und 26 und den Kondensator 27 bestimmt wird,

b) in einem schmalen Band rund die Trägerfrequenz eine grosse Verstärkung des Filters aiif tritt, die durch den Verstärkungsfaktor A- und den Widerstand 18 und den Kondensator 20 bzw. 21 bestimmt wird,

c) eine kleinere Verstärkung für einen darauffolgenden Frequenzbereich erhalten wird, die durch die Widerstände 18 und 31 bzw, 33 bestimmt wird, und

d) für noch weiter von der Trägerfrequenz entfernte Frequenzen das Durchlassband durch den Widerstand 18 und den Kondensator 30 bzw, 32 bestimmt wird.

Für bestimmte SerVosysteme, wie sie z.B. in Linienschreibern Anwendung finden, wird auf diese Weise eine ideale Regelkennlinie erhalten.

Es sei noch bemerkt, dass für den Umschalter 22 statt eines mechanischen Schalters vorzugsweise ein Halbleiterschalter verwendet wird, der z.B. aus Feldeffekttransistoren besteht, die abwechselnd geschaltet werden.

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Ferner ist es möglich, in dem geschalteten Filternetzwerk und/oder in der nichtgeschalteten Gegenkopplungsleitung· ein oder mehrere nichtlineare Elemente, z.B. Zenerdioden, anzubringen, wodurch die Uebertragungsfunktion des Filters auch amplitudenabhängig gemacht wird.

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Claims

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PATENTANSPRUECHE;

1. Filter für ein amplitudenmoduliertes TrSferfrequenzmessystem zur Herabsetzung einer störenden Modulation auf der Trägerfrequenzamplitude, das einen Eingangskreis, dem das zu filternde Trägorsignal zugeführt werden kann, sowie Filternetzwerke und Schalter enthält, die synchron und mit der Trägerfrequenz in Phase schalten, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter einen Verstärker enthält, dessen erste und zweite Eingangski emrnen mit dem Eingangskreis verbunden sind und dessen Ausgangsklemmen den Ausgang des Filters bilden, während er erste und zweite parallelgeschaltete identisch© Gegenkopplungsschleifen enthält, die mit je einem Schalter in Reihe mit einem Filternetzwerk versehen sind, das mindestens ein Speicherelement enthält, wobei ein Schalter in Phase und der andere Schalter in Gegenphase schaltet.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Filter zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem Eingangskreis eine dritte Gegenkopplungsschleife angebracht ist, die aus einem Filternetzwerk mit einer Niederfrequenzdurchlasskennlinie besteht.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Eingangskreis und jeder Eingangsklemme des Verstärkers ein Eingangswiderstand angebracht ist; dass die erste und die zweite Gegenkopplungsschleife mit der ersten Eingangsklemme des Verstärkers verbunden sind, dass eine vierte Gegenkopplungsschleife zwischen dem Ausgang des Verstärkers und einer Eingangsklemme zur Einstellung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers angebracht ist,

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und dass das Speicherelement durch einen Reihenkondensator gebildet wird.

h, Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reihenkondensator das Filternetzwerk bildet, wodurch dieser mit dem Eingangswiderstand das Frequenzdurchlassband rund um die Trägerfrequenz bestimmt.

5. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Filternetzwerk ausser dem erwähnten Reihenkondensator eine Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators enthält, die zusammen mit dem erwähnten Eingangswiderstand das Frequenzdurchlassband rund um die Trägerfrequenz festlegt.

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