DE2222795B2

DE2222795B2 - Filter für ein amplitudenmoduliertes Trägerfrequenzmeßsystem

Info

Publication number: DE2222795B2
Application number: DE2222795A
Authority: DE
Inventors: Berend Theodorus Jan Bruinshorst; Theodorus Jozef Van Kessel
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-05-13
Filing date: 1972-05-10
Publication date: 1980-03-06
Also published as: JPS5443860B1; AU461398B2; IT955434B; NL7106554A; US3781697A; FR2139403A5; DE2222795A1; DE2222795C3; AU4200472A; GB1392541A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Filter für ein amplitudenmoduliertes Trägerfrequenzmeßsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentansprüche;» 1. Derarti

ge Filter sind bekannt, wie z. B. aus der FR-PS13 99 422.

Zum Messen physikalischer Größen werden im

allgemeinen Meßaufnehmer verwendet, die die Größe in ein elektrisches Signal umwandeln. Dieses elektrische

Signal kann verschiedene Störantefle enthalten, die die Messung ungenau machen.

Bei Aufnehmern, die mit Gleichspannung arbeiten und nur geringe Spannungen oder Ströme abgeben, ist der Einfluß von Thermospannungen und des Drittes w derselben bei Änderung derTemperatur groß.

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

Anwendungsbereiche für diese Trägerfrequenzmeßsysteme sind z. B. das elektronische Wägen, wobei eine mit Dehnungsstreifen bestückte Meßbrücke mit Wech- selspannung von z. B. 50 Hz gespeist wird, und Servosysteme, die z. B. mit einer Trägerfrequenz von 50 Hz oder 400 Hz arbeiten.

Für diese praktischen Anwendungen ist es oft erwünscht, daß der Gesamtmeß- oder -Regelkreis eine genau definierte Bandbreite aufweist, so daß ζ. Β. schnelle Änderungen der Trägeramplitude nicht und bestimmte langsame Änderungen wohl weitergeleitet werden.

So soll ein Servosystem eine feste Frequenzkennlinie S5 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 Gewicht der Belastung ■tu gemessen wird, zu entfernen. Diese Amplitudenmodulationen werden durch Schwankungen der Belastung auf der Wägeplattform herbeigeführt.

Eine Lösung dieser Bandbreiteeinstellung besteht in

der Anordnung von Bandfiltern in dem Meßkreis. Dies

4^ri hat den Nachteil, daß keine Beziehung zwischen der Trägerfrequenz und der Durchlaßfrequenz des Filters

besteht, so daß Änderungen dieser Frequenzen unmittelbar das Meßergebnis beeinflussen. Auch ist die Bauart dieser Filter verhältnismäßig umfangreich bei

ίο 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 γ-, 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 Gleichstrom verschiebungen, die Wi Nullpunktverschiebungen herbeiführen, Drift und Leckeffekte von Schaltern und Kondensatoren berücksichtigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die o. g. Nachteile erheblich zu verringern. Dies geschieht durch hi die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, daß

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 Filtern 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 Verstärkern in dem Regelkreis veranlassen. Ein Kopplungskondensator 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 zwischen dem Ausgang des Verstärkers ind dem Eingangskreis eine dritte Gegenkopplungssch jife angebracht ist, die aus einem Niederfrequenzdurchlaßfilternetzwerk besteht. Dadurch ist es möglich, unter Beibehaltung der Filtereigenschaften 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 werden anhand der Zeichnung erläutert und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein bekanntes Demodulator-Modulator-System,

F i g. 2 ein Filter für ein Trägerfrequenzmeßsystem,

Fig. 3 eine Ausführungsform mit Gleichspannungsgegenkopplung und

F i g. 4 eine andere Ausführungsform mit Gleichspannungsgegenkopplung.

In Fig. 1 ist eine bekannte Demodulator-Modulator-Filterschaltung 1 dargestellt, die einen Teil eines Trägerfrequenzmeßsystems 2 bildet, das von einer Quelle 3 mit einer Wechselspannung oder einem Wechselstrom mit einer Frequenz fd gespeist wird. Die physikalische Größe P, die gemessen werden muß, wird symbolisch der Klemme 4 des Meßsystems 2 zugeführt, wodurch sie in eine elektrische Größe umgewandelt wird, die eine Spannung oder ein Strom mit einer Frequenz U der Speisequelle ist. Die Amplitude der elektrischen Größe ist ein Maß für den Wert der physikalischen Größe. Um diese Amplitude zu filtern, ist das Filter 1 an die Klemmen 5 und 6 des Meßsystems 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, der die den Klemmen 5 und 6 zugeführte Information in die Niederfrequenzinformation umwandelt, die der Trägerwelle aufmoduliert war. Diese Niederfrequenzinformastand 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.

F i g. 2 zeigt ein Beispiel eines Filters, bei dem gemäß F i g. 1 die zu filternde Trägerfrequenzinformation den Klemmen 5 und 6 zugeführt wird und die gefilterte

ίο Information an den Klemmen 7 und 8 zur Verfügung steht

Der Verstärker 11, der in diesem Beispiel ein Operationsverstärker ist, ist mit seinen beiden Eingangsklemmen 12 und 13 über Widerstände 18 und 19

i) 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 bildet zusammen mit den Kondensatoren 20 und 21 und dem Verstärker 11 mit Gegenkopplungswiderständen 15,16, 17 das Filternetzwerk.

Der Verstärkungsfaktor A₀ der Verstärkerschaltung wird durch die zwischen der Ausgangsklemme 14 des Verstärkers und der Erdleitung der Schaltung angebrachten Widerstände 15 und 16 und durch die Widerstände 17 und 18 bestimmt. Zwischen der Klemme 12 und der Ausgangsklemme 14 sind ein Umschalter 22 und Kondensatoren 20 und 21 angeordnet. Der Umschalter 22 schaltet mit der Frequenz und der Phase

κι 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

Γ; Filterwirkung für den positiven Teil der Trägerwellenperiode durch die Teile 18, 20 und 11 mit den Teilen 15, 16 und 17 und für 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

4(i Speicherelement zum Festlegen des Spannungszustandes der vorangehenden Einschaltung für die auffolgende Einschaltung. Es wurde bereits angenommen, daß der Verstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung 11 mit den Teilen 15, 16,17 und 18 gleich A₀ ist. Die Frequenzkenn-

4) linie der Übertragungsfunktion des Gesamtfilters für Frequenzen, die viel niedriger als die Schaltfrequenz des Umschalters sind, kann für sinusförmige Signale durch Formel 1:

/;-^₀R₁₈C,

angegeben werden, wobei

V_cin = Eingangsspannung zwischen Klemmen 5 und 6,

V₁₁₁₁₁ = Ausgangsspannung zwischen Klemmen 7 und 8,

f, = Frequenz der Eingangsspannung,

R_ls = Widerstandswert des Widerstandes 18,

C, = Kapazitätswert der Kondensatoren 20 und 21.

Diese Filterkennlinie ist auch linKs und rechts von der Trä_berfrequenz vorhanden und bildet also ein Durchlaßband für Frequenzen rund die Trägerfrequenz.
ι,-, Es leuchtet ein, daß infolge der Speicherfunktion der Kondensatoren 20 und 21 die Spannung an den Kondensatoren, falls die Eingangsspannung einen

iiuli 'äSSicii cii'i riiicf. uaS uüi'Li'i einen i\ciilcnwiucrvCiSt, ciPiC ι ι GQüCP

der Schaltfrequenz hat und mit dem Schaltsignal in Phase ist, sich auf einen Wert, der dem Mittelwert über die Halbperiode eines sinusförmigen Signals proportional ist, also auf 2Ιπ, einstellen wird. Die Übertragungsfunktion des Filters beträgt dann:

■-J77 = -A₀.

'ein -'

Eingangsspannung V_c,„ den Spitzenwert der zugeführten Sinusspannung darstellt.

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

Ki„ = Κ-.·»-.ν_Ρ«.-.·(Ι + '" cos 2 .-,/,„() sin 2.-τ/,f (3)

Dabei ist nun die Ausgangsspannung V_;„„ eine io dargestellt werden.

Blockspannung mit dem angegebenen Spitzenwert für Entsprechend den Gleichungen (1) und (2) beträgt die

die positiven und negativen Teile, während die Übertragungsfunktion:

' A_n\\
■f L cos2-.,'„,,'"!.

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

F i g. 3 zeigt ein Filter, das im Vergleich zu dem Filter nach F i g. 2 durch Anwendung einer zusätzlichen Gegenkopplung noch zwei Vorteile aufweist. Zu diesem Zweck wird das ganze Filter nach F i g. 2 gegengekoppelt. Wie bereits erwähnt wurde, werden Gleichspannungen und Wechselspannungen niedriger Frequenzen, die den Klemmen 5 und 6 zugeführt werden, in F i g. 2 an den Ausgangsklemmen 7 und 8 nach der Gleichung (1) in verstärkter Form auftreten. Die Gleichspannung wird also um An verstärkt. Auch werden die an den als Bezugspunkten dienenden Eingangsklemmen 12 und 13 auftretenden Verschiebungs- und Driftspannungen des, Verstärkers 11 um An 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 Meßsignals kann dies störend sein. Auch is; es möglich, daß der Verstärker 11

diese Storgleichspannungen übersteuert wird und infolgedessen das Meßergebnis beeinflußt.

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 F i g. 3 zwischen der Eingangsklemme 5 und dem Widerstand 18 ein Widerstand 24 angeordnet, während ein Gegenkopplungsstrom für die Eingangsklemme 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 Kondenstors 29 angeordnet. Die Anbringung einer derartigen Gegenkopplung beeinflußt das Verhalten des Filters rund um die Trägerfrequenz nicht

Fig.4 zeigt eine andere günstige Ausführungsform nach dem Prinzip der F i g. 3.

2(i Das Gegenkopplungsnetzwerk ist aus den Widerständen 24, 25 und 26 und dem Kondensator 27 aufgebaut während die Parallelschaltung des Widerstandes 28 und des Kondensators 29 der F i g. 3 nun in dem Filternetzwerk der beiden geschalteten Gegenkopplungsschleifen

2j der Verstärkerschaltung angeordnet ist. Zu diesem Zweck ist in Reihe mit dem Reihenkondensator 20 die Parallelschaltung eines Widerstandes 31 und eines Kondensators 30 und in Reihe mit dem Kondensator 21 die Parallelschaltung des Widerstandes 33 und des

«ι Kondensators 32 angeordnet. Dies hat zur Folge, daß das Durchlaßband und die Trägerfrequenz auch beeinflußt wird.

Die Werte der einzelnen Teile im Filter nach Fig.4 können derart gewählt werden, daß:

^u a) eine sehr starke Gegenkopplung für den Niederfre quenzbereich erhalten wird, die durch die Wider stände 24, 25 und 26 und den Kondensator 2) bestimmt wird,

b) in einem schmalen Band rund die Trägerfrequenz ■'" eine große Verstärkung des Filters auftritt, die

durch den Verstärkungsfaktor Aa und den Wider stand 18 und den Kondensator 20 bzw. 21 bestimm wird,

c) eine kleinere Verstärkung für einen darauffolgen "■' den Frequenzbereich erhalten wird, die durch di( Widerstände 18 und 31 bzw. 33 bestimmt wird, und

d) für noch weiter von der Trägerfrequenz entfernte Frequenzen das Durchlaßband durch den Wider stand 18 und den Kondensator 30 bzw. 32 bestimm wird.

Für bestimmte Servosysteme, wie sie z. B. ii Linienschreibern Anwendung finden, wird auf diesi Weise eine ideale Regelkennlinie erhalten.

Es sei noch bemerkt, daß für den Umschalter 22 stat eines mechanischen Schalters vorzugsweise ein Halb leiterschalter verwendet wird, der z. B. aus Feldeffekt transistoren besteht, die abwechselnd geschaltet wer den.

Ferner ist es möglich, in dem geschalteten Filternetz werk und/oder in der nichtgeschalteten Gegenkopp lungsleitung ein oder mehrere nichtlineare Elemente z. B. Zenerdioden, anzubringen, wodurch die Übertra gungsfunktion des Filters auch amplitudenabhängi] gemacht wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Filter für

a) ein amplitudenmoduliertes Trägerfrequenzmeßsystem

b) zur Herabsetzung einer -störenden Modulation auf der Trägerfrequenzampfitude,

c) das einen Eingangskreis, dem das zu filternde Trägersignal zugeführt wird, sowie Filtemetzwerke und Schalter enthält, die synchron und mit der Trägerfrequenz in Phase schalten,

gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

d) das filter (1) enthält einen Verstärker (11), dessen erste (12) und zweite (13) Eingangsidemmen mit dem Eingangskreis (5, 6) verbunden sind und dessen Ausgangsklemmen (14) den Ausgang (7,8) des Riters bilden;

e) der Verstärker enthält erste und zweite parallelgeschaltete identische Gegenkopplungsschleifen, die mit je einem Schalter (22) in Reihe mit einem Fihernetzwerk versehen sind, das mindestens ein Speicherelement (20, 21) enthält;

f) ein Schalter (22) schaltet in Phase und der andere Schalter schaltet in Gegenphase.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Filter (1) zwischen dem Ausgang (14) des Verstärkers (11) und dem Eingangskreis (5, 6) eine dritte Gegenkopplungsschleife angebracht ist, die aus einem Filternetzwerk (24, 25, 26, 27) mit einer Niederfrequenzdurchlaßkennlinie besteht.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

a) zwischen dem Eingangskreis (5, 6) und jeder Eingangsklemme (12, 13) des Verstärkers (U) ist ein Eingangswiderstand (18, 19) angeschlossen;

b) die erste und die zweite Gegenkopplungsschleife sind mit der ersten Eingangsklemme (12) des Verstärkers (11) verbunden;

c) eine vierte Gegenkopplungsschleife (15, 16, 17, 18) verbindet den Ausgang (14) des Verstärkers (11) und eine Eingangsklemme (12) zur Einstellung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers;

d) das Speicherelement ist durch einen Reihenkondensator (20,21) gebildet.

4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenkondensator (20, 21) als frequenzbestimmendes Filterelement das Filternetzwerk bildet, wodurch dieser mit dem Eingangswiderstand (18, 19) das Frequenzdurchlaßband um die Trägerfrequenz bestimmt.

5. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filternetzwerk außer dem erwähnten Reihenkondensator (20, 21) eine Parallelschaltung eines Widerstandes (31,33) und eines Kondensators (30, 32) enthält, die zusammen mit dem erwähnten Eingangswiderstand (18,19) das Frequenzdurchlaßband um die Trägerfrequenz festlegt.