Schwingungsverhalten bei einem Aktiven Tiefpass

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van de graaff
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Schwingungsverhalten bei einem Aktiven Tiefpass

#1 Beitrag von van de graaff »

Hallo zusammen!
Ich bin momentan dabei einen Sallen- Key Tiefpass 4. Ordnung zu realisieren. Dabei habe ich zwei "Stufen" der 2. Ordnung hintereinander geschalten. Da die Verstärkung allerdings immer höher als 1 ist, habe ich Eingangsseitig bei beiden Stufen einen Spannungsteiler angeschlossen, um diese verstärkung zu kompensieren (Siehe Schaltung im Anhang). Da es ein Tschebyschef Tiefpass 4. Ordnung ist habe ich die Koeffizienten:
a1= 2,1853
a2= 0,1964
b1= 5,5339
b2= 1,2009
Dabei ist a1 und b1 für die erste Stufe und a2 und b2 dementsprechend für die zweite. Die Grenzfrequenz liegt bei 450Hz. Laut berechnungen ergeben sich somit Folgende werte für die Schaltungen.

Stufe 1:
IC1= OP97
C1= 47nF
R1=R2= 17,7k
R3_1=1k
R4_1=1k

Stufe 2:
IC2= OP97
C1= 10nF
R1=R2= 38,75k
R3_2= 1k
R4_2= 1,82k

Spannungsteiler (bei beiden Schaltungen):
Ro= 10k
Ru= 12,2k

Formelsammlung:
>>R1=R2=sqrt(b)/(2*pi*fg*C1) mit b = b1 oder b2 je nachdem welche Stufe

>>R3_1=1000
>>R4_1=2*R3_1-a1/sqrt(b1)*R3_1

>>R3_2=1000
>>R4_2=2*R3_2-a2/sqrt(b2)*R3_2


Mein Problem ist es, dass die Schaltung ab etwa 350Hz anfängt sehr stark zu schwingen :/ leider fällt mir keine logische erklärung dafür ein. Hat jemand eventuell Erfahrung mit dieser Problematik? Ich bedanke mich im voraus für Eure Rückmeldungen :D

PS.: Im Anhang ist ebenfalls eine Messung was eigentlich ein Bodediagramm darstellen soll :hammer:
Dateianhänge
Schaltung.png
Bodediagramm Messung.png

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Alexander470815
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Re: Schwingungsverhalten bei einem Aktiven Tiefpass

#2 Beitrag von Alexander470815 »

Einfach mal aufs blaue hinaus geraten, die Schaltungen arbeiten am Eingang nicht Rückwirkungsfrei.
Vielleicht versaut das einem das Ergebnis, also nochmal nach dem Spannungsteiler einen Spannungsfolger nachschalten.


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van de graaff
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Re: Schwingungsverhalten bei einem Aktiven Tiefpass

#3 Beitrag von van de graaff »

Vielen Dank! Ich habe die Stufen auch einzeln getestet und dafür gesorgt, dass es keine Rückwirkung geben sollte. Die erste Stufe funktioniert soweit ganz gut, leider schwingt die zweite Stufe ab etwa 550Hz. Dabei ist die Schaltung identisch aufgebaut (nur andere Werte der Bauteile siehe berechnete Ergebnisse) und wurde mehrfach kontrolliert. Ein Foto der Schaltung würde ich zwar senden, aber sie ist sehr unübersichtlich ^^'

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ferrum
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Re: Schwingungsverhalten bei einem Aktiven Tiefpass

#4 Beitrag von ferrum »

Was meinst du mit Schwingen? Der Bode Plott den du gesendet hast sieht eher so aus also ob du mit einem 10Bit Instrument versuchst bei sehr niedrigen Pegeln zu messen. Hast du vllt. eine Aufnahme mit dem Oszi von der Schwingung? Wenn tatsächlich etwas schwingt würde ich vermuten dass irgendwas auf den Eingang Rückwirkt.

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van de graaff
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Re: Schwingungsverhalten bei einem Aktiven Tiefpass

#5 Beitrag von van de graaff »

Leider besitze ich keinen Oszilloskop und messe deshalb mit dem ADALM2000 board von Analog Devices. Als Programm verwende ich Scopy. Ich werde die Schaltung erneut kontrollieren. Den spannungsfolger kann ich leider nicht dazu schalten, da ich eine vorgabe habe diese Schaltung genau so aufzubauen da es ein Schulprojekt ist, ansonsten wäre dies mein nächster schritt.

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ferrum
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Re: Schwingungsverhalten bei einem Aktiven Tiefpass

#6 Beitrag von ferrum »

OK miss mal nicht den Bode Plot sondern die Zeitdomäne schau ob da wirklich was schwingt und das nicht nur ein Messfehler ist. Wenn ich die DatenblätterDie eigentlich nur ein haufen Müll sind des ADALM2000 richtig interpretiere hat der für die ADCs nur je einen Messbereichsverstärker. Das bedeutet man ist relativ schnell an der Auflösungsgrenze angelangt weil die Spannung am ADC kleiner ist als eine Auflösungsstufe. Wenn man den Pegel nicht frequenzabhängig anpasst, kann man mit dem Instrument minimal bis -36dB durchlassdämpfung messen. Das "Schwingen" was du im Phasengang siehst ist nichts anderes als extremes Phasenrauschen weil die Phase für die Nullamplitude nicht Wohldefiniert ist, bzw. nahe null maximal unstetig ist. Du kannst mal Probieren den Messpegel des Signalgenerators zu erhöhen dann müsste es besser werden.

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Thunderbolt
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Re: Schwingungsverhalten bei einem Aktiven Tiefpass

#7 Beitrag von Thunderbolt »

ferrum hat geschrieben:
Mi 13. Jan 2021, 16:44
OK miss mal nicht den Bode Plot sondern die Zeitdomäne schau ob da wirklich was schwingt und das nicht nur ein Messfehler ist. Wenn ich die DatenblätterDie eigentlich nur ein haufen Müll sind des ADALM2000 richtig interpretiere hat der für die ADCs nur je einen Messbereichsverstärker. Das bedeutet man ist relativ schnell an der Auflösungsgrenze angelangt weil die Spannung am ADC kleiner ist als eine Auflösungsstufe. Wenn man den Pegel nicht frequenzabhängig anpasst, kann man mit dem Instrument minimal bis -36dB durchlassdämpfung messen. Das "Schwingen" was du im Phasengang siehst ist nichts anderes als extremes Phasenrauschen weil die Phase für die Nullamplitude nicht Wohldefiniert ist, bzw. nahe null maximal unstetig ist. Du kannst mal Probieren den Messpegel des Signalgenerators zu erhöhen dann müsste es besser werden.

lg ferrum
Alternativ könnte man, wenn die software das kann, mehrere getriggerte messungen mitteln, damit würde sich das rauschen dann mehr oder weniger aufheben. Durch die Triggerung ist die Phase des Nutzsignals aber immer konstant.
Sinnvoll wäre dabei auch, auf das Eingangssignal zu triggern, weil der Pegel da recht konstant ist.

Bei den Frequenzen könnte man evtl. auchnoch die soundkarte als Oszi benutzen (mit koppelkondensator und schutzdioden)

Aber die Tatsache, dass die messung ab 450 Hz mist ausspuckt weil das signal zu klein ist spricht ja eigentlich dafür, dass das Filter tut was es soll ;)


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van de graaff
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Re: Schwingungsverhalten bei einem Aktiven Tiefpass

#8 Beitrag von van de graaff »

Ich habe jetzt mal ein Signal von 416Hz auf die Schaltung gegeben und den Ausgang mit der Oszilloskopfunktion gemessen. Ich sehe, dass das Signal stark übersteuert ist und daher kommt wahrscheinlich auch das Rauschen her. Ich dachte es liegt vielleicht an den ausgewählten Widerständen des zweiten Spannungsteilers, jedoch ergab sich nach austauschen der Widerstände kein erfolgreiches Ergebnis. Der Graph der scheinbaren Sinusschwingung verschiebt sich nach links oder rechts wenn ich den Widerstand Ro_2 erhöhe bzw verringere.

Edit: Ich habe im invertierten eingang V- das Signal nachgemessen (siehe Bild 2) und sehe schon da das Übersteuerte Signal. Jetzt wäre meine Überlegung, dass R4_2 zu groß dimensioniert sein kann. Ich habe den Widerstand verringert und der verlauf sieht schon besser aus. Mein R4 ist somit nur zu testzwecken auf 1,6k gesetzt worden (Siehe Bild 1) wodurch allerdings meine Filterkoeffizienten verändert werden. Allerdings wird dabei das Eingangssignal zum Ausgangssignal der Stufe verglichen.
Dateianhänge
Eingang verglichen zum Ausgang der Filterstufe.jpeg
V- Eingang.jpeg
Oszi Messung.png

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