Filtereinheit
Beschreibung
Das vorliegende Lehrmittel Filtereinheit des Trainingssystems ACCESS besteht als Kombimodul aus zwei unabhängig voneinander arbeitenden Schaltungen, die für den Einsatz im Bereich der Messtechnik, Regelungstechnik, Nachrichtentechnik und Übertragungstechnik konzipiert sind, nämlich den Tiefpass (Tiefpass-Filter) und den Hochpass (Hochpass-Filter).
Abb.1: Filtereinheit Best.-Nr. 490-00041
Die allgemein verwendeten Symbole der beiden Filter zeigt Abb.2:
Abb.2: Lehrmittel Filtereinheit als Kombimodul
Die symbolische Darstellung hängt vom Einsatzgebiet der Filter ab. In den angesprochenen Anwendungsgebieten sind die beiden alternativen Symbole für den elektronischen Tief- und Hochpass recht gängig.
Ganz allgemein kann man sagen, dass ein elektronisches Filter elektrische Signale (hier Spannungssignale) verändert.
Die Art der Änderung gibt dem Filter schließlich seinen Namen. So können z.B. Signalanteile, die die weitere Verarbeitung stören, abgeschwächt werden. Filter im klassischen Sinne, wie Tief- oder Hochpass, verändern den Frequenzgang, d.h. das frequenzabhängige Übertragungsverhalten. Sie werden auch Siebschaltungen genannt. Schaltungen und Verfahren, die komplexere Eigenschaften wie Phasenlage, Impedanz und Rauschanteile verändern, werden auch unter dem Begriff Filter zusammengefasst.
Das ACCESS-Trainingssystem Filtereinheit arbeitet mit zwei analogen Frequenzfiltern. Das sind Schaltungen mit frequenzabhängigem Übertragungsverhalten, die bestimmte Frequenzbereiche des Eingangssignals unterdrücken (Sperrbereich) und/oder andere Bereiche bevorzugt übertragen (Durchlassbereich). Die Funktionsweise eines der Filter kann durch die Übertragungsfunktion beschrieben werden. Diese bestimmt das Selektionsverhalten, d.h., wie das Eingangssignal in der Amplitude und in der Phase verändert wird.
Das Trainingssystem Filtereinheit besteht aus zwei separaten Modulen (Modul 1: Tiefpassfilter und Modul 2: Hochpassfilter), deren Kombination die Filtereigenschaft bestimmt. Beide Module können unabhängig voneinander betrieben werden.
Die hier vorliegende Filtereinheit mit ihren beiden unabhängigen Modulen ist in der Lage, die vier gängigen Filterfunktionen ersten Grades zu realisieren. Es sind dies:
- Tiefpass
- Hochpass
- Bandpass
- Bandsperre
Tiefpass
Abb.3: Tiefpass, Symbole (links) und Amplitudengang (rechts)
Ein Tiefpassfilter lässt alle Frequenzen bis zu einer Grenzfrequenz fo praktisch ohne Abschwächung
(Verstärkung = 1) passieren, alle höheren Frequenzen werden abgeschwächt.
Der Nutzfrequenzbereich fNutz liegt unterhalb der oberen Grenzfrequenz fo.
fNutz ‹ fo
Anwendung findet dieser „Tiefpass“ z.B. als Anti-Aliasing-Filter oder zur Rauschunterdrückung.
Hochpass
Abb.4: Hochpass, Symbole (links) und Amplitudengang (rechts)
Ein Hochpassfilter schwächt die Frequenzen bis zu der unteren Grenzfrequenz fu, während alle höheren Frequenzen oberhalb von fu durchgelassen werden.
Der Nutzfrequenzbereich fNutz liegt oberhalb der unteren Grenzfrequenz fu.
fNutz › fu
Mit einem „Hochpass“ lassen sich u.a. Gleichspannungsanteile (DC-Anteile) oder langsames Driften im Signal unterdrücken. Ein Oszilloskop verwendet z.B. bei der AC/DC-Umschaltung eines Eingangskanals ein solches integriertes Hochpassfilter.
Bandpass
Abb.5: Bandpass, Kombinationsbeispiel der Module, Symbole und Amplitudengang
Ein Bandpassfilter schwächt alle Frequenzen außerhalb eines Frequenzintervalls ab, das durch zwei Grenzfrequenzen, der unteren Grenzfrequenz fu und der oberen Grenzfrequenz fo, festgelegt ist.
Der Nutzfrequenzbereich fNutz liegt oberhalb der unteren Grenzfrequenz fu des Hochpasses (HP) und unterhalb der oberen Grenzfrequenz fo des Tiefpasses (TP):
fu(HP)‹ fNutz‹fo(TP)
Amplituden- oder frequenzmodulierte Signale tragen z.B. den Hauptanteil ihrer Information in einem begrenzten Frequenzband. Ein Bandpass lässt diesen Anteil aus Frequenzgemischen passieren und sperrt die Anteile unterhalb und oberhalb der Grenzfrequenzen.
Bandsperre
Abb.6: Bandsperre, Kombinationsbeispiel der Module, Symbole und Amplitudengang
Eine Bandsperre stellt die Umkehrung des Bandpassfilters dar. Nur Frequenzen innerhalb eines Frequenzintervalls, das durch die Grenzfrequenzen fu und fo festgelegt ist, werden abgeschwächt (gesperrt).
Der Nutzfrequenzbereich fNutz ist zweigeteilt (fNutz1 und fNutz2). Er liegt unterhalb der oberen Grenzfrequenz f0 (des Tiefpasses TP) und oberhalb der unteren Grenzfrequenz fu (des Hochpasses HP):
fNutz1 ‹ fo(TP) ‹ fu(HP) ‹ fNutz2
Anwendung findet die Bandsperre, wenn Störungen fester (bekannter) Frequenz, wie die Störungen der Netzfrequenz (50Hz) oder die Einstrahlung von bekannten Störquellen aus dem gesamten Nutzsignalspektrum entfernt, d.h. gesperrt werden soll.
Filter im Regelkreis
Häufig schleichen sich in einem Schaltungsaufbau störende Frequenzen ein, die außerhalb des für den Betrieb der Schaltung notwendigen Frequenzspektrums liegen. Ursachen für das Entstehen solcher Störgrößen sind mannigfaltig und zum Teil sogar systembedingt. Diese Phänomene kennt man auch in der Regelungstechnik.
Die Filtereinheit ist Bestandteil des Regelkreises gem. Abb.7 und Abb.8.
Abb.7: Position der Filtereinheit im Regelkreis
Abb.8: Filtereinheit im Regelkreis
So sind gerade rückgekoppelte Systeme, zu denen die Regelkreise (Abb.7 und Abb.8) naturgemäß gehören, besonders anfällig in Punkto aufschwingende Störgrößen. Diese sind dann im gesamten Signalweg enthalten und stören den Regelmechanismus. Aber auch die Sensorik (Messwerterfassung) und die Regelstrecke selbst erzeugen u.U. Störsignale, die es zu filtern und damit zu unterdrücken gilt.
Abhilfe kann hier geschaffen werden, indem man in den Signalweg, in dem die Störfrequenzen auftauchen (in Abb.7 ist die Rückkopplung angenommen), eine Filtereinheit einbaut.
Die Aufgabe des Trainingssystems Filtereinheit als Regelkreiskomponente besteht darin, alle Frequenzen in einem ausgesuchten Frequenzbereich aus dem Nutzsignal herauszufiltern. Alle übrigen Frequenzen passieren die Filtereinheit ohne Beeinflussung.
Durch die im zuvor beschriebenen verschiedenen Filterfunktionen lassen sich zahlreiche Experimente in der Mess- und Regeltechnik realisieren.
Datenblatt
Lieferumfang
Die Lieferung erfolgt als fertig aufgebaute und getestete Baugruppe (Fertigmodul). Zubehör ist optional und muss extra bestellt werden. Dieses Zubehör gehört auch nicht zum Lieferumfang.
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