Hardware zur analogen Regelung – Filter UAF42 #1 : Kurze Vorstellung zu meiner Person und meiner Arbeit

Hallo liebe OpenAdaptroniker,

ich bin neu hier, deshalb möchte ich  meine Arbeit und mich in diesem ersten Blockbeitrag kurz vorstellen. Mein Name ist Issam Laghouali und studiere Elektro- und Informationstechnik an der Hochschule Darmstadt. Im Rahmen meiner Bachelorarbeit am Fraunhofer LBF beschäftige ich mich zur Zeit mit dem Universalen Aktiven Filter UAF42 von Texas Instruments.

 

Das UAF42-Filter soll zur Umsetzung einer Ausgangsrückführung für die aktive Schwingungsdämpfung überprüft werden. Dazu soll ein Schaltungsentwurf umgesetzt, im Rahmen einer Systemsimulation validiert und an einem einfachen Laboraufbau experimentell erprobt werden. Ziel der Untersuchung, ist eine Hardware-Komponente zu charakterisieren, die in beliebigen Anwendungen schnell und einfach zur analogen Regelung eingesetzt werden kann.

In diesem ersten Post wird es eher um die theoretischen Grundlagen des Filters gehen danach erfolgen wichtige Informationen zur Anwendung von dem UAF42-Filter.

Theoretische Grundlagen von den Filtern:

Das Filter ist elektronisch betrachtet eine Schaltung, die aus mindestens einem frequenzabhängigen Bauteil besteht, also die R, C und L-Bauteile enthält. Je nach Schaltungsaufbau werden bestimmte Frequenzen gezielt durchgelassen oder gesperrt bzw. gedämpft. Solange das Filter nur eine Schaltung ist, kann man mit den vorherigen genannten Bauteilen verschiedene Filter aufbauen, die für jede spezielle Anwendung geeignet sind.

Hier sollte man zunächst Filter in zwei Arten unterteilen, passive Filter und aktive Filter:

•  Passive Filter sind solche, die nur aus passiven Bauteilen bestehen, dazu gehören Kondensatoren, Widerstände, Spulen und andere passive Bauteile.
• Aktive Filter enthalten zu den Bauteilen von dem passiven Filter noch dazu meist einen Operationsverstärker (OPV) als aktive Komponenten.

Weiterhin unterscheidet man Filter nach verschiedenen Ordnungen, die Ordnungen bezeichnen dabei die Anzahl der frequenzabhängigen Bauteile (C,L), die in der Schaltung gebaut sind. Als letztes unterteilt man Filter ebenfalls in verschiedenen Charakteristiken, sogenannte Tiefpässe, Hochpässe, Bandpässe, Bandsperren und Allpässe.

• Tiefpässe lassen alle Frequenzen, die kleiner als die Eckfrequenz sind, durch und sperren höhere Frequenzen.
• Hochpässe machen das Gegenteil von Tiefpässen, also sperren sie die Frequenzen, die kleiner als die Eckfrequenz sind und lassen die höheren Frequenzen durch.
• Bandpässe sperren hohe und tiefe Frequenzen, allerdings lassen sie einen bestimmten Frequenzbereich durch.
• Bandsperren sind das Gegenstück zu den Bandpässen: Hohe und tiefe Frequenzen werden durchgelassen, ein bestimmter Frequenzbereich wird gesperrt.

Ein Teil dieser Arbeit ist das Tiefpass, Hochpass, und Bandpass-Verhalten von dem aktiven Filter (UAF42) zu verstehen und mittels Matlab und LTspaice zu simulieren, deshalb wird an dieser Stelle diese Filter-Charakteristiken (Tiefpass, Hochpass, Bandpass) kurz genauer erläutert. Die Filter-Charakteristiken haben anderen Namen im Bereich System- Regelungstechnik, und zwar je nachdem wie die Schaltungsgleichungen von den Pässe aussehen, kann man sie in sogenannten P, D, I, PT1 etc. Glieder unterordnen.

Das Universale Aktive UAF42-Filter

Definition:

Das UAF42 ist ein universelles aktives Filter, das von Texas Instruments hergestellt ist und für eine Vielzahl von Tiefpass-, Hochpass- und Bandpassfiltern konfiguriert werden kann. Es verwendet eine klassische Statusvariable analoge Architektur mit einem invertierenden Verstärker und zwei Integratoren. Die Integratoren umfassen chipintegrierte 1000pF-Kondensatoren, die auf 0,5% getrimmt sind. Diese Architektur löst eines der schwierigsten Probleme des aktiven Filters Design-erhaltende enge Toleranz, verlustarme Kondensatoren. Ein kompatibles Filter-Design-Programm ermöglicht die einfache Implementierung vieler Filtertypen wie Butterworth, Bessel und Chebyshev. Ein vierter, nicht festgeschriebener Operationsverstärker mit FET-Eingang (identisch mit den anderen drei) kann verwendet werden, um zusätzliche Stufen zu bilden, oder für spezielle Filter, wie etwa Bandrückweisung und Inverse Chebyshev.

Die klassische Topologie des UAF42 bildet ein zeitkontinuierliches Filter, frei von den Anomalien und Schaltrauschen in Verbindung mit Schaltkondensator Filtertypen.

Das UAF42 ist in 14-poligen Kunststoff DIP und SOIC-16 Oberflächenmontage-Pakete, spezifiziert für die -25 ° C bis + 85 ° C Temperaturbereich.

 

Information:

Das UAF42 ist eine Weiterentwicklung von dem beliebten UAF41, daher bietet dieses Gerät mehrere Verbesserungen an. Die Anstiegsgeschwindigkeit des UAF42s wurde auf 10 V/ms gegenüber 1,6 V/ms für den UAF41 erhöht. Q-Produkt des UAF42 wurde verbessert, und die nützliche Eigenfrequenz um einen Faktor von 4 bis 100 kHz erweitert. FET-Eingangsverstärker am UAF42 liefern einen sehr niedrigen Eingangsruhestrom. Der monolithische Aufbau des UAF42 bietet geringere Kosten und verbesserte Zuverlässigkeit.

Tiefpass-, Hochpass-, Bandpass- und Bandsperrfilter können entworfen werden, die die drei am häufigsten verwendeten Filtertypen: Butterworth, Chebyshev und Bessel bilden. Das grundlegende Bauelement der am häufigsten verwendeten Filtertypen ist das PT2-Glied. Dieses Glied bietet ein komplex-konjugiertes Paar von Polen. Die Eigenfrequenz, Wn und Q des Polpaars bestimmen die charakteristische Antwort des Gliedes.

Für mehr Informationen zu dem UAF42-Filter findet man in diesem Datenblatt von Texas Instruments

Bei dem nächsten Blockbeitrag werden folgende Punkten behandelt:

• Herleitung der Übertragungsfunktionen von Tief- , Hoch- , und Bandpass des UAF42-Flilters
• Auswertung der Übertragungsfunktionen mithilfe Matlab
• Simulation des UAF42-Filters mittels LTspice

 

Bis bald!

Issam