Ontwerpen van een 4e order laagdoorfilter met besselresponse.

(HBO)
Voor een vak moet ik iets digitaal en analoog maken wat de zelfde resultaten geeft.

Ik heb de volgende specificaties gekregen voor een 4e orde lowpass(laagdoorlaat) filter met een bessel response.

- passband vanaf 100Hz

- kantelpunt 700Hz; respons in passband tot en met het kantelpunt tussen -4dB +/-1dB
range(-3dB -4dB -5dB)

- respons op 7kHz -80dB +/- 10dB
range(-70dB -80dB -90dB)

- 4e orde;

- bessel respons;

- ingangspanning 5 V +/- 10%

Ik heb gekeken naar:
http://www.analog.com/designtools/en/filterwizard/

De website gaf met mijn specs een circuit, die ik heb opgebouwd in het programma LT spice en met de gegevens specs niet uit op 700hz -4dB.

Met specificaties van 700hz haal ik de 4dB/+1dB niet:
https://ibb.co/mXMUYb (foto is zien te bij de tweede comment!)

met niet gegevens specs van 600hz haal ik wel de -4dB:
https://ibb.co/n96eYb (foto is zien te bij de tweede comment!)

7kHz -80dB +/- 10dB behaal ik wel:
https://ibb.co/hYgSmw (foto is zien te bij de tweede comment!)

Als ik dit hebt gemaakt moet ik ook nog beginnen met het digitale deel en dan moet ik programmeren waar ik ook niet goed in ben.
Ik moet het programmeren met een STM32F4 arm processor of XMEGA.

De stm32f4 wordt geprogrammeerd in COIDE - COOCOX.
of de ATxmega256a3u in Atmel.

Ik ben echt op zoek naar informaties of mensen die mij zouden kunnen helpen want ik loop hartstikke vast want het is mijn laatste vak voor mijn afstuderen.

Zit het probleem in de opamp eigenschappen of treedt het ook al op bij ideale opamps? De eerste link levert het schema en de componentwaarden van een 4de orde Bessel filter. Als ik dat nareken kom ik bij 700 Hz op -3.98 dB en bij 7 kHz op -70.1 dB.
(Ik durf niet te kijken op ibb.co)

Op 28 januari 2018 22:45:19 schreef aobp11:
Zit het probleem in de opamp eigenschappen of treedt het ook al op bij ideale opamps? De eerste link levert het schema en de componentwaarden van een 4de orde Bessel filter. Als ik dat nareken kom ik bij 700 Hz op -3.98 dB en bij 7 kHz op -70.1 dB.
(Ik durf niet te kijken op ibb.co)

-hmm misschien zit het in de eigenschappen, welke type had je gekozen?
-Had je bij "type" bovenin op "lowpass" aangeklikt?,
-Bij "specifications" had je de "filter response" ook naar bessel ingesteld(helemaal naar rechts geswiped? Of stond er nog 4e order butherworth(in het midden)?
-Hoe heb je het naberekend?
-ibb.co zijn foto's van de LTspice gegevens, het lukte mij niet om fotos up te loaden. De links zijn betrouwbaar want er staat linksboven veilig met een groene slot. Je kan de foto's onderin hier zien.

Heb je voor het digitale deel al een blokschema bedacht ?

Op 29 januari 2018 05:16:19 schreef kohen:
Heb je voor het digitale deel al een blokschema bedacht ?

Kohen,

Ik heb die nog niet bedacht.

Ik kom op onderstaand schema uit, Low-pass, -4 dB bij 700 Hz, -70 dB bij 7000 Hz, slider rechts. Nagerekend in stokoud Derive programma.

Frederick E. Terman

Honourable Member

Met 'vierde orde Bessel' ligt het verloop van de doorlaat eigenlijk al vast.
Door het kiezen van bijv. een bepaalde kantelfrequentie ligt de demping op 700 Hz vast, maar ook die op 7 kHz.
Nu zal blijken dat je echt aan de grenzen van de opgegeven tolerantie zult moeten gaan zitten. @aobp11 geeft al een voorbeeld.

Hier is het verband tussen de dempingen bij 700 en 7000 Hz voor verschillende ontwerpfrequenties voor ideale 4th order Bessel:

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Op 29 januari 2018 11:03:51 schreef aobp11:
Ik kom op onderstaand schema uit, Low-pass, -4 dB bij 700 Hz, -70 dB bij 7000 Hz, slider rechts. Nagerekend in stokoud Derive programma.
[bijlage]
[bijlage]

Ik heb de schema opgebouwd in LTspice die jij mij hebt gegeven.
ik haal die -4dB +/-1dB maar niet op 700hz, ik wil het liefst tussen de -4dB en -5dB zitten want als je de schakeling opbouwt heb je altijd kleine afwijkingen.
bij de 7kHz haal ik de -80dB +/-10dB wel.

[Bericht gewijzigd door MT92 op maandag 29 januari 2018 12:30:01 (13%)

Frederick E. Terman

Honourable Member

ik wil het liefst tussen de -4dB en -5dB zitten

In je startpost moest je tussen −4 dB en +1 dB zitten.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Op 29 januari 2018 12:51:25 schreef Frederick E. Terman:
[...]In je startpost moest je tussen −4 dB en +1 dB zitten.

excuses, ik heb een +/- 1dB speling bij -4dB, mijn range is (-3db -4dB -5dB)

Frederick E. Terman

Honourable Member

Ah, dat klinkt ook iets logischer, vergeleken met de andere specs. En er is iets gemakkelijker aan alles te voldoen door inderdaad 'stiekem wat naar 5 dB op te schuiven'.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Op 29 januari 2018 12:58:30 schreef Frederick E. Terman:
Ah, dat klinkt ook iets logischer, vergeleken met de andere specs. En er is iets gemakkelijker aan alles te voldoen door inderdaad 'stiekem wat naar 5 dB op te schuiven'.

Ja precies bij de 7kHz zit ik ook rond de -71dB en dat valt ook binnen de specs.

Ik heb hier weinig verstand van. Ik weet dat ik "bessel" wel eens vroeger gehoord heb en ik weet waar ik zou moeten zoeken als ik het weer moet weten, maar ik weet er nu weinig van.

Wat ik uit bovenstaande proef is dat je bij een normaal eerste-orde filter een -3dB punt hebt wat OP het kantelpunt zit. Ga je naar hogere ordes, dan zal de verzwakking op het kantelpunt altijd wat meer worden. Voor een vierde orde, maar 1 of max 2 dB er bij lijkt me nogal weinig. Misschien moet je het kantelpunt dus op 710 Hz mikken, zodat de verzwakking bij 700Hz dus nog binnen de grenzen blijft.

Een vierde orde filter, zou dat niet -80dB moeten krijgen bij 10x de kantelfrequentie? Als je daar met -70dB MAG komen, dan is er waarschijnlijk marge om je kantelfrequentie inderdaad iets hoger te kiezen.

Een filter heeft (dicht) onder z'n kantelpunt wel eens een piekje. Wat ik eerst gelezen had was dat dit soort pieken perse onder de +1 dB moesten blijven. Nu staat er -4 +/- 1 dB bij het kantelpunt. Of dat veranderd is weet ik niet.

[Bericht gewijzigd door rew op maandag 29 januari 2018 13:09:19 (13%)

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Ik heb de schakeling maar gewoon opgebouwd aan de hand van deze schakeling die ik heb gemaakt op http://www.analog.com/designtools/en/filterwizard/ + 10x een versterking aan het einde om de -80dB punt te zien:

vele weerstanden waardes heb ik hier niet ter beschikking dus ik heb weerstanden gebruikt die dicht in de buurt zitten of sommige weerstanden in serie gezet.

Zonder versterking:
voor de 700Hz heb ik de -4.5dB behaald wat binnen de specs valt.

Uin=5V
Vpp= op de oscilliscoop af te lezen.
20log(Vpp/Uin) = dB

Met versterking:
voor de 7kHz heb ik nog een versterking gemaakt van 10x en daar zit ik echt mooi rond de ~ -80db

Ik heb dit getest op een breadbord, ik ga het nu solderen op een printplaat en dan laat ik het weer weten aan jullie :)

Als je de piek-piek spanning gebruikt moet je dat aan de ingang ook doen. Ik zou daarom het ingangssignaal ook gewoon op de scoop zetten zodat je zowel ingang als uitgangssignaal op dezelfde manier meet en uitleest. (Ik ben wederom niet goed in dit soort dingen, dsu het kan best zijn dat je het goed gedaan hebt hoor....)

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Op 29 januari 2018 15:56:45 schreef rew:
Als je de piek-piek spanning gebruikt moet je dat aan de ingang ook doen. Ik zou daarom het ingangssignaal ook gewoon op de scoop zetten zodat je zowel ingang als uitgangssignaal op dezelfde manier meet en uitleest. (Ik ben wederom niet goed in dit soort dingen, dsu het kan best zijn dat je het goed gedaan hebt hoor....)

Goeie tip! Ik ga dat de volgende keer instellen.

Als je vijf volt aan de ingang hebt ingesteld, dan is dat waarschijnlijk 5V RMS. (Omdat het een schoolvraag topic is...) hoeveel (dB) scheelt dat met een 5V PP signaal?

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

@rew: lijkt me niet. Het tweede scoopbeeld met 7 kHz laat 50 mV pp zien. Met 80 dB verzwakking, 40 dB extra versterking en 5 V pp in klopt dat precies.
Bij 700 Hz snap ik het niet helemaal. Scoop toont 3.04 V pp. Zou geven 20 log(3.04/5) = -4.32, herken ik niet ergens.

Op 29 januari 2018 19:35:28 schreef aobp11:
@rew: lijkt me niet. Het tweede scoopbeeld met 7 kHz laat 50 mV pp zien. Met 80 dB verzwakking, 40 dB extra versterking en 5 V pp in klopt dat precies.
Bij 700 Hz snap ik het niet helemaal. Scoop toont 3.04 V pp. Zou geven 20 log(3.04/5) = -4.32, herken ik niet ergens.

Op dat moment schommelde hij rond de 2,96 maar met 3,04 valt het nog steeds binnen de specs :)!

Even nog een losse opmerking hierover....

Ik vind dat de opdracht moet zijn: max -70dB bij 7kHz, ongeveer 0dB tussen 100 en 700Hz. Die 700 mag je van mij ook als "690" of "650"opgeven, zodat je het kantelpunt met ongeveer -4dB op het kantelpunt niet direct in de opgave hoeft te noemen.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/