Filterung und Glättung einer Rechteckspannung

[NeroII]

Hallo,

es geht um folgendes. Ich habe eine Eingansspannung, sie besteht aus
einer nahezu konstanten aber langfristig (ca. 10s) veränderbaren
Gleichspannungskomponente und einer daraufmodulierten Wechselspannung
(Anhang), deren Amplitude sich mittelfristig (0,5s) ändert.

Das ganze kommt in einem Roboterfußballspiel vor, die Spannungen
entstehen an einem festen Widerstand, der in Reihe zu einem
Phototransistor geschaltet ist. Die Gleichspannung entsteht durch das
Tageslicht, die Wechselspannung wird vom Ball ausgesendet. Die Höhe der
Amplitude der Wechselspannung sagt demnach aus wie weit der Ball weg
ist.

Das Ziel ist es, eine mittelfristig (0,1s) nahezu konstante analoge
Spannung im Bereich 0-5V zu generieren, abhängig von der Höhe der
Amplitude des Wechselspannungsanteils, die von einem
Mikrocontrollerboard ausgelesen werden kann.

Meine Idee war, den Gleichspannungsanteil mit einem RCD-Hochpass zu
eliminieren. Da die Wechselspannungsfrequenz 40kHZ beträgt, sollte das
eine schöne Dämpfung für nahezu 0Hz ergeben. Das Problem ist, dass die
Diode, wenn eine Germaniumdiode verwendet wird, nur Spannung über 200mV
durchlässt, ein negativer Anteil also verbleibt, ein negativer Anteil
muss jedoch verhindert werden. Das ist das erste Problem. Eine mögliche
Lösung ist es, 200mV mit einem OPV zu addieren, oder geht das
geschickter?

Nun müsste diese Spannung geglättet werden, ich möchte ja eine
mittelfristig (0,1s) nahezu konstante Spannung. Meine Idee ist es, den
Kondensator mit einer sehr geringen Zeitkonstante aufzuladen (20µs) und
dann mit einer langen Zeitkonstante zu entladen (100ms). Dadurch
verbleibt der Kondensator immer auf der Höhe der Spitzen und fällt in
den 500µs-Pausen nur um weniger als 1% ab. Meines Erachtens müsste man
aber die Glättungsschaltung von der Filterschaltung entkoppeln, erstens
damit die Glättung die Filterung nicht beeinflusst und zweitens da die
Filterschaltung eventuell die hohen Ladeströme nicht liefern kann, die
aus der kurzen Ladezeitkonstante resultiert.

Wie kann man das geschickt entkoppeln? Mit einem Impedanzwandler, oder
funktioniert das nicht wegen der Dämpfung der hohen Frequenzen?

Das ganze sollte dann 13 Mal auf eine Platine, die möglichst klein
werden sollte, nicht größer als halbes Europaformat.

Wenn jemand eine völlig andere Lösungsmöglichkeit parat hat, ist diese
sehr willkommen.

Ich bedanke mich schon mal bei allen die sich diese romanartige
Problembeschreibung überhaupt durchgelesen haben!


Viele Grüße
Cornelius

[Besserwessi]

Die "Gleichspannung" bzw, den niederfrquenten Teil per RC filter abzutrennen ist schon mal richtig. Alternativ könnte man auch die Wechselspannung durch einen Bandpaßfilter auswählen und so zusätzlich höhere Frequenzen als die gewünschten 40 kHz zu entfernen.

Für di Bestimmung der Amplitude hat man mehrere Möglichkeiten:
1) "HF" Gleichricher, z.B. mit Ge-Diode und Vorspannung.
Das ist relativ einfach, nur die Kennlinie ist nicht ganz linear, vor allem bei kleinen Spannungen. Deshalb das Signal vor der Gleichrichtung erst mal verstärken.

2) Aktiven gleichrichter, z.B. mit OP: Das ist bei 40 kHz schon nicht mehr ganz trivial, geht aber wohl gerade noch.

3) Phasenstren gleichrichter, bzw. PLL system:
Man sorgt sich ein Referenzsignal, z.B. von einer Quelle, die immer relativ stark ist. Kleinere Störungen kann man ggf. per PLL überbrücken. Die anderen Kanäle kann man dann per Modulator gleichrichten. Diese Lösung ist gut linier und weitgehend unempfindlich gegen Störungen, solange da Ref. Signal OK ist.

4) Es gibt spezielle ICs für die Messung von HF Leistung. Die meisten sind für höhere Frequenzen, könnten aber auch noch bei 40 kHz gehen. Die Kennlinie ist oft logarithmisch.

5 ) ggf, noch andere Mehtoden

Ich würde wohl den ersten Weg wählen. Die Vorspannung (ca. 200-300 mV bei Ge) kreigt man auch anders als per OP dazu, z.B. einfach über Widerstände und Kondensatoren. Die Ausgangspannung ist je nach Schaltung des Gleichrichters auch schon geglättet oder man nutzt einen eher hochohmigen RC filter. Danach kann man dann Problemlos einen OP als Verstärker oder Impedanzwandler nutzen, denn dann hat man nur Gleichspannung bzw relativ niedriege Frequenzen.

[NeroII]

Hallo,

super vielen Dank für die schnelle Antwort! Im Prinzip sollte meine Methode also funtkionieren, das ist eine schöne Sache.

Ich werde später noch ein paar Fragen stellen. Danke!
Cornelius

[PICture]

Hallo!

@ NeroII!

Ich konnte leider deine Grafik in der .doc. Datei nicht sehen, konnte mir aber dein Problem ganz gut vorstellen. Für mich scheint es ziemmlich einfache Lösung zu haben.

Die (fast) Gleichspannung lässt sich mit einem Kondensator (C1) eliminieren. Es stellt mit dem Eingangswiderstand (R1) der nachfolgender Stufe einen Hochpass. Wegen sehr grossem Unterschied zwischen den Frequenzen der Wert des Kondensators ist nicht kritisch.

Dann braucht man einen Spitzengleichrichter der ab (fast) 0V funktioniert (T1,T2) und dessen Kondensator (C2) sich schnell auflädt und langsam entleert.

Es ist nur noch ein OPV mit entsprechender Verstärkung nötig um bestimmte Gleichspannung für ADC zu haben.

Ich habe im Code meine Vorstellung deiner Schaltung skizziert.

MfG

                                    VCC
                                     +
                                     |
                       +-----+-------+
                       |     |       |    R5      R6
                      .-.    |      .-.   ___     ___
                    R2| |    |     P| |<-|___|-+-|___|-+
                      | |    |      | |        |       |
                      '-'    |  GND '-'        |  VCC  |
                       |   |/   ===  |    R4   |   +   |
             C1        +---| T2  |   |    ___  | |\|   |
                       |   |>    +---+---|___|-+-|-\   |
             ||      |<      |                   |  >--+---> ADC
     Ein >---||--+---| T1    +---+---------------|+/
             ||  |   |\      |   |               |/|
                .-.    |  C2--- .-.                -
              R1| |   ===   --- | |R3             VCC
                | |   GND    |  | |
                '-'         === '-'
                 |          GND  |
                ===             ===
                GND             GND

[NeroII]

Hallo,

leider verstehe ich bei deinem Code nur Bahnhof, dennoch vielen Dank.

Ich moechte deshalb erstmal von vorne Anfangen. Meines Erachtens gibt es schon bei der Filterung ein Problem:

R1 ist ein Photoransistor der so geschaltet ist das er ein Lichtempfindlicher Widerstand ist. R2 ist ein normaler Festwiderstand. Das bedeutet ueber R2 faellt eine vom Licht abhaengige Spannung ab. Diese soll ja dann mit einem RC Glied gefiltert werden, dessen Dimensionierung wie gesagt nicht schwierig ist, da die Differenz riesig ist.

Mir ist jetzt aber aufgefallen dass das RC-Glied ja praktisch einen parallel geschalteten Widerstand darstellt und daher die Spannung ueber R2 beeinflusst. Ist das ein Problem, wenn ja wie kann man es loesen? Ich dachte da an Entkopplung mit einem Impedanzwandler geht das?

Viele Gruesse
Cornelius

                    VCC(5V)                                                          
                      |                                                              
                      |                                                              
                      |                                                              
                 R1  .-.                                                                                                                                    
           (1-1000kO)| |                                                                   
                     | |                                                            
                     ‘-’                                                      
                      |                                                             
                      |                                                             
                      |                                                             
                      | Hier muss evt. eine Entkopplung rein                                                           
                      |    ||                                                         
                      |    \/     ||                                                   
                      +-----------||-----+------------->Ausgang                                                              
                      |           ||     |                                              
                      |                  |                                            
                     .-.                .-.                                              
                 R2  | |            R3  | |                                             
               (50kO)| |                | |                                            
                     ‘-’                ‘-’                                            
                      |                  |                                         
                      |                  |                                            
                      |                  |                                            
                      |                  |                                            
                      |                  |                                            
                      |                  |                                            
                      |                  |                                            
                     ===                ===                                               
                     GND                GND

[PICture]

Hallo!

@ NeroII

Am einfachsten wäre der R3 z.B. grösser (R3 > ca. 10 * R2) machen. Wenn es nicht hinhaut, könnte man einen Impedanzwandler mit einem J-FET bzw. MOSFET verwenden (siehe Code). In diesem fall wird die Spannung auf dem S des FETs ca. 1/2 des am G, was man jedoch mit höherer Verstärkung des OPVs am Ausgang der Schaltung kompensieren kann.

Mir ist gerade eingefallen, dass man auch zuerst die Wechselspannung verstärken könnte und am Ende einen aktiven Gleichrichter mit 2 OPVs anwenden könnte, was genauer, aber wenig komplizierter wäre.

MfG

                      VCC
                       +
                       |
         +-------------+
         |             |
     ->|/              |
     ->| T1  C1        |
     ->|>            |-+ T2
         |  ||       |       .
         +--||--+--->|-+ BF245A
         |  ||  |      |
        .-.    .-.     +----->
     R2 | |    | |R3   |
     50k| |    | |10M .-.
        '-'    '-'    | |R4
         |      |     | |1k
        ===    ===    '-'
        GND    GND     |
                      ===
                      GND