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Liebe Experten,

ich brauche Hilfe bei einer Verstärkerschaltung mit einem OP TS912.

Zur Aufgabenstellung: Ein EKG-ähnliches Signal mit einem Maximum von ca. +10mV und einem Minimum von ca. -1mV soll so hochverstärkt werden, dass es von einem Mikrocontroller per ADC-Eingang ausgewertet werden kann. Die Spannungsversorgung erfolgt über einen LiIon-Akku mit 3,7V. Da die Masse des Quellsignals nicht mit der Masse der Schaltung verbunden ist, habe ich mit zwei Dioden einen "Massepunkt" generiert, der ca. 1V über 0V der Spannungsversorgung liegt; somit werden auch die negativen Anteile des Signals korrekt abgebildet.
Ich habe die Schaltung als aktiven Tiefpass 2. Ordnung mit einer Grenzfrequenz von ca. 15 Hz (Unterdrückung von Netzbrummen) und einem Verstärkungsfaktor von 100 ausgelegt.

Auf dem Steckbrett funktionierte die Schaltung tadellos, also habe ich eine Platine entworfen und die Schaltung mit SMD-Bauteilen aufgebaut (sie soll möglichst klein sein). Leider zeigte die Schaltung ein Kippverhalten mit einer Frequenz von ca. 1,5 Hz.
Nachdem ich Fehler im Layout ausgeschlossen hatte, habe ich die Schaltung nochmal auf dem Steckbrett mit bedrahteten Bauteilen aufgebaut - und jetzt kippt auch diese Schaltung. Da ich überhaupt nicht verstehe was hier passiert, habe ich mal ein paar Befunde gesammelt:

1) Legt man die Verbindung von R2 und R3 auf Masse, hört das Kippen auf.
2) Legt man die Verbindung von R1 und R2 auf Masse, verdoppelt sich die Kippfrequenz (die Reihenschaltung aus R1 und R2 scheint also schon mal bestimmend für die Kippfrequenz zu sein).
3) Um den Einfluss des Verstärkungsfaktors zu untersuchen, habe ich R5 durch einen 100k-Trimmer ersetzt und verschiedene Werte durchgespielt:
- Mit größer werdendem R, d.h. abnehmendem Verstärkungsfaktor, wird die Frequenz des Kippens schneller (ich hätte auch ein paar Oszillogramme, kann aber leider nur 1 Datei anhängen).
- Auffällig ist auch die Form der fallenden und steigenden Flanken: Diese zeigen nämlich einen exponentiellen Anstieg bzw. Abfall der Spannung und somit ja eigentlich genau das Gegenteil von dem, was man z.B. bei einer Rückkopplung über ein RC-Glied erwarten würde
- Bei Werten über ca. 25kOhm geht der Ausgang nicht mehr in die Sättigung
- Bei Werten über ca. 50kOhm hört das Kippen ganz auf.

Ich weiß, das ist eine Menge Informationen, aber ich sitze seit einer Woche vor dieser Schaltung (die ja schon mal funktioniert hat!) und zermartere mir das Hirn, wo dieses Kippen herkommen könnte...

Für Denkanstöße jeder Art bin ich sehr dankbar!

Hallo alle,

genau den Schaltungsvorschlag von JBE (2 hintereinander geschaltete Tiefpässe 1. Ordnung) hatte ich mir auch mal in LTSpice angeschaut, und nachdem ich mit dem theoretischen Ergebnis zufrieden war, habe ich das benötigte Verstärker-Modul genau so aufgebaut. Und was soll ich sagen - es funktioniert, wie man an dem sauberen EKG-Signal auf dem Grafik-LCD sehen kann.
(Die Verstärker-Einheit ist die kleine, eingesteckte Platine; das DIL-IC ist der Mikrocontroller, der das Signal auswertet. Verstärker & Tiefpässe sind in SMD-Technik auf der Unterseite).
Da ich inzwischen auch ein wenig Zeitdruck hatte und brauchbare Resultate liefern wollte, bin ich erstmal froh, dass es so jetzt läuft. Was die genauen Vorteile des Sallen-Key-Filters sind, werde ich vielleicht nach der Lektüre des Lancaster-Buches verstehen, das gerade angekommen ist (auf Deutsch!).

Vielen Dank für alle Eure Tipps, und wenn ich mal wieder auf dem Schlauch stehe, werde ich mich gerne wieder an diese Community wenden!

Hallo Olit,

» » Du kennst sicher des Lancasters Buch mit dem Titel "Das
» » AKTIV-FILTER-Kochbuch".
» »
» Nee. :- )
»
» Aber wenn es kompliziert wird, kann ich ja immer noch Euch Fragen.

Klar, aber es gibt in der Zwischenzeit ein neuer Threat, wo der Don Lancaster thematisiert wird. Es gibt für das Filter-Kochbuch in englisch ein frei-downoadbares pdf-File. Hier der Link:

https://ia802902.us.archive.org/35/items/ActiveFilterCookbook/Active%20Filter%20Cookbook.pdf

Viel Spass damit.

--
Gruss
Thomas

Buch von Patrick Schnabel und mir zum Timer-IC NE555 und LMC555:
https://tinyurl.com/zjshz4h9
Mein Buch zum Operations- u. Instrumentationsverstärker:
https://tinyurl.com/fumtu5z9

» Die Grenzfrequenz ist jetzt aber nicht mehr bei 15Hz. Bei 15 Hz sind es
» -6dB
»
» Minus 3dB sind jetzt bei 6,6Hz.
»
»

Nun man muss ja nur die kondensatoren , und oder die Widerstände ändern, ich glaube dass sollte man schon hinbekommen.

Ein bisschen selber experimentieren schadet nicht, damit man ein Gefühl dafür bekommt.

Dafür gab es ja die Kurven zu sehen.

Mit einem 4 Fach OP LMV324 kann man das ganze zweimal aufbauen, mit diesem Sallen-Key-Filter.

Notfalls baut man Doppelseitig auf, und wenn das nicht reicht Aufstockung.

Die Grenzfrequenz ist jetzt aber nicht mehr bei 15Hz. Bei 15 Hz sind es -6dB

Minus 3dB sind jetzt bei 6,6Hz.

» » Falls es dich noch Interessiert
»
» Das tut es definitiv noch!
»
» Die Lösung, mit einem der beiden OP-Amps ein nicht-verstärkendes Filter
» aufzubauen und das Signal mit dem zweiten OP-Amp dann hochzuverstärken, ist
» deswegen problematisch, weil ich zwei dieser Signalzüge brauche, und auf
» der sehr kleinen SMD-Patine kein Platz für einen zweiten TS912 ist.
»
» Da es mir immer noch etwas schwer fällt zu glauben, dass Tiefpassfilter mit
» einer Verstärkung im Bereich von 100 schwingen MÜSSEN, habe ich auf dieser

Wer sagt das, das Filter Schwingen müssen.
» interessanten Seite http://sim.okawa-denshi.jp/en/OPseikiLowkeisan.htm mal
» ein bisschen "herumgespielt". Interessanterweise kommt mit Bauteilwerten
» wie ich sie verwendet habe (R1=R2=100k, C1=C2=100n, R4=100k, R3=1k) heraus
» "The system does not oscillate". Ändere ich den
» Rückkopplungs-Spannungsteiler auf 2x1k, also eine Verstärkung von 2, soll
» das system schwingen... sehr mysteriös.

»
» Weil ja alles nix hilft und ich die Materie gerne verstehen würde, habe ich
» mir gerade bei Amazon das Aktive-Filter-Kochbuch bestellt und hoffe, dass
» ich die Mathematik darin intellektuell bewältigen kann. Bis dahin werde ich
» noch ein bisschen herumgoogeln, was es mit dieser "Damping ratio" auf sich
» hat. (Ja, das ist das Dämpfungsverhältnis - vielen Dank, aber was es
» BEDEUTET würde ich gerne verstehen...)

Hier noch mal eine Erklärung

https://www.electronics-tutorials.ws/de/filtern/filter-zweiter-ordnung.html

Hier mal ein anderer Aufbau mit Verstärkung 100.

Leider ist das Filter nicht mehr sehr Linear, sondern bekommt Bandpasseigenschaften, was nicht unwesentlich vom Operationsverstärker abhängig ist.

Auch eine so hohe Verstärkung macht man normalerweise nicht mit nur einem OP, wie du sehen kannst , ergibt das dann andere Probleme.

» Rückkopplungs-Spannungsteiler auf 2x1k, also eine Verstärkung von 2, soll
» das system schwingen... sehr mysteriös.
»
Bei der Verstärkung von 2 wird die “ Oszillationsfrequenz“ 13,78… Hz angegeben. Damit ist nicht gemeint, dass das System schwingt. Es gibt die Frequenz an, bei der die Überhöhung des Ausgangssignals am größten ist.
Bei einer Verstärkung von 1 (also völlige Gegenkopplung) gibt es diesen Spannungsanstieg nicht. Und bei einer Verstärkung von größer drei, ist diese Spannungsüberhöhung so groß, dass das System anfängt zu schwingen.

Moin,

» ...Da es mir immer noch etwas schwer fällt zu glauben, dass Tiefpassfilter mit
» einer Verstärkung im Bereich von 100 schwingen MÜSSEN, habe ich auf dieser
» interessanten Seite http://sim.okawa-denshi.jp/en/OPseikiLowkeisan.htm mal
» ein bisschen "herumgespielt". Interessanterweise kommt mit Bauteilwerten
» wie ich sie verwendet habe (R1=R2=100k, C1=C2=100n, R4=100k, R3=1k) heraus
» "The system does not oscillate". Ändere ich den
» Rückkopplungs-Spannungsteiler auf 2x1k, also eine Verstärkung von 2, soll
» das system schwingen... sehr mysteriös.....

Leider ist das auch meine Erfahrung vor fast 20 Jahren, als ich "mal eben" aktive Filter mit Verstärkung >5 basteln wollte.
Und Simu-Progs bilden leider nicht immer die Realität ab.... Man kann im Leben leider nicht immer Alles haben

--
Grüße
Michael

» Falls es dich noch Interessiert

Das tut es definitiv noch!

Die Lösung, mit einem der beiden OP-Amps ein nicht-verstärkendes Filter aufzubauen und das Signal mit dem zweiten OP-Amp dann hochzuverstärken, ist deswegen problematisch, weil ich zwei dieser Signalzüge brauche, und auf der sehr kleinen SMD-Patine kein Platz für einen zweiten TS912 ist.

Da es mir immer noch etwas schwer fällt zu glauben, dass Tiefpassfilter mit einer Verstärkung im Bereich von 100 schwingen MÜSSEN, habe ich auf dieser interessanten Seite http://sim.okawa-denshi.jp/en/OPseikiLowkeisan.htm mal ein bisschen "herumgespielt". Interessanterweise kommt mit Bauteilwerten wie ich sie verwendet habe (R1=R2=100k, C1=C2=100n, R4=100k, R3=1k) heraus "The system does not oscillate". Ändere ich den Rückkopplungs-Spannungsteiler auf 2x1k, also eine Verstärkung von 2, soll das system schwingen... sehr mysteriös.

Weil ja alles nix hilft und ich die Materie gerne verstehen würde, habe ich mir gerade bei Amazon das Aktive-Filter-Kochbuch bestellt und hoffe, dass ich die Mathematik darin intellektuell bewältigen kann. Bis dahin werde ich noch ein bisschen herumgoogeln, was es mit dieser "Damping ratio" auf sich hat. (Ja, das ist das Dämpfungsverhältnis - vielen Dank, aber was es BEDEUTET würde ich gerne verstehen...)

» Liebe Experten,
»
» ich brauche Hilfe bei einer Verstärkerschaltung mit einem OP TS912.
»
» Zur Aufgabenstellung: Ein EKG-ähnliches Signal mit einem Maximum von ca.
» +10mV und einem Minimum von ca. -1mV soll so hochverstärkt werden, dass es
» von einem Mikrocontroller per ADC-Eingang ausgewertet werden kann. Die
» Spannungsversorgung erfolgt über einen LiIon-Akku mit 3,7V. Da die Masse
» des Quellsignals nicht mit der Masse der Schaltung verbunden ist, habe ich
» mit zwei Dioden einen "Massepunkt" generiert, der ca. 1V über 0V der
» Spannungsversorgung liegt; somit werden auch die negativen Anteile des
» Signals korrekt abgebildet.
» Ich habe die Schaltung als aktiven Tiefpass 2. Ordnung mit einer
» Grenzfrequenz von ca. 15 Hz (Unterdrückung von Netzbrummen) und einem
» Verstärkungsfaktor von 100 ausgelegt.
»
» Auf dem Steckbrett funktionierte die Schaltung tadellos, also habe ich eine
» Platine entworfen und die Schaltung mit SMD-Bauteilen aufgebaut (sie soll
» möglichst klein sein). Leider zeigte die Schaltung ein Kippverhalten mit
» einer Frequenz von ca. 1,5 Hz.
» Nachdem ich Fehler im Layout ausgeschlossen hatte, habe ich die Schaltung
» nochmal auf dem Steckbrett mit bedrahteten Bauteilen aufgebaut - und jetzt
» kippt auch diese Schaltung. Da ich überhaupt nicht verstehe was hier
» passiert, habe ich mal ein paar Befunde gesammelt:
»
» 1) Legt man die Verbindung von R2 und R3 auf Masse, hört das Kippen auf.
» 2) Legt man die Verbindung von R1 und R2 auf Masse, verdoppelt sich die
» Kippfrequenz (die Reihenschaltung aus R1 und R2 scheint also schon mal
» bestimmend für die Kippfrequenz zu sein).
» 3) Um den Einfluss des Verstärkungsfaktors zu untersuchen, habe ich R5
» durch einen 100k-Trimmer ersetzt und verschiedene Werte durchgespielt:
» - Mit größer werdendem R, d.h. abnehmendem Verstärkungsfaktor, wird die
» Frequenz des Kippens schneller (ich hätte auch ein paar Oszillogramme, kann
» aber leider nur 1 Datei anhängen).
» - Auffällig ist auch die Form der fallenden und steigenden Flanken: Diese
» zeigen nämlich einen exponentiellen Anstieg bzw. Abfall der Spannung und
» somit ja eigentlich genau das Gegenteil von dem, was man z.B. bei einer
» Rückkopplung über ein RC-Glied erwarten würde
» - Bei Werten über ca. 25kOhm geht der Ausgang nicht mehr in die Sättigung
» - Bei Werten über ca. 50kOhm hört das Kippen ganz auf.
»
» Ich weiß, das ist eine Menge Informationen, aber ich sitze seit einer Woche
» vor dieser Schaltung (die ja schon mal funktioniert hat!) und zermartere
» mir das Hirn, wo dieses Kippen herkommen könnte...
»
» Für Denkanstöße jeder Art bin ich sehr dankbar!
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Falls es dich noch Interessiert

So funktioniert die Schaltung wie unten abgebildet, die Verstärkung darf nicht größer als 2,5 - 3 sein, sonst schwingt deine Schatung.
Also eine Verstärkung von ca 10dB.





Den Ausgang dann eben mit einem 2ten OP soweit Verstärken , das du eine zufriedene Amplitude bekommst.

Optimales Tiefpassverhalten hast du bei Verstärkung von 2, um so größer die Verstärkung um so größer eine Resonanzspitze, die so groß werden kann
das die Schaltung Kippt.

hier zwei Beispiele

schlecht zu große Verstärkung knapp 3






gut Verstärkung von 2,1

» Hallo Olit,
»
» Du kennst sicher des Lancasters Buch mit dem Titel "Das
» AKTIV-FILTER-Kochbuch".
»
Nee. :- )

Aber wenn es kompliziert wird, kann ich ja immer noch Euch Fragen.

»
» @ olit: Eine interessante Kopie; nur kann ich mit dem ja wohl sehr
» wichtigen Wert Alpha nichts anfangen.

In dem Buch gibt es interessante Formeln, die ich auch nicht verstehe, da ich der höheren Mathematik nicht mächtig bin.
Aber daraus kann ich erkennen, dass mit Alpha der Verstärkungsfaktor gemeint ist.

Wähle eine Verstärkung von rund 2. Also R5 = 51kOhm oder 56kOhm und R4 = 100kOhm.
Die restliche Verstärkung musst du mit einem zweiten OPV realisieren.

Hallo Olit,

» Wenn es auf dem Steckbrett funktionierte, war da etwas nicht in Ordnung.
» Der Schaltung mit R=R und C=C werden zwar bestimmte, von der Verstärkung
» abhängige Eigenschaften, zugeordnet. Aber nur so lange man es nicht
» übertreibt.
»
» Kopiert aus Tietze & Schenk
»
»

So ist es. Du kennst sicher des Lancasters Buch mit dem Titel "Das AKTIV-FILTER-Kochbuch". Da geht man sehr praxisorientiert auf diese TP- und HP-Filtermethode ein. Ich habe sie schon oft angewendet.

Gerade bei Filtern mi höherer Ordnung kommt es einem sehr entgegen, wenn alle frequenzbestimmenden C und R gleich gross sind. Der Nachteil kann sein, dass eine von der Güte abhängige Verstärkung vorliegt. Stört dies, kann man es mit kleinem Zusatzaufwand mit einem zusätzlichen Opamp kompensieren.

Übrigens, diese Verstärkung von 3 hat beim Wien-Robinson-Oszillator die selbe Bedeutung. Hier wird der Wert von <3 durch Rückkopplung (Gleichrichtung, Integration) geregelt, damit die Ausgangsspannung stabil bleibt unterhalb dem unerwünschten (Zusatz-)Oszillationslevel.

--
Gruss
Thomas

Buch von Patrick Schnabel und mir zum Timer-IC NE555 und LMC555:
https://tinyurl.com/zjshz4h9
Mein Buch zum Operations- u. Instrumentationsverstärker:
https://tinyurl.com/fumtu5z9

Gut, dann löse ich mal für alle auf, worum es geht:

In unserem Simulationszentrum haben wir ein Reanimationsphantom, dessen Herzrhythmus über eine "EKG-Box" eingestellt wird. Diese EKG-Box hat einen Analog-Ausgang, über den mal das eingestellte EKG-Signal in der genannten Amplitude abgreifen kann.

Um die Simulation möglichst authentisch zu gestalten konstruiere Ich derzeit eine Pulsoximeter-Atrappe, da die Pulsoximetrie zu den absoluten Basics der Notfallmedizin gehört. Die vom Pulsoxi generierten Tonsignale müssen natürlich synchron zu den "Herzaktionen" sein, und deshalb brauche ich eine Information, wann ein Herzschlag stattgefunden hat - und diese möchte ich aus dem Analog-Ausgang der EKG-Box gewinnen.

@ Hartwig: Du hast recht, es geht nicht um abgefahrene Dinge wie ST-Streckenanalysen QT-Intervalle oder Repolarisationsstörungen, sondern um eine simple, aber zuverlässige Erkennung von Herzaktionen anhand des QRS-Komplexes. Deshalb habe ich den Tiefpass erstmal für 15Hz Grenzfrequenz ausgelegt.

@ olit: Eine interessante Kopie; nur kann ich mit dem ja wohl sehr wichtigen Wert Alpha nichts anfangen (hätte ich doch mal Elektrotechnik studiert statt Medizin...)
In dem ebenfalls interessanten Link von Altgeselle zur Filterberechnung (danke!!) habe ich ihn auf den ersten Blick auch nicht gefunden.

Was mich halt wundert ist der Verlauf der Flanken (und jetzt kann ich auch mal ein Bild davon dranhängen):
Die Ausgangsspannung des OP steigt zunächst langsam an und irgendetwas scheint sich dann positiv rückzukoppeln, sodass die Anstiegsgeschwindigkeit zunimmt und der Ausgang schnell in die Sättigung kommt. Wie kann es aber kommen, dass ein solcher positiver, sich selbst verstärkender Rückkopplungsmechanismus nach ca. 40ms "umkehrt" und die Ausgangsspannung mit dem selben Verlauf (erst langsam, dann immer schneller) auf 0V abfällt?

Ich werde ab nächster Woche nochmal den Ansatz einer wirklich stabilen Masse verfolgen. Wenn jemand von Euch mir einen Tip geben kann, wo ich mich über dieses "Alpha" belesen kann (in meinem beruflichen Umfeld habe ich es zwar regelmäßig mit Alpha-Tierchen zu tun, die Bedeutung im Zusammenhang mit Filtern kenne ich aber leider nicht) wäre das auch schon eine große Hilfe!

Herzlichen Dank erstmal,

Daniel


P.S. @ Schaerer: Sauerbruch hat die "Eiserne Lunge" erfunden - der kardiopulmonale Bypass (vulgo: Herz-Lungen-Maschine) kam erst deutlich später

» » Auf dem Steckbrett funktionierte die Schaltung tadellos,
»
» Wenn es auf dem Steckbrett funktionierte, war da etwas nicht in Ordnung.
» Der Schaltung mit R=R und C=C werden zwar bestimmte, von der Verstärkung
» abhängige Eigenschaften, zugeordnet. Aber nur so lange man es nicht
» übertreibt.
»
» Kopiert aus Tietze & Schenk
»


Das ist mir eben auch aufgefallen.
Auf dieser Seite: http://sim.okawa-denshi.jp/en/OPseikiLowkeisan.htm
kann man so ein Filter berechnen lassen. Dort sind auch die Stabilitätskriterien angegeben.

» Auf dem Steckbrett funktionierte die Schaltung tadellos,

Wenn es auf dem Steckbrett funktionierte, war da etwas nicht in Ordnung.
Der Schaltung mit R=R und C=C werden zwar bestimmte, von der Verstärkung abhängige Eigenschaften, zugeordnet. Aber nur so lange man es nicht übertreibt.

Kopiert aus Tietze & Schenk


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