Besseres Testen mit kostengünstigen Signalquellen unter Verwendung von Inline-Filtern

Benötigen Sie für einen Test eine reine Sinuswelle, haben aber nur einen arbiträren Funktionsgenerator mit einem hohen Oberwellenpegel zur Verfügung? Vielleicht mischen Sie die Ausgänge von zwei Signalgeneratoren und müssen die obere Seitenbandkomponente am Ausgang des Mischers auswählen. Wie können Sie das tun? Die Lösung besteht in der Verwendung von Inline-HF-Filtern, wie dem CLPFL-0200 (Abbildung 1, links) mit SMA-Anschluss und dem CLPFL-0021-BNC (Abbildung 1, rechts) mit BNC-Anschluss der Crystek Corporation.

Abbildung 1: Inline-Koaxialfilter wie der CLPFL-0200 mit SMA-Anschluss (links) oder der CLPFL-0021 mit BNC-Anschluss (rechts) können Signaloberschwingungen und Rauschen an Signalquellen reduzieren. (Bildquelle: Crystek Corporation)

HF-Filter bereinigen Signale, indem sie unerwünschte Frequenzen selektiv abschwächen, während sie gewünschte Frequenzkomponenten durchlassen. Inline-Filter, die für die Verwendung mit Koaxialleitungen vorgesehen sind, sind mit einer Nennimpedanz von 50 Ohm (Ω) ausgelegt. Diese Filter reduzieren das Rauschen, indem sie die Signalbandbreite verringern. Sie kontrollieren auch das Signalspektrum, um Oberwellen, Artefakte und Störsignale zu reduzieren.

Filtertypen

Es gibt mehrere Arten von Inline-Filterkonfigurationen, darunter Tiefpass, Hochpass und Bandpass (Abbildung 2).

Abbildung 2: Dargestellt sind die Frequenzgänge von Tiefpass-, Hochpass- und Bandpassfiltern. (Bildquelle: Art Pini)

Tiefpassfilter lassen Frequenzen unterhalb eines festen Grenzwerts passieren und können die Oberwellen eines Signals eliminieren, wenn der Grenzwert knapp über der Grundfrequenz liegt. Hochpassfilter lassen Frequenzen oberhalb einer festen Grenzfrequenz passieren und können ein Störsignal eliminieren, wenn die Grenzfrequenz oberhalb der Netzfrequenz liegt.  Bandpassfilter dämpfen unerwünschte Signale, indem sie Frequenzen innerhalb eines gewünschten Bandes durchlassen, und können als Preselektor für ein HF-Frontend eingesetzt werden. Der Bereich, in dem das Signal verlustarm übertragen wird, wird als Durchlassbereich bezeichnet, der Bereich, in dem das Signal stark abgeschwächt wird, als Sperrbereich. Der/die Bereich(e) zwischen dem Durchlassbereich und dem Sperrbereich ist/sind der/die Übergangsbereich(e).

Auswahl des richtigen Filters

Filter sind für bestimmte Frequenzgangcharakteristiken ausgelegt. Dazu gehören die Schärfe des Übergangs vom Durchlass- zum Sperrbereich, die Ebenheit des Durchlass- und des Sperrbereichs sowie der Phasengang in Abhängigkeit von der Frequenz. In Abbildung 3 sind mehrere klassische Ausführungen dargestellt.

Abbildung 3: Der Frequenzgang verschiedener klassischer Filtertypen zeigt die Unterschiede in den Abschwächungs- und Flachheitseigenschaften. (Bildquelle: Art Pini)

Der Butterworth-Filter hat einen flachen Durchlassbereich und einen moderaten Abklingwert (Roll-Off). Der Bessel-Filter hat den linearsten Phasengang, aber den langsamsten Abklingwert; er wird normalerweise verwendet, wenn eine bandbegrenzte Impulswellenform mit minimaler Verzerrung übertragen werden muss. Der Tschebyscheff-Filter hat einen schnellen Abklingwert, weist aber eine Welligkeit im Durchlassbereich auf. Der inverse Tschebyscheff-Filter hat einen flachen Durchlassbereich und einen schnellen Abklingwert, weist aber eine Welligkeit im Sperrbereich auf. Der Butterworth- und der Tschebyscheff-Filter sind zwei der am häufigsten verwendeten Inline-Filter.

Die Abklingcharakteristik eines jeden Filtertyps wird durch seine Ordnung beeinflusst. Die Ordnung ergibt sich aus der Übertragungsfunktion des Filters und gibt die Anzahl der Pole im Design an. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Filterordnung, desto schneller der Abklingwert (Abbildung 4).

Abbildung 4: Gezeigt ist ein Vergleich der Reaktion eines Butterworth-Tiefpassfilters für einen Filter mit den Ordnungen 5 bis 9. Je höher die Filterordnung, desto schneller ist der Abfall im Übergangsbereich. (Bildquelle: Art Pini)

Der CLPFL-0200 von Crystek ist ein Butterworth-Tiefpassfilter 7. Ordnung mit einem Durchlassbereich von DC bis 200 Megahertz (MHz) und einer Einfügedämpfung von 2,2 Dezibel (dB) bei einer Frequenz von 210 MHz. Dieser Filter könnte verwendet werden, um das Ausgangssignal eines Signalgenerators zu bereinigen, wenn eine Messung der effektiven Anzahl von Bits (ENOB) an einem 8-Bit-Analog/Digital-Wandler (ADC) vorgenommen wird (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Abbildung zeigt das Ergebnis der Verwendung eines 200-MHz-Tiefpassfilters zur Entfernung von Oberwellen und Rauschen aus einem Signalgenerator. Das gefilterte Signal (untere Spur) weist deutlich geringere Rausch- und Oberwellenpegel auf. (Bildquelle: Art Pini)

Die obere Kurve zeigt das Ausgangsspektrum des Signalgenerators mit einer zweiten Harmonischen, die nur 22 dB unterhalb der Grundwelle liegt. Mit dem Filter (untere Kurve) wird die zweite Harmonische um über 70 dB gesenkt, und die anderen Harmonischen liegen unter dem Rauschpegel. Beachten Sie auch, dass das Grundrauschen oberhalb der Grenzfrequenz des Filters um mehr als 40 dB gesenkt wird.

Hochpassfilter eliminieren Störsignale, die eine niedrigere Frequenz haben als das gewünschte Signal (Abbildung 6).

Abbildung 6: Hier wird ein Hochpassfilter verwendet, um ein 13-MHz-Störsignal aus dem gewünschten 30-MHz-Signal zu eliminieren (obere Kurve). Das gefilterte Signal erscheint in der unteren Kurve. (Bildquelle: Art Pini)

In Abbildung 6 dämpft ein Hochpassfilter ein 13-MHz-Störsignal und lässt das interessierende 30-MHz-Signal durch. Die Wirkung des Störsignals ist in der Zeitbereichsansicht (oben links) als Amplitudenänderung der Signalspitzen zu erkennen. Das gefilterte Signal (unten links) hat flache Spitzenamplituden.

Ein Filter wie der CHPFL-0025-BNC von Crystek, ein 25-MHz-Tschebyscheff-Hochpassfilter 7. Ordnung mit BNC-Anschlüssen, könnte das Störsignal abschwächen.

Crystek-Filter werden in Konfigurationen bis zur 9. Ordnung angeboten. Der bereits erwähnte CLPFL-0021-BNC ist beispielsweise ein Tiefpassfilter 9. Ordnung mit 21 MHz Tschebyscheff-Antwort. Er liefert einen Übergangsbereich, der bei etwa 55 dB pro Oktave abfällt.

Für Bandpassfilter werden in der Regel mehr Komponenten benötigt als für Tief- oder Hochpassfilter, die mehr Platz benötigen und die Stückliste erhöhen. Crystek setzt hier die SAW-Technologie (Surface Acoustic Wave) ein, die es ermöglicht, dass die Bandpassfilter in dasselbe Gehäuse wie Tief- oder Hochpassfilter passen. Ein Beispiel für ein SAW-Bandpassfilter ist der CBPFS-0915 von Crystek mit SMA-Anschlüssen und einer Bandbreite von 26 MHz, zentriert auf 915 MHz.

Fazit

Inline-HF-Filter verbessern das Testen, indem sie Oberschwingungen, Rauschen und Störungen von Signalquellen eliminieren. Unternehmen wie Crystek bieten eine breite Palette von Inline-Filtern an, die Ihren Anforderungen an die Signalaufbereitung entsprechen.