Ladderfilter Entwicklung, mehr Versuche, Ueberraschungen

    Nachdem die Versuche mit den neuen Filtern für den Hobo so gut geklappt haben, hat es mich gejuckt und ich habe mir aus einer Hobo Filterplatine ein universelles Experimentierboard gebaut. Nun kann ich alles wechseln, auch die Quarze. In einer ersten Versuchsreihe habe ich mir die so beliebten 4,9152 MHz Quarze vorgenommen (K2, SIERRA, BCR und andere)


    Da es reizt erst mit dem schwierigen Teil anzufangen, habe ich das Board als SSB Filter bestückt. Bei den Low Profile 9MHz Quarzen für den Hobo war die optimale Eingangs und Ausgangs Anpassung bei 650 Ohm gegeben. Etwas überrascht hat mich dann das Messergebnis, die 4,9152 MHZ Quarze im HC48 Gehäuse bringen bei 650 OHm und tiefer einen katastrophalen ripple mit, erst bei Erhöhung der Anpassung auf 1250 Ohm (5:25 Wdg auf T37-43 = 50:1250R) wird die Kurve so, wie man sie sich wünscht.


    Als nächstes werde ich das gleiche mit 4,9152MHz Low Profile und das ganze dann noch für CW Filter testen.
    Das Bild zeigt die Messkurven für 200R, 650R, 120R. Die Kondensatoren haben einheitlich 33pF.

    Zum Vergleich:
    genau das gleiche Filter, 33pF und 1250 R mit 4 Stück unausgemessenen Low Profile Quarzen 4,9152 MHz. Das Filter lässt sich sicher noch optimieren, interessant ist, dass die Bandbreite auf 1/3 zurück gegangen ist.


    Wie ich schon im FA schrieb halte ich das für sogar für unsinnig, da auch die Dämpfung immer mehr ansteigt. Das ist aber auch gar nicht das Ziel. Bei meinen Versuchen geht es darum durch den Einsatz zweier unterschiedlicher Quarztypen je ein SSB und ein CW Filter zu bekommen, die mit der gleichen Impedanz optimal angepasst sind. Bei den im Moment im Test befindlichen 4,9152 MHz Quarzen gelingt das sehr gut wenn ich ein 480Hz Filter aus LP Quarzen mit einem 2,3kHz Filter aus HC49 Quarzen kombiniere. Beide sind mit 1250 Ohm sehr gut bedient, die Welligkeit liegt beim CW Filter unter 1dB und beim SSB Filter unter 2dB. Da das SSB Filter nur zum hören gebraucht wird ist das so völlig ok.

    73/2 de Peter, DL2FI
    Proud member of Second Class Operators Club SOC and Flying Pig Zapper #OOO (Certificated Kit Destroyer)

    Lieber Horst,


    Ich habe diesen und den vorausgehenden Beitrag ganz bewusst in die Abteilung Amateurfunk Praxis gesetzt. Wenn ich eine Theorie Diskussion gewollt hätte, dann wäre ich nach den diversen Anleitungen von Wes Hayward vorgegenagen, hätte die verschiedenen Werte gemessen und dann die Filter theoretisch berechnet. Wollte ich aber nich. Ich habe für mich selbst versucht das Problem mit den aktuellen Messmitteln (der FA kommt kaum mit der Lieferung des NWT1 nach, so beliebt ist das Teil inzwischen) rein experimentell zu lösen. Da mich verblüfft hat, wie einfach man mit wenigen Experimenten zum Erfolg kommt ohne irgendwelchen geheimnisvollen Werte zu kennen (die der Chinesische Hersteller der Quarze mir auch nicht zur Verfügung gestellt hat) habe mich mich entschlossen andere Bastler an den Experimenten teilhaben zu lassen um sie möglicherweise zu animieren, solche Messungen selbst einmal zu versuchen damit der frisch gekaufte NWT1 eine weitere spannende Aufgabe bekommt. Folglich bestand für mich kein Grund auf deine theoretischen Einwürfe zu antworten, das war schliesslich nicht das Thema - siehe oben.
    kein Grund also eingeschnappt zu sein, ich wollte (und will) nicht ebenfalls am Thema vorbei diskutieren.
    Interessant wäre es allemal, wenn du dein offensichtlich vorhandenes Wissen im Unterforum Theorie zum Besten geben würdest, dazu ist es da :D

    73/2 de Peter, DL2FI
    Proud member of Second Class Operators Club SOC and Flying Pig Zapper #OOO (Certificated Kit Destroyer)

    Hallo Peter,


    erst mal tnx für deine Untersuchungen.


    Cumbria Designs http://www.cumbriadesigns.co.uk arbeitet mit je 6 xtals 4,9152 für cw mit Z=540 OHm und SSB mit Z=800 Ohm, setzt das auf 50 Ohm um und schaltet dort die Filter. Wie eng sie die Quarze ausgesucht haben, geben sie aber nicht preis. Vielleicht komme ich über Weihnachten dazu, das mal auszuprobieren, wenn ich denn die letzten vier Seiten übersetzt habe :D.


    Vielleicht kriegst du auch raus, wieviel Quarze man beim R. ordern muß, um einigermaßen brauchbare ergebnisse zu erhalten :P.


    Frohe Weihnachten!

    72/73
    Con


    DM5AA - DOK V11 - JO64SC
    DL-QRP-AG#297 - G-QRP#7939 - AGCW#1957
    MosquitaTurm - Norcal + Sierra - RG ONE - viele Baustellen

    Lizenz seit 1964: DM3RMA - DM5AA - DT5AA - DM2CUA - Y23UA - DL3KUA - und seit 1998 wieder DM5AA


    Hallo Con,


    worauf ich durch den Beitrag u.A. besonders aufmerksam machen wollt ist die Tatsache, dass extrem wichtig ist welche Bauform die Quarze haben. Ich bisher noch keinen Hinweis darauf gefunden.
    Wenn ich morgen dazu komme, dann werde ich mal in ein optimiertes Filter Quarze einsetzen, die verschieden weit auseinader liegen. Von der erlaubten Toleranz hängt dann ab, welchen Aufwand man bein aussuchen treiben muss. Ich vermute, dass bei Ladder Filtern viel Mystik verbreitet wurde. So habe ich z.B. bei einem Versuch die Quarze erst auf langen Beinchen in die Sockel gesteckt und danach dann so kurz es geht. Der Unterschied der Kurve war kaum zu sehen. Hält man aber die Platine in der Hand (nur an den Kanten, dann enden plötzlich beide Flanken der Durchlasskurve 20 dB höher. Ach diesen Punkt will nicht noch experimentell vertiefen. (nicht mit der hand, das war eine zufällige Beobachtung, aber wie evrhält es sich mit dem Abstand zum Chassis, mit Kabeln, die quer über die Platine laufen usw.) Wer dazu noch Ideen hat, was man noc testen sollte ... immer her damit, ich bin gerade im Experimentierrausch :)

    73/2 de Peter, DL2FI
    Proud member of Second Class Operators Club SOC and Flying Pig Zapper #OOO (Certificated Kit Destroyer)

    Zitat

    Original von DL2FI
    So habe ich z.B. bei einem Versuch die Quarze erst auf langen Beinchen in die Sockel gesteckt und danach dann so kurz es geht. Der Unterschied der Kurve war kaum zu sehen. Hält man aber die Platine in der Hand (nur an den Kanten, dann enden plötzlich beide Flanken der Durchlasskurve 20 dB höher. Ach diesen Punkt will nicht noch experimentell vertiefen. (nicht mit der hand, das war eine zufällige Beobachtung, aber wie evrhält es sich mit dem Abstand zum Chassis, mit Kabeln, die quer über die Platine laufen usw.) Wer dazu noch Ideen hat, was man noc testen sollte ... immer her damit, ich bin gerade im Experimentierrausch :)


    Ja Peter, 100% Bestätigung!


    Habe zwar mit Ladder-Filtern nicht experimentiert - sondern Bausätze gedankenlos aufgebaut :D. Aber als ich 1983 wochenlang an meinem Eigenbau-Quarzfilter für meinen QRP-TRX rumexperimentierte - Ladder-Filter waren noch nicht erfunden, das war eine einfache back-to-back-Gruppe aus ausgesuchten HC6U-Quarzen bei 5,8 MHz - stellte ich fest, dass Aufbau und Anordnung des Filters entscheidender waren, als aufs Hertz ausgemessene Quarze. Aufbau auf Lleiterplatte brachte trotz vieler Versuche zu geringe Sperrdämpfung. Letztendlich wurden die Quarze über Kopf auf ein kleines Blech gelötet und frei verdrahtet (kann amn in der Galerie betrachten). Seitdem traue ich direkt auf der LP frei bestückten QF nicht mehr so sehr... :D

    72/73
    Con


    DM5AA - DOK V11 - JO64SC
    DL-QRP-AG#297 - G-QRP#7939 - AGCW#1957
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    Lizenz seit 1964: DM3RMA - DM5AA - DT5AA - DM2CUA - Y23UA - DL3KUA - und seit 1998 wieder DM5AA

    Hallo Horst,


    super interessant! Leider sind 25 Jahre alte RadCom Artikel nur schwer zu bekommen. Wie waere es, wenn Du G3JIRs Artikel kurz zusammenfassen und in QRP Report o. ae. vorstellen wuerdest? Zusammen mit Deiner Software natuerlich :) Bestimmt wuerden sich dafuer eine Menge Leute interessieren.


    73 Daniel M0ERA

    Daniel, M0ERA, Oxted, Surrey, UK

    Danke, der Link ist klasse. Ich bin ein grosser Fan von Online-Kalkulatoren: funktionieren auf Anhieb und benoetigen keine Installation :)


    73 Daniel M0ERA

    Daniel, M0ERA, Oxted, Surrey, UK

    Hallo Horst,
    vielen Dank auch von mir für den tollen Link. Damit geht das berechnen von Ladder-Filtern viel einfacher als mit dem AADE Filterprogramm.


    Zum Problem beim Login, setze beim nächsten Mal in das Kästchen (immer automatisch anmelden) das Häkchen rein. Dann wird der User und Passwort auf Deinem PC gespeichert und wenn man diese Seite aufruft, ist man drin. Ein weiterer Vorteil ist, das wenn man zu lange schreibt, kommt ein Timeout, weil der User weg ist. Nach dem absenden Deiner MSG wirst Du dann wieder angemeldet, auf die Fehlermeldung mit wiederholen wird dann die Nachricht doch in das Forum gestellt.


    Schönes Weihnachtsfest...

    Vy 72/73 de Gerhard

    Hallo allerseits.


    Basierend auf dem von Horst eingestellten Link:


    http://www.giangrandi.ch/elect…stalfilters/xtaltest.html


    wollte ich mal sehen, wie gut die Online-Berechnung, die Simulation mit PSPICE und ein reales Filter in ihren Parametern übereinstimmen. Dazu habe ich für 10.24 MHz ein 4-poliges Ladder-Quarzfilter mit einer Bandbreite B=1.5 kHz entworfen, online berechnet, mit PSPICE simuliert und real aufgebaut und vermessen.


    Zunächst habe ich mit dem o.a. Link einen der 4 Quarze des Filters vermessen. Die Online-Berechnung nach der im Link vorgeschlagenen Messung der Quarzparameter ergab:


    fs = 10.237025 MHz
    fp = 10.257285 Hz
    Cs = 19.491 fF
    BP ripple = 0.5 dB (Tchebycheff)
    Poles = 4
    Target bandwidth = 1.5 kHz


    Maximum bandwidth: Bmax = 10.993 kHz (Bem.: nur informativ!)


    Center frequency: f0 = 10.237932 MHz
    Ultimate attenuation: UAtt = 125 dB
    Filter impedance: Z0 = 70.3 Ohm
    CP1 = 187 pF
    CP2 = 222.5 pF
    CS1 = 222.5 pF


    Die so errechnete Filterkurve sah dann so aus:


    Atten. A B C BW
    dB kHz kHz kHz kHz


    3 -0.75 0.75 1.5
    6 -0.8 0.8 1.6
    10 -0.88 0.86 1.74
    13 -0.94 0.91 1.85
    16 -1 0.96 1.96
    20 -1.1 1.04 2.14
    23 -1.18 1.11 2.29
    26 -1.28 1.18 2.46
    30 -1.42 1.29 2.71
    33 -1.54 1.38 2.92
    36 -1.68 1.48 3.16
    40 -1.89 1.63 3.52
    43 -2.07 1.75 3.82
    46 -2.26 1.88 4.14
    50 -2.56 2.07 4.63
    53 -2.82 2.23 5.05
    56 -3.11 2.4 5.51
    60 -3.55 2.64 6.19
    63 -3.93 2.84 6.77
    66 -4.36 3.05 7.41
    70 -5.02 3.35 8.37
    73 -5.6 3.59 9.19
    76 -6.26 3.84 10.1
    80 -7.31 4.2 11.51
    83 -8.25 4.49 12.74
    86 -9.35 4.79 14.14
    90 -11.15 5.21 16.36
    93 -12.82 5.54 18.36
    96 -14.87 5.89 20.76
    100 -18.41 6.37 24.78


    Center frequency: f0 = 10.237932 MHz


    Nachdem die Berechnung abgeschlossen war, habe ich das Filter mit PSPICE simuliert. Das geht recht gut mit dem kostenlosen und wirklich empfehlenswerten PSPICE Programm SwitcherCAD von Linear Technology. Mit dem Programm wird ein Beispiel für ein einpoliges Quarzfilter geliefert, das man recht einfach zu einem 4-poligen Ladder-Quarzfilter erweitern kann. Das entsprechende Schaltbild ist unten angehängt. Die Online-Berechnung berücksichtigt nicht den Rs der Quarze, der jedoch für die Dämpfung wichtig ist. Je kleiner die Bandbreite, desto stärker wirken sich die Rs der Quarze aus. PSPICE kann das berücksichtigen. Üblicherweise liegen diese Rs in der Größenordnung von einigen zehn Ohm.


    Den mit PSPICE simulierten Dämpfungsverlauf habe ich ebenfalls als Bilder unten angehängt. Vom PSPICE-simulierten Dämpfungsverlauf müssen nun noch 6 dB abgezogen werden, weil die Spannung am Abschlusswiderstand (70.3 Ohm ) natürlich nur halb so hoch ist, wie sie bei direkter Messung mit einem 70 Ohm Messgerät (hier: NWA) wäre.


    Dann ging es an den Aufbau des Filters und zur Vermessung. Gemessen wurde mit einem vektoriellen HP Netzwerkanalysator. Die Meßergebnisse sind ebenfalls angehängt.


    Um die 70 Ohm Impedanz abschlussrichtig zu messen, habe ich auf beiden Seiten des Filters noch 20 Ohm Widerstände in Serie geschaltet und dann die beiden Ports des NWA angeschlossen. Dadurch ergibt sich eine ca. 1.5 dB zu hohe Dämpfung, die man berücksichtigen muß.


    Wie man sieht, stimmen die online berechnete, die mit PSPICE simulierte und die am realen Filter gemessene Mittenfrequenz recht gut überein. Was nicht ganz übereinstimmt, ist die Dämpfung im Duchlass- und im Sperrbereich. Das liegt halt am realen Filter, sprich: die realen Quarze lassen sich nicht zu 100% richtig ausmessen und die 4 Quarze sind auch in ihren Daten unterschiedlich. Hinzu kommt, daß die ziemlich optimistische hohe Sperrdämpfung der PSPICE Simulation in der realen Welt natürlich nicht zu erreichen ist, weil bei über 80 dB Sperrdämpfung einfach das Übersprechen schon zu stark wird. Hinzu kommt, daß ich die Kondensatoren nicht ausgemessen habe, sondern kurzerhand 180pF und 220pF C's aus der Junk-Box verwendete.


    Trotzdem: man kann mit dem Online-Tool meiner Ansicht nach ein Filter ganz ausgezeichnet berechnen. Wenn man dann noch mit PSICE diese wirklich einfache und wenig zeitaufwendige Simulation nutzt, weiß man fast punktgenau, was für ein Filter man da erhält. Es ist also möglich, ein Ladderfilter online zu berechnen und zu simulieren. Trotzdem ist die Sache nicht unaufwendig, weil man ja die Resonanzfrequenzen zur Bestimmung der Quarzparameter messen muß. Ohne Netzwerkanalysator ist das nicht einfach.


    Ich habe dann, um das zu überprüfen, die vier Quarze des ersten Filters gegen vier andere Quarze ausgetauscht. Die Ergebnisse ähnelten sich verblüffend. Der Unterschied im Dämpfungsverlauf ist kleiner als 0,5 dB und die Mittenfrequenz war exakt gleich.


    Die Impedanzmessung des Filters ist ohne Anpassnetzwerk schwierig. Denn die 50 Ohm Impedanz des Netzwerkanalysators verbiegt die Filtercharakteristik und liefert dann falsche Ergebnisse.


    Das Filter könnte man nun noch verbessern, indem man an den Kondensatoren spielt und die Anpassung verbessert. Mit der Anpassung steht und fällt v.a. das Verhalten im Durchlassbereich. Wenn man hier nicht genau arbeitet, dann erhöht sich der Ripple. Doch auf das kam es mir in diesem Fall nicht an. Ich wollte wissen, ob die Online-Berechnung, die PSPICE Simulation und das reale Filter gleiche Ergebnisse liefern. Ich denke, das ist so und es funktioniert.


    Die Bilder im Anhang zeigen das Schaltbild mit den PSPICE Parametern und die realen Messergebnisse. Ein 4-poliges 10.24 MHz Ladderfilter mit einer Bandbreite von 1,2 kHz (für einen CW-QRP-RX meiner Ansicht nach sehr gut geeignet) hätte übrigens eine Impedanz von ziemlich genau 50 Ohm.


    55 es 73
    Rolf
    DL6MBI

    Angeregt durch Peters Experimente habe ich auch ein Ladder Filter aufgebaut.
    Ich hatte noch 4 Quarze 10,7 MHz liegen und habe zunächst mit Hilfe von


    "http://www.giangrandi.ch/electronics/crystalfilters/xtaltest.html"


    die Parameter der Quarze ermittelt.


    Das Berechnungsprogramm


    "http://www.giangrandi.ch/electronics/crystalfilters/xtalladder.html"


    lieferte die Werte für die Kondensatoren.


    Da der Z-Wert bei einer Bandbreite von 1,5 kHz 50,1 Ohm betragen sollte
    und ich auch eine Filterbandbreite von ca. 1kHz benötigte,
    habe ich das Filter entsprechend aufgebaut.



    Vom Programm errechnete Werte:



    Atten. A B BW
    dB kHz kHz kHz

    3 -0.75 0.75 1.5
    6 -0.8 0.8 1.6
    10 -0.88 0.86 1.74
    13 -0.93 0.91 1.84
    16 -1 0.96 1.96
    20 -1.1 1.04 2.14
    23 -1.18 1.11 2.29
    26 -1.28 1.18 2.46
    30 -1.42 1.29 2.71
    33 -1.54 1.39 2.93
    36 -1.68 1.49 3.17
    40 -1.88 1.64 3.52
    43 -2.06 1.76 3.82
    46 -2.25 1.89 4.14
    50 -2.55 2.08 4.63
    53 -2.8 2.24 5.04
    56 -3.09 2.41 5.5
    60 -3.52 2.66 6.18
    63 -3.89 2.86 6.75
    66 -4.31 3.07 7.38
    70 -4.96 3.37 8.33
    73 -5.52 3.62 9.14
    76 -6.16 3.88 10.04
    80 -7.18 4.25 11.43
    83 -8.08 4.54 12.62
    86 -9.13 4.85 13.98
    90 -10.83 5.28 16.11
    93 -12.4 5.63 18.03
    96 -14.3 5.98 20.28
    100 -17.55 6.48 24.03
    Center frequency: f0 = 10.698617 MHz


    Tatsächlich ermittelte Bandbreite:


    dB kHz
    3 1,148
    6 1,394
    60 6,576


    Die mit dem NWT ermittelte Durchlasskurve,
    die Schaltung sowie ein Foto des Filters habe ich als Anlage beigefügt


    Ich bin restlos begeistert.


    73 Rainer


    Rainer,
    mit welchen tatsächlichen C-Werten ist Dein Filter bestückt?
    Hast Du genäherte Werte derE??-Reihe genommen oder verbergen sich unter dem Bord noch parallel geschaltete Cs (glaube ich nicht)?
    tnx info, 73!
    Tom . .-

    72/73, Tom 4 . .-


    Das schöne an einheitlichen Standards ist, dass man so viele verschiedene zur Auswahl hat.

    Hallo Tom,


    ursprünglich hatte ich vor, Kondensatoren parallel zu schalten. Aber dann habe
    ich die Kondensatoren ausgemessen und dabei welche gefunden, die bis auf 2 bis 3 pF mit den geforderten Werten übereinstimmten.


    Von 30 Kondensatoren, 330pF, hatte die Masse nur 250 bis 270 pF aber ein paar waren doch zu gebrauchen. Das Gleiche mit Kondensatoren die angeblich 270pF haben sollten.


    Etwas mühsehlig aber erfolgreich.


    73 Rainer

    Danke für die schnelle Antwort,
    sehr informativ und ein Grund mehr, vor dem unkritischen Einbau an kritischer Stelle lieber einmal mehr zu messen ;)
    Tom . .-

    72/73, Tom 4 . .-


    Das schöne an einheitlichen Standards ist, dass man so viele verschiedene zur Auswahl hat.

    Hallo Horst,


    ich habe Dein DOS Programm mit den gleichen Eingabewerten mal ausprobiert. Es läuft gut unter Windows XP, aber ich habe einige erhebliche Abweichungen festgestellt.


    Cp1 nach Deinem Programm 190,4 pF gegenüber 250,7 pF
    Impedanz bei Dir 121,4 Ohm gegenüber 50,1 Ohm


    Wie berechnest Du Cs und Cp? Hast Du dafür auch ein kleines Hilfsprogramm?


    Zum Vergleich,
    die von mir eingesetzten Quarze haben folgende Werte:


    fp = 10,71902 MHz
    fs1 = 10,70536 MHz (10pF)
    fs2 = 10,70158 MHz (27pF)
    fs3 = 10,69771 MHz


    Cs = 24,893 fF
    Ls = 8,892 mH
    Cp = 6,248 pF


    73, Rainer

    vvom Verfasser gelöscht.

    Einmal editiert, zuletzt von dl5sdc ()

    Hallo Horst,


    Du hast die Wette gewonnen.
    Die "w=0,5dB" hatte ich in den Skat gedrückt, jetzt stimmen die Werte überein.


    Meine andere Frage nach der Berechnung von Cs, Ls und Cp hat noch einen anderen Grund!
    Unter "http://www.giangrandi.ch/electronics/crystalfilters/xtaltest.html" findet man den Schaltungsaufbau zum messen von fp, fs1, fs2 und fs3 sowie ein Programm, um daraus die Quarzparameter zu ermitteln.


    Mit meinen 10,7 MHz Quarz habe ich so die Werte


    Cs = 24,893 fF
    Ls = 8,892 mH
    Cp = 6,248 pF


    erhalten.


    Wenn ich die Werte "zu Fuß" (mit kleiner Excel Unterstützung) ermittel komme ich auf


    Cs = 16,885 fF
    Ls = 13,390 mH
    Cp = 3,715 pF


    Trage ich Vergleichswerte (von Wolfgang Schneider) in meine Tabelle ein, stimmen die Berechnungen überein.


    73 de Rainer

    Einmal editiert, zuletzt von DM2CMB ()

    vom Verfasser gelöscht.

    5 Mal editiert, zuletzt von dl5sdc ()

    Hallo Günter,


    beim zweiten, von mir errechneten Wert hatte ich einen Tippfehler beo Cp.


    Im Quarzersetzschaltbild mischt auch Cp, bei der Ermittlung der Serienresonanz von Cs und Ls, noch geringfügig mit.
    Ich beide Serienresonanzen nochmal ausgerechnet und bin kein bischen schlauer.


    die ersten Werte nach giangrandi
    0,024893 pF in Reihe mit 6,248 pF und 8,892 mH ergeben 10,73 MHz


    meine Werte
    0,016885 pF in Reihe mit 3,715 pF und 13,39 mH ergeben 10,609 MHz


    73 Rainer