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
Vielleicht schaut er ja auch mal hier in dieses Forum, was mit Selbstbau alles möglich ist.