Variables Zustandsfilter

Für viele Zwecke ist es praktisch, wenn mehrere Filtercharakteristiken gleichzeitig zur Verfügung stehen (z.B. zum Umschalten von Hochpass auf Tiefpass oder Bandpass). Ein Universalfilter, das dieser Forderung genügt, ist das sogenannte variable Zustandsfilter (state variable filter). Die Schaltung ist aus drei Operationsverstärkern aufgebaut und stellt das elektronische Analogon eines Pendels dar. Es bietet drei Ausgänge, die Hochpass-, Tiefpass- und Bandpasscharakterisktik aufweisen. Je nach dem gewünschten Filtertyp verwendet man einen dieser Ausgänge. Die folgende Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Filters mit Verstärkung 1 und einem Impedanzniveau von 10 kΩ.

Variables Zustandsfilter 2. Ordnung

Die Dimensionierung für ein konkretes Filter geht folgendermaßen vor sich: Zuerst werden die Werte der frequenzbestimmenden Bauteile R1, C1, R2 und C2 bestimmt. Für die Grenzfrequenz gilt 1/f = 2π*R1*C1 = 2π*R2*C2, wobei R1 und R2 in einem ersten Versuch mit 10 kΩ angenommen werden und daraus die Werte der Kondensatoren berechnet werden. Nachdem die 'krummen' Werte der Kondensatoren auf Werte der Normreihe E12 gebracht sind, werden die Widerstände neu berechnet und der jeweils nächstliegende Wert aus der Reihe E96 verwendet. Die Dämpfung d des Filters wird durch den Widerstand R3 bestimmt. R3 berechnet sich aus R3 = 10000*(3-d)/d.

Die Auswahl des Operationsverstärkers für den Einsatz in einem Universalfilter der Verstärkung 1 hängt von der maximalen Signalfrequenz ab. Als Richtwerte kann man mit Operationsverstärkern des Typs μA741 Filter bis etwa 25 kHz aufbauen, mit Operationsverstärkern des Typs LM318 etwa bis 500 kHz.