Filter im GSV-8

Messverstärker mit Schnittstelle (USB, RS232, CANBVus, Bluetooth, GPRS, ...)
Serie GSV-2, GSV-3, GSV-4
Sebastian

Filter im GSV-8

Beitragvon Sebastian » Di 31. Mär 2015, 12:17

Hallo,

ich habe gehört, der GSV-8 verfügt über zahlreiche Möglichkeiten zur Filterung der Daten.
Welche Filter (analog, digital) gibt es?

Viele Grüße
Sebastian

Kabelitz
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Re: Filter im GSV-8

Beitragvon Kabelitz » Di 31. Mär 2015, 14:07

Hallo,

Es gibt beim GSV-8 prizipiell vier Filter, bzw. als Filter wirksame Funktionseinheiten:
1. Das analoge Vorfilter.

Dies ist ein analoger RC-Tiefpass erster bzw zweiter Ordnung, der u.a. die Aufgabe eines Anti-Aliasing-Filters hat.
Es hat drei mögliche (-3dB) Grenzfrequenzen fg= 28 Hz, 850Hz und 12kHz. Die 28Hz und 850Hz sind parametrierbar,
d.h. zuschaltbar per Terminalprogramm. 12kHz sind nicht abschaltbar; dieses ist das obligate Grund-Anti-Aliasing-Filter
des AD-Umsetzers, der fest eingestellt 48000 Samplings/s aller 8 Kanäle liefert (dh Summenabtastrate 384000/s).
Wenn fg= 28Hz oder 850Hz eingestellt ist, hat es von dort bis ca 12kHz einen Dämpfungsverlauf erster Ordnung (d.h. 6dB/Oktave) und ab ca 12kHz einen Verlauf zweiter Ordnung (ca 12dB/Oktave). Sonst ab 12kHz erster Ordnung.
Das analoge Vorfilter kann so konfiguriert werden, dass mit Einstellung der Ausgangs-Datenrate Fdata (siehe 2.) seine drei
möglichen Grenzfrequenzen automatisch gewählt werden, und zwar:
fg= 28Hz, wenn Fdata <= 80 Messwertframes/s
fg= 850Hz, wenn Fdata <= 3000 Messwertframes/s
fg= 12kHz sonst.

2. Das Tielpassfilterverhalten der Dezimationseinheit.
Hiermit wird die o.g. Grundsamplingrate
von 48000 Messwertframes/s auf die vom Benuutzer eingestellte Ausgangsdatenrate heruntergemittelt.
Seine Grenzfrequenz liegt z.Zt. bei etwa 0,44 * Ausgangsdatenrate. Es kann nur durch Einstellung
der Ausgangsdatenrate quasi konfiguriert werden, ist aber prinzipbedingt nicht abschaltbar.

3. Das konfigurierbare IIR-Filter.
Seine Ordnung (=Anzahl der Koeffizienten im Zähler der Übertragungsfunktion)
ist fest auf 4 eingestellt und sein Typ wählbar: Tiefpass, Hochpass, Bandpass oder Bandsperre.
Seine Grenzfrequenz(en) sind ebenfalls einstellbar. Es ist individuell pro Kanal zu- oder abschaltbar.
Es wirkt auf der o.g. Ausgangsdatenrate, d.h. hinter der in 2. genannten Dezimationseinheit.

4. Das konfigurierbare FIR-Filter.
Sein Filtertyp ist fest auf Tiefpass gesetzt
(die Konfiguration als Bandsperre oder Bandpass wäre theoretisch möglich, praktisch aber wirkungslos, da die Ordnung einer wirksamen Bandsperre viel höher als 14 sein müsste, nämlich ca >=100).
Es ist individuell pro Kanal zu- oder abschaltbar.
Es wirkt auch auf der o.g. Ausgangsdatenrate, hinter dem in 3. genannten IIR-Filter.
Die Filterordnung (=Filterlänge-1, d.h. Koeffizientenanzahl-1) ist einstellbar
auf folgende Ordnungen: 4, 6, 8, 10, 12 oder 14.

Je höher die Ordnung, desto niedriger darf das Verhältnis aus (Ausgangs-) Datenrate Fdata
und Grenzfrequenz fg sein, und zwar minimal:
Ordnung fg/Fdata min
14 0,05
12 0,06
10 0,07
8 0,09
6 0,12
4 0,18
Eine höhere Ordnung bedeutet andererseits eine längere Sprungantwort (nämlich: Ordnung+1 Messwerte), was besonders bei niedrigen Datenraten zu einem sehr trägen Verhalten führt.

IIR- und FIR-Filter sind voneinander unabhängig, d.h. kombinierbar.

Alle Einstellungen können zunächst mit dem mitgelieferten Terminalprogramm vorgenommen werden.
Dieses kann als Zusatzfunktion das Filter simulieren; die Ausgabe der Frequenz- und Sprungantwort
erfolgt als Texttabelle.
Die Verwendung eines Softwaremoduls als API (eine Windows-DLL mit kommentiertem Header) ist möglich,
können wir Ihnen schicken, wenn Sie selbst ein Anwendungsprogrammm o.ä. (zB Excel-Makro) erstellen wollen.

Viele Grüße

Kabelitz
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Re: Filter im GSV-8

Beitragvon Kabelitz » Sa 16. Mai 2015, 09:12

Vergleich von FIR und IIR Filter

Vergleich von FIR und IIR Filter

Das FIR Filter kann man in seiner Funktion auch mit der Bildung eines gewichteten gleitenden Mittelwertes vergleichen:
Der aktuelle Messwert und zurückliegende Messwerte werden mit individuellen Faktoren multipliziert und
zusammenaddiert. Das Ergebnis ist der Ausgangswert.
Die Anzahl der zurückliegenden Messwerte, die für die Berechnung zugrundegelegt werden, nennt man die Ordnung des FIR-Filters.
Je höher diese ist, d.h. je mehr zurückliegende Werte verwendet werden, desto besser kann die Filterwirkung sein.

Durch die Verrechnung mit vergangenen Werten ergibt sich eine Verzögerung beim
gefilterten Signal gegenüber dem ungefilterten Signal. Der Nachteil des FIR
Filters ist, dass der Rechenaufwand für eine "steile Filterkurve" sehr hoch
wird.

Bei der FIR Filterung treten aber keine Verzerrungen des ursprünglichen Signals
auf. Man spricht von einem "linearen Phasengang" und einem "frequenzunabhängigen
Frequenzgang" aufgrund einer "konstanten Gruppenlaufzeit".

Das IIR Filter enthält im Gegensatz zum FIR Filter auch "Rückkopplungen": Beim
IIR Filter werden die berechneten Werte erneut dem Filter zugeführt, genau wie
bei einem Operationsverstärker mit Rückkopplung bzw. einem aktiven Analogfilter.
Das FIR Filter gleicht dagegen in der Struktur eher einem passiven Analogfilter.

Der Vorteil des IIR Filters ist, dass durch die Rückkopplung mit geringem
Rechenaufwand eine steilere (effektivere) Filtercharakteristik erreicht wird.
Der Nachteil des IIR Filters ist, dass es unter Umständen instabil werden kann
(wenn man bei der Entwicklung der Filterfaktoren die Stabilität nicht geprüft hat)
und es dadurch zu einem Oszillator wird, d.h. ein ungewünschtes Signal erzeugt.

Ein weiterer Nachteil liegt im unlinearen Phasengang, d.h, dass die zeitliche
Verzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal auf unlieare Weise von der Nutzsignalfrequenz abhängt.

Der Name kommt von Inifinite Impulse Response, denn durch die Rückkopplung
liefert das IIR Filter eine (theoretisch) unendliche Impulsantwort, während das Finite Impulse
Response Filter (FIR Filter) eine endliche Impulsantwort liefert.

Stark vereinfachend kann man sagen, dass ein IIR Filter vierter Ordnung etwa die
gleiche Steilheit in der Filtercharakteristik wie ein FIR Filter zehnter Ordnung
liefern kann.

Mit Hilfe des FIR Filters kann man die Anzahl der Werte dezimieren. Die einfache Bildung des Mittelwertes ist ein dezimierendes Filter.
Beim IIR Filter ist die Anzahl der Ausgangswerte immer gleich der Anzahl der Eingangswerte aufgrund der Rückkopplung.

Weitere Informationen:
http://www.eit.hs-karlsruhe.de/mesysto/ ... phase.html

http://www.itwissen.info/definition/lex ... ilter.html


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