Was bedeutet Grenzfrequenz?

Erklärung zu den Signalfiltern bei Messverstärkern

Bei Messverstärkern mit Analogausgang wird in der Regel ein Tiefpassfilter eingesetzt. Aber auch die elektronischen Bauteile, wie z.B. Entstörschutz, oder auch die Instrumentenverstärker haben die Eigenschaft eines Tiefpasses: Signalanteile höherer Frequenz werden weniger verstärkt, als Signalanteile mit niedrigen Frequenzen (das Verstärkungs-Bandbreite Produkt des Instrumentenverstärkers ist hierfür verantwortlich. 

In der Regel setzt man absichtlich Tiefpässe mit Grenzfrequenzen deutlich unterhalb der Möglichkeiten eines Instrumentenverstärkers ein. Grenzfrequenz bedeutet: ein Signal mit dieser Frequenz wird nur noch mit ca. 70% gegenüber der eigentlich erwarteten Amplitude abgebildet. Die "Ordnung" des Tiefpassfilters beschreibt außerdem, wie stark die Amplitude mit zunehmender Frequenz verrmindert (gedämpft) wird. Die Ordnung beschreibt dabei die Steilheit der Filterkennlinie. Üblich bei Messverstärkern mit Analogausgang sind Filter dritter Ordnung. Bei einem Filter dritter Ordnung beträgt die Dämpfung -20dB pro Dekade: Bei einer Zunahme der Frequenz um den Faktor 10 sinkt die Amplitude um den Faktor 1000.

Der Grund für den Einsatz eines Filters besteht darin, dass durch das Filter die statistische Streuung der Signale verringert wird: Die Rauschamplitude wird verringert, wenn die "Bandbreite", also der Bereich an Frequenzen, die das Filter ungedämpft passieren dürfen, eingeschränkt wird. Die Auflösung des Messverstärkers wird dadurch verbessert. Als Fautregel gilt: Ein Zehntel der Bandbreite vermindert die Rauschamplitude um den Faktor 3. Das gilt insbesondere dann, wenn im Signal alle Freuenzanteile gleichmäßig enthalten sind.

Üblicherweise gibt es einzelne herausragende Freuenzanteile innerhalb des Rauschens: z.B. 50Hz für Einstreuungen aus dem Netz.

Bei der Auswahl des Tiefpassfilters sollte die Grenzfrequenz wenigstens 5-fach oberhalb der zu messenden Signalfrequenzen liegen, damit das Messergebnis nicht verfälscht wird. Das Tiefpassfilter sollte so niedrig wie möglich und so hoch wie nötig gewählt werden.

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