Frequenzgang

Der Frequenzgang ist der Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangssignal eines linearen zeitinvarianten Systems (LZI-System) bezüglich der Amplitude und der Phase. Er ist die Fourier-Transformierte der Impulsantwort des Systems. Der Frequenzgang ist eine komplexe Funktion der Frequenz. Er gibt für sinusförmige Signale das Verhältnis zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal an.

Das Ausgangssignal hat wegen des linearen Verhaltens des Systems dieselbe Frequenz wie das Eingangssignal. Die beiden Signale unterscheiden sich jedoch in der Amplitude und in der Phase. Das Verhältnis der Amplituden von Eingangssignal und Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Frequenz ist der Amplitudengang. Der Unterschied der Phase zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Frequenz ist der Phasengang.

Allgemeines

Bei einem LZI-System beschreibt der Frequenzgang den Zusammenhang zwischen sinusförmigen Schwingungen am Ein- und Ausgang des Übertragungsglieds als Funktion der Frequenz f oder der Kreisfrequenz ω.

Frequenzantwort eines PT1-Gliedes:
Die Ausgangsamplitude ist bei höherer Frequenz kleiner.

Bode-Diagramm:
Amplituden- und Phasen-Frequenzgang eines passiven Tiefpasses oder PT1-Gliedes

Ortskurve eines passiven Tiefpasses oder PT₁-Glieds

Ein solches System hat bei harmonischem Eingangssignal

$x(t)={\hat {x}}\sin(\omega t+\phi _{x})\;$

ein harmonisches Ausgangssignal:

$y(t)={\hat {y}}(\omega )\sin(\omega t+\phi _{y}(\omega ))\;$.

Auf Grund der Linearität wird die Kreisfrequenz $\omega \;$ nicht beeinflusst. Lediglich Amplitude (${\hat {x}}\;$ → ${\hat {y}}\;$) und Phase ($\phi _{x}\;$ → $\phi _{y}\;$) werden verändert. Amplituden-Frequenzgang ist das Verhältnis

$A(\omega )={\frac {{\hat {y}}(\omega )}{\hat {x}}}$.

Phasen-Frequenzgang ist die Phasendifferenz

$\phi (\omega )=\phi _{y}(\omega )-\phi _{x}\;$.

Graphische Darstellung

Bode-Diagramm

Zur anschaulichen Darstellung des Frequenzgangs dient das Bode-Diagramm (siehe Abbildung). In je einem Graph ist der Amplituden-Frequenzgang und der Phasen-Frequenzgang dargestellt. Die Achsen sind mehrheitlich logarithmisch geteilt (außer der für die Phasenverschiebung), was den Gebrauch des Diagramms erleichtert. So ist zum Beispiel die Multiplikation zweier Frequenzgänge eine einfache Streckenaddition, und die Inversion eines Frequenzgangs ergibt sich durch Spiegelung an der f- oder ω- Achse im Diagramm.

Ortskurve

Eine alternative anschauliche Darstellung des Frequenzgangs ist seine Ortskurve. Dieses Zeigerbild enthält im Gegensatz zum Bode-Diagramm beide Informationen: Die Zeigerlänge entspricht dem Amplitudenverhältnis, sein Argument φ ist die Phasenverschiebung.

Diese Ortskurve wird auch Nyquist-Diagramm genannt. Mit der Vorstellung, dass in der (komplexen) Ebene lediglich die Spitzen eingefrorener Zeiger zur Ortskurve verbunden sind, kann der Frequenzgang ohne Kenntnis der komplexen Mathematik und der mathematischen Transformationen aus dem Zeit- in den Frequenzbereich anschaulich gemacht werden.

Fourier-Transformation

LZI-Systeme mit endlich vielen inneren Freiheitsgraden werden durch die lineare Differentialgleichung n-ter Ordnung im Zeitbereich (Zeit als Variable) beschrieben:

$y^{(n)}+a_{n-1}y^{(n-1)}+\ldots +a_{1}y^{(1)}+a_{0}y=b_{m}x^{(m)}+\ldots +b_{1}x^{(1)}+b_{0}x$.

Die Anwendung der Fourier-Transformation auf die Differentialgleichung führt zum Frequenzgang als Bild-Funktion in der komplexen Zahlenebene.

Frequenzgang $H(\mathrm {j} \omega )$ ist der Quotient aus den Fouriertransformierten $Y(\mathrm {j} \omega )$ des Ausgangs-Signals und $X(\mathrm {j} \omega )$ des Eingangs-Signals:

$H(\mathrm {j} \omega )={\frac {Y(\mathrm {j} \omega )}{X(\mathrm {j} \omega )}}={\frac {b_{m}(\mathrm {j} \omega )^{m}+\ldots +b_{1}(\mathrm {j} \omega )+b_{0}}{(\mathrm {j} \omega )^{n}+a_{n-1}(\mathrm {j} \omega )^{n-1}+\ldots +a_{1}(\mathrm {j} \omega )+a_{0}}}$.

Fourier-Rücktransformierte des Frequenzganges ist die Gewichtsfunktion oder Impulsantwort:

$g(t)={\frac {1}{2\pi }}\int _{-\infty }^{\infty }H(\mathrm {j} \omega )e^{\mathrm {j} \omega t}\mathrm {d} \omega$.

Schreibweisen des Frequenzgangs:

• mit Real- und Imaginärteil

$H(\mathrm {j} \omega )=\operatorname {Re} H(\mathrm {j} \omega )+\mathrm {j} \,\operatorname {Im} H(\mathrm {j} \omega )$ .

• mit Betrag und Phase

$H(\mathrm {j} \omega )=\left|H(\mathrm {j} \omega )\right|e^{\mathrm {j} \varphi (\mathrm {j} \omega )}$.

$\left|H(\mathrm {j} \omega )\right|={\sqrt {(\operatorname {Re} H(\mathrm {j} \omega ))^{2}+(\operatorname {Im} H(\mathrm {j} \omega ))^{2}}}$     Betrag

$\varphi (\mathrm {j} \omega )=\arctan \left({\frac {\operatorname {Im} H(\mathrm {j} \omega )}{\operatorname {Re} H(\mathrm {j} \omega )}}\right)$     Phase

Zusammenhang mit der Übertragungsfunktion

→ Hauptartikel: Übertragungsfunktion

Die Bedeutung des Frequenzgangs für LZI-Systeme beruht auf der Einfachheit seiner experimentellen Gewinnung (zum Beispiel in der Nachrichtentechnik mittels Wobbelgenerator). Er schließt aber Übergangsvorgänge nicht ein. Bei der theoretischen Behandlung des Systems ist dieser Fall mit der Übertragungsfunktion, die den Frequenzgang einschließt, erfassbar.

Mit $\sigma =0$ in $s=\sigma +j\omega$ geht die Übertragungsfunktion $F(s)$ in den Frequenzgang $F(\omega )$ über.

Wortbedeutung im weiteren Sinn

In einem allgemeineren Sinn kann mit „Frequenzgang“ auch eine andere Eigenschaft eines physikalischen Systems gemeint sein, wie zum Beispiel die Leistungsaufnahme, die Temperatur oder die Strahlungsleistung als Funktion der Frequenz. Gebräuchlicher als z. B. „Frequenzgang einer Leistung“ ist allerdings die Ausdrucksweise „Frequenzabhängigkeit einer Leistung“. Einer Quelle zufolge bezeichnet „Frequenzgang“ im Sprachgebrauch der Regelungstechniker auch das bekannte Frequenzspektrum von speziellen nichtperiodischen Anregungssignalen.

Literatur

• Heinz Unbehauen: Regelungstechnik I. Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, 1997, ISBN 3-528-83332-7.
• Jan Lunze: Regelungstechnik 1. 6 Auflage. Springer Verlag, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-70790-5.
• Wilfried Weißgerber: Elektrotechnik für Ingenieure 2. Vieweg, 2007, ISBN 978-3-8348-0191-3.

Weblinks

• Kennen Sie den Frequenzgang des Gehörs? (PDF; 112 kB)