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K.Krust Signalgeneratoren.doc 1

Signalgeneratoren Generatoren gehören essentiell zu jedem Messplatz. Im Bereich der NF-Technik verwendet man vorwiegend Generatoren für Sinus, Rechteck, Impuls, Dreieck, Sägezahn. In der Digitaltechnik sind Rechtecksignale sowie Pulsfolgen von Rechtecksignale von Bedeutung. Grundsätzlich bestehen verschiedene Möglichkeiten, diese Signalformen zu erzeugen :

- RC-Generator - Funktionsgenerator - Frequenzsynthesizer

RC-Oszillatoren RC-Oszillatoren bestehen grundsätzlich aus einem RC-Netzwerk und einem Verstärker. Die Verstärkung der gesamten Einheit muss 1 sein, damit ein stabiler Schwingungszustand erreicht wird, der Verstärker muss also die Dämpfung durch das RC-Netzwerkes ausgleichen. Die Oszillatorfrequenz wird durch das RC-Netzwerk bestimmt. Der Hauptvorteil eines derartigen Generators liegt in der Oberwellenreinheit des Sinussignals ( niedriger Klirrfaktor)


Beispielschaltungen

Phasenschieber Das folgende Bild zeigt die Prinzipschaltung eines Sinusoszillators mit dreigliedriger CR-Kette

Sollverstärkung muss exakt eingehalten werden o Zu klein : Schwingung reißt ab o Zu groß : Begrenzung


Bedingungen für Phasenschiebung um 180° ( Mitkopplung ) :

a ) CR

f⋅⋅⋅⋅

=621

π

Abschwächungsfaktor : 29 ( Ua=1/29 Ue)

b) CR

f⋅⋅⋅

=π2

7,0

Abschwächungsfaktor : 18,4

c) CR

f⋅⋅⋅

=π2

6

Abschwächungsfaktor : 29

d) CR

f⋅⋅⋅

=π2

2,1

Abschwächungsgfaktor : 18,4

Wien-Brücke Schwingkreis niedriger Güte

Resonanz für Phasendrehung 0° (CR

f⋅⋅⋅

=π2

1 )

Ausgangsspannung Ua bei Resonanz = 1/3 Ue R und C weisen jeweils gleiche Werte auf


Grundschaltung mit OP:

Schwachpunkt bei der Grundschaltung : Verstärkung V=3 einhalten ( Bauteiltoleranzen )

Verstärkungsregelung nötig . Klirrfaktoren 0.01...0.5% erreichbar


Beispielschaltung ( Intermetall) Verstärker aus 2 Stufen in Emitterschaltung mit Phasendrehung 2*180°=360°=0° Dritte Stufe koppelt das verstärkte Signal am Emitter gleichphasig zur Eingangsspannung zurück Am Kollektor wird die Ausgangsspannung abgegriffen - dadurch weitgehend von der Rückkopplungsspannung entkoppelt . Klirrfaktor <0,2% Stromaufnahme ca. 35mA


Funktionsgenerator Der klassische analoge Funktionsgenerator ist weit verbreitet. Mit ihm können über einen großen Frequenzbereich (mHz…MHz) verschiedene Spannungsformen erzeugt werden. Darüber hinaus werden meist Zusatzfunktionen geboten wie Sweep, AM-, FM-modulation, Offset, Burst etc.) Funktionsprinzip : Der Funktionsgenerator besteht aus einem analogen Dreieckspannungsgenerator und einem Komparator. Prinzipiell verwendet man einen Kondensator als Integrator und eine geschaltete Stromquelle . Die Umschaltung der Quelle zum Laden des Kondensators erfolgt durch den Komparator, der bei Erreichen der Schaltschwelle in den jeweils anderen Zustand kippt. Somit erreicht man bereits die Signalformen Dreieck (Integratorausgang) und Rechteck ( Komparatorausgang) . Durch eine Diodenmatrix lässt sich das Dreiecksignal in Sinus umformen . Allerdings ist der Klirrfaktor dieser Schaltung i.a. weniger gut als beim RC-Generator. ( bei „guter“ Diodenmatrix ca. 0,5%)

In der Grundschaltung arbeitet OV1 als Schmitt-Trigger Ausgang OV1 kippt zwischen pos. und neg. Ub Ein lin. Ladestrom durch C ( proportional IR ) bewirkt einen linearen Abfall bzw. Anstieg der Ausgangsspannung von OV2 , bis OV1 wieder kippt. Die Wandlung nach Sinus erfolgt durch ein Dioden-Netzwerk

Die Schwingungsfrequenz errechnet sich mit 12

41

RR

CRf ⋅

⋅⋅=


Integrierter Funktionsgenerator XR2206 Der XR2206 ist ein kostengünstiger, seit Jahren bewährter Monolithisch integrierter Funktionsgenerator. Der gewünschte Frequenzbereich kann von 0,01Hz bis ca. 1MHz eingestellt werden. Mit externer Kontrollspannung kann die Frequenz im Verhältnis von 2000:1 gewobbelt werden. Frequenzbereich : Durch Rext wird ein Steuerstrom If eingestellt ( If = 3 V / Rext) Die Ausgangsfrequenz beträgt f = If/(3*Cext)= 1/(Rext*Cext)


Grundschaltung : Z-Diode zur Begrenzung des Rechtecks auf TTL-Pegel möglich Pin 2 liefert mit S2 offen Dreieck, bei S2 geschlossen Sinus ( Innenwiderstand ca. 600Ω) P4,P5 zur Minimierung des Klirrfaktors P2 für Amplitude Dreieck/Sinus P3 für Gleichspannungsmittelwert


Frequenzsynthesizer

Das Herz eines Synthesizers ist ein frequenzstabiler Referenzoszillator. Es werden grundsätzlich zwei Prinzipien unterschieden, das direkte und das indirekte Synthesizerprinzip. Beim direkten Prinzip wird die Oszillatorfrequenz über eine digitale Teilerschaltung direkt einem Digital-Analog-Wandler zugeführt. Das indirekte Prinzip besitzt ebenfalls den Referenzoszillator, jedoch wird die vom digitalen Ausgangsteiler abgegebene Frequenz einem phasenstarr verkoppelten Kreis (PLL=phase locked loop), bestehend aus spannungsgesteuertem Oszillator (VCO) und einem Komparator eingespeist, wo die analoge Umwandlung geschieht. Die PLL sorgt für ein sehr stabiles Ausgangssignal und wird häufig insbesondere für die Erzeugung hochfrequenterer Schwingungen verwendet. Vorteile des Synthesizerprinzips : hohe Stabilität und Reproduzierbarkeit Einfache Steuerung mit digitalen Signalen möglich


Rechteckgenerator 555

R1,R2 bestimmt das Tastverhältnis

Tastverhältnis mit P2 einstellbar Frequenz näherungsweise :

( ) 17,42127,0

CkPPf

⋅++⋅=


Oszillatoren für digitale Schaltungen

Oszillatoren mit Quarzen Quarze lassen sich durch folgende Ersatzschaltung darstellen . Bei Resonanz wird die Phasenbedingung für Mitkopplung erreicht .

(aus Nührmann, Werkbuch Elektronik ) Die folgende Schaltung zeigt einen typischen Aufbau mit einem CMOS-Inverter :


Die Schwingung am Ausgang muss über einen Pufferverstärker abgegriffen werden , da sie gegen Belastung empfindlich ist. Der Widerstand zwischen Ein- und Ausgang des Inverters dient dazu, den Baustein im analogen Bereich zu halten . Insbesondere bei Microcontrollern wird diese Schaltung häufig verwendet , wobei der Inverter intern realisiert ist und lediglich der Quarz mit der gewünschten Frequenz , sowie die beiden Kondensatoren gegen Masse extern realisiert werden müssen . Bei höheren Anforderungen bzgl. Stabilität, Temperaturgang , Toleranzen verwendet man einen integrierten Oszillator. Hier ist die Quarzschaltung einschließlich Temperaturkompensation und Ausgangsverstärkung auf einem Chip integriert . Typische Bauformen findet man als DIP14, DIP8 oder SMD . Beispiel :


Beispiel für die Takterzeugung bei einem Mikrocontroller ( i8051) interne Takterzeugung Wie die meisten Prozessoren, verfügt der 8051 über eine interne Inverterschaltung zur Takterzeugung

Intern erfolgt eine Phasendrehung um 180° . Darüber hinaus wird eine externe pos. Reaktanz benötigt für weitere 180° Phasendrehung. Dafür werden häufig Schwingquarze oder keram. Resonatoren eingesetzt. Resonatoren werden meist nur eingesetzt, wenn Kosten wichtiger sind als Frequenzstabilität und Schwingverhalten. Allerdings kamen in den letzten jahren durchaus auch Resonatoren auf den Markt, die zu Quarzen vergleichbare Qualitätsdaten erreichen . Dennoch sind Quarze gebräuchlich ( z.B. Röhrchenquarz bei Uhrenschaltungen ) .


Zusatzbeschaltung mit Kondensatoren ( 5...100 pF)

Vermeidung des Schwingens auf Oberwelle Anschwingverhalten Frequenzstabilität Beeinflussung der Frequenz ( ca. 5%)


SAW - Resonatoren (SAW – surface acoustic-wave) werden häufig in Filteranwendungen eingesetzt (TV,SAT-Receiver, Funktelefon etc. ) können aber auch Quarze ersetzen (z.B. in Garagentoröffner, Zugangssystemen, Spielzeugen)

Elektroakustischer Bandpass Verzögerungspfade, die bestimmte Frequenzen durchlassen Ein an die Elektroden angelegtes Signal erzeugt Oberflächenwellen im Piezomaterial Frequenzstabilität besser als LC-Kreis, schlechter als Quarz Halb so groß wie LC oder Quarz Niedriges Gewicht, niedrige Kosten

(edn 26.10.00)


Versorgung mit externem Takt Vorteil : externe Oszillatoren sehr präzise abgestimmt erhältlich Nutzung als Taktgenerator für mehrere Bausteine Taktsynchronisation zwischen Bausteinen gewährleistet Nachteil : Preis Platzbedarf


Anhang : Beispielschaltung mit XR2206 ( historisch, vermutl. Völkner Elektronik)

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