Praktikum Elektronische Schaltungstechnik

Praktikum Elektronische Schaltungstechnik
Versuch: ST10 Signalgeneratoren
Vorbereitung
1. Wiederholen sie Grundlagen und Berechnung der Generatorschaltungen!
Sinus-Generatoren
Eine Schwingung entsteht, wenn in einem Mitgekoppelten Regelkreis die beiden
Bedingungen: Schleifenverstärkung =1 und Phasenverschiebung =0 ist zwischen
Eingangs- und rückgekoppeltes Signal. Die praktischen Realisierungen dieser Bedingung
stellen die RC- und LC-Oszillatoren dar. LC-Oszillatoren werden dabei typische für
höhere Frequenzen (10kHz bis 1GHz) verwendet, RC-Oszillatoren für niedrige. Da vor
allem RC-Oszillatoren zu der gewünschten Sinusspannung auch noch viele Verzerrungen
hervorrufen, findet zudem häufig eine Amplitudenstabilisierung mit einer komplexen
Regelschaltung statt. So werden Störungen durch Verzerrungen (Oberwellen) und
Temperaturänderung vermieden, sowie ein sicheres Einschwingen beim Einschalten
gewährleistet. Zum Einschwingen muss die Schleifenverstärkung zunächst größer als 1
sein und dann zusehends auf =1 heruntergeregelt werden.
Beim Colpitts-Oszillator in Abb. 2 entsteht eine Schwingung im Schwingkreis, der von L,
C1 und C2 gebildet wird. Da aber C1 einiges größer als C2 im Dimensionierungsbeispiel
ist, bestimmen vor allem nur C2 und L die Frequenz. Zwischen den Kondensatoren wird
das Signal auf den Emitter des Transistors rückgekoppelt, der den Verstärker des
Oszillators repräsentiert. Das Signal ist phasengleich mit dem Kollektorstrom und da der
Transistor in Basisschaltung betrieben wird, ist auch seine verursachte
Phasenverschiebung gleich 0°. Durch die Stromgegenkopplung mit RE wird eine
Schleifenverstärkung eingestellt, die beim Einschwingen zunächst größer ist als 1 und
dann beim erreichen der gewünschten Amplitude auf gleich 1 heruntergeregelt wird.
Damit sind die Schwingbedingungen erfüllt und die Schaltung liefert eine stabile
Sinuskurve.
Die Dimensionierungen für 5.1 lauten
U −U R2
U
U + I E ⋅ RE
= 4,77 kΩ
= 9,44kΩ
R2 = R 2 = BE
R1 = CC
Iq
Iq
Iq + IB
fS =
CC
1
1
→C =
= 9nF = 1 2 → C 2 = 9,9nF
2 2
C1 + C 2
4π f S L
2π L ⋅ C
Rechteck-Generatoren
Rechteckgeneratoren erzeugen eine Rechteckschwingung und realisieren so die Funktion
eines Umschalters. Die Schaltung in Abb. 3 funktioniert auf folgende Weise. Nach dem
Einschalten ist die Kapazität ungeladen, so dass am invertierenden Eingang
Massepotential anliegt. Wir nehmen jetzt an, dass am Ausgang High-Pegel erscheint (es
könnte aber auch Low-Pegel nach dem Starten auftreten). Über R1 fällt nun eine Spannung
R1
ab, wodurch sich nun auch C auf diese Spannung langsam auflädt. Wenn er
U High
R1 + R2
diese erreicht hat, klappt die Ausgangsspannung auf Low-Pegel um. Nun fällt über R1 die
R1
ab, wodurch sich auch C wieder gezwungen sieht, diesen Wert
R1 + R2
anzunehmen. So lädt sich C negativ auf, bis er diesen Wert erreicht hat, der
Verstärkerausgang kippt auf High-Pegel um und alles beginnt wieder von vorn. Dieser
Vorgang aus langsames Ansteigen am Eingang und plötzliches Umkippen am Ausgang
hat zur Folge, dass am Eingang des OPV ein Dreiecksignal anliegt und am Ausgang ein
Rechtecksignal heraus kommt.
Die Dimensionierung für 5.2 lautet
1
→ C = 100,7 nF
fS =
 2 R1 

2 RC ⋅ ln1 +
R2 

Spannung U Low
Der astabile Multivibrator in Abb. 4 ist das digitale Pendant zu der analogen Schaltung
oben. Hier wurde die Regelschleife mit Gattern, genauer gesagt, mit Invertern realisiert.
Wenn zwischen den ersten beiden Gattern, also dort wo R angeschlossen ist, High-Pegel
anliegt, folgt nach dem zweiten Gatter, da wo C angeschlossen ist, Low-Pegel. Dadurch
lädt sich die Kapazität soweit auf, bis der Umschaltpegel vom ersten Gatter erreicht ist.
Dann liegt an R unten Low-Pegel an und C entlädt sich wieder bis der Umschaltpegel
unterschritten wird. Das dritte Gatter dient nur zur Impulsformung, damit am Ende auch
ein Ordentliches Rechtecksignal heraus kommt.
Die Dimensionierung für 5.3 lautet
1
→ C = 48,1nF
fS =
3RC
Dreieck-Generatoren
Beim Dreieck-Generator ist dem Rechteckgenerator ein Integrator nachgeschaltet, der aus
dem positiven bzw. negativen Pegel eine linear steigende bzw. fallende Gerade macht.
Funktionsgeneratoren
Funktionsgeneratoren liefern gleich mehrere Signalformen auf einmal. Dazu besitzen sie
Ausgänge für Rechteck-, Dreieck- und Sinusschwingungen. Sie werden heutzutage in
integrierten Schaltkreisen realisiert, die in einem großen Frequenzbereich arbeiten und
zusätzlich gute Amplitudenstabilisierung bieten.
2. Beschreiben sie die Arbeitsweise des Timers 555 und seinen Einsatz in einem
astabilen Multivibrator!
Der Timer 555 besitzt intern zwei Komparatoren, deren Vergleichsspannung von einem
symmetrischen Spannungsteiler, bestehend aus 3 gleichen Widerständen, geliefert wird.
Am Plus-Eingang des Komparators K1 (siehe Abb. 7) ist somit eine Vergleichsspannung
von UCC/3 angeschlossen, sein Ausgang wird auf den Setzeingang eines RS-Flipflops
geführt. So lange die Spannung am Minus-Eingang kleiner ist als die Vergleichsspannung,
ist der Komparatorausgang 1, das Flipflop wird gesetzt und der Ausgang des Timers ist
High. Am Minus-Eingang des Komparators K2 liegt die Vergleichsspannung 2UCC/3 an.
So lange die Spannung am Plus-Eingang kleiner ist als die Vergleichsspannung, ist der
Ausgang des Komparators 0 und das Flipflop wird nicht auf 0 zurückgesetzt. Wenn sie
aber größer wird, geht das Flipflop und der Timerausgang auf 0.
Neben den Eingängen für die Spannungen an den Komparatoren, besitzt der Timer auch
noch Eingänge für Masse, Betriebsspannung, einen low-aktiven asynchronen Reset und
einen Prüfeingang.
Damit der Timer als astabiler Multivibrator arbeitet, wird er außen mit Widerständen und
einen Kondensator beschaltet. Diese bestimmen auch gleichzeitig die Frequenz, mit dem
der Multivibrator schwingen soll. Im Dimensionierungsbeispiel ergibt sich ein Widerstand
R
1
1
von f S =
→ Rb =
− a = 71,9kΩ .
(ln 2) ⋅ (Ra + 2 Rb ) ⋅ C
2 f S C ln 2 2
Nach dem Einschalten ist die Kapazität ungeladen und somit liegt an beiden
Komparatoren eine Spannung von 0V an. Da diese kleiner ist als 2UCC/3 und UCC/3 ist der
Reseteingang des FF gleich 0 und der Setzeingang 1. Dadurch wird das FF und der
Ausgang auf High gesetzt. Nun steigt die Kondensatorspannung. Zunächst übersteigt sie
den Wert von UCC/3, wodurch das Setzsignal auf Low geht, der FF bleibt aber weiterhin
High am Ausgang. Erst wenn die Kondensatorspannung 2UCC/3 erreicht hat, wird das
Reset High und setzt den FF, und damit den Ausgang, auf Low zurück. Der OD Ausgang
wird damit aber auch gleichzeitig Low, wodurch die Kapazität wieder auf einen Wert
unter UCC/3 entladen wird. Dann wird das FF wieder gesetzt und die Periode geht von
vorne los.
Da das asynchrone Reset immer auf Betriebsspannungspotential liegt, wird nie ein solches
am FF ausgelöst.
(Definition folgender Begriffe im obigen Text: Low=0= gewöhnlich Massepotential;
High=1= gewöhnlich Betriebsspannung)
3. Erklären sie die Arbeitsweise des Funktionsgenerators MAX 038!
Er kann Rechteck-, Dreieck- und Sinussignale generieren. Am Ausgang erscheint dann
jeweils die jenige Form, die man über die Steuereingänge A0 und A1 ausgewählt hat. Mit
einer symmetrischen Betriebsspannung von +/-5V liefert er eine feste Amplitude von 2V.
Die Frequenz kann man in einem Bereich von 0,1Hz bis 20MHz mit Hilfe des externen
Kondensators CF und einer Spannung an FADJ wählen. Das Tastverhältnis wird über eine
Spannung am DADJ Eingang eingestellt. Da diese beiden Spannungen auch dynamisch
seien können, ist es sehr leicht, ein frequenz- oder pulsweitenmoduliertes Signal mit
diesem Funktionsgenerator zu erzeugen.
Der Lade- und Entladestrom des Kondensators wird über den Eingang IIN gesteuert. Eine
einfache Möglichkeit, um die benötigten Ströme und Spannungen zu erzeugen, bietet eine
interne Referenzspannungsquelle von 2,5V. Mit ihr und weiteren externen Widerständen,
kann man alle benötigten Eingangssignale erzeugen. Für das Dimensionierungsbeispiel
erhält man so für den gesuchten Widerstand:
VIN [mV ]
Für 600kHz: Rin [kΩ] =
= 50,8kΩ
F0 [MHz ]⋅ C F [ pF ]
(für 1Hz: Rin [kΩ] = 30,5 ⋅10 6 kΩ , für 10MHz: Rin [kΩ] = 3kΩ )
Zusätzlich zu den genannten Anschlüssen besitzt der Schaltkreis auch noch Ein- und
Ausgänge um sich mit anderen (PDI, PDO) oder andere mit sich (SYNC) zu
synchronisieren.
4. Prüfen sie ihre Schaltungsdimensionierung mit PSPICE!
Für 5.1 wurden folgende Werte ermittelt:
Die simulierte Frequenz beträgt 50kHz bei R1 = 10kΩ , R2 = 4,7 kΩ und C 2 = 9,9nF . Mit
C 2 = 9,2nF würde man auch in der Simulation in etwa 52kHz erreichen.
Für 5.2 wurden folgende Werte ermittelt:
Die simulierte Frequenz beträgt 1,325kHz bei C = 100,7 nF . Mit C = 95nF würde man
auch in der Simulation in etwa 1,4kHz erreichen.
Für 5.3 wurden folgende Werte ermittelt:
Die simulierte Frequenz beträgt 27,25kHz bei C = 48,1nF . Mit C = 63nF würde man
auch in der Simulation in etwa 21kHz erreichen.
Für 5.4 wurden folgende Werte ermittelt:
Die simulierte Frequenz beträgt 0,994kHz bei Rb = 71,9kΩ . Das ist fast genau die
Frequenz (1kHz), die die Schaltung erreichen sollte.
Durchführung
1. Dimensionieren sie den COLPITTS-Oszillator für IE=4,2mA, UBE=0,65V,
Iq=330µA, IB=33µA und C1=100nF, und die Schwingfrequenz f S ≈ 52kHz .
Kontrollieren sie den Arbeitspunkt! Wie groß ist die Schwingungsamplitude?
Die Schwingfrequenz betrug 57,25kHz und die Amplitude Û SS = 11,2V .
2. Dimensionieren sie den astabilen Multivibrator für die Schwingfrequenz
f S ≈ 1,4kHz . Welche Kurvenform entsteht durch die Schaltung? Welche
Amplituden sind zu erwarten?
Am Ausgang entsteht ein Rechtecksignal. Die Frequenz betrug 1,307kHz und die
Amplitude Û SS = 5,6V .
3. Dimensionieren sie den astabilen Multivibrator für eine Schwingfrequenz
f S ≈ 21kHz .
Die Frequenz betrug 30,8kHz und die Amplitude Û SS = 3,8V .
4. Dimensionieren sie den astabilen Multivibrator mit dem Timer 555 für die
Schwingfrequenz f S ≈ 1kHz .
Die Frequenz betrug 974Hz und die Amplitude Û SS = 3,8V .
5. Vergleichen sie die Ergebnisse ihrer Dimensionierung mit den Messergebnissen
und der Netzwerksimulation mit PSPICE für die Aufgaben 5.1 und 5.2. Unter
welchen Voraussetzungen lassen sich auch die Schaltungen 5.3 und 5.4 mit
PSPICE simulieren?
Zu 5.1. Während die simulierte Frequenz niedriger war, als die Sollfrequenz, war die
gemessene höher. Dies kommt dadurch, dass der Emitterwiderstand sehr klein war und
der Stromfluss durch ihn zu einer nicht berücksichtigten Phasenverschiebung geführt
hatte. Um diesen auszugleichen stellte sich im Oszillator eine um 11% höhere Frequenz
ein. Die hohe Amplitude kommt durch die Resonanzüberhöhung im Schwingkreis zu
stand.
Zu 5.2. Hier ist die gemessene Frequenz nochmals ein kleines Stück (7%) niedriger, als
die simulierte. Dies kommt durch die nichtidealen Eigenschaften des OPVs, der sich doch
etwas mehr Strom gönnt, als vorgesehen.
Die Schaltungen aus 5.3 und 5.4 lassen sich mit den anderen analogen Schaltungen
simulieren, wenn man sie ebenfalls mit Transistoren nachbaut. Sie würden sonst als
digitale Bausteine auch nur rein digitales Verhalten aufzeigen, was der Realität nicht
unbedingt sehr nahe kommt.
So kommt die gemessene Frequenz der simulierten auch wesentlich näher als der
berechneten. Trotzdem dem waren die Resultate katastrophal. Gut 50% Abweichung von
den geforderten 21kHz markiert den Negativrekord aller getesteten Schaltungen. Das
kommt durch die hohen Toleranzen bei digitalen Bausteinen, weshalb sie sich für solch
hoch präzisen Aufgaben nicht so gut eignen wie die anderen Schaltungen.
Das gemessene Ergebnis von 5.4 hatte am besten mit dem Sollergebnis übereingestimmt.
Es gab nur eine minimale Abweichung.
6. Dimensionieren sie die Versuchsschaltung MAX 038 für f S ≈ 600kHz (CF=82pF,
VFADJ=0) und stellen sie über den Multiplexer die verschiedenen Signalformen
ein. Wie müsste die Schaltung aussehen, wenn sie für die Erzeugung von
Frequenzen zwischen 1Hz und 10MHz verwendet werden soll?
Für 1MHz und R = 30,5kΩ wurden für alle Signalformen (Rechteck, Dreieck, Sinus) eine
Amplitude von Û SS = 4V gemessen. Für 10MHz müsste man entsprechend einen
Widerstand von R = 3kΩ nehmen. Für 1Hz würde sich aber bei gleicher Kapazität ein
Widerstand im Gigaohm-Bereich ergeben. Deshalb sollte man hier sowohl einen großen
Widerstand (1MΩ ) wie auch eine große Kapazität (2,5µF) wählen.