„4046“ zu verstehen, kann man folg - SIA-2010

Dr. O. Michele
Frequenzmodulation
SIA 2010
22.09.2010
Um die Funktionsweise des Bausteins „4046“ zu verstehen, kann man folgende
grundlegenden Messungen an den Testplatinen vornehmen. Die Testplatinen haben keine
Leuchtdioden oder Lichtempfänger, sondern sind direkt elektrisch miteinander verbunden.
Gemein mit den richtigen Übertragungsstrecken haben sie jedoch, dass die Information
mittels Frequenzmodulation übertragen wird.
Vollständige Schaltung
Testschaltung
An der Testschaltung sollen die folgenden Messungen durchgeführt werden.
1. Die beiden Schaltungen werden jeweils an eine Energiequelle angeschlossen (Pol „+815 V“ und „GND“.
2. Die Steckbrücke wird entfernt und gut aufgehoben. Jetzt liegt am Eingang des IC 4046
2,5 Volt Spannung an. Diese Spannung wird mit einem normalen Spannungsmessgerät
gemessen an den Polen „VCO in“ und „GND“.
3. Nun kann an den Polen „Signal“ und „GND“ das zu sendende Signal mit einem
Oszilloskop sichtbar gemacht und die Frequenz bestimmt werden (oder es wird später
eine Leuchtdiode damit betrieben).
Tipps zur Messung:
• Beim Anschließen an die Energiequellen auf die Polung achten!
• Der schwarze Anschluss des Oszilloskops muss an „GND“ angeschlossen
werden. Der rote Anschluss ergibt sich dann zwangsläufig...
• Mit dem Oszilloskop kann die Periodendauer eines regelmäßig
wiederkehrenden elektrischen Signals bestimmt werden. Dazu bestimmt man
den Abstand von zum Beispiel zwei Maxima in Zentimetern (z. B. 6 cm) auf
dem Schirm (mit dem Drehknopf für die Zeitablenkung passend einstellen).
Zusammen mit der Information über die Zeitablenkung (z. B. 10 ms/cm) wird
nun die Zeit bestimmt, die zwischen der Messung zweier Maxima liegt (hier
60 ms).
• Aus der Periodendauer lässt sich die Frequenz mit der Formel
1
1
1
f= =
=
= 16, 6Hz berechnen.
T 60ms 0, 06s
Dr. O. Michele
Frequenzmodulation
SIA 2010
22.09.2010
Arbeitsaufträge
1. Schließen Sie die Schaltungen an die Energiequellen an. Stellen Sie die
Strombegrenzung auf 2 A und die Spannung auf 10 V.
2. Schließen Sie das Oszilloskop an „Signal“ und „GND“ an.
3. Entfernen Sie (falls noch nicht geschehen) die Steckbrücke.
4. Nehmen Sie nun die erste Periodendauer auf und berechnen Sie daraus die
Ruhefrequenz f=
5. Nun wird die zu übertragende Frequenz in Abhängigkeit von der Eingangsspannung
gemessen. Später ist die Eingangsspannung das elektrische Signal aus dem mp3Player.
a. Die Steckbrücke wird auf „DC“ gesteckt.
b. Mit dem Regler P1 kann jetzt die Spannung von 0 V bis 5 V eingestellt und an
„VCO in“ und „GND“ gemessen werden.
c. Füllen Sie nun die folgende Tabelle mit Messwerten bzw. Rechenergebnissen:
Spannung „VCO in“
in Volt
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Periodendauer T in µs Frequenz „SIGNAL“
in kHz
6. Bis jetzt wurde nur die Modulation („Verschlüsselung“) untersucht. Im Empfänger
muss aus der hochfrequenten Spannung wieder die ursprüngliche Spannung (0 V bis
5 V) hergestellt werden („Entschlüsselung“). Dazu wird das Oszilloskop nicht mehr
benötigt (abklemmen und zurückbringen). Es wird wie vorher die Spannung an „VCO
in“ gemessen. Als zweites wird mit einem weiteren „normalen“ Spannungsmessgerät
die Spannung an der Empfängerplatine zwischen den Polen „DEMO 2“ und „GND“
gemessen.
Spannung
„VCO in“ in
Volt
0,0
0,5
1,0
1,5
Spannung
„DEMO 2“ in
Volt
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Erläuterungen zur Frequenzmodulation
Dr. O. Michele
SIA WF 2010
22.09.2010
Um die Funktionsweise der Übertragungsstrecke zu verstehen, muss die Frequenzmodulation
verstanden werden. Die Messungen an der Testplatine tragen einen Teil dazu bei. Hier werden
die Ergebnisse erläutert.
Am Kopfhörerausgang eines mp3-Players liegt eine sich dauernd ändernde Spannung an.
Diese bewirkt beim Kopfhörer eine genau dazu passende Bewegung der Membran. Die Luft
wird dadurch zu Schwingungen versetzt, die das Ohr als Musik wahrnimmt.
Das elektrische Signal des mp3-Players muss nun Stück für Stück umgewandelt werden, um
per Licht übertragen werden zu können.
Zu jeder Eingangsspannung (in einem bestimmten Moment könnte die Spannung des mp3Players zum Beispiel 0,2 V sein) am IC 4046 gibt es eine Ausgangsfrequenz in Form eines
Rechtecksignals. Das „Rechteck“ bedeutet hier, dass es nur 0 V Spannung und circa 2 V
Spannung ohne Zwischenwerte gibt. Wenn man damit eine LED betreibt, ist sie entweder aus
oder an. Man erhält so ein sehr schnelles Aufblitzen hintereinander. Die Zeit für einen
Lichtblitz inklusive einer Pause bezeichnet man als Periodendauer T und den Kehrwert davon
als Frequenz f.
Die Messungen zeigen nun, dass der Baustein verschiedene Frequenzen f liefert, wenn sich
die Eingangsspannung (im Bereich von 0 V bis 5 V) ändert.
Wenn man an den Eingang des IC 4046 nun also eine sich ständig ändernde Spannung aus
einem mp3-Player anlegt, so ändert sich am Ausgang des IC 4046 ständig die Frequenz der
Spannung und damit die Frequenz des Lichts.
Auf der Empfänger-Seite wird nun das Licht eingefangen und die Frequenzen werden wieder
in Spannungen umgewandelt, die mit einem Kopfhörer angehört werden können.
Abbildungen zu den einzelnen Vorgängen folgen.
Links:
http://de.wikipedia.org/wiki/Frequenzmodulation
http://www.elektroniktutor.de/signale/fm.html
Demonstrationsplatten Noack (Ostfalia)
Spannung VCO in Volt
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
Sende-Frequenz in kHz
16,23
20,92
142,86
277,78
399,54
510,2
598,09
609,76
612,24
Frequenzmodulation
Sende-Frequenz in kHz
700
600
500
400
300
200
100
0
0
1
2
3
4
Spannung VCO in Volt
5
6