Signalgeneratoren RC-Oszillatoren

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)
K.Krust
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1
Beispielschaltungen
Phasenschieber
Das folgende Bild zeigt die Prinzipschaltung eines Sinusoszillators mit dreigliedriger CRKette
Î Sollverstärkung muss exakt eingehalten werden
o Zu klein : Schwingung reißt ab
o Zu groß : Begrenzung
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2
Bedingungen für Phasenschiebung um 180° ( Mitkopplung ) :
1
2 ⋅π ⋅ 6 ⋅ R ⋅ C
Abschwächungsfaktor : 29 ( Ua=1/29 Ue)
a ) f=
0,7
2 ⋅π ⋅ R ⋅ C
Abschwächungsfaktor : 18,4
6
c) f =
2 ⋅π ⋅ R ⋅ C
Abschwächungsfaktor : 29
1,2
d) f =
2 ⋅π ⋅ R ⋅ C
Abschwächungsgfaktor : 18,4
b) f =
Wien-Brücke
Schwingkreis niedriger Güte
1
)
2 ⋅π ⋅ R ⋅ C
Î Ausgangsspannung Ua bei Resonanz = 1/3 Ue
Î R und C weisen jeweils gleiche Werte auf
Î Resonanz für Phasendrehung 0° ( f =
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3
Grundschaltung mit OP:
Schwachpunkt bei der Grundschaltung : Verstärkung V=3 einhalten ( Bauteiltoleranzen )
Î Verstärkungsregelung nötig .
Klirrfaktoren 0.01...0.5% erreichbar
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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
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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 RCGenerator. ( 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 f =
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1
R2
⋅
4 ⋅ R ⋅ C R1
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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)
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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
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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
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Rechteckgenerator 555
R1,R2 bestimmt das Tastverhältnis
Tastverhältnis mit P2 einstellbar
Frequenz näherungsweise :
f =
0,7
(2 ⋅ P1 + P 2 + 4,7k ) ⋅ C1
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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 :
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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 :
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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 ) .
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Zusatzbeschaltung mit Kondensatoren ( 5...100 pF)
¾ Vermeidung des Schwingens auf Oberwelle
¾ Anschwingverhalten
¾ Frequenzstabilität
¾ Beeinflussung der Frequenz ( ca. 5%)
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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)
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Versorgung mit externem Takt
Vorteil :
externe Oszillatoren sehr präzise abgestimmt erhältlich
Nutzung als Taktgenerator für mehrere Bausteine
Taktsynchronisation zwischen Bausteinen gewährleistet
Nachteil :
Preis
Platzbedarf
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Anhang : Beispielschaltung mit XR2206 ( historisch, vermutl.
Völkner Elektronik)
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