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Signalquellen
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Elektronische Signalquellen
Übersicht
1. Signalgeneratoren für Niederfrequenzen ( NF )
1.1 Prinzip
1.2 Sinusnetzwerk :
2. Sinusoszillatoren
2.1 Prinzip
2.2 Mit Amplitudenstabilisierung
2.3 Wienglied als Rückkoppelungsnetzwerk :
2.4 RC-Dreher
2.5 LC-Parallelschwingkreis
2.5.1 Meißner Oszillator
2.6 Quarzoszillator (Colpitts )
3. Rechteckgeneratoren ( Multivibratoren )
3.1 mit TTL-NAND
3.2 Multivibrator mit OP als Schmitt-Trigger geschaltet :
3.3 Multivibrator mit NE555
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1. Signalgeneratoren für NF
1.1 Prinzip
Schmitt
Trigger
Uc
Integrator
Sinusnetzwerk
Ut
Ut, Uc
Ut
T-Level2
Uc
T-Level1
t
1.2 Sinusnetzwerk :
Der Sinus wird aus ‘Geraden’-Stücken zusammengesetzt. Die Anzahl der Geradenstücke bestimmt den
Klirrfaktor.
U1 <
U2 < U3
+
R1
R2
R3
Rv
-U1 > -U2 > -U3
2. Sinusoszillatoren
2.1 Prinzip
2
1
Uac
A
U1
K
U2
U3
A .. Verstärker
K .. Rückkoppelnetzwerk ( meist passiv ) zur Phasendrehung
Gestartet wird in Schalterstellung 1. Es wird K nun so eingestellt, daß die Ausgangsspannung U3 die gleiche
Phase und Amplitude hat wie U1. Dann kann auf Schalterstellung 2 umgeschaltet werden. die Schwingung bleibt
bestehen.
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Tatsächlich ist es nicht nötig eine Spannungsquelle zum erstmaligen Anregen der Schaltung zu verwenden. Das
bloße Einschalten genügt. Der Einschaltsprung besitzt ein nahezu unendlich großes Frequenzspektrum das zum
Anregen der Schaltung genügt.
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Die Bedingung für den Erhalt der Schwingung ist :
U3 = U 1
U3=KU2=K(AU1)=KAU1
KA=1
|K|ejk|A|ejA=1
|K||A|ej(k+A) =1
d.h. die Schwingbedingung lautet : |K||A|=1 und (k+A)=i*360° i = 0,1,2..
Der Oszillator schwingt wenn K bei der gewünschten Schwingfrequenz das Signal U2 so abschwächt (
Spannungsteiler ) und so dreht ( Phasendreher ), daß einerseits die |A||K|=1 und andererseits die Phase auf ein
Vielfaches von 360° gedreht wird. Zur Realisierung von K eignen sich RC, RL, LC-Glieder und Quarze.
|A||K|=1 wird als Amplitudenbedingung und (k+A)=i*360°, i = 0,1,2 als Phasenbedingung bezeichnet.
Anschaulich bedeutet dies : das vom Rückkoppelungsnetzwerk an den Eingang des Verstärkers zurückgeführte
Signal ist gleichphasig zu U1 verstärkt U1. Dadurch wird U2 und weiter die rückgeführte Spannung größer. Die
Schwingung aufschaukelt sich auf. Unendlich groß wird die Spannung nicht, weil in der Oszillatorschaltung
insbesondere der Verstärker übersteuert, d.h. A abnimmt und die Amplitude begrenzt. Allerdings soll
gewährleistet sein, daß die Ausgangsspannung durch die Übersteuerung nicht zu sehr verzerrt wird. Deshalb soll
das Rückkoppelungsnetzwerk möglichst eine Bandpaßverhalten hoher Güte aufweisen. Dann werden die
Verzerrungen, die durch die Übersteuerung verursacht werden gefiltert. Bisweilen werden auch
Amplitudenstabilisierungen vorgesehen. Sie reduzieren abhängig von der Schwingungsamplitude die
Verstärkung.
2.2 Mit Amplitudenstabilisierung
A
K
Ua
Gleichrichter
A-Abschwächer
2.3 Wienglied als Rückkoppelungsnetzwerk :
U1
R
C
U2
C
R
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R //
U2

U1 R //
1
j C
R
jRC  1


1
1
R
1
R
R
j C
j C
jRC  1
j C
jRC
jRC



2 2 2
jRC  jR C ( jRC  1)  jRC  1   R C  3 jRC  1
1

1
jRC  3 
jRC
RC  1
U2
 jRC
U1
Hochpaßverahlten; Phasendrehung um  90
RC  1
U2
 1 / jRC
U1
Tiefpaßverahlten; Phasendrehung um  90
keinePhasendrehung Im aginärteil  0 :
1
jRC 
0
jRC
(RC ) 2  1
1

RC
Bei  = 1/RC ist die Phasendrehung 0° und die Abschwächung 1/3. Wenn nun A = 3 mit einer Phasendrehung
ebenfalls von 0, ist die Schwingbedingung erfüllt :
U1/U2
1/3
90°
w
0°
-90°
R
C
2R1
C
Gleichrichter
Verstärker
fg klein
R
R1
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schwingt bei der Frequenz  = 1/RC
Die Schaltung weist in dieser einfachen Form infolge Übersteuerung starke Verzerrungen auf, die mit einem
Ausgangsfilter oder mit einer Amplitudenstabilisierung ( Schaltungsvariante rechts )beseitigt werden müssen.
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2.4 RC-Dreher
Zu beachten ist, daß die RC-Glieder 2 und 3 die vorgeschalteten RC-Glieder belasten. Mit entsprechender
Dimensionierung . kann dem begegnet werden. Die Zwischenschaltung von Impedanzwandlern verhindert die
Belastung und jedes RC-Glied kann dann um 60° drehen. Allerdings besitzen diese Phasendreher den Nachteil
einer schlechten Güte. Die Resonanzfrequenz wird ungenau, wenig stabil, die Verzerrungen sind groß.
2.5 LC-Parallelschwingkreis
R=1/ G
L
C
G im Bereich von 10e-5 S
Y  G  j (C  1 / L)  G (1  jC
  1 / LC
G
)  G (1 
2
jC
(  r ));
G

mit : r2  1 / LC
Y  G (1  j)
R
Z
1  j
Z/R
1

90°

0°
-90°
Mit dem Parallelschwingkreis lassen sich Rückkoppelungsnetzwerke hoher Güte realisieren. Dadurch werden
übersteuerungsbedingte Verzerrungen unterdrückt.
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2.5.1 Meißner Oszillator
+
R
L
C
RE
Ck
R=(U-Uz)/Izmin
RE=(Uz-0.6)/Ic
2 =1/LC
Ck : 1/Ck <<RE  Ck>1/RE
2.6 Quarzoszillator
Ersatzschaltbild eines Quartzschwingers
L C R
Co
C, L sind durch die Abmessungen des Quarzkristalls gegeben. R repräsentiert die Dämpfung und Co die
Zuleitungen und die Elektroden. Der Quarz wird meist in Serienresonanz betrieben. Dann ist Co unerheblich. Die
Resonanzfrequenz wird nur durch die gut definierten L und C bestimmt. 2=1/LC.
Die Resonanzfrequenz eines Oszillators wird mit dem Quarz dadurch stabilisiert, daß er in Serienresonanz
betrieben in den Rückkoppelungszweig geschaltet wird.
Colpitts-Oszillator
Colpitts-Oszillator quarzstabilisiert
+
L
Ca
Cs
Cb
RE
2 =1/LC; C=1/(1/Ca+1/Cb), Wahl eines Quarzes mit der Schwingfrequenz .
Cs zum Feinabgleich der Resonanzfrequenz
Der Transistor ist in Basisschaltung geschaltet, um einen kleinen Eingangswiderstand zu erreichen. Dadurch ist
die Güte, des so in Serienresonanz betriebenen Quarzes besser.
Sowohl für Meißner als auch Colpitts gibt es beide Varianten Emitter- und Basisschaltungen.
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3. Rechteckgeneratoren ( Multivibratoren )
3.1 mit TTL-NAND
Die Schaltung schwingt aufgrund der Eingangshysterese des TTL-NANDGatters mit der wenig präzisen Frequenz f  0.7/RC.
Statt dem NAND-Gatter können auch Schmitt-Trigger mit invertiertem
Ausgang verwendet werden. Die Frequenz ist präziser.
Versuchen Sie die Berechnung der Schwingfrequenz.
3.2 Multivibrator mit OP als Schmitt-Trigger geschaltet :
R2
R
Ut, Uc
TLevel1
t
R1
C
Ua
TLevel2
Uc
Uc
f = 1/T = 1/2RCln(1+2R1/R2)
3.3 Multivibrator mit dem Präzisionstimer NE555
+
8+
R3
R1
4+
5
R2
6
R3
3
C
f = 1.44/(R1+2R2)C
2
R3
Ua
7
1
Monoflop mit Ne555 :
+
8+
R3
4+
+
+
+
5
6
R3
3
2
Ue
R3
7
Ua
Ua
Ue
1
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nicht nachtriggerbar tein = 1.1RC
nachtriggerbar tein = 1.1RC
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