Funktionsgeneratoren - Institut für Elektronik

ANALOGE
SCHALTUNGSTECHNIK
LABOR
Institut für Elektronik der Technischen Universität in Graz
Funktionsgeneratoren
Übungsinhalt:
•
Sinus-, Dreieck- und Rechteckgeneratoren
•
Funktionsgenerator mit Konstantstromquelle
•
Digitaler Funktionsgenerator
•
Monolithischer Funktionsgenerator XR2206
Vorausgesetzte Kenntnisse:
•
Übungsunterlagen
•
Operationsverstärker und deren Anwendung
•
Feldeffekttransistoren
•
Grundkenntnisse in der Digitaltechnik
Literatur:
•
Übungsunterlagen
•
Vorlesungsunterlagen Elektronische Schaltungstechnik 2
•
U. Tietze Ch. Schenk
Halbleiterschaltungstechnik
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LABOR 2 - FUNKTIONSGENERATOREN
FUNKTIONSGENERATOREN
1 Allgemeines
Schaltungen, die gleichzeitig eine Sinus-, Dreieck- und Rechteckschwingung erzeugen,
bezeichnet man als Funktionsgeneratoren. Dabei wird mit Hilfe eines Schmitt-Triggers und eines
Integrators eine dreieckförmige Wechselspannung erzeugt, die in einem weiteren Schritt dann in
eine Sinusschwingung umgewandelt wird. Für diese Umwandlung werden sogenannte
Sinusnetzwerke herangezogen.
+ UB
UB
AnalogSchalter
Integrator
SchmittTrigger
UR
UD
SinusNetzwerk
US
Abb. 1.1: Schematischer Aufbau eines Funktionsgenerators
In der Abbildung 1.1 wird das Prinzip eines Funktionsgenerators gezeigt. An einem Integrator
wird eine konstante Spannung angelegt, die entweder positiv oder negativ sein kann.
Entsprechend der angelegten konstanten Spannung wird die Ausgangsspannung des Integrators
solange ansteigen, bis die Schaltschwelle des nachfolgenden Schmitt-Triggers erreicht ist. Das
Ausgangssignal des Schmitt-Triggers bedient den Analogschalter, wodurch am Integrator die
invertierte konstante Spannung anliegt und sich der Vorgang in umgekehrter Weise wiederholt.
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LABOR 2 - FUNKTIONSGENERATOREN
2 Prinzipielle Anordnungen
2.1 Funktionsgenerator mit Integrator
In der Abbildung 2.1 ist das Blockschaltbild eines Funktionsgenerators mit Integrator abgebildet.
Je nach der Stellung des Analogschalters wird der Integrator mit +Ue bzw. –Ue beaufschlagt.
C
+
+ Ue
R
SchmittTrigger
+
Ue
+
UD
UR
Abb. 2.1: Funktionsgenerator mit Integrator
Allgemein gilt folgende Beziehung für den Integrator in Abb. 2.1:
t
1
Ua = −
∫U ( τ ) dτ + U 0
RC 0 e
U0 =
Q0
C
Q0…Ladung, die sich zu Beginn der Integration in C befindet
Für eine konstante Spannung Ue ergibt sich daher für Ua:
Ua = −
Ue
t + U0
RC
2.2 Funktionsgenerator mit Konstantstromquellen
Bei der Schaltung in Abbildung 2.2 wird der Strom +Ie bzw. –Ie über einen Analogschalter in den
Kondensator C eingeprägt. Ein zeitlinearer Anstieg bzw. Abfall der Spannung am Kondensator
ist die Folge. Der Impedanzwandler verhindert eine Verfälschung der dreieckförmigen Spannung
am Kondensator, die sich durch eine Belastung ergeben würde. Im Gegensatz zur Methode mit
Integrator ist hier eine Realisierung mit höheren Frequenzen möglich.
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+ Ie
ImpedanzWandler
Ie
C
SchmittTrigger
UD
UR
Abb. 2.2: Funktionsgenerator mit Konstantstromquellen
Als allgemeine Beziehung für die Aufladung eines Kondensators gilt:
t
1
U = ∫ I (τ ) dτ + U 0
C0
Ist der Ladestrom I konstant, so ergibt sich der bereits erwähnte zeitlich lineare Anstieg bzw.
Abfall der Spannung (U0 = 0):
U=
I
t
C
2.3 Digitale Funktionsgeneratoren
Die Ausgangsfunktion wird dabei nichtflüchtig in einem Speicher (z.B. EPROM) abgelegt. Mit
einem Zähler wird nacheinander jede Adresse des Speichers angesprochen. Die Datenleitungen
des Speichers werden einem D/A-Umsetzer zugeführt.
Um Speicherplatz zu sparen und dadurch mehrere Funktionen abspeichern zu können, ist es mit
einer entsprechenden Zählerlogik auch möglich, nur Halb- oder Viertelwellen abzuspeichern.
2.4 Monolithische Funktionsgeneratoren
Mit Hilfe von integrierten Funktionsgeneratoren lassen sich mit wenig Bauteilaufwand
verschiedene Ausgangsfunktionen realisieren. Dabei ist auch vielfach eine Amplituden- oder
Frequenzmodulation des Ausgangssignales möglich. Als Nachteil erweist sich die meist nur
geringe Ausgangs-Maximalfrequenz.
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3 Praktische Realisierungen
3.1 Funktionsgenerator mit steuerbarer Frequenz und variablem
Tastverhältnis
3.1.1 Schaltungsaufbau
8
IC1-A
1/2 LF353
V1
1
4
BST100
2
3
3
IC1-B
1/2 LF353
2
BST72A
1
1
V2
Abb. 3.1: Funktionsgenerator mit steuerbarer Frequenz und variablem
Tastverhältnis
Die in der Abbildung 3.1 gezeigte Schaltung geht von dem in der Abbildung 2.1 angeführten
Prinzip aus. Ist der Komparatorausgang des IC4 (LM311) low, dann wird der Integrator (IC2 mit
R4 und C1) mit der Gleichspannung V1 beaufschlagt. Die Integration einer Gleichspannung ergibt
eine Rampenspannung. Sobald die Rampenspannung die Komparatorschwelle des IC4 erreicht,
geht der Komparatorausgang auf high und es wird dem Integrator die Gleichspannung V2
zugeführt. Wir erhalten eine Rampe mit umgekehrtem Vorzeichen. Damit ergibt sich am
Ausgang des IC2 die Dreieckspannung.
Diese Dreieckspannung wird mittels eines Sinusformers (Operationsverstärker IC3) in eine
angenäherte Sinusschwingung umgewandelt. Auf die Sinusformung mittels Integrator wird im
Kapitel 3.1.4 näher eingegangen.
3.1.2 Frequenzsteuerung
Ist V1 = –V2 ergibt sich der in Abbildung 3.2 gezeigte Spannungsverlauf. Die Spannung UR
entspricht der Komparatorausgangsspannung.
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U
UR
UD
t
UD
UR
SS
SS
UD ...
SS
UR ...
SS
Dreieckspannung Spitze-Spitze
Rechteckspannung Spitze-Spitze
Abb. 3.2: Zeitlicher Verlauf von UD und UR
Die Frequenz wird in Abhängigkeit der Spannung Ue verändert. Die Spannungen V1 und V2 sind
linear abhängig von der Spannung Ue (für R1 = R2 = R3 = R gilt: V1 = Ue·R/(R + 0,5·P1)).
Vergrößert man die Spannung Ue so vergrößern sich auch die Beträge von V1 und V2. Um den
selben Faktor erhöht sich der Strom, der über den Widerstand R4 zum virtuellen Nullpunkt des
Operationsverstärkers IC2 (LF356) fließt. Daraus folgt, daß die Rampen des Dreiecksignales
steiler werden. Somit werden die Schaltschwellen des Komparators in kürzerer Zeit erreicht, die
Frequenz des Ausgangssignales erhöht sich.
Für die Frequenz ergibt sich folgender Zusammenhang:
f =
V1
Ue
R
=
⋅
2 R4 C1U DSS R4 C1U DSS 2 R + P1
Ue ist die Eingangsspannung (wird eingestellt mit dem Potentiometer P2). UDSS entspricht der
Differenz der Schaltschwellen des Komparators (Schalthysterese). Hinweis: Die Spannung Ue
kann beim Laboraufbau an einer eigenen Klemme abgegriffen werden.
Die Schaltschwellen des Komparators IC4 werden durch den Spannungsteiler R8, R9 und den
Ausgangszustand des Komparators (high oder low) bestimmt. Anmerkung: Der Widerstand R7
dient dabei als Pullup-Widerstand für den Open-Collector-Ausgang des Komparators. Ist der
Komparatorausgang high, so ergibt sich eine obere Schaltschwelle von
U oS = UV
R9
R9 + R8 + R7
und eine untere Schaltschwelle von
U uS = −UV
R9
.
R9 + R8
Dabei ist UV die Versorgungsspannung (7,5 V). Die Differenz der Schaltschwellen beträgt somit:
U D SS = U oS − U uS = 7 ,5 ⋅
22
22 

 = 3,388 V − ( −3,75 V) = 7,138 V
−  −7 ,5 ⋅
22 + 22 + 4 ,7 
22 + 22 
3.1.3 Variables Tastverhältnis
Um eine Rechteckspannung mit einem einstellbaren Tastverhältnis zu erzeugen, kann man die
Dreieckspannung mit Hilfe eines Komparators mit einer einstellbaren Gleichspannung
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vergleichen. Gewünscht ist aber, daß auch die Dreieckspannung unsymmetrisch verläuft. Dies
kann man dadurch erreichen, daß man die Potentiale V1 und V2 verschieden groß macht. In
Abbildung 3.3 ist der entsprechende Teil der Schaltung aus Abbildung 3.1 angeführt.
IC1-A
LF353
V1
αP1
IC1-B
LF353
V2
Abb. 3.3: Schaltungsteil für variables Tastverhältnis
Die Änderung des Tastverhältnisses der Dreieckspannung wird durch eine Einstellung am
Potentiometer P1 vorgenommen. Dadurch werden die beiden Potentiale V1 und V2 verändert und
es verändert sich die Integrationszeit des Integrators je nach der Größe des Betrages der
angelegten Spannung. Die Anstiegs- und Abfallzeiten der Dreieckspannung im Bereich ±ÛD
(siehe Abbildung 3.4) betragen wie folgt:
t1 =
R4 C1U D SS
t2 =
R4 C1U D SS
V1
V2
…Abfallzeit
…Anstiegszeit
 1
1 

T = t1 + t 2 = R4 C1U D SS  +
 V1 V2 
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UR
t
t1
t2
UD
ÛD
t
T
Abb.3.4: Spannungsverlauf bei einem Tastverhältnis von t1/T = 20%
Aus Abbildung 3.3 können die Potentiale V1 und V2 hergeleitet werden.
V1 =
U e R1
R1 + αP1
V2 = −
U e R3
R2 + ( 1 − α ) P1
α…Symmetriefaktor des Potentiometers
Setzt man diese Terme in die Gleichung für die Periodendauer ein, und setzt man für
R1 = R2 = R3 = R, so erhält man:
T = t1 + t2 =
T=
U D SS R4C1
( R + αP1 + R + (1 − α) P1 )
Ue R
U D SS
2 R + P1
R4 C1
R
Ue
Man erkennt aus der obigen Formel, daß für R1 = R2 = R3 die Periodendauer unabhängig vom
Symmetriefaktor α ist, da sich dieser herauskürzt. Damit ist die Summe der Integrationszeiten
(Anstiegs- und Abfallzeit) und somit die Frequenz unabhängig von der Potentiometereinstellung!
Mit dem Potentiometer P1 wird also nur das Tastverhältnis verändert. Hinweis: Beim
Laboraufbau verändert sich beim Verstellen des Potentiometers P1 auch die Spannung Ue ein
wenig. Diese muß dann mit dem Potentiometer P2 nachgestellt werden.
3.1.4 Sinusschwingungserzeugung
Bei geringen Anforderungen an den Klirrfaktor der Sinusschwingung kann durch Integration der
Dreieckspannung näherungsweise eine Sinusschwingung erzeugt werden. Tatsächlich handelt es
sich aber um aneinandergereihte Parabelbögen.
In der folgenden Abbildung 3.5 ist die Schaltung des in der Abbildung 3.1 verwendeten
Integrators angegeben. Der Widerstand R6 dient dabei zur Einstellung einer definierten
Gleichspannungsverstärkung. Durch Offset oder Unsymmetrie des Operationsverstärkers kann
ansonsten der Integrator gegen seine Aussteuergrenze laufen.
Der Klirrfaktor, der mit dieser Schaltung erreicht werden kann, beträgt ca. 4%.
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U
S
UD
Abb. 3.5: Erzeugung einer Sinusschwingung mittels Integration
3.2 Sinusschwingung mittels Diodennetzwerk
Bei diesem Sinus-Diodennetzwerk wird nach dem Prinzip der stückweisen Approximation die
Sinusschwingung aus einer Dreieckeingangsspannung Ue gewonnen. Man nützt dabei die
Tatsache aus, daß eine Sinusschwingung im Bereich um den Nullpunkt wie eine
Dreieckschwingung verläuft.
Bei kleinen Eingangsspannungen muß das Sinus-Funktionsnetzwerk die Verstärkung 1
annehmen, da für kleine Winkel (x <<) die Beziehung sin(x) ≅ x gilt. Für höhere
Eingangsspannungen muß jedoch die Verstärkung des Sinus-Funktionsnetzwerkes abnehmen.
Dadurch wird die Spitze der Dreieckschwingung "abgerundet".
U1
U2
U3
+2.6V
Ue
Ua
-2.6V
-U 1
-U
2
-U
3
Abb. 3.6: Einfaches Sinusfunktionsnetzwerk (Laboraufbau)
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Das in der obigen Abbildung 3.6 gezeigte Sinus-Funktionsnetzwerk besitzt bei kleinen
Eingangsspannungen die Verstärkung 1, da alle Dioden sperren. Wird die Spannung um die
Durchlaßspannung der Diode D104 größer als U1, so wird die Diode D104 leitend und der
Spannungsteiler R103/R104/R100 wird wirksam. Ua steigt nun langsamer als Ue. Wird Ua um die
Durchlaßspannung von D102 größer als U2 so wird D102 leitend, und es wird noch ein
Spannungsteiler wirksam, der den Spannungsanstieg zusätzlich verlangsamt. Die Diode D100 ist
letztendlich für die horizontale Tangente im Maximum der positven Sinushalbwelle
verantwortlich. D105, D103 und D101 arbeiten entsprechend bei der negativen Halbwelle.
Allgemein soll das Sinus-Funktionsnetzwerk folgende Funktion nachbilden:
π U 
U a = U$ a sin $ e 
 2 Ue 
für den Bereich −U$ e ≤ U e ≤ +U$ e
Für kleine Eingangsspannungen gilt die Vereinfachung sin(x) ≅ x:
π Ue
U a = U$ a
2 U$ e
Bei der Wahl von Ua soll in Nullpunktsnähe Ua = Ue werden. Somit ergibt sich für U$ a folgender
Wert:
2
U$ a = U$ e
π
Besitzt also die Dreieckschwingung bei π/2 den Wert π/2, so ist der Wert der Amplitude der
Sinusschwingung 1.
Die durch diese Methode erzeugte Sinusschwingung besitzt einen Klirrfaktor von ca. 1%, was
gegenüber der Methode mittels Integrator (ca. 4%) eine wesentliche Verbesserung darstellt.
Beim Laboraufbau können mit Hilfe der Jumper JMP3, JMP4, JMP3′ und JMP4′ die
Knotenpunkte an Masse gelegt werden. Dies ermöglicht, die Wirkung der einzelnen Dioden zu
verfolgen.
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3.3 Funktionsgenerator mit Konstantstromquelle und Stromspiegel
+U
B
2
+U
+U
B
2
B
2
8
VCC
-U
2
B
6
+U
+U
6
-U
B
2
B
R
B
S
2
3
&
&
R17
10k
7
2
-U
B
VEE
6
VEE
1
-U
'
B
2
Abb. 3.7: Funktionsgenerator mit Konstantstromquelle und Stromspiegel
Diese Schaltung arbeitet nach dem im Kapitel 2.2 erläuterten Prinzip.
Die Bandgapdiode D2 erzeugt eine Referenzspannung für die Konstantstromquelle (Transistor
T1). Die Größe des Konstantstromes wird durch den 1%-Widerstand R16 (680 Ω ) bestimmt. Mit
den Transistoren T2 und T3 des Transistorarrays CA3096 ist ein Stromspiegel aufgebaut.
Der Kondensator C12 und wahlweise zusätzlich C13 wird über die Diode D1 mit dem
Konstantstrom
geladen.
Sobald
die
Kondensatorspannung
2/3
des
Versorgungsspannungsbereichs erreicht (also UB/6), geht der Ausgang des Timers NE555 auf
low, und der p-Kanal-Fet T4 wird leitend. Der Spannungsabfall an der Diode D1 sinkt unter die
Diodenschwellspannung, sodaß die Diode sperrt. Der Konstantstrom fließt nun über den
Stromspiegel. Es wird nun der Kondensator mit Hilfe des Stromspiegels entladen. Erreicht die
Kondensatorspannung 1/3 des Versorgungsspannungsbereichs (also –UB/6), geht der TimerAusgang auf high und der p-Kanal Fet T4 sperrt, sodaß der Konstantstrom wieder über die Diode
D1 fließt.
Die Zeit für die Aufladung des Kondensators ergibt sich aus der Formel:
t=
U BC
3I
mit UB = 15V (Versorgungsspannungsbereich)
Für die Dauer einer Periode wird der Kondensator geladen und für eine weitere entladen. Somit
ergibt sich für die gesamte Periodendauer T:
T=
2U BC
3I
Der Strom der Konstantstromquelle ergibt sich nach folgender Formel:
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I=
U D 2 − U BE T
1
R16
3.4 Digitaler Funktionsgenerator
3.4.1 Blockschaltbild
Funktionsgeneratorlogik
A0...A7
2 * 4bit
Aufwärts-/
Abwärtszähler
D0...D7
D0...D7
Invertierender/nichtinvertierender Verstärker
V
EPROM
D-Latch
R/2R Leiternetzwerk
out
A8...A11
D/A-Umsetzer
Codierschalter
A0..A11
D0...D7
Adreßleitungen
Datenleitungen
Abb. 3.8: Prinzipschaltbild Digitaler Funktionsgenerator
Eine Funktion y = f(x) läßt sich mit Hilfe eines EPROMs auf direkte Weise in Form einer im
EPROM gespeicherten Tabelle realisieren. Die Werte der Tabelle werden einem D/A-Umsetzer
übergeben. Die Ausgangsspannung ist proportional der eingegebenen Zahl. Der Vorteil der
digitalen Funktionsgeneratoren liegt in der Möglichkeit, beliebige Zusammenhänge Ua = f(Ue)
auf einfache Weise zu realisieren. So ist es möglich, mehrere Funktionen im EPROM
abzuspeichern. Natürlich kann das EPROM getauscht oder mit einer neuen Funktion geladen
werden. Die Signalfrequenz von Ua wird durch die Taktfrequenz der Schaltung bestimmt (hier
wird die Funktionsperiode in 1024 Schritte aufgeteilt; daher beträgt die Frequenz des
Ausgangssignales 1/1024 der Taktfrequenz der Schaltung). Durch Verwendung von
ausschließlich ungeraden viertelsymmetrischen Funktionen läßt sich der Speicherbedarf auf ein
Viertel senken. Die Werte der Halbwellen lassen sich durch zyklisches Vorwärts/Rückwärtszählen realisieren (aus zwei Viertelwellen ergibt sich eine Halbwelle). Das
Vorzeichen wird mit der Funktionsgeneratorlogik gebildet. Jede zweite Halbwelle wird mit Hilfe
eines Verstärkers mit (–1) multipliziert (invertierender/nichtinvertierender Verstärker).
Die EPROM-Ausgänge werden mittels eines D-Latch-Bausteines gepuffert. Als D/A-Umsetzer
dient ein R/2R-Leiternetzwerk mit anschließendem Operationsverstärker.
Die Auflösung einer Viertelperiode beträgt 8 bit.
Im Laboraufbau sind im EPROM zehn Viertelperioden verschiedener Funktionen abgespeichert
(siehe Tabelle 1). Mit einem Binärschalter kann eine Offsetadresse und somit eine bestimmte
Funktion angewählt werden (siehe Abbildung 3.9). Die maximale Taktfrequenz der Schaltung
wird durch den langsamsten Baustein (EPROM) auf 3.3 MHz begrenzt.
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Funktion:
Sinusfunktion
Dreieckfunktion
Parabelfunktion
quadratische Funktion
"Einzelzahn-"Funktion
Rechteckfunktion
Pseudorauschen
"Diracfunktion" (Einzelimpuls)
Treppenfunktion
3.OW.Sinusfunktion
Codierschalterstellung
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Startadresse
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
Tab. 1: Auflistung der im EPROM abgespeicherten Funktionen
3.4.2 Detailbeschreibung der Funktionsgeneratorlogik
Die Auflösung einer Viertelperiode beträgt 256 Spannungswerte (8 bit). Die periodische
Funktion wird aus vier Viertelwellen zusammengesetzt. Zwei Vorwärts-/Rückwärtszähler
sprechen die Adressen der gespeicherten Funktionen an. Sobald die zwei 4-bit-Zähler
gleichzeitig die Werte 0000 und 0000 oder 1111 und 1111 besitzen, ändern die Zähler ihre
Zählrichtung. Auf diese Weise können Halbwellen gebildet werden. Der D/A-Umsetzer führt die
8-bit Binärwerte in analoge Spannungswerte über (Inkrement des Wandlers:
5 V / 256 = 19,5 mV). Die Funktionsgeneratorlogik bewirkt, daß jede zweite Halbwelle mit Hilfe
eines invertierenden Verstärkers mit (–1) multipliziert wird.
Aufgaben der Funktionsgeneratorlogik
1.
Die Funktionsgeneratorlogik bewirkt die Änderung der Zählrichtung der Zähler. Dadurch
wird aus zwei Viertelwellen eine Halbwelle gebildet.
2.
Die Logik bewirkt eine Umschaltung von einer invertierenden zu einer nicht
invertierenden Verstärkerschaltung durch Ansteuerung des BST72A.
3.
Unterdrückung einer unerwünschten Inkrementierung des Zähler 2.
3.4.3 Beschreibung des invertierenden/nichtinvertierenden Verstärkers
Für die Multiplikation einer Halbwelle mit entweder +1 oder mit –1 ist der in Abb. 3.9
verwendete Schaltungsteil, der die zwei Operationsverstärker LF353 und den Feldeffekttransistor
BST72A beinhaltet, verwendet. Liegt das Gate des FETs auf high, arbeitet der Schaltungsteil als
invertierender Verstärker, liegt das Gate des FETs jedoch auf low, so arbeitet der Schaltungsteil
als Folger.
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8
4
BST72A
Array 10k
Array 10k
Abb. 3.9:Laboraufbau 'Digitaler Funktionsgenerator'
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3.4.4 Approximation einer Sinusschwingung
Mit dem Laboraufbau "digitaler Funktionsgenerator" ist es auch möglich, eine geringere
Auflösung zu simulieren. Es soll gezeigt werden, daß man aus einem Sinussignal geringer
Auflösung eine Sinusschwingung erzeugt werden kann, indem die Grundschwingung mit einem
Tiefpaß herausgefiltert werden kann. Dies führt jedoch zu einer frequenzabhängigen Erzeugung
der Sinusschwingung, da der Tiefpaß eine konstante Grenzfrequenz aufweist.
Abb. 3.10: Sinus geringer Auflösung (8 Stufen
⇒ Auflösung: 3 bit)
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3.5 XR-2206 Monolithischer Funktionsgenerator
3.5.1 Beschreibung des XR-2206
Der XR-2206 ist ein monolithisch aufgebauter Funktionsgeneratorbaustein zur Erzeugung von
qualitativ hochwertigen Sinus-, Rechteck-, Dreieck- und Sägezahnfunktionen. Sie zeichnen sich
durch eine hohe Stabilität und eine große Genauigkeit aus. Mit einer externen Spannung können
die Frequenz und Amplitude der Ausgangskurvenform moduliert werden. Die Frequenz läßt sich
extern zwischen 0,01 Hz und 1 MHz einstellen. Der Baustein XR-2206 eignet sich besonders
zum Aufbau für Meß- und Prüfautomaten, als Funktionsgenerator, als Sinusgenerator und als
AM/FM-Generator.
Der IC enthält vier Funktionsgruppen:
a)
c)
d)
b)
Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO)
Analogmultiplizierer mit Sinuskonverter
Pufferverstärker
Stromschalter
Abb. 3.11: Funktionsblöcke des XR-2206
Die Frequenz wird durch eine Kapazität und einen Steuerstrom festgelegt. Die Kapazität (am Pin
′timing capacitor′) wird proportional zum Strom geladen beziehungsweise entladen. Der
Steuerstrom wird durch einen Widerstand zwischen einem der Pins ′timing resistors′ und
′ground′ bestimmt. Welcher der beiden Pins ′timing resistors′ für den Steuerstrom zuständig ist,
wird durch die Stromschalter (′current switches′) bestimmt (Ansteuerung der Stromschalter
durch den Pin ′FSK input′). Durch zwei umschaltbare Steuerströme ist es einfach, eine FSKAnwendung zu implementieren.
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3.5.2 Funktionsgenerator mit XR-2206
Amplitude
OUTPUT
Sinusverzerrung
DC-Offset
Frequenz
Abb. 3.12: Funktionsgenerator mit Baustein XR-2206 (Applikation laut
Datenblatt)
3.5.2.1 Beschreibung der Potentiometerfunktionen des Laboraufbaues:
P3 .......Frequenzeinstellung
P4 .......Sinussymmetrie (dient zur Optimierung der Sinussymmetrie)
P5 .......Sinusverzerrung
P6 .......DC-Offset-Einstellung
P7 .......Amplitudeneinstellung (verändert die Amplitude des Sinus- oder Dreieckssignales)
3.5.2.2 Frequenzeinstellung
Die Signalfrequenz wird durch externe Kondensatoren (zwischen Pin 5 und 6) und den
Widerständen an Pin 7 bestimmt.
Die Frequenz ergibt sich aus der Formel f0 = 1/RC [Hz]. Daraus folgt, daß eine
Frequenzänderung durch Veränderung von R oder C vorgenommen werden kann.
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3.5.2.3 Frequenzgrobeinstellung
Der Frequenzgenerator ist für 4 überlappende Frequenzbereiche entworfen worden:
1 Hz
bis 100 Hz
10 Hz
bis 1 kHz
100 Hz bis 10 kHz
1 kHz
bis 100 kHz
Der Frequenzbereich wird durch Hinzuschalten verschiedener Kondensatoren eingestellt. Die
einzelnen Kondensatoren können mit einem Binärschalter angewählt werden (Stellung "on"
bedeutet, daß der jeweilige Kondensator angewählt wurde).
3.5.2.4 Frequenzfeineinstellung
In jedem Frequenzbereich kann die Frequenz mit dem Potentiometer P3 in einem Verhältnis
1:100 variiert werden.
3.5.2.5 Sinus-/Dreieckausgangssignal
In Abhängigkeit der Jumperstellung JMP2 liefert der Funktionsgenerator XR-2206 ein Sinusoder Dreiecksignal (im Schaltplan wurde die Jumperstellung für ein Dreieckausgangssignal
eingezeichnet). Der Sinus- und Dreieckausgang sind von 0 bis 6 Vss veränderbar. Die Amplitude
wird mit dem Potentiometer P7 eingestellt. Bei jeder Amplitudeneinstellung ist die Dreieckausgangsamplitude nahezu doppelt so groß wie die Sinusamplitude. Die Ausgangsimpedanz
beträgt 600 Ohm.
3.5.2.6 Amplitudenmodulation
Ist der Jumper JMP1 auf Stellung AM, kann dem "AM/FM-Eingang" ein Signal zur
Amplitudenmodulation zugeführt werden. Die Ausgangsamplitude ändert sich linear mit der
Modulationsspannung. Die Ausgangsamplitude erreicht ihr Minimum, sobald die Amplitudenmodulationsspannung die halbe Versorgungsspannung erreicht. Zu beachten ist, daß sich bei
Erreichen der halben Versorgungsspannung auch die Phase umkehrt. Abbildung 3.13 zeigt, daß
die Amplitude des Ausgangssignales mit einem Amplitudenkontrollsignal von ± 4 V moduliert
werden kann. Diese Eigenschaft kann für PSK (phase shift keying) oder für die Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger genutzt werden.
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Normalisie
rte
Ausgangsa
mplitude
0.5
1
V+/2
DC Spannung am Pin 1
Abb. 3.13: Normierte Ausgangsamplitude in Abhängigkeit der
Amplitudenmodulationsspannung
3.5.2.7 Frequenzmodulation
Verbindet man einen externen Funktionsgenerator mit dem "AM/FM-Eingang" und ist der
Jumper JMP1 auf Stellung FM, kann die Frequenz mittels der externen Spannung gewobbelt
oder moduliert werden.
Die Frequenz ist proportional dem Strom IT am Pin 7. Die Frequenz ändert sich linear für IT
zwischen 1 µA und 1 mA.
Es gilt:
f =
 R4 + P3  VC 
1
1 − 
1 +
R3 
3 
C( R4 + P3 ) 
Für R3 = 1 kΩ und P3 = 1 MΩ kann VC Werte von 0…3 V annehmen.
Anmerkung: Der Anschluß "AM/FM-Eingang" ist bei Nichtbenutzen offen zu lassen und darf
nur bei Amplituden- oder Frequenzmodulation beschalten werden.
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LABOR 2 - FUNKTIONSGENERATOREN
3.5.2.8 Datenblatt XR-2206:
Abb. 3.14: Datenblatt XR-2206
Institut für Elektronik der Technischen Universität Graz
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