Analoge Schaltungstechnik Labor - alt.ife.tugraz.at

1 Analoge Schaltungstechnik Labor Institut f r Elektronik der Technischen Universit t in Graz Funktionsgeneratoren bungsinhalt: Sinus-, Dreieck- und Rechteckgeneratoren Funktionsgenerator mit Konstantstromquelle Digitaler Funktionsgenerator Monolithischer Funktionsgenerator XR2206 Vorausgesetzte Kenntnisse: bungsunterlagen Operationsverst rker und deren Anwendung Feldeffekttransistoren Grundkenntnisse in der Digitaltechnik Literatur: bungsunterlagen Vorlesungsunterlagen Elektronische Schaltungstechnik 2 U. Tietze Ch. Schenk Halbleiterschaltungstechnik Labor 2 - FUNKTIONSGENERATOREN SEITE -1- Institut f r Elektronik der Technischen Universit t Graz FUNKTIONSGENERATOREN 1 Allgemeines Schaltungen, die gleichzeitig eine Sinus-, Dreieck- und Rechteckschwingung erzeugen, bezeichnet man als Funktionsgeneratoren.

2 Dabei wird mit Hilfe eines Schmitt-Triggers und eines Integrators eine dreieckf rmige Wechselspannung erzeugt, die in einem weiteren Schritt dann in eine Sinusschwingung umgewandelt wird. F r diese Umwandlung werden sogenannte Sinusnetzwerke herangezogen. Sinus-NetzwerkIntegratorSchmitt-TriggerA nalog-SchalterURUDUSUBUB+ Abb. : Schematischer Aufbau eines Funktionsgenerators In der Abbildung 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.

3 Labor 2 - FUNKTIONSGENERATOREN SEITE -2- Institut f r Elektronik der Technischen Universit t Graz 2 Prinzipielle Anordnungen Funktionsgenerator mit Integrator In der Abbildung ist das Blockschaltbild eines Funktionsgenerators mit Integrator abgebildet. Je nach der Stellung des Analogschalters wird der Integrator mit +Ue bzw. Ue beaufschlagt. Schmitt-Trigger+CRURUDUeUe+++ Abb. : Funktionsgenerator mit Integrator Allgemein gilt folgende Beziehung f r den Integrator in Abb. : URCUdUtae= + 100() UQC00= , die sich zu Beginn der Integration in C befindet F r eine konstante Spannung Ue ergibt sich daher f r Ua: UURCtUae= +0 Funktionsgenerator mit Konstantstromquellen Bei der Schaltung in Abbildung wird der Strom +Ie bzw. Ie ber einen Analogschalter in den Kondensator C eingepr gt. Ein zeitlinearer Anstieg bzw. Abfall der Spannung am Kondensator ist die Folge.

4 Der Impedanzwandler verhindert eine Verf lschung der dreieckf rmigen Spannung am Kondensator, die sich durch eine Belastung ergeben w rde. Im Gegensatz zur Methode mit Integrator ist hier eine Realisierung mit h heren Frequenzen m glich. Labor 2 - FUNKTIONSGENERATOREN SEITE -3- Institut f r Elektronik der Technischen Universit t Graz Schmitt-TriggerImpedanz-WandlerCURUDIeIe + Abb. : Funktionsgenerator mit Konstantstromquellen Als allgemeine Beziehung f r die Aufladung eines Kondensators gilt: UCIdUt=+ 100() Ist der Ladestrom I konstant, so ergibt sich der bereits erw hnte zeitlich lineare Anstieg bzw. Abfall der Spannung (U0 = 0): UICt= Digitale Funktionsgeneratoren Die Ausgangsfunktion wird dabei nichtfl chtig in einem Speicher ( EPROM) abgelegt. Mit einem Z hler wird nacheinander jede Adresse des Speichers angesprochen.

5 Die Datenleitungen des Speichers werden einem D/A-Umsetzer zugef hrt. Um Speicherplatz zu sparen und dadurch mehrere Funktionen abspeichern zu k nnen, ist es mit einer entsprechenden Z hlerlogik auch m glich, nur Halb- oder Viertelwellen abzuspeichern. 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 m glich. Als Nachteil erweist sich die meist nur geringe Ausgangs-Maximalfrequenz. Labor 2 - FUNKTIONSGENERATOREN SEITE -4- Institut f r Elektronik der Technischen Universit t Graz 3 Praktische Realisierungen Funktionsgenerator mit steuerbarer Frequenz und variablem Tastverh ltnis Schaltungsaufbau 841/2 LF35311/2 LF353IC1-BIC1-A132 BST100312 BST72AV1V2 Abb.

6 : Funktionsgenerator mit steuerbarer Frequenz und variablem Tastverh ltnis Die in der Abbildung gezeigte Schaltung geht von dem in der Abbildung angef hrten 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 zugef hrt. Wir erhalten eine Rampe mit umgekehrtem Vorzeichen. Damit ergibt sich am Ausgang des IC2 die Dreieckspannung. Diese Dreieckspannung wird mittels eines Sinusformers (Operationsverst rker IC3) in eine angen herte Sinusschwingung umgewandelt. Auf die Sinusformung mittels Integrator wird im Kapitel n her eingegangen.

7 Frequenzsteuerung Ist V1 = V2 ergibt sich der in Abbildung gezeigte Spannungsverlauf. Die Spannung UR entspricht der Komparatorausgangsspannung. Labor 2 - FUNKTIONSGENERATOREN SEITE -5- Institut f r Elektronik der Technischen Universit t Graz UtURUDURSSUDSS Dreieckspannung Spitze-Spitze Rechteckspannung Spitze-Spitze Abb. : Zeitlicher Verlauf von UD und UR Die Frequenz wird in Abh ngigkeit der Spannung Ue ver ndert. Die Spannungen V1 und V2 sind linear abh ngig von der Spannung Ue (f r R1 = R2 = R3 = R gilt: V1 = Ue R/(R + 0,5 P1)). Vergr ert man die Spannung Ue so vergr ern sich auch die Betr ge von V1 und V2. Um den selben Faktor erh ht sich der Strom, der ber den Widerstand R4 zum virtuellen Nullpunkt des Operationsverst rkers IC2 (LF356) flie t. Daraus folgt, da die Rampen des Dreiecksignales steiler werden.

8 Somit werden die Schaltschwellen des Komparators in k rzerer Zeit erreicht, die Frequenz des Ausgangssignales erh ht sich. F r die Frequenz ergibt sich folgender Zusammenhang: fVRCUURCURRPe== +14141122 DDSSSS 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 f r den Open-Collector-Ausgang des Komparators. Ist der Komparatorausgang high, so ergibt sich eine obere Schaltschwelle von UURRRRoSV=++9987 und eine untere Schaltschwelle von UURRRuSV= +998.

9 Dabei ist UV die Versorgungsspannung (7,5 V). Die Differenz der Schaltschwellen betr gt somit: ()UUUDSSoSuS= = ++ + = =752222 22 4 7752222 223 3883 757 138,,,,,,VVV Variables Tastverh ltnis Um eine Rechteckspannung mit einem einstellbaren Tastverh ltnis zu erzeugen, kann man die Dreieckspannung mit Hilfe eines Komparators mit einer einstellbaren Gleichspannung Labor 2 - FUNKTIONSGENERATOREN SEITE -6- Institut f r Elektronik der Technischen Universit t Graz vergleichen. Gew nscht ist aber, da auch die Dreieckspannung unsymmetrisch verl uft. Dies kann man dadurch erreichen, da man die Potentiale V1 und V2 verschieden gro macht. In Abbildung ist der entsprechende Teil der Schaltung aus Abbildung angef hrt. IC1-AIC1-BLF353LF353V1V2 P1 Abb. : Schaltungsteil f r variables Tastverh ltnis Die nderung des Tastverh ltnisses der Dreieckspannung wird durch eine Einstellung am Potentiometer P1 vorgenommen.

10 Dadurch werden die beiden Potentiale V1 und V2 ver ndert und es ver ndert sich die Integrationszeit des Integrators je nach der Gr e des Betrages der angelegten Spannung. Die Anstiegs- und Abfallzeiten der Dreieckspannung im Bereich D (siehe Abbildung ) betragen wie folgt: tRCUV1411=DSS ..Abfallzeit tRCUV2412=DSS ..Anstiegszeit Ttt RCUVV=+=+ 12 411211 DSS Labor 2 - FUNKTIONSGENERATOREN SEITE -7- Institut f r Elektronik der Technischen Universit t Graz tUD DtURTtt12 : Spannungsverlauf bei einem Tastverh ltnis von t1/T = 20% Aus Abbildung k nnen die Potentiale V1 und V2 hergeleitet werden. VURRP1111=+e VURRP2e= + 3211() ..Symmetriefaktor des Potentiometers Setzt man diese Terme in die Gleichung f r die Periodendauer ein, und setzt man f r R1 = R2 = R3 = R, so erh lt man: ()Tt tURCURRPRP=+=+ ++ 1241111 DSSe () TUURCRPR=+DSSe4112 Man erkennt aus der obigen Formel, da f r R1 = R2 = R3 die Periodendauer unabh ngig vom Symmetriefaktor ist, da sich dieser herausk rzt.