2.2 Frequenz-Spannungswandler
2.2.5 Schaltungsbeschreibung mit Bildern
Monostabile Kippstufe Die monostabile Kippstufe wird in der Schaltung genutzt um die Frequenz¨anderung der eingehenden Spannung des Oszillators zu detektieren und in ein stabiles verwertbares Signal f¨ur die danach folgende Schaltung zu modelieren. Das Netzwerk besteht aus vier Widerst¨anden, einem Kondensator und zwei Tranistoren(BC547B). An der Kippstufe liegen +12V an und das Oszillatorsignal liefert eine Wechselspannung von uˆ
Abbildung 67: Aussschnitt: Monostabille Kippstufe
zwischen 0V − 4V. Die Signalleitung ist an die Basis des Transistors Q1 angeschlossen.
Betr¨agt das Eingangssignal 0V, dann befindet sich die Kippstufe im stabilen Zustand. In diesem Zustand sperrt Q1 und Q2 leitet, der Kondensator ist dadurch an GND angeschlossen und es f¨allt eine Spannung ¨uber ihn ab, wodurch er sich aufl¨ad. Der Widerstand R7 liefert den erforderlichen Basisstrom f¨ur Q2. Am Ausgang erhalten wir ein Signal von0V.
Wenn nun ein positives Eingagssignal aus dem Oszillator kommt(> 0V), dann wird der Transistor Q1 leitend, wodurch das Kollektorpotential auf GND liegt. An den Verl¨aufen in Abbildung 68 erkennt man, ab welchem Zeitpunkt die Spannung des Eingangssignals groß genug ist um den Transistor Q1 leitend zu machen. Dadurch entl¨ad sich der Kondensator, weshalb ¨uber ihn eine Spannung in umgedrehter Richtung abf¨allt, daraus folgt, dass das Basispotential von Q2 negativ wird und Q2 sperrt. Das Ausganggsignal springt jetzt auf sein Maximum, welches abh¨angig von der Dimensionierung des Widerstandes R8 ist. Der Widerstand R9 liefert ein Basispotential, das Q1 leitend h¨alt, auch wenn das Eingagssignal wieder auf 0V gefallen ist. Der Kondensator wird jetzt durch den Widerstand R7 wieder aufgeladen. Somit steigt das Basispotential von Q2 wieder an und ab einem Bauteil abh¨angigem Punkt, schaltet der Transistor Q2 durch und die Kippstufe ger¨at wieder in ihren stabilen Zustand. Das Ausgangssignal f¨allt wieder auf 0V.
Abbildung 68: Messpunkt:Monostabile Kippstufe.Ausganggsignal aus Oszillator(rosa), Signal an monostabilen Kippstufe(gelb)
Dominik R.
Hinweis zur Dimensionierung der Bauteile in der monostabilen Kippstufe Wichtig bei der Dimensionierung der Bauteile ist zum einen, dass die Widerst¨ande R6 und R8, den gleichen Wert haben, genauso wie die Widerst¨ande R6 und R8. Ebenso m¨ussen die Widerst¨ande R6 und R8 wesentlich kleiner sein als die Widerst¨ande R9 und R7.
Des Weiteren ist es wichtig, die Platuel¨ange des Ausganggsingals zu bestimmen, denn das Ausgangssignal muss wieder auf 0V fallen, bevor wieder ein positives Eingangssignal ankommt. Dieses Forderung l¨asst sich durch die Dimensionierung des Widerstandes R8 und der Kapazit¨at des Kondensators realisieren. Die ben¨otigte Zeit, bis sich der Kondensator wieder aufgeladen hat, l¨asst sich wie folgend bestimmten:
te ≈RCln2˙ (10)
Man kann sich jetzt die Frequenz und die Periodenl¨ange des Eingangssignals anschauen um die minimale Plateul¨ange des Ausgangssignals, wie in Abbildung 68, zu wissen und somit die Kapazit¨at oder den Widerstand zu skalieren.
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Tiefpassfilter und Differenzverst¨arker
Ezequiel G.
Von der monostabilen Kippstufe kommt ein Signal, das von der Frequenz des Oszillators abh¨angig ist. Mit Hilfe eines Tiefpassfilters wird dieses Signal gegl¨attet, um eine Gleich-spannung zu erhalten, die proportional zur Frequenz ist. Wir wollen damit erreichen, dass der Kondensator des Tiefpassfilters sich bei niedrigen Frequenzen langsamer aufl¨adt und eine niedrige Gleichspannung abgibt und er sich wiederum bei h¨oheren Frequenzen schneller aufl¨adt und eine h¨ohere Gleichspannung abgibt. Wir haben unterschiedliche Bauelemente f¨ur den Tiefpass ausprobiert, um eine schnelle Reaktionszeit zu erhalten und gleichzeitig ein Signal, das so glatt wie m¨oglich ist. Der Widerstand R1 hat einen Wert von 2,2kΩ und der Kondensator C2 eine Kapazit¨at von 2µF.
Abbildung 69: Tiefpass (gelb) und Eingangssignal (rosa) bei niedrigen Frequenzen Da der Ausgang des Filters hochohmig ist, haben wir einen Spannungsfolger verwendet.
Abbildung 70: Tiefpass (gelb) und Eingangssignal (rosa) bei hohen Frequenzen 1 und dient dazu, die Eingangsspannung m¨oglichst gering zu belasten. Nachdem wir eine vom Oszillator frequenzabh¨angige Gleichspannung haben, muss diese entsprechend skaliert werden, und zwar gleich 0V f¨ur die niedrigste Frequenz und gleich 10V f¨ur die h¨ochste Frequenz. Das kann man mit Hilfe eines Differenzverst¨arkers erreichen. Mit den IC1D OPV wird das Signal bei der niedrigsten Frequenz auf 0V gebracht. Die Spannung am Ausgang des Tiefpassfilters wird vom Spannungsregler abgezogen.
Ua= R12
R2 ·(Ue2−Ue1) (11) In unserem Fall ist Ue2 gleich der Ausgangsspannung des Tiefpassfilters und Ue1 die im Spannungsregler festgelegte Spannung. F¨ur die Referenzspannung haben wir einen LM317 verwendet, der mit einer Eingangsspannung von 12V von 1,25V bis 36V abgeben kann.
Abbildung 71: Referenzspannung des Spannungsreglers und Ausgang von Tiefpass bei niedriger Frequenz
Nachdem sichergestellt ist, dass bei niedrigen Frequenzen0V ausgegeben werden, muss man die Ausgangsspannung des Tiefpassfilters verst¨arken, sodass diese 10V entspricht. Daf¨ur verwenden wir einen OPV, geschaltet als nicht-invertierender Verst¨arker. Die Verst¨arkung wird wie folgt berechnet:
V = 1 + R3
R15 (12)
Da R15 ein Potentiometer ist, kann die Verst¨arkung sp¨ater angepasst werden.
Als wir die Spannung hinter dem Verst¨arker gemessen haben, bemerkten wir, dass bei niedrigen Frequenzen die Ausgangsspannung nicht ausreichend glatt war. Deswegen haben
Abbildung 72: Ausgangsspannung vor und nach der Verst¨arkung bei niedriger Frequenz
Abbildung 73: Ausgangsspannung vor und nach der Verst¨arkung bei hoher Frequenz wir noch ein Tiefpassfilter geschaltet, um diese Oberwellen zu unterdr¨ucken. Da die Gruppe, die den Verst¨arker gebaut hat, nur Spannungen zwischen 0V und 10V als Eingangssignal wollte, benutzen wir eine Diode (1N4004), um keine negativen Spannungen zu bekommen.
Um die Eingangsspannung f¨ur die Verst¨arkergruppe nicht zu belasten, ist ein Impedanzwand-ler vor den Ausgang geschaltet.
Ezequiel G.
2.2.6 Bauteilliste