Wintersemester 13/14

Theribaby

Bau eines Theremins Abschlussbericht

Wintersemester 13/14

Inhaltsverzeichnis

1 Tonerzeugung 5

1.1 Fester Oszillator . . . 6

1.1.1 Simulation der Colpitts-Schaltung . . . 6

1.1.2 Stecken . . . 11

1.1.3 Eagle Platinenlayout . . . 14

1.1.4 Platine . . . 16

1.2 Variabler Oszillator . . . 18

1.2.1 Recherche . . . 18

1.2.2 Simulation . . . 19

1.2.3 Wien-Br¨ucken-Oszillator . . . 19

1.2.4 LC-Oszillator . . . 20

1.2.5 Testaufbau des LC-Oszillator . . . 21

1.2.6 Eagle - Platine . . . 23

1.3 Mischer . . . 30

1.3.1 Theorie zum Mischer . . . 30

1.3.2 Entscheidung ¨uber Schaltentwurf . . . 31

1.3.3 Mischer auf Basis einer Gilbertzelle . . . 34

1.3.4 Dimensionierung . . . 35

1.3.5 Simulation . . . 36

1.3.6 Platinenlayout . . . 37

1.4 Gesamtschaltung der Tonerzeugung . . . 42

2 Lautst¨arke 43 2.1 Oszillator . . . 43

2.1.1 Aufgabenstellung . . . 43

2.1.2 L¨osungsansatz . . . 44

2.1.3 Schaltungsbeschreibung . . . 45

2.1.4 Schaltungsberechnung . . . 46

2.1.5 Simulation . . . 46

2.1.6 Praktische Umsetzung . . . 50

2.1.7 Probleme bei der Schaltung . . . 54

2.1.8 Bauteilliste . . . 59

2.2 Frequenz-Spannungswandler . . . 59

2.2.1 Aufgabenstellung . . . 59

2.2.2 Blockschaltbild . . . 60

2.2.3 L¨osungsansatz mit Blockschaltbild . . . 61

2.2.4 Simulation . . . 62

2.2.5 Schaltungsbeschreibung mit Bildern . . . 63

2.2.6 Bauteilliste . . . 69

3 Audioeffekte 70

3.1 Einleitung . . . 70

3.1.1 Gruppenmitglieder . . . 70

3.1.2 Blockschaltbild . . . 71

3.2 Fuzz Octaver . . . 71

3.2.1 Funktionsweise . . . 71

3.2.2 Schaltung . . . 73

3.2.3 Simulation . . . 73

3.3 Wah Wah . . . 75

3.3.1 Funktionsweise . . . 75

3.3.2 Schaltplan . . . 75

3.3.3 Simulation . . . 77

3.4 Eagle Layout und Schematic . . . 77

3.5 Fehlersuche und Problembehebung . . . 79

3.6 Verschaltung und Peripherie . . . 80

3.7 Bauteilliste . . . 82

3.7.1 Fuzz Octaver . . . 82

3.7.2 Wah Wah . . . 82

4 Anzeige 83 4.1 vu-Meter . . . 83

4.1.1 Einleitung . . . 83

4.1.2 Idee . . . 84

4.1.3 Realisierung . . . 84

4.1.4 Ergebnis . . . 86

4.2 Lautst¨arkebestimmung . . . 86

4.2.1 Funktionsweise der kaskadierten Transistoren . . . 87

4.3 Findung und Optimierung des entg¨ultigen Schaltplanes . . . 87

4.4 Notenbestimmung . . . 87

4.4.1 Nulldurchgangserkennung . . . 87

4.4.2 Notenberechnung im Mikrocontroller . . . 89

4.5 Gestaltung und Planung . . . 94

4.5.1 1 Phase - Gestaltung . . . 94

4.5.2 2 Phase - Planung der Ansteuerung . . . 95

4.5.3 3 Phase - Steuervorgang . . . 95

4.5.4 Umsetzung - 7 Segment-Oktaven-Anzeige . . . 95

4.6 Logikentwurf . . . 96

4.6.1 Steuerungslogik f¨ur die Notenanzeige . . . 96

4.6.2 Fehleranzeigeansteuerungslogik . . . 98

4.6.3 Schaltung . . . 98

4.6.4 Platinenlayout . . . 99

5 VCA & Endstufe 101 5.1 Unsere Gruppe . . . 101

5.2 VCA . . . 102

5.2.1 EAGLE . . . 105

5.2.2 Platine . . . 108

5.3 Endstufe . . . 111

5.3.1 Class AB . . . 111

5.3.2 Simulation mit PSpice . . . 114

5.4 TDA-Gruppe . . . 117

5.4.1 Aufgabestellung . . . 117

5.4.2 Dimensionierung . . . 117

5.4.3 Schaltung . . . 118

5.4.4 Simulation . . . 122

5.4.5 Steckbrett . . . 122

5.4.6 Platine . . . 123

6 Geh¨ause 125 6.1 Metallplatten . . . 125

6.1.1 Aufgabe . . . 125

6.1.2 Frontplatine . . . 125

6.1.3 LED-Platine . . . 126

1 Tonerzeugung

Wir sind das Herz unseres Theremins und somit f¨ur die Erzeugung eines Tons zust¨andig.

Unser Blockschaltbild sieht folgendermaßen aus:

Abbildung 1: Blockschaltbild

Die erste Teilgruppe besch¨aftigt sich mit einer Oszillatorschaltung, die eine feste Frequenz erzeugt. Um mit einer Hand die Tonh¨ohe ver¨andern zu k¨onnen, ben¨otigt man einen weiteren Oszillator. In diese Schaltung muss zus¨atzlich eine Antenne integriert werden, um eine Variation der Frequenz zu erm¨oglichen (Teilgruppe 2). Diese zwei Schwingungen werden anschließend dem Mischer bzw. Mixer ¨ubergeben und die erhaltene Frequenz wird noch gefiltert.

Helen W.

1.1 Fester Oszillator

F¨ur den fest schwingenden Oszillator wurde ein LC-Oszillator gew¨ahlt, da diese eine hohe Genauigkeit haben.

Es wurden verschiedene Oszillatoren in Betracht gezogen wurden, unter anderem auch den Royer Converter, welcher als sehr robust gilt, jedoch sich schon bei der Umsetzung der Simulation als schwierig herausstellte. Schließlich fiel die Entscheidung auf den Colpitt Oszillator.

Die Colpitt Schaltungen zeichnen sich durch Unempfindlichkeit in der Dimensionierung und durch Zuverl¨assigkeit im Betrieb aus.

Johanna C.

1.1.1 Simulation der Colpitts-Schaltung

F¨ur die Simulation der Collpits Schaltung verwendeten man das Programm Pspice. Die Vorlage daf¨ur findet man auf der Internet-Seite:http://www.spicelab.de/colpitts.htm.

Jedoch war die Vorgabe unserer Gruppenpartner, die den variablen Oszillator simulierten, eine sinusf¨ormige Frequenz von ca.110kHz und eine Amplitude von 1V. Daher stande man nun vor der Aufgabe die Bauteile anders zu realisieren. Nat¨urlich muss man auch darauf achten, dass die Bauteile im Vorratsraum bzw. k¨auflich erh¨altlich sind. Letzten Endes kam man auf folgende Realisierung:

Abbildung 2: Schaltplan des Colpitts Oszillator

Wie deutlich zu sehen ist, wird zus¨atzlich zum LC-Glied noch ein Hochpassfilter(RC- Glied) dazugeschaltet, da man einen Offset verhindern wollte, wie aus der folgenden Grafik ersichtlich ist:

Abbildung 3: Signal mit Offset und zu hoher Amplitude

Des Weiteren musste man noch einen Verst¨arker einbauen, um die Amplitude zu verringern.

Sp¨ater wurde ein Differenzverst¨arker verwendet, da dieser ein Verst¨arker mit regelbarem Offset ist. In die Schaltung, zum LC-Glied, wird außerdem ein Drehkondensator eingebaut, damit man eine m¨oglichst identische Frequenz mit dem variablen Oszillator bekommt. Zurzeit ist eine Frequenz von ca.103kHz zu vermerken:

Abbildung 4: Oszillatorfrequenz bei ca. 103 kHz

Alexander O.

Wie im Abschnitt 1.1.2 zu lesen ist, wurde die Simulation in Pspice und das Steckbrett gleichzeitig aufgebaut.

Der Aufbau des Steckbrettes und die Simulation ergaben unterschiedliche Ergebnisse. Daher wurden verschiedene Elemente in der Simulation ver¨andert, obwohl diese die Anforderungen erf¨ullte.

Die endg¨ultige L¨osung vom Steckbrett, wurde dann auf die Simulation ¨ubertragen:

Abbildung 5: Schaltung in Pspice

Nach dem Schwingkreis (Signal ’out’) wird das Signal in einen Spannungteiler mit zwei gleichgroßen Widerst¨anden geleitet. Dieser sorgt daf¨ur, dass die Amplitude des Signales halbiert wird. Danach folgen der Spannungsfolger (Dieser wird ausf¨uhrlicher im Abschnitt 1.1.2 beschrieben.) und der Operationsverst¨arker (OPV), mit welchem durch passende Dimensionierung die Amplitude und der Offset des Signals ver¨andert werden kann.

Die drei Potentiometer haben verschiedene Aufgaben:

ˆ R4 ver¨andert den Arbeitspunkt am Transistor,

ˆ R6 ver¨andert den Offset des Signals und

ˆ R8 ver¨andert die Amplitude des Signals.

In der Simulation konnte man keinen verstellbaren Trimmer darstellen, deswegen wurde dieser durch zwei parallele Kondensatoren realisiert. Der Trimmer ist f¨ur die nachtr¨agliche Einstellung der Frequenz zust¨andig. Dies ist n¨otig, um die Frequenz an den variablen Oszillator anzugleichen.

Abbildung 6: Simulation der Schwingung in Pspice

Durch die nachtr¨aglichen Ver¨anderungen hat sich die Simulation der Schaltung ver¨andert.

Bei dem Label ’out’ (in Abbildung 1.1.1 gr¨un) handelt es sich um das Signal nach dem Schwingkreis. Das Label ’out2’ (in der Abbildung 1.1.1 gelb) wird das Signal nach dem OPV dargestellt.

Die geplanten 110kHz wurden ge¨andert, da auch beim variablen Oszillator Ver¨anderungen vorgenommen worden sind.

Nun sollen beide Oszillatoren bei ca. 490kHz schwingen.

Abbildung 7: Simulation der Schwingung in Pspice im Frequenzbereich

Im Abschnitt 1.1.4 wird die endg¨ultige mit dem variablen Oszillator abgestimmte Frequenz angegeben.

Helen W.

1.1.2 Stecken

Nachdem die Simulation und Dimensionierung der Bauteile soweit abgeschlossen ist, beginnt man mit dem Stecken am Steckbrett.

Abbildung 8: Steckbrett mit Colpitt Schaltungsentwurf

Zum Zeitpunkt des ersten Versuches mit dem Steckbrett, wurde parallel noch die Simulation vollendet (wie im Abschnitt 1.1.1 erw¨ahnt), weswegen in den folgenden Bildern noch nicht der geplante Hochpass, Spannungsfolger und OPV zusehen ist.

Abbildung 9: Steckbrett mit Colpitt Schaltungsentwurf ohne Hochpass

Beim Stecken sind verschiedene Probleme aufgekommen, wie zum Beispiel:

ˆ Falsches Stecken von Bauteile, sodass diese nicht mit einander verbunden waren.

ˆ Wenn zwei Drahtbr¨ucken zur Versorgungsbuchse gehen, ist es m¨oglich dass bei einer nicht der Draht angeschlossen wird, sondern die Isolation des Drahtes.

ˆ Wenn zu einer Schaltung immer mehr Bauteil dazu kommen, sollte der Entwurf mehrfach neu gesteckt werden, sodass es ¨ubersichtlich bleibt.

Obwohl diese Probleme behoben werden konnten, wurde nur Messrauschen gemessen. Aus diesem Grund wurde ein Spannungsfolger in die Schaltung integriert. Man entschied sich f¨ur den TL072.

-

-

e_I

TL072

1/2 eo

C_L= 100pF R = 2k_L Ω

Figure 1 : Voltage Follower

PARAMETER MEASUREMENT INFORMATION

eI -

TL072 R_L 1/2

C_L= 100pF 1k Ω

10k Ω

e_o

Figure 2 : Gain-of-10 Inverting Amplifier

- TL072 -

1/2

TL072 1/2 18pF

88.4k Ω

18pF

88.4k Ω 88.4k Ω

18pF

1N 4148

1N 4148 18k Ω^*

-15V

1k Ω

1k Ω

18k Ω ^*

+15V

6 cos ω^t 6 sin ωt

TYPICAL APPLICATION

100KHz QUADRUPLE OSCILLATOR

TL072 - TL072A - TL072B

Abbildung 10: Spannungsfolger¹

12

Dadurch hoffte man den Oszillator zum Schwingen zu bekommen. Ursachen f¨ur das Messrauschen k¨onnten m¨oglicherweise:

ˆ die ungeladenen Kondensatoren und die Spule im Schwingkreis,

ˆ der Kondensator im Hochpass sowie

ˆ die zu stark belastete Eingangsspannung sein, sodass der Oszillator nicht anschwingen kann.

Nach verschiedenen Erweiterungen der Schaltung, wurde eine endg¨ultige L¨osung gefunden, welche wie folgt aussieht:

Abbildung 11: Steckbrett mit endg¨ultigem Colpitt Schaltungsentwurf

Nach dem eigentlichen Schwingkreis wurden noch ein Spannungsteiler, sowie ein Span- nungsfolger und OPV eingebaut. Dabei wurden Spannungsfolger und OPV durch einen IC verwirklicht. Zun¨achst wurde der TL072 verwendet, dieser wurde durch einen TL082 ausgetauscht.

1Datenblatt des TL072

(http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXrxvrt.pdf)

Theribaby

1 Tonerzeugung

1/11

■ WIDE COMMON-MODE (UP TO V_CC⁺) AND DIFFERENTIAL VOLTAGE RANGE

■ LOW INPUT BIAS AND OFFSET CURRENT

■ OUTPUT SHORT-CIRCUIT PROTECTION

■ HIGH INPUT IMPEDANCE J–FET INPUT STAGE

■ INTERNAL FREQUENCY COMPENSATION

■ LATCH UP FREE OPERATION

■ HIGH SLEW RATE : 16V/µs (typ)

DESCRIPTION

The TL082, TL082A and TL082B are high speed J–FET input dual operational amplifiers incorpo- rating well matched, high voltage J–FET and bipo- lar transistors in a monolithic integrated circuit.

The devices feature high slew rates, low input bias and offset current, and low offset voltage temper- ature coefficient.

ORDER CODE

N = Dual in Line Package (DIP)

D = Small Outline Package (SO) - also available in Tape & Reel (DT) P = Thin Shrink Small Outline Package (TSSOP) - only available in Tape

& Reel (PT)

PIN CONNECTIONS (top view)

Part Number Temperature Range

Package

N D P

TL082M/AM/BM -55°C, +125°C • • •

TL082I/AI/BI -40°C, +105°C • • •

TL082C/AC/BC 0°C, +70°C • • •

Example : TL082CD, TL082IN N DIP8 (Plastic Package)

D SO8

(Plastic Micropackage)

P TSSOP8

(Thin Shrink Small Outline Package)

1 2 3

4 5

6 7 8 -

+ -

+

1 - Offset null 1 2 - Inverting input 1 3 - Non-inverting input 1 4 - V_CC^-

5 - Non-inverting input 2 6 - Inverting input 2 7 - Output 2 8 - V_CC⁺

GENERAL PURPOSE J-FET DUAL OPERATIONAL AMPLIFIERS

March 2002

Abbildung 12: Pinbelegung eines TL082²

Der TL082 besteht aus zwei OPVs. dabei wird der linke f¨ur die Verst¨arkung genutzt und der rechte als Spannungsfolger.

Abbildung 13: Spannungsfolger³

Nachdem Spannungsfolger wird das Singal zum OPV weitergef¨uhrt, wobei beim Pin 1 das endg¨ultige Signal ausgegeben wird.

Johanna C.

1.1.3 Eagle Platinenlayout

Als Vorlage f¨ur das Eagle Platinenlayout dient die PSpice-Simulation. Die PSpice-Simulation wurde mehrere Male verbessert bzw. erneuert, sodass die Leitung f¨ur die Versorgungsspan- nung von 12V zum Widerstand R26 fehlt. Diese Leitung wurde mit einem isolierten Kabel einfach vom den Widerstand und an den Pin30 vom BUS (+12V Spannungsversorgung) angel¨otet. Im nachfolgenden Abschnitt ”Platineßieht man diese Leitung. Aus Platzgr¨unden wird f¨ur den festen Oszillator (in Abb. 1.1.3 unten) und den Mixer nur eine Euro-Platine verwendet. Daher mussten die Widerst¨ande, Kondensatoren und Transistoren umbenannt

2Datenblatt des TL082 (http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/

2300.pdf)

werden, damit es beim Einf¨ugen der beiden einzelnen Layouts keine doppelten Bezeichnungen und keine Probleme auf dem Board gibt. Im folgenden wird deswegen eine Tabelle, in der die

¨aquivalenten Widerst¨ande und ihre Dimensionierung von der PSpice-Simultaion zum Eagle Schaltplan aufgelistet sind, eingef¨ugt.

Abbildung 14: Eagle Schaltplan vom festen Oszillator

Abbildung 15: Eagle Boardlayout vom festen Oszillator und dem Mixer

Tabelle 1: Bezeichnungen der Bauteile in PSpice und Eagle, sowie ihre Werte PSpice Eagle Wert [F]

C1 C14 470p

C2 C15 220p

C3 C13 47n

C4 + C5 Trimmer 47p + 10p PSpice Eagle Wert [H]

L1 L2 1m

PSpice Eagle Wert [Ω]

R1 R28 1k

R2 R27 100

R3 R26 22k

R4 R34 1,5k

R5 R31 100

R6 R33 350k

R7 R29 10k

R8 R32 8k

R9 R30 68k

R10 R35 82k

R11 R36 82k

Alexander O.

1.1.4 Platine

Beim L¨oten auf der Platine ist darauf zu achten, dass die Potentiometer vorher eingestellt werden. Besondere Obacht wird auf das Potentiometer R3 gelegt, da dieses erhebliche Auswirkungen auf die gesamte Schaltung hat. Es hat Einfluss auf den Arbeitspunkt des Transistors. Nur in einem bestimmten Bereich ca.1,5kΩbis ca.3,5kΩarbeitet der Transistor im linearen Bereich und man erh¨alt das gew¨unschte Ausgangssignal. Außerdem muss beim Einl¨oten des Transistors darauf geachtet werden, dass dieser nicht zu heißt wird.

Abbildung 16: Platinenansicht des festen Oszillators

Wie im Abschnitt 1.1.3 beschrieben, fehlt die Leitung von Versorgungsspannung zum Schwingkreis bzw. Transistor. Diese wird nachtr¨aglich auf der Platine angebracht.

Johanna C. und Helen W.

1.2 Variabler Oszillator

Wir, die Untergruppe 03 der Tonerzeugung, haben uns mit dem Oszillator, der seine Frequenz

¨andern soll, auseinandergesetzt. Nach der Aufteilung in eigene Untergruppen haben wir zun¨achst untereinander Informationen und Vorgehensweisen ausgetauscht.

1.2.1 Recherche

Was sollte man bzgl. der Recherche beachten?

Im Allgemeinen arbeitet das Theremin nach dem Prinzip eines kapazitiven Abstandssensors.

Hierbei soll die Hand des Spielers, der durch seine eigene Masse als Erdung fungiert, ¨uber die jeweilige Antenne den LC-Schwingkreis des Oszillator ver¨andern. Somit erm¨oglicht man, dass die Hand sowohl die Frequenz als auch die Eigenschaft des Schwingkreises beeinflusst.

Dies geschieht, indem er auf den kapazitiven Anteil des Schwingkreises und dessen D¨ampfung einwirkt.

Nun ist es bekannt, dass man sich f¨ur einen geeigneten Oszillator entscheiden muss.

So wurde beschlossen, bis zum n¨achsten Treffen sich Gedanken ¨uber die Auswahl und Realisierung des passenden Oszillators zu machen und gr¨undliche Recherchen durchzuf¨uhren.

Wichtig f¨ur die Recherche war, dass die Grundfrequenz des Schwingkreises f₀ = ¹

2π√ LC

deutlich oberhalb des h¨orbaren Bereichs (20−20.000Hz) liegen muss, um eine nennenswerte Frequenz¨anderung zu erzeugen, da die ¨uber die Antenne m¨oglichen Kapazit¨ats¨anderungen sehr gering sind, sie liegen im pF-Bereich. In den fr¨uheren Exemplaren wurde 500kHz gew¨ahlt. Ein Bereich f¨ur die Grundfrequenz von 100kHz bis 1M Hz ist typisch. Sie liegt damit weit außerhalb dessen, was wir akustisch wahrnehmen k¨onnen.

Um diese hochfrequenten Frequenz¨anderungen h¨orbar zu machen, mischt man das Signal des an der Antenne angeschlossenen Oszillator-Schwingkreises mit dem Ausgangssignal des zweiten Oszillator fester Frequenz, womit sich die Schnittstellen untereinander in der Tonerzeugungsgruppe bemerkbar machen.

Bez¨uglich der Antenne ist außerdem zu beachten, dass der Einflussbereich auf die Tonh¨ohe etwa40bis 50cm um die Antenne herum betr¨agt, was bedeutet, dass auch der Arm und der K¨orper des Spielers den Ton beeinflussen k¨onnen.

Nach ausreichender Recherche stehen mehrere Schaltungen als M¨oglichkeit zur Verf¨ugung, und zwar nach zahlreichen Variationen zum einen der Wien-Robinson-Br¨ucken-Oszillator, der Schmitt-Trigger-Oszillator und zum anderen der variable Oszillator mit einem LC- Schwingkreis.

1.2.2 Simulation

Die Eigenschaften der Oszillatoren wurden verglichen und es wurden sich Gedanken dar¨uber gemacht, welche Schaltung f¨ur das Theremin am geeignetsten ist. Unter den drei Schwingkreisen hat man sich dann schließlich f¨ur den LC-Schwingkreis und den Wien- Br¨ucken-Schwingkreis zur Simulation entschieden. Den Schmitt-Trigger-Oszillator wurde ausgeschlossen, denn die Arbeit mit einem Rechtecksignal am Ausgang f¨ur die Tonerzeugung war nicht w¨unschenswert, da man eine kontinuierliche Ton¨anderung haben will. Daraufhin wurden diese zwei Oszillatoren mit Hilfe vonP Spice entworfen und simuliert.

Irem C.

1.2.3 Wien-Br¨ucken-Oszillator

Die erste Variante (http://www.jpwright.net/wp-content/uploads/2011/12/

Wien-Bridge-Theremin-Report.pdf), der Wien-Br¨ucken-Oszillator (Abbildung 17), bei der am Ausgang ein Hochpass den Offset unterdr¨uckt und anschließend das Signal etwas verst¨arkt wird. Diese Verst¨arkung kann nat¨urlich je nach Anforderung f¨ur den Mixer variiert werden. Anhand des Signalverlauf (Abbildung 18) erkennt man, dass die Frequenz bei ungef¨ahr 110kHz liegt. F¨ur den Operationsverst¨arker ist es wichtig zu untersuchen, welche Verst¨arkung er bei unserer genutzten Frequenz hat, damit diese f¨ur die R¨uckf¨uhrung gew¨ahrleistet ist.

Abbildung 17: Variabler Wien-Oszillator

Abbildung 18: Signal Variabler Wien-Oszillator

1.2.4 LC-Oszillator

F¨ur die zweite Variante (http://wiki.joanillo.org/images/a/a0/EMTheremin.pdf), dem Oszillator mit dem LC-Schwingkreis gilt (Abbildung 19), dass diese Variante die Frequenz des Oszillators ¨uber den LC-Schwingkreis einstellt, die hier bei ungef¨ahr 112kHz lag (beim Steckbrett sp¨ater 192KHz). Mit der Antenne, die ¨uber Spulen in Reihe verbunden wird ver¨andert man die Frequenz des Schwingkreises. Am Ausgang ist wieder ein einfacher RC- Hochpass, der den Offset unterdr¨uckt und alle Frequenzen unterhalb von 80kHz. Die Amplitude hier entsprach eher unseren Forderungen und ist schon vom Oszillator aus in einem Bereich zwischen −1V und 1V, ohne zus¨atzliche Verst¨arkung. Allerdings ben¨otigen wir eine zus¨atzliche negative Versorgungsspannung.

Abbildung 19: Variabler LC-Oszillator

Abbildung 20: Signal Variabler LC-Oszillator

Schließlich hat man sich f¨ur den Oszillator mit dem LC-Schwingkreis entschieden.

Furkan Y.

1.2.5 Testaufbau des LC-Oszillator

Der variable Oszillator wird ¨uber eine LC-Schwingkreis realisiert, welcher durch eine Pitch-Antenne verstimmt werden kann. Diese repr¨asentiert in Verbindung mit der Hand eine

Kapazit¨at zur Erde. Die zus¨atzlichen in Reihe geschalteten Spulen sorgen f¨ur eine zunehmende lineare ¨Anderung der Gesamtkapazit¨at des Schwingkreises. Die Grundschwingfrequenz f0 ist mit (Formel) gegeben. Durch das n¨ahern einer Hand in der N¨ahe der Antenne wird die Kapazit¨at des Schwingkreises ver¨andert und somit die Frequenz des Oszillator.

Der LC-Oszillator arbeitet mit einer Differenzstufe, bei der ein Eingang mit einem 1kOhm Widerstand auf Masse geschaltet ist und der andere Eingang das zur¨uckgef¨uhrte Signal bekommt. Mit den Widerst¨anden R1 und R2 wird der Arbeitspunkt des Transistors Q2 eingestellt und ¨uber dem Kondensator C1 der Offset des zur¨uckgef¨uhrten Signals entfernt, damit das Eingangssignal um null schwingt. Die beiden Dioden dienen dazu die Amplitude der Schwingung zu stabilisieren.

Versorgt wird der Oszillator mit−5V & +5V. Der Hochpass-Filter 1.Ordnung am Ausgang entfernt ebenfalls das Offset der Schwingung f¨ur die weitere Verwendung des Signals und d¨ampft alle st¨orenden Frequenzen unterhalb von80kHz. Der vorgeschaltete WiderstandR5 dient zur Einstellung der Amplitude am Ausgang.

Abbildung 21: Testaufbau LC-Oszillator

Nachdem der Oszillator wie in der Simulation auf dem Steckbrett umgesetzt wurde (Abbildung 21), erhielten wir am Ausgang ein sinus-¨ahnliches Signal mit einer Frequenz von 192kHz. M¨ogliche Ursachen f¨ur die Abweichung von der Simulation sind Bauteiltoleranzen und parasit¨are Kapazit¨aten des Steckbrettes. Als Antenne wurde eine Teleskop-Antenne verwendet mit ca. 40cm L¨ange. Erste Versuche ließen keine oder nur winzige ¨Anderung der Frequenz zu. Nur bei Ber¨uhrung der Antenne mit der Hand war eine Frequenzverstimmung m¨oglich.

Da dieses Ergebnis keine zufriedene Variante darstellte, wurde die Resonanzfrequenz des Schwingkreises erh¨oht, indem wir die Kapazit¨at der Schwingkreises verkleinerten. Bei einer Frequenz ¨uber 200kHz wurde der Effekt besser. Bei 420kHz wurde sogar die gew¨unschte Bandbreite von 20kHz erreicht, ohne die Antenne dabei zu ber¨uhren. Da die kapazitive Anderung mit der Hand nur wenige¨ pF betr¨agt, wirkt sich diese am besten in einem Schwingkreis aus, der ebenfalls eine kleine Kapazit¨at enth¨alt.

Da bei der Auswahl eines Netzteil keine −5V als Spannung zur Verf¨ugung stand, wurde die Versorgungsspannung auf−12V & +12V erh¨oht. Nach Simulation mit der ver¨anderten Versorgungsspannung wurde kein Problem festgestellt. Der Testaufbau wurde weiter variiert, um eine optimale Konfiguration zu erhalten. Dabei wurde festgestellt, dass die Dioden eine eher negative Wirkung haben und somit entfernt. Die in Reihe geschalteten Spulen zum Anschluss der Antenne wurde auf 2 Spulen je 1mH reduziert. Dies wurde n¨otig, da mit 4 Spulen je 10mH keine ¨Anderung der Frequenz mittels Antenne-Hand-Konfiguration mehr m¨oglich war.

Maik S.

1.2.6 Eagle - Platine

Nach erfolgreichen Simulieren und Messungen am Steckbrett, geht man ¨uber zum Programm Eagle, mit der man das Platinen-Layout erstellt. Zun¨achst ¨ubertr¨agt man die in PSpice simulierte Schaltung in Schematic des Eagle-Programms. Hierbei ist sehr darauf zu achten, dass man die richtigen Bauteile aussucht und verwendet. Nach festlegung der Pinbelegung, mit den Eingangs- und Ausgangssignalen l¨asst man beim Schaltplan die Versorgungsquellen und Massepunkte weg, da man diese aus dem Pin bezieht. Wie aus der Simulation zu entnehmen, wurde ein Kondensator-Trimmer verwendet, den es jedoch so wie er f¨ur die Schaltung n¨otig war, nicht zur Verf¨ugung stand. Aus diesem Grund wurde ¨uber Eagle ein eigener Trimmer erstellt, der den Forderungen entspricht.

Abbildung 22: Variabler Oszillator - Schematic-Datei

Nachdem der Schaltplan fertig stand und alle Konventionen bzgl. der Bedingungen des Projektlabors beachtet wurden (http://www.projektlabor.tu-berlin.de/menue/

onlinekurs/platinenlayout/), erzeugt man aus der Schematic-Datei ¨uber Eagle das Board-Layout.

Hier befinden sich nun alle verwendeten Bauteile aus dem Schaltplan und vier f¨ur wichtig empfundene Messpunkte wurden eingebaut. Die n¨achste Aufgabe ist es nun, die Bauteile so anzuordnen, dass es zu keinen ¨Uberschneidungen der Leitungen kommt, dabei steht dem variablen Oszillator eine halbe Europlatine zur Verf¨ugung. Nach mehreren Versuchen, ist es schließlich gelungen ein Board-Layout zu erstellen ohne Durchkontaktierungen zu haben.

Auch hier wurden alle Erwartungen des Projekt-Labors erf¨ullt.

Dieses nun vollst¨andige Board-Layout wurde zum ¨atzen weitergeleitet und fertiggestellt.

Daraufhin m¨ussen die Stellen, wo sp¨ater die Bauteile ran gel¨otetet werden, durchgebohrt werden. Um nun die einzelnen Bauteile anzul¨oten, muss die Platine vor dem L¨oten mit L¨otlack lackiert werden. Nun kann man an der Platine l¨oten. Nun wird an der fertig gel¨oteten Platine gemessen und gepr¨uft, ob alles so funktioniert wie man es erwartet.

Abbildung 23: Variabler Oszillator - Schematic-Datei

Abbildung 24: Variabler Oszillator - ge¨atzte Platine

Abbildung 25: Variabler Oszillator - lackierte Platine

Abbildung 26: Variabler Oszillator - gebohrte und gel¨otete Platine - Bottom

Abbildung 27: Variabler Oszillator - gebohrte und gel¨otete Platine - Top

Der erste Testlauf der fertigen Platine lief zufriedenstellend. Lediglich kleine Anpassung einiger Bauteilwerte wurden n¨otig um das gew¨unschte Ergebnis zu erhalten. Mittels der Widerstands-Trimmer konnte dies ziemlich exakt durchgef¨uhrt werden. Mit einem kann der Arbeitspunkt der Differenzstufe, am gemeinsamen Emitterknoten, eingestellt werden. Mit dem anderen wird in der Ausgangsstufe die Verst¨arkung des nicht-invertierenden Verst¨arkers bestimmt (1), um eine Amplitude von −1V...+ 1V zu erhalten. In Abbildung 28 ist der endg¨ultige Schaltungsaufbau dargestellt.

U_SignalOut=U_ein·(1 + R8

R9) (1)

Abbildung 28: Endversion des variablen Oszillator

Die Schwingfrequenz des Oszillator kann mittels des hinzugef¨ugten Trimmkondensator verstellt werden. Dieser ist Parallel zum Schwingkreis geschaltet und addiert eine Kapazit¨at zur Gesamtkapazit¨at hinzu. Auf der Platine wird eine Bandbreite von ca. 415kHz bis 500kHz erreicht. Das Einstellen der Frequenz dient vor allem, um diese an den festen Oszillator anzugleichen. In Abbildung 29 ist das Ausgangssignal, welches gemessen wurde, dargetsellt.

Abbildung 29: Ausgangssignal des variablen Oszillator

Maik S.

Abbildung 30: Variabler Oszillator - Messpunkte

1.3 Mischer

1.3.1 Theorie zum Mischer

Die Oszillatoren schwingen in einem Bereich, denn das menschliche Ohr nicht wahrnehmen kann. Die Aufgabe des Mischers besteht darin, aus diesen Frequenzen eine h¨orbare Frequenz zu erzeugen. Die Oszillatoren m¨ussen so abgestimmt werden, sodass die Differenz der beiden Frequenzen, genau dem h¨orbarem Bereich entspricht. Dieses muss mit dem Mischer erreicht werden. Man unterscheidet zwischen zwei Mischungsarten:

ˆ Additive Mischung:

Zwei verschiedene Signalquellen werden in einem Mischer zusammengef¨ugt. Bei der additiven Mischung werden Eingangs- und Hilfssignal addiert (¨Uberlagert) und an eine nichtlineare Kennlinie angelegt. Die eigentliche Mischung erfolgt in der Nichtlinearit¨at.

Das Bandfilter am Ausgang leitet nur das gew¨unschte Mischprodukt weiter. Der Nachteil der additiven Mischung ist die zus¨atzliche Produktion von zahlreichen ungewollten Mischprodukten.

Abbildung 31: Prinzip eines idealen additiven Mischers⁴

Abbildung 32: Amplitudenspektrum (Addierer)⁵

4Bildquelle

ˆ Multiplikative Mischung:

Bei der multiplikativen Mischung werden die beteiligten Signale -Eingangsignal und Hilfssignal - in einer Multiplikatorschaltung miteinander multipliziert

Abbildung 33: Prinzip eines idealen multiplikativen Mischers mit nur zwei Ausgangsfrequen- zen⁶)

-

Abbildung 34: Amplitudenspektrum (Multiplizierer)⁷

1.3.2 Entscheidung ¨uber Schaltentwurf

ˆ Zur Auswahl standen zwei grundlegende Mischschaltungen, ein Addierer oder ein Multi- plizierer. Der Addierer ist von Aufbau einfacher, als ein Multiplikator. Denn dieser kann bereits mit nur einem OPV realisiert werden und wenigen Widerst¨anden.Jedoch sein Ergebnis kann nur schwer verarbeitet werden, da am Ausgang viele Oberschwingungen entstehen, die herausgefiltert werden m¨ussen.

5Bildquelle

(https://service.projektlabor.tu-berlin.de/benv3/index.php?page=

Attachment&attachmentID=2577&h=4ba91c07eeb7d636c58e885219bffcba94bf6a5e)

6Bildquelle (http://de.wikipedia.org/wiki/Mischer_%28Elektronik%29)

7Bildquelle

(https://service.projektlabor.tu-berlin.de/benv3/index.php?page=

Attachment&attachmentID=2577&h=4ba91c07eeb7d636c58e885219bffcba94bf6a5e)

Abbildung 35: Addierer (Schaltung im PSPICE)

Abbildung 36: Amplitudenspektrum im SCHEMATIC (Addierer)

ˆ Dies stellt jedoch eine enorme Aufgabe an den Filter. Deswegen haben wir uns im Endeffekt f¨ur den Multiplikator entschieden, zun¨achst f¨ur den Aufbau eines Ringmischers.

Abbildung 37: Multiplikator Nr.1 (Schaltung im PSPICE)

ˆ Der Ringmischer erzeugt wenige Mehrfache der Differenz der Frequenzen und die Eingangsfrequenzen tauchen im Ausgangssignal nicht auf. Die Verarbeitung dieses

Signals ist um einiges einfacher und effektiver. Da die Simulation erfolgreich war, versuchten wir diesen einmal in der Realit¨at nachzubauen. Es fehlten uns jedoch die Ubertrager, welche f¨¨ ur die Entkopplung der Signale wichtig waren. Diese konnten wir nicht auffinden, also entschieden wir uns f¨ur einen Neustart, die Gilbertzelle.

Konstantin L.

1.3.3 Mischer auf Basis einer Gilbertzelle

ˆ Schaltungsentwurf

Die Gilbert-zelle ist ein Analogmultiplizierer f¨ur Str¨ome. Sie wurde 1968 von Barrie Gilbert entwickelt. Der Ausgangsstrom der Zelle ist eine exakte Multiplikation der differentiellen Ein- gangsstr¨ome. Die Gilbert-Zelle wird beim Mischen von Signalen oder in spannungsgesteuerten Verst¨arkern eingesetzt.

Abbildung 38: Grundschaltung einer Gilbert-Zelle⁸

1.3.4 Dimensionierung

Die Dimensionierung der Schaltung erfolgt in mehreren Schritten. Die gesamte Schaltung besteht aus insgesamt 3 Teilbl¨ocken. Der erste ist die Gilbertzelle selbst. Diese besteht aus der Transistoren-Stufe, den zwei Widerst¨anden ¨uber den Transistoren und der Stromsenke.

Die Widerst¨ande dienen der Einstellung der Arbeitspunkte der Transistoren, deshalb ist es ratsam, diese als Potentiometer zu verbauen. Die Stromsenke wird als ein Widerstand realisiert. Die Differenzstufe bildet den zweiten Block. Dieser greift das Ausgangssignal und verst¨arkt es. Die letzte Stufe bildet der Tiefpass. Dieser filtert den Hochfrequenten Anteil, der beim Mischvorgang entsteht. In Pspice realisierten wir diesen als zwei hintereinander geschaltete Tiefp¨asse zweiter Ordnung. Als Tiefpassfilter wurde der aktive Tiefpass mit Mehrfachgegenkopplung eingesetzt. Der Tiefpass mit Mehrfachgegenkopplung hat gegen¨uber dem Sallen-Key-Tiefpass den Vorteil, dass der OPV ohne Gleichtaktaussteuerung betrieben wird. Dadurch werden bei dieser Schaltungen zus¨atzliche Verzerrungen, die durch den Gleichtaktbetrieb entstehen w¨urden, vermieden. Gegen¨uber dem Sallen-Key-Tiefpass hat diese Schaltung den Nachteil, dass der Bauteilaufwand h¨oher ist: je Stufe wird ein Widerstand mehr ben¨otigt. Sp¨ater wird dieser als Aktivfilter realisiert, da ein OPV zur Verf¨ugung bleibt.

F¨ur die vier Operationsverst¨arker aus der Simulation wurde der handelsubliche TL072P ausgew¨ahlt. Zus¨atzlich kann dieser das Ausgangsignal in niederfrequenten Bereich nochmals verst¨arken. Ein wichtiger Unterschied zwischen der Simulation und dem endg¨ultigem Aufbau, ist das Eingangssignal. Die Transistoren m¨ussen paarweise Taktversetzt geschaltet werden.

Das heißt, jeweils ein Transistor muss entgegen dem anderem geschaltet werden. Dazu muss das Eingangssignal invertiert werden. Dieses wird durch zwei Inverter (jeweils f¨ur ein Eingangssignal) realisiert.

8Bildquelle (http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gilbert_cell_circuit.png)

Abbildung 39: Schaltung des Mischers auf Basis einer Gilbertzelle im PSpice

1.3.5 Simulation

Die Simulation der Schaltung erfolgte im PSpice. Das Ausgangssignal entspricht den Erwartungen: die Amplitude betr¨agt 100 mV und eine Periodendauer von etwa 50 us, was einer Frequenz von 20 KHz gleicht. Das ist genau die Differenz der Eingangsignale.

Abbildung 40: Simulation des Mischers im PSpice

Sergej M.

1.3.6 Platinenlayout

Im Platinenlayout bestehen die Objekte aus den Bauelementen, die gem¨aß der elektrischen Netzliste miteinander verkn¨upft sind. Ziel ist das Auffinden einer bez¨uglich der Verdrahtung m¨oglichst fl¨acheng¨unstigen Anordnung der Bauelemente. Zur Durchf¨uhrung der Platzierung wird die Information ¨uber die Verbindungen der einzelnen Zellen untereinander verwendet.

Nun wird mit dem Schaltungslayout in Eagle begonnen. Nachdem die Pinbelegung und alle Bauteile definiert wurden, wurde geroutet. Dabei ergaben sich einige Schwierigkeiten in der Schaltung, sodass entschlossen wurde, auch auf der anderen Seite ein paar Leiterbahnen unterzubringen.

Abbildung 41: Schaltung in EAGLE

Aus Platzgr¨unden wurden zwei Schaltungen (fester Oszillator und der Mischer) auf einer Europlatine dimensioniert. Die Pinbelegung wurde am Anfang des Projekts f¨ur alle Gruppen einheitlich festgelegt.

Abbildung 42: Eaglelayout

Das Routen der Platine ist eine knifflige Aufgabe. Durch die vielen Leiterbahnen zu den beiden ICs wurde diese Aufgabe um einiges erschwert, sodass nicht alle Leiterbahnen nicht auf der unteren Platinenseite verlegt werden konnten. Es musste auf eine doppelseitige Platine erstellt werden. Das ¨atzen der Platine ¨ubernahm ein TU-Internes Labor. Im Anschluss mussten nur die L¨ocher f¨ur die Bauteile gebohrt und danach die Platine best¨uckt werden.

Abbildung 43: Platine angeschlossen

Mit Hilfe von zwei Frequenzgeneratoren wurden zwei Oszillatoren simuliert. Der erste Versuch, den Mischer in Betrieb zu nehmen, ging schief. Das Problem lag daran, dass die Transistoren unterschiedliche Arbeitspunkte besitzen, was auf die Toleranzen bei der Fertigung zur¨uck zu f¨uhren ist. Diese m¨ussen aufeinander Abgestimmt werden, damit sie das gleiche Schaltverhalten haben. Dieser Vorgang ist bei der Gilbertzelle sehr m¨uhsam und nimmt einige Zeit in Anspruch. Nach einiger Arbeit ist aber auch dieses Problem gel¨ost und ein Ausgangssignal konnte gemessen werden.

Eugen E.

1.4 Gesamtschaltung der Tonerzeugung

Bei dem Zusammenschalten der einzelnen Elemente ist darauf zu achten, dass der variable und der feste Oszillator aneinander angeglichen werden m¨ussen, d.h. sie m¨ussen bei der gleichen Frequenz schwingen.

Johanna C. und Helen W.

2 Lautst¨ arke

2.1 Oszillator

2.1.1 Aufgabenstellung

Die Aufgabe dieser Untergruppe besteht darin, eine Schaltung zu verwirklichen, welche ein Wechselspannungssignal mit variabler Frequenz erzeugt. Letztere soll durch die Position einer Hand des Thereminspielers relativ zu einer Antenne, welche ebenfalls von dieser Untergruppe gebaut und dem Theremin hinzugef¨ugt wird, gesteuert werden k¨onnen. Dabei soll die Frequenz des Ausgangssignals niedrig bei geringem und hoch bei großem Abstand zwischen Hand und Antenne sein.

Die Schaltung soll zun¨achst theoretisch entworfen und simuliert sowie anschließend auf einem Steckbrett praktisch aufgebaut und getestet werden. Sind diese Arbeitsschritte erfolgreich abgeschlossen, so ist ein Platinenlayout zu entwerfen, wobei die Software

”EAGLE“ der Firma

”CadSoft Computer GmbH“ verwendet werden soll. Nach der so entstandenen Vorlage wird dann die Platine dieser Untergruppe ge¨atzt. Der ¨Atzvorgang selbst wird jedoch nicht von den Gruppenmitgliedern, sondern von entsprechend geschulten Mitarbeitern eines ¨Atzlabors der TU- Berlin durchgef¨uhrt.

Ist die Platine fertig ge¨atzt, so wird sie von den Gruppenmitgliedern den zuvor erstellten Schaltpl¨anen entsprechend best¨uckt und sowohl einzeln, als auch beim St¨opseltermin im Zusammenspiel mit den Schaltungen der anderen Gruppen getestet.

Wenn die Schaltung auch im Verbund mit den anderen Bestandteilen des Theremins ihre Funktion erf¨ullt, so ist die praktische Arbeit an diesem Projekt erfolgreich beendet.

Andernfalls soll versucht werden, die verursachenden Fehler zu finden und zu beheben.

Die Arbeit am gesamten Projekt soll von jeder Teilgruppe dokumentiert werden, sodass daraus ein Abschlussbericht erstellt werden kann, in welchem der Projektverlauf beschrieben wird.

Falko K.

2.1.2 L¨osungsansatz

Im Folgenden soll die Grundiedee des gew¨ahlten L¨osungsansatzes kurz erl¨autert und mit Hilfe eines Blockschaltbildes veranschaulicht werden.

Schmitt- Trigger Antenne

U_ein U_aus

Ausgangs- signal R

invertierender

Abbildung 44: Die Grundidee unserer Oszillatorschaltung

Abblidung 44 zeigt den prinzipiellen Aufbau der verwendeten Schaltungsidee in Form eines Blockschaltbildes. Dort ist zu erkennen, dass wir die Aufgabenstellung mit Hilfe eines elektronischen Kippschalters (einem invertierenden Schmitt- Trigger) zu l¨osen versuchen, dessen Eingang mit einer Kapatit¨atC_A, sowie ¨uber einen WiderstandRmit seinem Ausgang, verbunden ist. Die Kapazit¨atCAist im Blockschaltbild nicht auf den ersten Blick zu erkennen.

Sie wird einerseits von der eingezeichneten Antenne, sowie andererseits von einer Hand des Thereminspielers gebildet. Ihr Wert h¨angt vom Abstand zwischen Hand und Antenne ab.

Der invertierende Schmitt- Trigger funktioniert im Wesentlichen als Schalter, welcher ab einer gewissen EingangsspannungU_ein (siehe Abbildung 44) eine kleine und unterhalb eines kleineren Wertes von U_ein eine große Ausgangsspannung U_aus

”erzeugt“ [1]. Folglich wird die Kapazit¨atC_Aperiodisch ge- und entladen. Die Auflade- beziehungsweise Entladezeit der Kapazit¨at und somit die Frequenz der Spannung am Ausgang des invertierenden Schmitt- Triggers h¨angt von der Gr¨oße der Kapazit¨at C_A und folglich vom Abstand zwischen Hand und Antenne ab.

Somit kann die Frequenz des Ausgangssignals durch den Abstand zwischen einer Hand des Thereminspielers und der Antenne gesteuert werden. Die auf diese Weise erzeugte variable Frequenz wird von der anderen Teilgruppe der

”Lautst¨arkeregelungs- Gruppe“ in eine Gleichspannung umgewandelt, welche letztendlich die Lautst¨arke des Theremins steuert.

Falko K.

2.1.3 Schaltungsbeschreibung

Unsere Schaltung besteht aus eine Invertierende Schmitt-Trigger mit eine R¨uckkopplung, ein Spannungsregler und eine Antenne.Die Antenne dient als Kapazit¨at.Mit der Handbewegung wird der Kapazit¨at ver¨andert.Kapazit¨at wird zwischen den Kreisf¨ormigen Antenne und Hand des Theremin Spielers gemessen.Grund f¨ur die Kreisf¨ormige Antenne ist, dass die E-Feldlinien im innere des Kreises geb¨undelt sind und dadurch man das maximale Ertrag entnehmen kann.Somit wirkt die Antenne als eine fl¨achige platte.

Aufgrund der nicht eindeutige Geometrische Form der Antenne, eine genaue berechnung der C_Aist sehr kompliziert.Wir machen eine Vereinfachung und nehmen wir an dass die Antenne eine Kreis ist.Dann berechnet sich der Antennen Kapazit¨at CA wie folgt;

C_A= ^ε0ε_d^rA (2)

Wobei A die Kreisfl¨acheπr² mit r=0,065 m und -d- Abstand zwischen der Antenne und Hand ist.Diese Abstand variiert zwischen 0,005 m und 0,1 m, je nach position des Handes.Damit erh¨alt man eine Kapazit¨at ¨Anderung zwischen ca.1,2 pF und 23 pF.

Wenn C_A ungeladen ist, liegt auf dem Eingang des NAND-Bausteins des Schmitt-Triggers der logische Zustand 0 an. Er liefert eine Ausgangsspannung, die dem logischen Zustand 1 entspricht. Diese Spannung l¨adt ¨Uber den Widerstand R6 die Kapazit¨at auf. Wenn die Spannung der Kapazit¨at eine bestimmte Schwellspannung ¨Uberschreitet, liegt am Eingang des NAND-Bausteins eine logische 1 an. An seinem Ausgang liegt nun 0 an und die Kapazit¨at entl¨adt sich wieder ¨Uber den Widerstand R6. Dadurch entsteht eine Wechselspannung, deren Frequenz von den NAND-Baustein-Eigenschaften, dem Widerstand R6 und den Kapazit¨at abh¨angt.

Eine Kapazit¨ats¨anderung der Antenne f¨uhrt zu einer Frequenz¨anderung des Schwingkrei- ses. Damit entsteht am Ausgang eine Rechtecksignal mit ver¨anderlichen Frequenz.Die Lade-Entladezeit werden durch widerstand R6 beeinflusst. Wird R erh¨oht, so wird da- durch der Lade- bzw. Entladestrom verringert und folglich verringert sich auch die Frequenz.Zus¨atzlich kann man mit Poti R7 die Amplitude des Ausgangssignals einstellen.Das betr¨agt ca.5V.Außerdem mit Poti R5 k¨onnen wir offset Spannung anpassen.Am Ausgang entstehende Wechselspannung wird von der Frequenz-Spannungswandler weiter verarbei- tet.Dadurch kann man, mit der Handbewegung die Frequenz des Ausgangssignals und somit auch die Lautst¨arke variieren.

[?]

Aykut E.

2.1.4 Schaltungsberechnung

Spannungsregler LM317 Die Ausgangsspannung des LM317 berechnet sich nach Glei- chung 3 [2, S. 1]:

Ua,lm317 =1,25 V

1 + R₇ 240W

(3) F¨ur R₇ = 240W ergibt sich U_a,lm317 = 2,5 V. Diese Spannung wurde f¨ur den zuvor verbauten OPV-Schmitt-Trigger, den LM324, als Referenz ben¨otigt, um rein positive Ausgangsspannungen am Multivibrator zu garantieren. Mit dem Potentiometer R₇ wurde die Ausgangsspannung des LM317 in den gew¨unschten Bereich verschoben. Der Widerstand R₄ belastet den LM317, um eine m¨oglichst konstante Spannungsversorgung zu garantieren.

Dieser Schaltungsteil wurde so belassen, um bequem zwischen LM324 und LM358 wechseln zu k¨onnen.

Jakob W.

2.1.5 Simulation

Die Oszillatorschaltung wurde mithilfe des Programms Capture CIS Lite Edition 16.6 erstellt und mit dem Programm PSpice Lite 16.6 simuliert. Zur Erstellung des Ersatzschaltbildes in Abbildung 45 wurden drei Widerst¨ande sowie je eine Kapazit¨at, ein Operationsverst¨arker, eine Gleichspannungsquelle und ein Nullpotential ben¨otigt. Der gestrichelte Kasten zeigt die Funktionseinheit des Schmitt-Triggers. Die graue Messspitze stellt ein Voltmeter dar, das zum Nullpotential hin die Spannungsdifferenz misst. Um in der folgenden Simulation die Antennenkapazit¨at verschiedene Werte annehmen zu lassen, musste das BauteilPARAM aus der Bibliothek SPECIAL eingef¨ugt werden. Mit dessen Hilfe wurde das Schaltungsverhalten f¨ur die Antennenkapazit¨aten 50, 100 und 150 pF simuliert.

Das Schaltungsverhalten verschiedener Antennenkapazit¨aten wurde im Zeitbereich f¨ur eine Dauer von 65µs simuliert wie Abbildung 46 zeigt. Sinkt die Kapazit¨at, erh¨oht sich die Frequenz. Steigt die Kapazit¨at, verringert sich die Frequenz. Die Grafik zeigt, dass die Schaltung ein hinreichend guter Rechteckgenerator ist, der jedoch Schw¨achen hinsichtlich der Frequenzstabilit¨at hat und unterschiedliche Steigungen innerhalb einer Flanke aufweist.

Nichtsdestotrotz sind die Plateaus und T¨aler stark ausgepr¨agt und weisen eine hinreichend hohe Konsistenz auf.

F¨uhrt man eine schnelle Fouriertransformation durch gelangt man in den Frequenzbereich, den Abbildung 47 zeigt. Wie aufgrund der rechteckigen Form des Signals zu erwarten war, setzen sich die Zeitsignale aus unendlich vielen Frequenzen zusammen. Doch auch hier

D D

C C

B B

A A

Schmitt-Trigger

0

Title

Size Document Number R e v

<Doc> <RevCode>

<Title>

A Title

Size Document Number R e v

<Doc> <RevCode>

<Title>

A Title

Size Document Number R e v

<Doc> <RevCode>

<Title>

A

V

PARAMETERS:

CVAL = 100p 1k

R1

V1 5Vdc

{CVAL}

ANTENNE

100k R3 1k R2

U1 +

-

OUT

Abbildung 45: Ersatzschaltbild des Oszillators in Capture CIS

47

Date/Time run: 11/25/13 10:44:43

** Profile: "SCHEMATIC1-oszillator_sim" [ I:\00.dokumente\tu.berlin\2013_WS\ba_projektlabor\oszillator-pspicefi...

Temperature: 27.0

Date: November 25, 2013 Page 1 Time: 10:53:46

(A) oszillator_sim.dat (active)

Time

0s 10us 20us 30us 40us 50us 60us 70us

V(U1:OUT) -20V

-15V -10V -5V 0V 5V 10V 15V 20V

Abbildung 46: Spannungsverl¨aufe im Zeitbereich; Rechteck/Lila: CVAL = 50 pF, Raute/Rot:

CVAL = 100 pF, Dreieck/Blau: CVAL = 150 pF

sind klar dominierende Frequenzanteile zu erkennen, die letztendlich f¨ur den darauffolgenden Schaltungsteil ausschlaggebend sind. Wesentliche Frequenzen sind 30, 50 und 90 kHz. Eine durch Ann¨ahern und Entfernen der Hand von der Antenne hervorgerufene Kapazit¨ats¨anderung w¨urde somit zu einer ausreichend starken Frequenz¨anderung f¨uhren, sofern die simulierten Kapazit¨ats¨anderungen der Realit¨at entsprechen sollten. Die Simulation best¨atigt somit die Funktionalit¨at der Oszillatorschaltung und ermutigt zu einem Testaufbau des Entwurfs.

Date/Time run: 11/25/13 10:44:43

** Profile: "SCHEMATIC1-oszillator_sim" [ I:\00.dokumente\tu.berlin\2013_WS\ba_projektlabor\oszillator-pspicefi...

Temperature: 27.0

Date: November 25, 2013 Page 1 Time: 10:56:24

(A) oszillator_sim.dat (active)

Frequency

0Hz 20KHz 40KHz 60KHz 80KHz 100KHz 120KHz 140KHz 160KHz 180KHz 200KHz

V(U1:OUT) 0V

5V 10V 15V 20V

Abbildung 47: Spannungsverl¨aufe im Frequenzbereich; Rechteck/Lila: CVAL = 50 pF, Rau- te/Rot: CVAL = 100 pF, Dreieck/Blau: CVAL = 150 pF

2.1.6 Praktische Umsetzung

Nachdem nun die Theorie soweit verstanden war, befasste sich die Gruppe mit der praktischen Umsetzung der Schaltung. Zu erst wurden die ben¨otigten Bauteile bestimmt.

Der invertierende Schmitt-Trigger wurde mit einem herk¨ommlichen Operationsverst¨arker (LM741) wie im theoretischen Modell aufgebaut. F¨ur die ersten Versuche wurde ein IC Bauteil mit vier OPVs benutzt, wobei lediglich einer angeschlossen wurde. Die fertige Platine wurde dann aus Kostengr¨unden mit einem LM358 realisiert, der lediglich zwei, anstatt vier Operationsverst¨arkern beinhaltet. Die Widerst¨ande, die benutzt wurden um die Schaltung aufzubauen, wurden oft ausgewechselt und durch verschieden große Widerst¨ande ersetzt um die Funktion und das Ausgangssignal der Schaltung zu verbessern. Die Initialwiderst¨ande (1kΩ) f¨ur die erste Schaltung basierten auf ¨Uberlegungen und wurden entsprechend ausgew¨ahlt.

Als erstes platzierte die Gruppe den Operationsverst¨arker-Sockel auf dem Messbrett, f¨ugte die Widerst¨ande und den Operationsverst¨arker hinzu, belegte die Spannungsklemmen am oberen Rand des Bretts und schloss die Antenne, die noch aus einem zusammengerollten Kupferdraht bestand, an. Bevor die Spannung angelegt wurde, wurde die Schaltung nochmals auf ihre Richtigkeit ¨uberpr¨uft.

Als Spannungsversorgung wurde + 12V DC und Masse gew¨ahlt. Die Referenzspannung des OPV (+2,5V DC) wurde anfangs mit einer Spannungsquelle erzeugt, in der finalen Schaltung dann mit der Precision Voltage Regulator Schaltung des LM317 aufgebaut. Mit diesen Werten wurde die Schaltung in Betrieb genommen. Das Schaltbrett wird gezeigt in der folgenden Abbildung 48.

Abbildung 48: Schaltungsaufbau

Das am Oszilloskop angezeigte Ausgangssignal sah zun¨achst nicht aus wie das in der Simulation. Vergleiche dazu die Abbildungen 2 und 3.

Abbildung 49: Graph der anf¨anglichen Simulation

Abbildung 50: Graph des anf¨anglichen Testaufbaus

Der Graph des anf¨anglichen Testaufbaus wies ein Plateau auf dem High-Pegel auf und es gab praktisch kein Low-Pegel-Plateau (vergl. Abbildungen 2 und 3). Es wurde zun¨achst mit dem zweiten Teil der Gruppe vereinbart eine positive Rechteckspannung mit variabler Frequenz zu ¨ubergeben wobei eine Frequenz¨anderung von ca. 10kHz zu erzeugen war. Da die Schaltung der Untergruppe 2 mit einer Vielzahl von Kurvenformen funktionierte, f¨uhrte auch eine S¨agezahnspannung, wie sie bereits erzeugt wurde, zum gew¨unschten Ergebnis.

Dennoch war man angestrebt die Schaltung im Bezug auf das Ausgangssignal zu verbessern.

Als minimale Spannung galten 0 Volt und maximal wurden 5 bis 6 Volt angepeilt. Die oben beschriebene Single Supply Beschaltung des Schmitt Triggers wurde auf eine Dual Supply Versorgung (±12V) ge¨andert und die Ausgangsspannung bertug nach dem Einstellen der Offsetspannung ¨uber einen Potentiometer Werte nahe 0V. Zus¨atzlich wurden auch die Widerst¨ande zur R¨uckkopplung des Operationsverst¨arkers angepasst und am Ausgang die erfolgte eine Anpassung des Amplitude mithilfe von Widerst¨anden. Daraufhin sah der simulierte Graph ganz anders aus (vergl. Abbildung 2 und 4). Auch beim darauffolgenden Versuchsaufbau sah der Graph anders aus. Dieses Ergebnis wurde von der Gruppe als hinreichend gut betrachtet.

Abbildung 51: Ausgang der Simulation

Abbildung 52: Ausgang des Testaufbaus

Erkl¨arung der Abweichungen:

−→ Kleinere Abgewichenen entstanden durch Toleranzen der Bauteile, die in der PSPICE Simulation nicht ber¨ucksichtigt werden

−→parasit¨are Kapazit¨aten, die bei einer empfindlichen OPV Schaltung die Ergebnisse relativ stark beeinflussen k¨onnen. Als Beispiel dazu ist die Antennenzuleitung anzusehen. Mehr dazu weiter unten.

Die Gruppe war mit dem Ergebnis zufrieden, vor allem auch weil das Signal zur problemlosen Weiterverarbeitung eignete.

Die verwendete Antenne der OPV Schaltung lehnte sich an die Antennen diverser Theremins an und wurde nachempfunden. Sie bestand aus einem gebogenem Aluminiumstab und hatte die groben Maße 30cm*15cm (B*H) und einen Durchmesser von 8mm. Vergl. dazu Abbildung 6.

Abbildung 53: Gebogene Aluminiumantenne der Theremin

2.1.7 Probleme bei der Schaltung

Probleme mit der Antenne Anfangs wollte sich das Team an dem klassisch gebogenen Design der Lautst¨arkeantenne viele traditioneller Theremins orientieren (vergl. Abbildung 6). Davon wurde zun¨achst Abstand genommen, da die Frequenz¨anderung sich bei ca.

1kHz befand. Es wurde versucht die Frequenz¨anderung zuerst mit einer anderen Antenne zu bewirken und die Beschaltung des Schmit-Trigger beizubehalten. Die Beschaltung war hierbei noch die anf¨angliche, die noch nicht optimiert wurde. Beim Design der Antenne gab es sehr viele M¨oglichkeiten zur Realisierung Daf¨ur wurde Materialien verwendet, die die Projektlaborteilnehmer z.T. von zuhause auf mitgebracht haben:

Abbildung 54: Verwendete Antenne aus massivem Aluminium

Abbildung 55: Antenne aus Kupferdraht

Abbildung 56: Antenne aus Kupferrohr

Abbildung 57: Antenne aus Kupferblech

Abbildung 58: Zuleitung zur eigentlichen Antenne

Da jede Antenne alleine aufgrund ihrer Bauform eine andere Kapazit¨at besitzt, beeinflusst jede Antenne die Frequenz unterschiedlich stark. Selbst die Zuleitung zur eigentlichen Antenne ist auch eine Zuleitung. Da auch sie ein Kondensator (mit sehr kleiner Kapazit¨at) darstellte, galt es auch im vorliegenden Fall, die Antennenzuleitung m¨oglichst kurz zu halten, weil schlicht der Abstand zur Hand zu groß war und man diesen Teil der Kapazit¨at deshalb nicht ver¨andern konnte. Das beeinflusste die Messergebnisse sehr stark.

Die Frequenz¨anderungen waren zwar z.T. deutlich gr¨oßer als zu Beginn. So wurden nicht nur ein bis zwei kHz erzeugt, sondern z.B. mit der Kupferplatte bis 10kHz erreicht. Eine schlichte Kupferplatte als Antenne wurde jedoch aus ¨asthetischen Gr¨unden einstimmig angelehnt.

Der Oszillator sollte mit einer bekannten Antennenform (dem gebogenen Aluminiumstab) realisiert werden. Es musste also der OPV, bzw. seine Beschaltung angepasst werden.

Probleme mit dem Schmitt Trigger Die Einstellung des Schmitt Triggers, genauer seine Beschaltung, stellte sich als Herausforderung dar. Der zun¨achst als Single Supply (+12 VDC) betriebene OPV erbrachte nicht das aus der Simulation erwartete Signal. Also wurde der OPV mit einer dualen Versorgungsspannung (±12V) betrieben. Damit lag der Arbeitspunkt des OPV nahe 0V. Als Minimale Ausgangsspannung waren so problemlos 0V m¨oglich.

Allerdings schwankte diese Spannung immer um wenige hundert mV. Zus¨atzlich wurde das Potentiometer zur R¨uckkopplung des OPV durch einen 500kΩ Potentiometer ersetzt.

Durch die Ver¨anderung des Wertes dieses Potentiometers konnte man die Frequenz auf den gew¨unschten Wert (bis 50kHz) einstellen. Diese Schaltung wurde so in Betrieb genommen und das Ausgangssignal sah aus wie in der Simulation. Vergl. dazu die Abbildungen 4 und 5.

Im n¨achsten Schritt wurden die Schaltungen der beiden Untergruppen zusammengeschossen und getestet. Als Eingang hatte man also die Antenne, die mit der Hand bedient wurde und als Ausgang ergab sich daraus das gew¨unschte Gleichspannungssignal, dass zwischen 0 und 10V betrug. Damit war dieser Teil abgeschlossen und die Schaltung wurde nun in dem Programm EAGLE aufgebaut.

Abbildung 59: Schaltungsaufbau in EAGLE

Aus diesem EAGLE Schaltplan wurde daraufhin in ein minimales EAGLE Board erstellt.

Abbildung 60: Platinenaufbau in EAGLE

Daraufhin wurde dann das Layout zum ¨Atzen an die TU Werkstatt gegeben. Die fertig ge¨atzte Platine wurde als n¨achstes gebohrt, entgratet, ges¨aubert und dann mit den Bauteilen best¨uckt.

Abbildung 61: Fertige Platine

Beim St¨opseltermin, als alle Platinen zusammengeschlossen wurden und ein Testlauf gemacht wurde, funktionierte diese Schaltung auf Anhieb einwandfrei!

Schmitt-Trigger Einschalt- und Ausschaltpegel sowie Schalthysterese des Schmitt- Triggers berechnen sich nach Gleichungen 4 - 6 [3, S. 868]:

U_e,ein =−R₁

R₂U_a,min (4)

U_e,aus =−R₁ R2

U_a,max (5)

∆U_e = R1

R₂(U_a,max−U_a,min) (6)

Multivibrator mit OPV-Schmitt-Trigger Die Periodendauer des Multivibrators berech- net sich nach Gleichung 7 [3, S. 877]:

T_a= 2R₅C_antln

1 + 2R₁ R₂

R1=R2

= 2R₅C_antln 3≈2,2R₅C_ant (7) F¨ur die Frequenz folgt Gleichung 8:

f_a= 1

2R5Cantln (1 + ^2R_R¹

2 )

R1=R2

≈ 1

2,2R5Cant

(8) F¨ur R₁ = 1 kW, R₂ = 1 kW, R₅ = 500 kW und 1,2 pF < C_ant < 23 pF ergibt sich nach Ungleichung 9:

40 kHz< f_a<757 kHz (9)

Die resultierende Bandbreite entspricht zwar nicht der tats¨achlich gemessenen, liegt jedoch von der Gr¨oßenordnung her im selben Bereich. Die tats¨achlich gemessene Bandbreite erf¨ullt hingegen die Anforderungen der nachfolgenden Schaltungsgruppe.

Ausgangsspannung des Multivibrators Die maximale Ausgangsspannung des Multivi- brators ist kleiner gleich der Betriebsspannung:Ua,lm358,max≤12 V. Um das Spannungssignal m¨oglichst verlustfrei an die nachfolgende Verst¨arkerschaltung zu liefern, wird der parallele Ausgangswiderstand groß gew¨ahlt. ¨Uber das PotentiometerR₆kann die Amplitude eingestellt werden. Der WiderstandR₃ sch¨utzt lediglich vor einem Kurzschluss.

Jakob W.

2.1.8 Bauteilliste

Gem¨aß Tabelle 2 wurden folgende Bauteile verwendet:

Tabelle 2: Bauteilliste

Bauteil Wert Bauform

R1 1 kW 0207

R₂ 1 kW 0207

R₃ 56W 0207

R4 820W 0207

R₅ 500 kW 1 SP19L

R₆ 1 kW 1 SP19L

R7 5 kW 1 SP19L

C₁ 100 nF C075

C₂ 100 nF C075

Cant 1,2 pF - 23 pF -

LM317 - TO-220

LM358 - DIL08

6-poliger Stecker - ML6

3-poliger Stecker - 7395-03

Jakob W.

2.2 Frequenz-Spannungswandler

2.2.1 Aufgabenstellung

Aufgabe dieser Teil-Gruppe war es, die Frequenz, die von der Oszillator-Gruppe erhalten wird, in eine Gleichspannung umzuwandeln und diese weiterzugeben. Es soll sich dabei um eine ver¨anderliche Frequenz mit einer Wechselspannung von 5V handeln, die als Rechtecksignal geliefert werden. Diese sollen

”gegl¨attet“ und dann zu einer Gleichspannung weiterverarbeitet werden. Dabei soll gelten: Je h¨oher die Frequenz, desto gr¨oßer die am Ausgang gelieferte Spannung und dementsprechende Lautst¨arke.

Duc-Phuoc T., Viet Tran Q.

Abbildung 62: BSB der Lautst¨arke Gruppe

2.2.2 Blockschaltbild

Das Projekt der Gruppe 2 wird an dem Blockschaltbild nochmals verdeutlicht. Die Antenne dient zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes, welches durch die Bewegung der Hand ver¨andert wird. Der Oszillator detektiert die Ver¨anderung des Feldes und wandelt diese in eine Wechselspannung mit sich wechselnder Frequenz um. Je n¨aher sich die Hand an der Antenne befindet, desto kleiner wird die Frequenz. Dieses Signal geht in den Frequenz-Spannungswandler ¨uber, der die Variation der Frequenz verarbeitet und in ein Gleichspannungssignal umwandelt. Dieses Spannungssignal wird durch einen angeh¨angten Verst¨arker nochmals so ¨andert, dass die Gleichspannung zwischen0V-10V variiert und die darauf folgende Verst¨arkergruppe dies weiter verarbeiten kann.

Dominik R.

2.2.3 L¨osungsansatz mit Blockschaltbild

Um eine Wechsel- in eine Gleichspannung umzuwandeln soll ein Frequenz-Spannungs-Wandler gebaut werden. Dieser besteht aus einer monostabilen Kippstufe (Monoflop), einem Tiefpass, Spannungsfolger und Differenzverst¨arker.

Abbildung 63: Blockschaltbild des Frequenz-Spannungs-Wandler

Duc-Phuoc T., Viet Tran Q.

2.2.4 Simulation

F¨ur die Entwicklung der Schaltung soll die Simulation dienen. Nachdem bei der Planung fest- gelegt wurde, dass eine monostabile Kippstufe (Monoflop), ein Tiefpass, ein Spannungsfolger und ein Differenzverst¨arker ben¨otigt werden, wurden die Schaltungen in Pspice simuliert.

Abbildung 64: PSpice-Simulation

Monostabile Kippstufe Das vom Oszillator ausgegebende Signal, welches in rot darge- stellt wird, wird von der monostabilen Kippstufe bearbeitet, so dass der Schaltzustand sich

¨andert.

Abbildung 65: Ver¨anderter Schaltzustand nach Monoflop

Tiefpass Der Tiefpass wird zur Abschw¨achung bzw. Ausl¨oschung hoher Frequenzen verwendet.

Abbildung 66: Gegl¨attetes Signal nach Tiefpass

Spannungsfolger Mit dem Spannungsfolger soll die eingehende Spannung m¨oglichst gering belastet und h¨oher belastbare Spannungen erzeugt werden, die der eingehenden gleicht.

Differenzverst¨arker Da am Ausgang eine maximale Gleichspannung von 10V anliegen soll, wird ein Differenzverst¨arker verwendet, der diese mit einem Verst¨arkungsfaktor auf 10V bringt.

Diode Um die minimale Spannung von 0V zu erreichen, wird eine Diode eingebaut. Diese l¨asst Strom nur in eine Richtung passieren, so dass keine negativen Spannungen entstehen k¨onnen.

Am Ausgang sollte eine Spannung von 0 bis 10V anliegen, die sich je nach der Eingangsfrequenz variiert.

Duc-Phuoc T., Viet Tran Q.

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)