Funktionsgenerator für Rechteck-, Dreieck und Sinusspannungsverlauf


Frequenzbereich von 200Hz bis 400kHz

Bei den industriell zu beziehenden Funktionsgeneratoren ergibt sich immer das Problem, daß die erzeugten Kurvenverläufe nicht gleichzeitig genutzt werden können. Dadurch muß man sich immer für eine Signalart entscheiden. Der hier beschriebene Funktionsgenerator stellt drei verschiedene Spannungsverläufe zeitgleich zur Verfügung. Die Signale sind sowohl in der Amplitude von 0V bis 30Vss als auch in der Frequenz von 200Hz bis ca. 400kHz einstellbar. Zur Anzeige der Amplitude und der Frequenz wurde ein digitales Voltmeter und ein Frequenzzähler integriert. Die Stromaufnahme beträgt ca. 300mA.


Schaltplan der Spannungsversorgung +/-5VDC und +/-15VDC

Der Generator wird mit 220VAC versorgt und mit einer 1A Sicherung abgesichert. Der nachgeschaltete Transformator regelt die Eingangsspannung sekundärseitig auf 2 x 15VAC herunter. Es kann z. B. ein PT22-700mA verwendet werden, der hier mit Mittelanzapfung betrieben wird. Ein Standard- Brückengleichrichter übernimmt die Wandlung in eine Gleichspannung. Die erste Siebung bzw. Glättung wird durch C1 und C2 durchgeführt. C3 und C4 verhindern hochfrequente Störeinflüße. Anschließend übernehmen die Festspannungsregler U2 und U3 das Ausregeln auf +/-15VDC. Eine sekundärseitige Siebung und Entstöhrung wird durch C5, C6, C37 und C38 erzielt. Das Bereitstellen der +/-5VDC geschieht durch die Festspannungsregler U5 und U6, wobei die Kondensatoren C7 und C8 ebenfalls zur Unterdrückung von Stöhrsignalen eingesetzt werden. Informationen zu den Reglern können direkt bei National Semiconductor abgerufen werden.



Schaltplan des Rechteckgenerators 200Hz - 380kHz

Für alle Signalgeneratoren wurde der Operationsverstärker LM318P verwendet. Dieses IC zeichnet sich durch eine sehr hohe Slew Rate von 50V/us aus und ist daher sehr schnell im Umschalten der Spannungspegel und somit für diese Anwendung besonders geeignet. Hinzu kommt noch der günstige Preis. Andere OP Amps mit derartigen Slew Rates sind wesentlich teurer. Mehr Informationen hierzu können direkt bei Texas Instruments nachgeschaut werden. Mit U7 ist zunächst der eigentliche Rechteckgenerator realisiert. Der Spannungsteiler R7/R8 gibt einen Sollwert (Schaltschwelle) auf den nichtinvertierenden Eingang PIN3. C12 lädt sich über R4, R5 und R6 auf. Steigt die Spannung an C12 bzw. PIN2 über dem Sollwert an PIN3, so steuert der OP aufgrund der hohen Verstärkung durch. Den Verstärkungsfaktor legt R6 fest. C12 entlädt sich nun, so daß bei Unterschreiten des Sollwertes die Ausgangsspannung des OP wieder kippt. R5 unterdrückt Schwingneigungen bei niedrigen Frequenzen. Das Ausgangssignal wird sowohl dem Frequenzzähler über T9 als auch dem Pegeldämpfer zugeführt. Mit U8 ist der Kippstufe ein invertierender Verstärker nachgeschaltet. Diese Schaltung hat einen Verstärkungsfaktor von maximal 1 und wird zur Pegeleinstellung verwendet. Dieser Pegel wird später von dem digitalen Voltmeter über T8 ausgewertet. C36 unterdrückt hohe Störfrequenzen.


Ausgangssignal bei 200Hz


Ausgangssignal bei 93kHz




Schaltplan des Dreieckgenerators 300Hz - 180kHz

Bei dem Dreieckgenerator U10 wurde eine ähnliche Kippstufe wie bei dem Rechteckgenerator aufgebaut. Der Unterschied ist hier, daß nicht das Ausgangssignal an PIN6 sondern das Eingangssignal an PIN2 ausgewertet wird. Die steigenden und abfallenden Flanken des Dreiecksignales sind die Auf- und Entladekurven des Kondensators C13, C14 oder C15. Damit diese Flanken linear und nicht exponentiell verlaufen, ist darauf zu achten, daß der Kondensator nur sehr kurz Auf- bzw Entladen wird. Diese Zeit muß kleiner als 5Tau sein. Durch den Spannungsteiler R16/R17 und den Verstärkungsfaktor durch R15 wird dies erreicht. Die Amplitude an PIN2 ist natürlich sehr gering. Dadurch wurde mit U9 ein nichtinvertierender Verstärker aufgebaut, mit dem das Signal bis zur Betriebspannung erhöht werden kann. Das Ausgangssignal dieser Stufe wird sowohl dem Frequenzzähler über T11 als auch dem Pegeldämpfer zugeführt. Der Dämpfer U11 wird durch einen invertierenden Verstärker mit dem Faktor 1 realisiert. Das Ausgangssignal wird über T10 an das digitale Voltmeter weitergeleitet.


Ausgangssignal bei 300Hz


Ausgangssignal bei 170kHz




Schaltplan des Sinusgenerators 200Hz - 350kHz

Der Sinusgenerator U12 wurde mit Hilfe eines Wien- Brückenoszillators realisiert. Bei der Erzeugung einer Sinusschwingung ist darauf zu achten, daß die Gesamtphasendrehung 0 bzw 360 beträgt. Mit anderen Worten, zwischen dem Verstärker- und Rückkopplungszweig kann ruhig eine Phasendrehung auftreten, sie muß nur nach der Rückkoplung wieder zu Null sein bzw 360. Die zweite Bedingung, die erfüllt werden muß, ist die Höhe der Gesamtverstärkung. Diese sollte Eins betragen. Bei dem hier gezeigten Wien- Brückenoszillator werden diese Bedienungen durch das Stereopoti R20 A & B und den gleichen Kondensatoren C16 bis C21 in dem Rückkoplungszweig erzielt. Weiterhin wurden schnelle Siliziumdioden vom Typ UF4001 eingesetzt, um ein besseres Schaltverhalten bei hohen Frequenzen zu erzeugen. Da die Amplitude über den gesamten Frequenzbereich etwas schwankt, wurde mit U13 ein invertierender Verstärker nachgeschaltet. Das Ausgangssignal dieser Stufe wird sowohl dem Frequenzzähler über T13 als auch dem Pegeldämpfer zugeführt. Der Dämpfer U14 wird, wie bei den anderen beiden Stufen zuvor, durch einen invertierenden Verstärker mit dem Faktor 1 realisiert. Das Ausgangssignal wird über T12 an das digitale Voltmeter weitergeleitet.


Ausgangssignal bei 2kHz


Ausgangssignal bei 488kHz




Schaltplan des digitalen Voltmeters

Die Signale der einzelnen Generatorstufen werden über T8, T10 und T12 wahlweise durch den Schalter S6 auf den invertierenden Eingang des mit U4 realisierten Verstärker gegeben. Der Verstärkungsfaktor wurde hier mit Eins gewählt, kann aber durch R35 anders eingestellt werden. Die Schaltung mit U4 dient vorwiegend als Entkoplung und ist mit dem Standard OP Amp TL084CN aufgebaut. Informationen gibt es direkt bei Texas Instruments. An dieser Stelle kann jeder andere Standard OP Amp eingesetzt werden. Das Ausgangssignal von U4 wird mit der Diode D8 gleichgerichtet und mit dem Kondensator C27 gepuffert. über das Poti R32 wird das in der Höhe zu kalibrierende Signal auf die Meßwerteingänge INH HI und IN LO von U15 gegeben. Das IC ICL7107CPL ist ein Analog- Digitalwandler mit integriertem siebensegment Latchtreiber und BCD Zähler. Mit dem Poti R28 wird zwischen REF HI und REF LO eine Spannung von 100mV eingestellt, welche leztendlich den Arbeitsmodus von U15 bestimmt. Auf die weitere Beschaltung möchte ich hier nicht näher eingehen. Weitere informationen über dieses sehr interessante IC können direkt bei Intersil nachgesehen werden.




Schaltplan der Torschaltung des Frequenzzählers

Die Frequenz ist definiert mit der Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Der hier entwickelte Zähler arbeitet genau nach diesem Prinzip. Die Schaltung zählt immer für eine Sekunde die Anzahl der empfangenen Schwingungen. Zunächst mußte eine Torschaltung mit dem Zeitfenster von einer Sekunde entwickelt werden, d. h. es muß eine Frequenz von 0,5 Hz erzeugt werden. Dazu wird das IC U21 mit einem Quarz verbunden, der mit einer Frequenz von 32 768 Hz schwingt. Das IC CD4060 ist ein Oszillator mit integriertem 14 stufigen Binärteiler. Wird die Frequenz von 32 768 Hz 14 mal geteilt, so erhählt man eine Frequenz von 2Hz bzw. eine Periodendauer von 0,5s. Mit den beiden nachgeschalteten Flip Flops U22 vom Typ CD4013 wird die Frequenz nochmals geteilt, so daß die benötigte Frequenz von 0,5Hz am Ausgang von U22B PIN12 anliegt. Die eingesetzten Logik IC sind allesamt von Motorola. Die Signale der Generatoren werden über T9, T11 oder T13 wahlweise mit dem Schalter S6 auf den invertierenden Eingang des Vertsärkers U23 gegeben. Diese Stufe arbeitet aufgrund der fehlenden Rückkopplung mit einem unendlich großen Verstärkungsfaktor. Die Diode D9 läßt nur die positiven Halbwellen durch, so daß durch den Spannungsteiler R42/R43 nur definierte CMOS Pegel an den Eingang von U24A auftreten. Das NAND Gatter U24A arbeitet nun als Tor und läßt die Impulse immer nur für eine Sekunde an den Ausgang durch. Dieser Ausgang ist über T14 direkt mit dem Eingang des ersten BCD Zählers CD4518 U26A verbunden. Am Ausgang des BCD Zählers ist ein LED Treiber CD4511 angeschloßen, der mit einem Latch Signal arbeiten kann, d. h., daß jeweils immer für eine Sekunde die Impulse gezählt werden, anschließend mit dem Latch Impuls das Zählergebnis zum Ausgang übertragen wird und zuletzt der Zähler mit einem Resetimpuls für den nächsten Zählvorgang zurückgesetzt wird. Diese Steuerung ist mit U25A, U25B und U25C realisiert. In den unten angegebenen Grafiken werden diese Abläfe nochmals visualisiert.


Eingangs- und Ausgangssignal von U23


Eingangs- und Ausgangssignal von U24A - Torschaltung


Aussgangssignal von U22B und Eingangssignal von U25A - Resetimpuls


Aussgangssignal von U25A und Eingangssignal von U25B - Latchimpuls




Schaltplan der Zähleransteuerung

In der letzten Stufe des Frequenzzählers werden die BCD Counter und die LED Siebensegment Treiber angesteuert. Zunächst werden über T14 die Zählimpulse in den BCD Counter geleitet. Nach einer Sekunde wird das Zählergebnis über den Latchimpuls an T15 an die LED Anzeigen übertragen. Zuletzt werden die BCD Counter mit einem Resetimpuls über T16 für den nächsten Zählvorgang zurückgesetzt. An die LED Treiber U29 bis U34 werden die Siebensegmentanzeigen angeschlossen, die nicht in dem Schaltplan eingezeichnet wurden.



Zum Schluß möchte ich noch darauf aufmerksam machen, daß ich keine Garantie bezüglich der Funktionsfähigkeit der Schaltung übernehmen kann, da diese stark vom Platienenlayout abhängig ist !




[ Zurück zur Startseite ]      © Thomas Otte