Funktionsgeneratoren

Funktionsgeneratoren

Bei der Erzeugung niederfrequenter Sinusschwingungen ist die Amplitudenstabilisierung ziemlich aufwendig (z.B. Wienbrückenoszillator). Viel einfacher ist es, mit Hilfe eines Schmitt-Triggers und eines Integrators eine dreieckförmige Wechselspannung zu erzeugen. In einem weiteren Schritt kann man dann aus der Dreiecksschwingung eine Sinusschwingung herstellen, indem man ein Sinusfunktionsnetzwerk (meist aus mehreren Dioden mit Vorwiderständen bestehend) nachschaltet. Da man bei diesem Verfahren gleichzeitig eine Dreieck-, Rechteck- und Sinusschwingung erhält , bezeichnet man Schaltungen, die nach diesem Prinzip arbeiten, als Funktionsgeneratoren.

Prinzipschaltung

Das Prinzip dieser Schaltung besteht darin, an einen Integrator eine konstante Spannung anzulegen, die entweder positiv oder negativ ist, je nachdem, in welche Richtung die Ausgangsspannung des Integrators gerade laufen soll. Erreicht die Ausgangsspannung des Integrators den Ein- bzw. Ausschaltpegel des nachgeschalteten Schmitt-Triggers, wird das Vorzeichen des Integrators invertiert. Dadurch entsteht eine dreieckförmige Spannung, die zwischen den Triggerpegeln hin und her läuft.

Das in solchen Schaltungen entstehende Dreieckssignal kann durch die Variation bestimmter Größen relativ leicht verändert werden. Zum Beispiel kann die Frequenz durch die Eingangsspannung U_e eingestellt werden. Wenn U_e vergrößert wird, erhöht sich der Strom in den Kondensator, dadurch wird der Umschaltpegel des Schmitt-Triggers schneller erreicht und die Frequenz steigt.

Die Amplitude der Dreiecksspannung kann über den Schaltpegel des Schmitt-Triggers eingestellt werden.

Falls ein ungleiches Tastverhältnis erwünscht wird, so kann dieses über das Verhältnis +U_e/-U_e eingestellt werden. Durch dieses Prinzip kann am Rechteckausgang z.B. ein Pulsweitenmodulator erzeugt werden.

Praktische Realisierung

Zur einfachsten Ausführung gelangt man, wenn man von obiger Prinzipschaltung ausgeht, und die Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers (als Schmitt-Trigger wurde hier ein Komparator mit Hysterese verwendet) selbst als Eingangsspannung für den Integrator verwendet. Der Komparator liefert eine konstante Ausgangsspannung, die der Integrator integriert. Erreicht seine Ausgangsspannung den Trigger-Pegel des Schmitt-Triggers, ändert die zu integrierende Spannung U_R momentan ihr Vorzeichen. Dadurch läuft der Ausgang des Integrators in umgekehrter Richtung, bis der andere Trigger-Pegel erreicht ist.

Multivibrator

Eine einfache Möglichkeit für eine Digitalschaltung einen Takt zu erzeugen ist obiger Multivibrator. Um seine Funktionsweise zu erklären nehmen wir an, das Signal x befindet sich im H-Zustand. Das bedeutet y befindet sich im L-Zustand. Dadurch lädt sich der Kondensator C über den Widerstand R soweit auf, bis das Potential V den Umschaltpegel des Inverters G1 überschreitet. Dann geht x in den L-Zustand und y in den H-Zustand über. Dadurch springt das Potential V um die Amplitude des Ausgangssignals nach Plus. Anschließend entlädt sich der Kondensator über den Widerstand R, bis der Umschaltpegel wieder unterschritten wird.

Aus untenstehendem Verlauf der Spannungen ergibt sich für die Periodendauer der entstehenden Schwingung: