RC-Generator von 20 Hz…20 kHz in einem Bereich

von Rudolf Drabek                    
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Als
junger Entwicklungsingenieur habe ich natürlich oft Frequenzgänge, Klirrfaktor und viele andere Eigenschaften von Verstärkern gemessen. In den 60ern wurde oft ein Schwebungssummer verwendet, wie z.B. den GM 2308, der den ganzen Audiobereich ohne Umschaltung überstreicht.  Ich habe so ein Prachtstück. Ein Foto finden Sie hier: www.radiomuseum.org/r/philips_gm2308.html  Dieses Gerät hatte sicher mehr als  10 kg.  Damals, vor mehr als 50 Jahren, hatte ich den Wunsch einen RC-Generator zu bauen, der ebenfalls den ganzen Audiobereich überstreicht. Ich habe zwar damals einen gewöhnlichen RC-Generator mit 3 Bereichen gebaut, der noch immer in Verwendung ist: 
www.elo-web.de/elo/bauprojekte/schaltungstechnik/der-rc-generator-einst-und-jetzt
Mit dem DDS-Generator www.elo-web.de/f-drabek erreicht man recht gute Werte, aber richtige Analogfreaks kann man damit nicht begeistern.

Jetzt, sehr spät, nachdem ich mich mit den Möglichkeiten und Schaltungen rund um OPamps beschäftigt habe (www.elektronik-labor.de/Lernpakete/OPAmp.htm) ist mir meine Idee eines durchstimmbaren RC-Generators, der sich wie ein Schwebungssummer verhält, eingefallen.

Das Basisprinzip ist ein Allpass 1. Ordnung, siehe den Link oberhalb, dessen Amplitudengang konstant ist, der Phasengang aber von 0° auf 180° dreht. Bei der Grenzfrequenz dreht der Allpass nicht 45° wie z.B. ein RC-Glied, sondern 90°. Also 2 Allpässe hintereinander, zusammen mit einem invertierenden OPamp ergeben sich dann 360° Phasenverschiebung, die Anordnung schwingt.



An der Schaltung ist nichts Besonderes. Der LM386 kann ev. durch einen komlementären Emitterfolger ersetzt werden, da der LM386 bei 20 kHz doch schon einige Grad Phasendrehung aufweist, was den Abstimmbereich um einige Prozent reduziert. Ohne LM386 und ohne Amplitudenregelung trat dies nicht auf.  Sie sehen im Bild, dass sich einiges während der Entwicklung getan hat. Das Lämpchen zur Amplitudenregelung gab es bei Conrad 1V/15 mA. Bei 20Hz ist die Zeitkonstante des Lämpchens schon merkbar in kleinen Verzerrungen des Sinus,  aber akzeptabel.


2 Vpp am Lämpchen                                                   


Die gesamte Anordnung

Warum ist die Schaltung mit Allpässen realisiert? Weil es schwierig ist über einen Bereich von 1:1000 einen Gleichlauf der frequenzbestimmenden Bauteile zu erreichen. Ein Allpass hat keinen Amplitudengang! Bei Gleichlaufschwankungen hat dies auf die Amplitude keine Auswirkungen. Auf die Phase wohl, aber bei in Summe 180° ist es dann so, dass auch 85° und 95° in Summe wieder 180° ergeben. Nach diesem Prinzip muss sich also die Amplitudenregelung nicht um Gleichlauffehler kümmern.

Das, zusammen mit modernen OPamps ermöglichte diese Schaltung in analoger Bauweise. Vielleicht kombiniere ich diesen Generator mit einem uC, aber ohne das analoge Prinzip zu verlassen. Es wird zwar in der Literatur darauf hingewiesen, dass man Oszillatoren mit Allpässen aufbauen kann, habe aber im Internet keinen solchen gefunden. Dafür fand ich die Kuriosität, einen Bubba-Oszillator, der 4 x 45° mit 4 RC-Gliedern um 180° dreht.  http://freecircuitdiagram.com/2009/07/15/bubba-oscillator/
 

(Im Schaltbild ist ein kleiner Fehler, Vout Sine muss oberhalb des 10k R’s sein.)

Hier noch einige Fotos zur Dokumentation:
   


Untere Phase etwas zu spät  



Genau 90° Phasenverschiebung





Demonstration des Abstimmbereiches: 1/6 Periode bei 10 ms und 16 Per. in 1 ms. Also 16 Hz bis 16 kHz mit 10 nF in den Allpässen. Die X-Ablenkung ist gleich mit 1 ms/cm bei beiden Fotos. Siehe in den Bildern rechts außen.


  
Einige Lissajousfiguren zur Anzeige der Phasendifferenzen zwischen den Allpässen. Bei perfektem Kreis wäre die Phasenverschiebung genau 90°, siehe auch Text oberhalb. Das mittlere Bild entspricht 16 Hz. Man sieht den Einfluss der Belichtungszeit, als auch die Verzerrung bedingt durch die für 16 Hz mangelnde Trägheit des Lämpchens. Für Lissajous siehe: http://de.wikipedia.org/wiki/Lissajous-Figur

 


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