Konzept des Frequenzgenerators

Der im Folgenden beschriebene Frequenzgenerator wurde aus zwei Gründen in dieses Buch aufgenommen. Zum einen soll der Frequenzgenerator als universelle Signalquelle dienen und zum anderen stellt diese Schaltung ein gutes Anwendungsbeispiel von Operationsverstärkern dar, da sie auch vom Ungeübten noch überblickt werden kann.

Der Frequenzgenerator erzeugt zwei Signale, ein Dreiecksignal und ein Rechtecksignal. Beide sind zueinander synchron. Die Signalfrequenz kann zwischen 0 und 7000 Hz eingestellt werden, die Amplitude zwischen 0 und 5 V. Außerdem bietet er die Möglichkeit, dem Wechselspannungssignal eine Gleichspannung zu addieren (Offset).

Das Schaltbild des Frequenzgenerators ist in der Abbildung am Ende dieser Seite dargestellt. Zur Erläuterung der Funktionsweise sei zuerst der Kern des Frequenzgenerators herausgezeichnet:

Oszillator eines Frequenzgenerators

Er besteht aus den Operationsverstärkern IC3 und IC4, die einen Oszillator bilden, der wie folgt funktioniert:

IC3 bildet einen Integrator, IC4 einen Komparator. Wenn man annimmt, dass der Ausgang des Komparators nach dem Einschalten (zufällig) auf dem Potential der negativen Versorgungsspannung liegt, so liegt diese Spannung auch am Eingangswiderstand des Integrators an. Dadurch wird der Kondensator des Integrators aufgeladen und der Ausgang von IC3 geht linear gegen die positive Versorgungsspannung. Übersteigt nun die Ausgangsspannung des Integrators die obere Schaltschwelle des Komparators, so schaltet dieser, und am Ausgang des Komparators liegt nun die positive Versorgungsspannung. Da nun am Integratoreingang die entgegengesetzt gepolte Spannung anliegt, wird der Kondensator wieder in die andere Richtung umgeladen, die Spannung am Ausgang des Integrators sinkt linear. Unterschreitet nun diese Spannung die untere Schaltschwelle des Komparators, so schaltet dieser wieder um und der ganze Vorgang beginnt wieder von neuem.

Möchte man nun die Frequenz des Oszillators einstellbar machen, so kann man dazu eine der Größen, die die Frequenz bestimmen, variabel machen. Dazu würde sich anbieten, die Zeitkonstante des Integrators (R oder C verstellen) oder die Hysterese des Komparators. Auf den ersten Blick wird die Hysterese als frequenzbestimmendes Element ausfallen, da dadurch auch die Amplitude beeinflusst wird. Die zweite Möglichkeit, nämlich die Änderung der Zeitkonstante des Integrators (1/RC) ist zwar leicht zu bewerkstelligen (R durch ein Potentiometer ersetzen), hat jedoch den Nachteil, dass die Einstellung der Frequenz nicht linear erfolgt.

Aus diesem Grund wurde im vorliegenden Frequenzgenerator ein dritter Weg beschritten, der den Strom, der in den Integrator fließt, linear einstellt und damit auch eine lineare Steuerung der Frequenz ermöglicht (siehe Abbildung unten). Der Komparator legt jetzt seine Ausgangsspannung nicht mehr direkt an den Integrator, sondern steuert zwei Transistorschalter an, die ihrerseits eine variable Spannung durchschalten. Je größer diese Spannung ist, desto größer ist der Strom, der in den Integrator fließt und umso schneller schwingt der Oszillator. Da die an den Integrator angelegte variable Spannung symmetrisch um den Nullpunkt liegen muss, wird aus der mit dem Potentiometer erzeugten Spannung durch IC1 eine gleichgroße negative Spannung erzeugt (IC1 arbeitet als invertierender Verstärker). Diese beiden Spannungen werden wechselweise über die beiden Transistoren an den Integrator gelegt.

Die Amplitude der Dreieckskurve wird in einem eigenen Operationsverstärker (IC5) eingestellt. IC5 ist als invertierender Verstärker geschaltet, dessen Verstärkung zwischen null und zwei mit dem Potentiometer 'Amplitude' variiert werden kann. Außerdem wurde an IC5 die Möglichkeit vorgesehen, das Signal über einen Bereich von +/- 5 Volt verschieben zu können (Potentiometer 'Offset').

Das Ausgangssignal des Komparators (Rechteckkurve) wird über einen Transistor an die Ausgangsbuchsen geführt, um bei Belastung des Rechteckausgangs keine Änderung der Frequenz zu bewirken. Die Diode an der Basis des Ausgangstransistors dient nur zum Schutz des Transistors. Am Rechteckausgang steht eine wenig belastbare Rechteckspannung zur Verfügung, die nur als Synchronisationsausgang (z.B. für Oszilloskope) dient.

Schaltplan des Frequenzgenerators