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Ein digitaler Rechteckgenerator für 1Hz bis 150kHz


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Rechteckgenerator

Dieser Rechteckgenerator ist kein Modul in dem Sinne als er auf ein Steckboard gesteckt werden kann, aber er ist klein und kann mit einfachen Drähten oder Steckbrücken mit dem Steckboard verbunden werden.

Rechteckgenerator XY-LPWM

Der Rechteckgenerator ist im wesentlichen ein kleines Fertiggerät, dass für DreiEuroFünfzig erworben werden kann. Seine Bezeichnung ist XY-LPWM.

Der Generator hat folgende Daten

  • Ausgang: Rechtecksignal zwischen 0V und Versorgungsspannung
  • Frequenzbereich 1Hz bis 150kHz
  • Tastgrad 0% bis 100%
  • Versorgungsspannung 3,3V bis 30V

Für unsere Zwecke als Taktgenerator ist er gut geeignet.

  • Er ist einfach zu bedienen,
  • hat einen weiten Frequenzbereich,
  • kann bei unserer Spannung von 5V betreiben werden,
  • ist gegen Verpolung der Versorgungsspannung gesichert und
  • liefert für unsere Zwecke als Taktgenerator hinreichend gute Impulse.
  • Der Ausgang ist etwas schwächlich.
  • Es gibt noch drei weitere Anschlüsse, über die der Rechteckgenerator von einem Computer gesteuert werden kann. Wir benutzen diese Anschlüsse nicht.

Erweiterung

Wir schließen an den Ausgang einen CMOS 4050 an. Alle Buffer des 4050 werden parallel geschaltet.

Damit kann der Taktgenerator mit 3,3V bis 15V betrieben werden.

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Bild 1: Rechteckgenerators mit Erweiterung

Als Schutz wird ein P-MOSFET an den Eingang geschaltet. Zwei LED zeigen die anliegende Versorgungsspannung an. Sie sorgen außerdem dafür, dass die Gatespannung des P-MOSFET nicht zu hoch wird. Zur Stützung der Versorgungsspannung dienen zwei Tantalkondensatoren mit 10µF und 25V.

Interne Schaltung

Wir betrachten nur den für uns interessanten Ausschnitt der internen Schaltung des Rechteckgenerators.

Der Rechteckgenerator wird intern mit 3,3V betrieben. Eine Diode dient als Verpolungsschutz. Das von der internen Schaltung gelieferte digitale Signal wird über einen Transistor und einen 1kΩ Widerstand auf das Niveau der Versorgungsspannung gebracht.

Ausgangsstufe

Der Ausgang des XY-LPWM wird über einen CMOS 4050 verstärkt. Alle Gatter des 4050 werden parallel betrieben. Ein 100Ω Widerstand schützt den 4050 gegen Überlastung.

  • Ein 74HC4050 ist nicht geeignet, weil er nur mit 3V bis 6V betreiben werden darf.
  • Unsere Schaltung kann mit 3,3V bis 15V betrieben werden.
  • Die Ausgangsstufe ist geeignet, einen MOSFET zu treiben.
  • Die Versorgungsspannung sollte dann 9V bis 15V betragen.
  • die Anstiegszeit und Abfallzeit liegen um 200ns.
  • Wird ein MOSFET getrieben, liegen die Anstiegszeit und Abfallzeit um 1µs.

Aufbau

Der Generator XY-LPWM kann im Internet beschafft werden und kostet nur ein paar Euro.

Die Platine des XY-LPWM wird mit vier Stiften nach unten versehen. Der XY-LPWM wird Huckepack auf unser Board gesetzt und durch 2mm Kunststoffschrauben befestigt.

Die Stromversorgung kann über zwei Stifte vom Steckboard oder über zwei Stifte auf dem Modul versorgt werden. Der Ausgang ist sowohl auf dem Steckboard als auch als Buchse auf dem Modul verfügbar.

Layout

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Layout des Generator-Modules

Der XY-LPWM wird über die Buchsen J5 und J6 verbunden.

Modul-XY-LPWM-brd-Top_3D_s.png
Das Generator-Module in 3D von oben
Modul-XY-LPWM-brd-Bottom_3D_s.png
Das Generator-Module in 3D von unten

Die Bohrungen für die vier 2mm Kunststoffschrauben sind gut zu erkennen.

XY-LPWM.png
Bild 2: Rechteckgenerator

Unser Board wir über 4 Stifte mit dem Steckboard verbunden.

Bedienung

Die Anzeige des Moduls zeigt die Frequenz oben und den Tastgrad unten. Die Frequenz umfasst 1Hz bis 150kHz. Die Einheiten werden nur mittelbar angezeigt. Der Tastgrad liegt zwischen 0% (immer LOW) und 100% (immer HIGH).

Anzeige Darstellung Frequenz Frequenzbereich Auflösung
ohne Dezimalpunkt XYZ in Hz 1Hz .. 999Hz 1Hz
ein Dezimalpunkt X.YZ in kHz 1.00kHz .. 9.99kHz 10Hz
ein Dezimalpunkt XY.Z in kHz 10.0kHz .. 99.9kHz 100Hz
zwei Dezimalpunkte X.Y.Z in kHz 100kHz .. 150kHz 1kHz

Tabelle 1: Anzeige der Frequenz

Damit ist klar, dass der Rechteckgenerator kein hochpräzises Gerät mit hoher Auflösung ist. Insbesondere bei Frequenzen unter 20Hz ist die Auflösung von 1Hz schlecht. Für unsere Zwecke ist der Generator dennoch gut geeignet, weil er Frequenzen für unsere Schaltungen liefert und diese sogar anzeigt.

Mit den Tasten + FREQ - kann die Frequenz eingestellt werden. Wenn eine Taste länger gedrückt wird, läuft die Frequenz durch.

Mit den Tasten + DUTY - kann der Tastgrad eingestellt werden.

  • Wird die Betriebsspannung entfernt, bleibt die letzte Einstellung erhalten.

Fazit

Der Rechteckgenerator

  • passt gut in unsere Sammlung von Modulen,
  • hat einen hinreichend großen Frequenzbereich,
  • hat leider eine schlechte Auflösung bei Frequenzen unter 20Hz
  • eine Anzeige,
  • einfache Bedienung,
  • eine Genauigkeit von 2%,
  • ist robust,
  • liefert Signale, die von schnellen CMOS-Bausteinen als Takt akzeptiert werden,
  • kann als Treiber für MOSFET eingesetzt werden,
  • ist für 3,3V bis 15V Betriebsspannung geeignet und
  • kann mit einer Batterie betreiben werden.
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Bild 3: Rechteckgenerator als Treiber für N-MOSFET beim Test eines Labornetzgeräts