Rechteckgenerator XY-LPWM
Der Rechteckgenerator ist im Wesentlichen ein kleines Fertiggerät, das für DreiEuroFünfzig erworben werden kann. Seine Bezeichnung lautet XY-LPWM.
Der Generator hat folgende Spezifikation:
- Ausgang: Rechtecksignal zwischen 0 V und Versorgungsspannung
- Frequenzbereich 1 Hz bis 150 kHz
- Tastgrad 0 % bis 100 %
- Versorgungsspannung 3,3 V bis 30 V
Für unsere Zwecke als Taktgenerator ist er gut geeignet:
- er ist einfach zu bedienen,
- hat einen weiten Frequenzbereich,
- kann mit unserer Spannung von 5 V betrieben werden,
- ist gegen Verpolung der Versorgungsspannung geschützt und
- liefert für unsere Zwecke als Taktgenerator ausreichend gute Impulse.
- Der Ausgang ist etwas schwach.
- Es gibt noch drei weitere Anschlüsse, über die der Rechteckgenerator von einem Computer angesteuert werden kann. Diese Anschlüsse werden von uns nicht benutzt.
Erweiterung
Wir schließen an den Ausgang einen CMOS 4050 an. Alle Buffer des 4050 sind parallel geschaltet.
Dadurch kann der Taktgenerator mit 3,3 V bis 15 V betrieben werden.
Als Schutz ist ein P-MOSFET in die Stromversorgung geschaltet. Zwei LEDs zeigen die anliegende Versorgungsspannung an. Sie sorgen auch dafür, dass die Gatespannung des P-MOSFET nicht zu hoch wird. Zur Stützung der Versorgungsspannung dienen zwei Tantalkondensatoren mit 10 µF und 25 V.
Interne Schaltung
Wir betrachten nur den für uns interessanten Ausschnitt der internen Schaltung des Rechteckgenerators.
Der Rechteckgenerator wird intern mit 3,3 V versorgt. Eine Diode dient als Verpolungsschutz. Das von der internen Schaltung gelieferte digitale Signal wird über einen Transistor und einen Widerstand von 1 kΩ auf das Niveau der Versorgungsspannung gebracht.
Ausgangsstufe
Der Ausgang des XY-LPWM wird durch einen CMOS 4050 verstärkt. Alle Gatter des 4050 sind parallel geschaltet. Zwei 47 Ω Widerstände schützen den 4050 vor Überlastung.
- Ein 74HC4050 ist nicht geeignet, da er nur mit 3 V bis 6 V betrieben werden darf.
- Unsere Schaltung kann zwischen 3,3 V und 15 V betrieben werden.
- Die Ausgangsstufe ist geeignet, um einen MOSFET zu treiben.
- Die Versorgungsspannung sollte dann 9 V bis 15 V betragen.
- Die Anstiegs- und Abfallzeit beträgt ca. 200ns.
- Wird ein MOSFET angesteuert, liegt die Anstiegs- und Abfallzeit im Bereich von 1µs.
Aufbau
Lochrasterplatine
Dieses Projekt wird auf einer Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötpunkten aufgebaut.
Wie es geht, beschreibt dieses Praktikum.
Die Darstellung des Layouts ist in Darstellung in KiCad ausführlich beschrieben.
Der Generator XY-LPWM kann im Internet beschafft werden und kostet nur wenige Euro.
Die Platine des XY-LPWM wird mit vier Stiften nach unten versehen, Huckepack auf unsere Platine gesetzt und mit 2 mm Kunststoffschrauben befestigt.
Unsere Platine ist etwas länger als die des XY-LPWM. Links befindet sich eine zweipolige Stiftleiste für die Stromversorgung, rechts eine Buchse für den Ausgang.
Damit kann das Modul sowohl auf dem Steckboard als auch unabhängig auf den Stiften stehend betrieben werden.
Layout
Der XY-LPWM wird über die Buchsen J5 und J6 angeschlossen.
Die Bohrungen für die vier 2 mm Kunststoffschrauben sind gut zu erkennen.
Unser Modul wird über 4 Stifte mit dem Steckboard verbunden.
Bedienung
Die Anzeige des Moduls zeigt oben die Frequenz und unten den Tastgrad an. Der Frequenzbereich reicht von 1 Hz bis 150 kHz. Die Einheiten werden nur indirekt angezeigt. Der Tastgrad liegt zwischen 0 % (immer LOW) und 100 % (immer HIGH).
| Anzeige | Darstellung | Frequenz | Frequenzbereich | Auflösung |
| ohne Dezimalpunkt | XYZ | in Hz | 1 Hz .. 999 Hz | 1 Hz |
| ein Dezimalpunkt | X.YZ | in kHz | 1.00 kHz .. 9.99 kHz | 10 Hz |
| ein Dezimalpunkt | XY.Z | in kHz | 10.0 kHz .. 99.9 kHz | 100 Hz |
| zwei Dezimalpunkte | X.Y.Z | in kHz | 100 kHz .. 150 kHz | 1 kHz |
Tabelle 1: Anzeige der Frequenz
Es wird deutlich, dass der Rechteckgenerator kein hochpräzises Gerät mit hoher Auflösung ist. Insbesondere bei Frequenzen unter 20 Hz ist die Auflösung von 1 Hz schlecht. Für unsere Zwecke ist der Generator dennoch gut geeignet, da er Frequenzen für unsere Schaltungen liefert und diese auch 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 ausreichend großen Frequenzbereich,
- hat leider eine schlechte Auflösung bei Frequenzen unter 20 Hz,
- hat eine Anzeige,
- hat eine einfache Bedienung,
- hat eine Genauigkeit von 2 %,
- ist robust,
- liefert Signale, die von schnellen CMOS-Bausteinen als Takt akzeptiert werden,
- kann als Treiber für MOSFETs verwendet werden,
- ist geeignet für Betriebsspannungen von 3,3 V bis 15 V und
- kann mit einer Batterie betrieben werden.
