Schaltung des Taktgenerators
Dieser einfache Taktgenerator ist mit einem 555-Timer aufgebaut.
Die Schaltung entspricht der im Praktikum Timer 555 behandelten Schaltung. Die Frequenz kann jedoch durch einstellbare Widerstände und Kondensatoren verändert werden. Außerdem wird die CMOS-Version des Timers 555 verwendet.
Mit dem Potentiometer R1.1 kann die Frequenz in einem weiten Bereich verändert werden. Der Widerstand R1.2 verhindert, dass der Widerstand R1 zu klein wird. Mit den Kondensatoren C1.1 bis C1.6 wird über Jumper die Grundfrequenz eingestellt. Der Widerstand R2 bestimmt die Zeit t0, die der Ausgang auf 0 liegt. Diese Zeit hängt auch von den Kondensatoren C1 ab.
Der Taktgenerator ist nicht sehr genau, aber für einfache Messungen und die meisten Schaltungen ausreichend. Er liefert nur Rechteckimpulse, wie sie für Digitalschaltungen benötigt werden.
Der Taktgenerator liefert Impulse, deren 1-Zeit mit dem Potentiometer R1.1 verändert werden kann. Die Frequenz kann von etwa 0,5 Hz bis 2 MHz eingestellt werden.
| C1 | fmin | fmax | t0 |
| 100 pF | 130 kHz | 1,4 MHz | 0,2µs |
| 1 nF | 13 kHz | 140 kHz | 2µs |
| 10 nF | 1,3 kHz | 14 kHz | 20µs |
| 100 nF | 130 Hz | 1,4 kHz | 200µs |
| 1 µF | 13 Hz | 140 Hz | 2ms |
| 10 µF | 1,3 Hz | 14 Hz | 20ms |
Tabelle 1: Frequenzbereiche des Taktgenerators
Die in Tabelle 1 angegebenen Werte sind Mittelwerte. Wegen der Ungenauigkeit der Kondensatoren und des Potentiometers R1.1 können Abweichungen von mehr als ±20 % auftreten.
Die Frequenz bei 100 pF ist meist niedriger als berechnet. Das liegt an den Streukapazitäten des Aufbaus und daran, dass der Timer LMC555 an seine Grenzen stößt. Der Aufbau des Prototyps ergab für C1.1 eine günstige Kapazität von 68 pF.
Aufbau
Bauteilliste
| Name | Wert | Beschreibung | Preis/€ |
| R1.1 | 100 kΩ | Potentiometer ALPS, stehend, mono | 0.99 |
| R1.2 | 3,3 kΩ | Typ 207 | 0.11 |
| R2 | 3,3 kΩ | Typ 207 | 0.11 |
| R3 | 470 Ω | Typ 207 | 0.11 |
| C1.1 | 100 pF | Keramik 50 V | 0.06 |
| C1.1' | 68 pF | Keramik 50 V | 0.06 |
| C1.2 | 1 nF | Keramik 50 V | 0.06 |
| C1.3 | 10 nF | Keramik 50 V | 0.06 |
| C1.4 | 100 nF | Keramik 50 V | 0.06 |
| C1.6 | 1 µF | Tantal 35 V | 0.22 |
| C1.6 | 10 µF | Tantal 16 V | 0.31 |
| C2 | 220 µF | Elko 10 V | 0.22 |
| C3 | 100 nF | Keramik 50 V | 0.05 |
| C4 | 10 µF | Tantal 16 V | 0.31 |
| T1 | IRLML6402 | P-MOSFET, SMD, SOT-23 | 0.86 |
| IC1 | TLC555CP | Timer, CMOS, DIL8 | 0.95 |
| JC1 | 6x2 | Stiftleiste ,2,54 mm | |
| U+, U-, U-, Takt | 1x1 | Stiftleiste, 2,54 mm | 0.50 |
| Summe | 5.04 |
Tabelle 2: Bauteilliste
Die Preise verstehen sich als Schätzung. Die Kosten für die Platine kommen noch hinzu. Der Taktgenerator kann für etwa 5 Euro gebaut werden. Der Kondensator C1.1' mit 68 pF ist für den Aufbau nach Bild 2 am besten. Das Potentiometer R1.1 ist im Prinzip unkritisch. Für das Layout nach Bild 2 wird ein stehendes Potentiometer von ALPS benötigt, z. B. Reichelt RK09K113-LIN100K.
Layout
Lochrasterplatine
Dieses Projekt wird auf einer Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötpunkten aufgebaut.
Wie es geht, beschreibt dieses Praktikum.
Der Aufbau des Taktgenerators auf einer durchkontaktierten Lochrasterplatine ist auch für Einsteiger zu bewältigen.
Die Darstellung des Layouts ist in Darstellung in KiCad ausführlich beschrieben.
Bild 3 zeigt, wie die Drahtbrücke auf der Oberseite eingebaut wird.
Der MOSFET Q1 hat ein SMD-Gehäuse und ist auf vier Lötpunkte gesetzt. Der einzelne Pin ist über einen Draht zwischen zwei benachbarten Lötinseln verlötet. Dies ist in SOT-Gehäuse beschrieben.
Neben dem LMC555 befindet sich die Drahtbrücke.
Die Stifte werden von unten eingebaut, von oben verlötet und mit einem benachbarten Lötpunkt verbunden (rot). Die Verbindungen sind in der Draufsicht gut zu erkennen.
Die beiden Buchsen werden normal auf der Oberseite eingebaut. So kann der Taktgenerator auch über Drähte mit anderen Geräten oder Steckboards verbunden werden. Es ist nicht unbedingt notwendig, den Taktgenerator auf ein Steckboard zu setzen. Die Stifte dienen dann als Beine.
Die Stiftleiste für die Umschaltung des Frequenzbereichs ist natürlich auf der Oberseite eingebaut.
Prototyp
Der Prototyp wurde auf einer einseitigen Lochrasterplatine aufgebaut. Daher sind die Stifte von oben und der MOSFET auf der Unterseite eingebaut. Eine weitere Drahtbrücke ist deshalb notwendig.
Verwendung des Taktgenerators
Der Taktgenerator ist für Spannungen zwischen 3 V und 6 V ausgelegt. Durch den MOSFET Q1 ist er gegen Verpolung geschützt. Der Ausgang des Timers ist nicht hochbelastbar (CMOS).
Die Jumper sind von links nach rechts nummeriert.
| Jumper | Kapazität | Frequenz |
| 1 | 100 pF | 140 kHz |
| 2 | 1 nF | 14 kHz |
| 3 | 10 nF | 1,4 kHz |
| 4 | 100 nF | 140 Hz |
| 5 | 1 µF | 14 Hz |
| 6 | 10 µF | 1,4 Hz |
Tabelle 3: Jumper JC1 und Frequenz
In Tabelle 3 ist den Jumpern die Größenordnung einer Frequenz zugeordnet. Mit dem Potentiometer R1.1 kann die Frequenz im Bereich 1:10 variiert werden.
Bei C=100 pF wurden am Prototyp Frequenzen von 87 kHz bis 830 kHz gemessen. Die Zeit t0 beträgt 1µs.
Mit offenen Jumpern wurden am Prototyp 373 kHz bis 3,3 MHz gemessen. Daraus ergibt sich eine Streukapazität von etwa 35 pF. Wird der Kondensator C1.1 durch einen mit 68 pF ersetzt, wird die Streukapazität kompensiert. Beim Prototyp wurde damit ein Frequenzbereich von 140 kHz bis 1,3 MHz gemessen.
Alternativen
Der Rechteckgenerator verwendet ein fertiges digitales Modul für 1 Hz bis 150 kHz.
Das Quarzgenerator-Modul erzeugt Taktsignale zwischen 1 Hz und 10 MHz.