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Einfaches Taktgenerator-Modul mit einstellbarer Frequenz


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Taktgenerator-Modul

Der Taktgenerator ist ein kleines Modul für das Steckboard.

Schaltung des Taktgenerators

Dieser einfache Taktgenerator ist mit einem 555-Timer aufgebaut.

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Bild 1: Schaltung des Taktgenerator-Moduls

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 0,5Hz bis 2MHz eingestellt werden.

C1 fmin fmax t0
100pF 130kHz 1,4MHz 0.2µs
1nF 13kHz 140kHz 2µs
10nF 1,3kHz 14kHz 20µs
100nF 130Hz 1,4kHz 200µs
1µF 13Hz 140Hz 2ms
10µF 1,3Hz 14Hz 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 100pF ist meistens 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 68pF.

Aufbau

Bauteilliste

Name Wert Beschreibung Preis/€
R1.1 100kΩ Potentiometer ALPS, stehend, mono 0.99
R1.2 3.3kΩ Typ 207 0.11
R2 3.3kΩ Typ 207 0.11
R3 470Ω Typ 207 0.11
C1.1 100pF Keramik 50V 0.06
C1.1' 68pF Keramik 50V 0.06
C1.2 1nF Keramik 50V 0.06
C1.3 10nF Keramik 50V 0.06
C1.4 100nF Keramik 50V 0.06
C1.6 1µF Tantal 35V 0.22
C1.6 10µF Tantal 16V 0.31
C2 220µF Elko 10V 0.22
C3 100nF Keramik 50V 0.05
C4 10µF Tantal 16V 0.31
T1 IRLML6402 P-MOSFET, SMD, SOT-23 0.86
IC1 TLCC555 CP Timer, CMOS, DIL8 0.95
JC1 6x2 Stift-Leiste ,2,54mm
U+, U-, U-, Takt 1x1 Stift-Leiste, 2,54mm 0.50
Summe 5.04

Tabelle 3: Bauelemente

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 68pF 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 ALP benötigt, z.B. Reichelt RK09K113-LIN100K.

Layout

Attention >

Lochrasterplatine

Dieses Projekt wird auf einer Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötpunkten aufgebaut.

Wie es geht, beschreibt dieses Praktikum.

Der Aufbau des Taktgenerators auf einer durchkontaktierten Lochraster-Platine ist auch für Einsteiger zu bewältigen.

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Bild 2: Layout des Taktgenerators
Attention >

Die Darstellung des Layouts ist in Darstellung in KiCAD ausführlich beschrieben.

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Bild 3: Taktgenerator von oben in 3D

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. Dieses 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, der Kondensatoren, ist natürlich auf der Oberseite eingebaut.

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Bild 4: Taktgenerators von unten in 3D

Prototyp

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Bild 5: Prototyp des Taktgenerator-Moduls

Der Prototyp wurde auf einer einseitigen Lochrasterplatine aufgebaut. Daher sind die Stifte von oben und der MOSFET auf Unterseite eingebaut. Eine weitere Drahtbrücke ist deshalb notwendig.

Verwendung des Taktgenerators

Der Taktgenerator ist für Spannungen zwischen 3V und 6V 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 100pF 140kHz
2 1nF 14kHz
3 10nF 1,4kHz
4 100nF 140Hz
5 1µF 14Hz
6 10µF 1,4Hz

Tabelle 4: Jumper JC1 und Frequenz

In Tabelle 4 ist den Jumpern die Größenordnung einer Frequenz zugeordnet. Mit dem Potentiometer R1.1 kann die Frequenz im Bereich 1:10 variiert werden.

Bei C=100pF wurden am Prototyp Frequenzen von 87kHz bis 830kHz gemessen. Die Zeit t0 beträgt 1µs.

Mit offenen Jumpern, wurden am Prototyp 373kHz bis 3,3MHz gemessen. Daraus ergibt sich eine Streukapazität von etwa 35pF. Wird der Kondensator C1.1 durch einen mit 68pF ersetzt, wird die Streukapazität kompensiert. Beim Prototyp wurde damit ein Frequenzbereich von 140kHz bis 1,3MHz gemessen.

Alternativen

Der Rechteckgenerator verwendet ein fertiges digitales Modul für 1Hz bis 150kHz.

Das Quarzgenerator-Modul erzeugt Taktsignale zwischen 1Hz und 10MHz.