Low Frequency Oscillators oder kurz LFO’s erzeugen Frequenzen im Bereich von 0,1 Hz bis 10 Hz, dabei sollen Rechteck-, Dreieck- und Sinussignale möglich sein. Insgesamt sollen drei LFO’s gebaut werden, wobei am Anfang noch unklar ist, ob dies in der Zeit möglich ist. Da die drei LFO’s identisch sein sollen, sind die Schritte bis zum Löten der Platinen unabhängig von der Anzahl an LFO’s die am Ende gebaut werden. Nach einiger Recherche fiel die Entscheidung einen Rechteck-Dreieck-Oszillator zu verwenden, wie er in Abb. (1) dargestellt ist.

Abbildung 1: Rechteck-Dreieck-Oszillator

Eines der beiden generierten Signale wird dann in einen Sinus umgewandelt. Nach weiterer Recherche stand fest, dass das Sinussignal sehr einfach durch ein Diodennetzwerk, in Abb. (2) dargestellt, aus dem Dreiecksignal geformt werden kann. Der Vorteil ist, dass die Umwandlung frequenzunabhängig funktioniert.

Abbildung 2: Diodennetzwerk

Zwischenzeitlich wurden die Widerstände im Diodennetzwerk durch Potentiometer ersetzt um die idealen Werte der Widerstände bestimmen zu können. Nach der Bestimmung der idealen Werte wurden die Potis wieder verworfen und mit den richtigen Widerständen ersetzt.

Die Frequenz aller drei Signale war nun die Gleiche und wird mit einem Potentiometer geändert. Der nächste Schritt war nun dafür zu sorgen, dass ein Offset von 2,5V zum gewählten Signal dazu addiert wird. Dazu wird ein einfacher nicht-invertierender Addierer verwendet. Dieser ist in Abb. (3) dargestellt.

Abbildung 3: Offsetaddierer

Nun muss noch dafür gesorgt werden, dass unabhängig von der Signalform die Gleiche Ausgangsamplitude getroffen wird, dafür werden Spannungsteiler verwendet. Somit ist das Design der Schaltung beendet und der erste Testaufbau kann auf einem Steckbrett aufgebaut werden. Zuerst wurde die Schaltung ohne Spannungsteiler und Offsetaddierer getestet, dabei sind in den Dreieck- und Sinussignalen hochfrequente Schwingungsartefakte aufgetreten die daran lagen, dass die Operationsverstärker nicht genügend Leistung zur Verfügung hatten um richtig zu funktionieren. Um diesen Fehler zu beheben wurden Kondensatoren an die Versorgungsspannung der Operationsverstärker zu Masse hinzugefügt, danach waren keine hochfrequenten Schwingungsanteile mehr zu messen und der Grundaufbau der Schaltung funktionierte einwandfrei. In Abb. (4) sind die generierten Signale dieser Schaltung dargestellt.

Abbildung 4: Gemessene Signale im Testaufbau des LFO

Nach dem der Testaufbau auf dem Steckbrett erfolgreich abgeschlossen werden konnte, stand nun das Platinenlayout in EAGLE bevor. Um den Umgang mit dem Programm EAGLE zu erlernen, wurde während des EAGLE-Kinoabends eine Wechselblinkerschaltung erstellt, die zur eigenen Übung parallel zur Präsentation auch am eigenen Laptop erstellt werden konnte. Dabei wurde auf grundsätzliche Schwierigkeiten und Eigenheiten von EAGLE aufmerksam gemacht und einige Kniffe und Tricks der schon erfahrenderen EAGLE Nutzer präsentiert. Mit diesem Wissen konnte dann selbstständig der Schaltplan, der die Grundvoraussetzung für das Layout bildet, erstellt werden (siehe Abbildung (5)).

Abbildung 5: Schaltung der LFO-Platine

Ähnlich zur Simulation enthält der Schaltplan die Verbindung der Bauteile untereinander und alle Bauteile, die später auf der Platine untergebracht werden müssen. Damit es beim späteren Bestücken keine Probleme gab, mussten die Abmessungen für alle Bauteile exakt übereinstimmen. Diese konnten aus einer umfangreichen Bauteilbibliothek, die viele verschiedene Bauformen enthält und bereits in EAGLE vorhanden ist, ausgewählt werden.

Um die benötigte Versorgungsspannung von +/- 12 V für unsere Platine vom Bus abgreifen zu können, einigten wir uns beim Schittstellentermin auf einen 12 Pin Wannenstecker. Außerdem verständigten wir uns auf eine Modularbauweise, um etwas Flexibilität zu erreichen. Die Signalübertragung zwischen den einzelnen Modulen sollte über 3,5 mm Klinkenbuchsen erfolgen.

Die Veränderungen des Offsets, der Amplitude und der Frequenz sollten Manuel erfolgen. Deshalb wurde dafür jeweils ein Potenziometer im Schaltplan eingeplant. Während des Spielens mussten aber nur die Amplitude und die Frequenz variiert werden können und die entsprechenden Potenziometer von außen zugänglich sein.

Die Änderung des Offsets musste nicht ständig erfolgen, da für das Ausgangssignal ein fester Bereich von 0 bis 5 V beim Schnittstellentermin besprochen worden war. Darum entschieden wir uns, für ein internes Potenziometer um eventuelle Bauteiltoleranzen ausgleichen zu können.

Außerdem sollte es beim späteren Spielen möglich sein, die Signalformen des Ausgangssignals über einen Drehschalter auszuwählen.

Nach dem nun alle Bauteile und Verbindungen im Schaltplan geschaffen wurden, ging es an das eigentliche Layout der Platine.

Das erste Layout fand noch auf einer ganzen EURO-Karte statt (siehe Abbildung (6)).

Abbildung 6: Verworfendes Layout

Da aber noch ziemlich viel Platz frei blieb, änderten wir das Design noch einmal von Grund auf und optimierten es für eine halbe EURO-Karte (Abb. (7)). Dieses Design wurde dann letztendlich auch in die Werkstatt gegeben zum Ätzen (TOP und BOTTOM Ätzvorlagen sind im Downloadbereich zu finden). Da die Ätzung ca. eine Woche benötigte, konnten wir währenddessen eine Liste mit allen noch zu bestellenden Bauteilen angelegen.

Abbildung 7: Finales Layout

Sobald die erste Platine da ist, fangen wir mit Lackieren, Bohren und Bestücken an (Bauteilliste siehe Downloadbereich). Wenn die erste Platine funktioniert ,dürfen wir die restlichen zwei noch bestellen. Die erste Platine ist zum nächsten Termin eine Woche später komplett fertig. Dann wird die Platine zum ersten Mal getestet und zum ersten Versuch funktioniert sie wie erwartet. Dann kommt der erste Mini-Stöpsel-Termin, wo wir die fertige LFO Platine mit der fertigen VCO Platine verbinden. Die erwarteten Signalverläufe kommen aus der VCO Platine raus und durch die Verbindung mit einem Lautsprecher kann man die Signale auch hören.

Auch die anderen beiden Platinen konnten erfolgreich fertiggestellt werden. Der letzte Schliff sollte den drei LFO-Platinen durch die Frontplatte gegeben werden (Abb. 8). Das Ziel war es alle Bedienelemente benutzerfreundlich auf der Außenseite anzuordnen, damit sich der Synthesizer später gut spielen lässt und auch die Wartung erleichtert wird. Dazu wurden die Maße in der Simulation und an der fertigen Platine genommen, damit es später beim Verschrauben der Frontplatte mit der Platine keine Probleme gibt.

Abbildung 8: Fertiger Entwurf vom Layout

Abgleichanleitung:

Um die Platine abzugleichen muss die Versorgungsspannung angelegt werden, dann wird der Drehschalter vom Molex-Stecker entfernt. Nun wird am Potentiometer R4 solange gedreht bis am Testpin JP6 eine Spannung von 2,5V anliegt.

Bedienung:

Ganz oben befindet sich der Klinkenausgang des LFO.

Mit dem Potentiometer darunter lässt sich die Ausgangsamplitude verändern.

Mit dem Potentiometer darunter lässt sich die Frequenz verändern.

Mit dem Schalter ganz unten wird entschieden welche Signalform durchgelassen wird.