Einleitung

Unsere Gruppe beschäftigt sich mit dem Bau eines Verzerrers. Der Verzerrer soll mit einer Schaltung realisiert und verschiedene Verzerrgrade einstellen können. Die für uns
relevanten Verzerrereekte sind Overdrive, Fuzz und Distortion. Beim Overdrive wird
das Signal so übersteuert, so dass das Signal letzendlich „geclippt“ wiedergegeben wird:
Ein verfälschtes Signal (veränderter Sound) entsteht. Beim Overdrive ist die Verzerrung
dynamisch. Als Beispiel soll eine Gitarre in Betracht gezogen werden: Wird die Gitarre behutsam geschlagen, ist der Ton unverzerrt. Bei stärkeren, also kräftigeren Schlägen
wird die Verzerrung immer größer. Der Fuzz besteht aus mehreren Obertönen. Technisch
kann er mit zwei hintereinander geschalteten Verstärkerstufen realisiert werden.
Die erste Verstärkerstufe verstärkt das eingegebene Signal, die zweite wird schließlich
von der ersten übersteuert. Dadurch kommt es zu einer Kompression des Tones. Man
erhält einen kratzenden Sound. Beim Distortion werden Frequenzen hinzugefügt, welche
durch nichtlineare Verzerrungen entstehen. Nichtlinear bedeutet, dass das
Signal in seiner Form verändert wird. Mithilfe des Distortion-Effekts wird der typische
E-Gitarrensound erzeugt. Ferner können lineare Verzerrungen durch hohe Frequenzen entstehen. Bei hohen Frequenzen entstehen parasitäre (unerwünschte) Kapazitäten, die Rückkopplung verursachen. Hierbei sind die im Ausgangssignal die Amplituden der Frequenzen des Eingangssignals  verändert. Mithilfe der Signalanalyse (Fourier) kann dies untersucht werden. Am Ausgang entstehen dann lineare Verzerrungen, wenn harmonische / ganze Frequenzbereiche des Eingangssignals durch die lineare Schaltelemente (Widerstand, Spule, Kondensator) beeinflusst wird.

Schaltungsentwurf

Für den Entwurf haben wir zuerst ein Blockschaltbild entwickelt, wie die Verzerrung in der Schaltung funktioniert.

Die Schaltung des Verzerrers besteht grundsätzlich aus 3 Stufen: Spannungsverstärkung,
asymmetrische Verzerrung mit Hilfe eines Transistors und der symmetrischen Verzerrung
mit zwei Dioden. Der Transistor T1 dient zunächst einmal dazu, die Spannung
des Eingangssignals zu verstärken. Deshalb liegt der Arbeitspunkt dieses Transistor im
linear/parabolischen Bereich, während der Transistor in Emitterschaltung ist. Der Widerstand
R1 dient vor allem zur Arbeitspunktstabilisierung durch Stromgegenkopplung.
Der Transistor T2 ist für die Verzerrung zuständig, weshalb dieser im Sättigungsbereich
betrieben wird. Dadurch, dass die Spannung von T1 so stark verstärkt wurde,
verzerrt der Transistor T2. Mit Hilfe des Potentiometers P1 kann man den
Zerrgrad des Transistor einstellen, da durch die Parallelschaltung von C3 die Impedanz
am Emitter variabel wird sowie eine Impedanz am Eingang des Transistors T1. Dadurch
kann man den Grad der Verzerrung einstellen. Die Verzerrung mit Hilfe der Dioden funktioniert so, dass die Diode D1 die obere Halbwelle abschneiden soll, sodass das eingehende Signal verzerrt wird, während die Diode D2 die untere Halbwelle abschneiden soll. Das Potentiometer P2 dient dazu einzustellen wie viel Spannung parallel zu den Dioden abfällt. Das bedeutet effektiv, dass man damit den Grad der Verzerrung durch die Dioden einstellen kann. Dazu verwenden wir Siliziumdioden, da deren Flussspannung von 0,7 V.
Mit Hilfe des letzten Potentiometers kann man die Amplitude der Ausgangsspannung
variabel durch einen Spannungsteiler einstellen. Somit dient dieses Potentiometer als
Lautstärkeregler.

Simulation

Bevor der Verzerrer gebaut wurde, wurde es im Programm LTSpice simuliert. Mithilfe der Simulation konnte festgestellt werden, ob die Schaltung so überhaupt funktioniert und es zu keinen Fehlern kommt. Im Folgenden sind die Schaltung in LTSpice und die Simulation zu sehen.

In der Simulation ist das Eingangssignal (u.) und das verzerrte Signal (o.) dargestellt. Man erkennt an dem Signal, dass die oberen und unteren Halbwellen geschnitten sind. Dies zeigt, dass die Schaltung die Verzerrung erzeugen konnte, denn durch das Clipping (=Schnitt eines Signals) entsteht der veränderte bzw. verzerrte Sound.

Layout

Nach der Simulation wurde die Schaltung in EAGLE gelayoutet, geätzt, gebohrt und anschließend bestückt. Anbei sieht man die Schaltung in EAGLE.

Die blauen Linien stellen die Leiterbahnen dar, die als Verbindung der Bauteile dient. Die in rot gekennzeichneten Linien sind zur Überbrückung der Leiterbahnen zu verwenden, da ansonsten unerwünsche Verbindungen entstehen. Die grünen Stellen werden zum Bohren benutzt. Das Bohren hat und Bestücken hat auch viel Zeit gekostet, da hier Präzisionsarbeit gefordert ist. Bei dem kleinsten Fehler (z.B. unerwünschte Verbindung einiger Kontakte durch Löten) kann die Schaltung nicht funktionieren.

Am Ende wurde die bestückte Platine an das Oszilloskop angeschlossen. Die Simulationen sehen so aus:

 

Beim Vergleich der Simulationen stellt man fest, dass sie zwar einige Unterschiede aufweisen, jedoch im Großen und Ganzen identisch sind. Somit funktioniert unsere Schaltung.