VCO(Voltage Controlled Oscillators)

Im nachfolgenden wird die Entwicklung und Dimensionierung eines Voltage-Controlled-Oscillators erläutert. Es werden die Schritte von der theoretischen Entwicklung und Simulation, bishin zur fertigen Platine dargestellt. Ebenfalls werden Probleme während der einzelnen Schritte aufgegriffen und Lösungsansätze aufgezeigt.

Die primäre Aufgabe ist es einen Ton zu erzeugen, welcher in Form einer Schwingung am Ende des Voltage-Controlled-Oscillators ausgegeben wird. Die Frequenz der Schwingung und damit die Tonhöhe soll durch eine Steuerspannung zwischen 0V und 5V geregelt werden. Hierbei gilt, dass der Ton für jede 1V Erhöhung der Steuerspannung sich um eine Oktave verändern soll.

Bei genauer Betrachtung ist ein exponentielles Verhalten der Frequenz zu erkennen. Diese verdoppelt sich, wenn der Ton sich um eine Oktave erhöht. Hieraus lässt sich ableiten, dass für eine lineare Veränderung der Steuerspannung (Erhöhung um 1V) sich die Frequenz exponentiell ändert. Dieses Problem gilt es während des Schaltungsentwurfes zu lösen.

Zur Erzeugung von Schwingungen wird ein Oszillator benötigt. Dieser wird in Form eines Dreieck-Rechteck-Generators aufgebaut. Dieser besteht aus einem Integrator und einem Schmitt-Trigger. Am Ausgang des Integrators liegt eine Spannung an, welche linear Ansteigt. Der Anstieg erfolgt solange, bis die Schaltschwellen des Schmitt-Triggers erreicht werden. Dieser hat am Ausgang Spannungen anliegen, welche seiner maximalen bzw. minimalen Versorgungsspannung entsprechen. Das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers wird auf den Eingang des Integrators zurückgeführt. Somit wird die Spannung des Integrators invertiert  und der Dreieck-Rechteck-Generator fängt an zu oszillieren. Hierbei liegt am Ausgang des Integrators ein Dreieck-Signal an, während am Ausgang des Schmitt-Triggers ein Rechtecksignal anliegt. Beide Signale besitzen die selbe Frequenz. Unten ist die Eagle Schematic aufbau gezeigt.

Um nun die Frequenz am Ausgang des Dreieck-Rechteck-Generators zu verändern gibt es verschiedene Methoden. Zum einen lässt sich durch eine Veränderung der Widerstände innerhalb des Schmitt-Triggers, die Schaltschwelle verschieben. So erreicht der Integrator die Grenze zum Umschalten des Schmitt-Triggers später bzw. früher.

Im nachfolgenden wird jedoch sich mit der Veränderung des Widerstandes aus dem Integrator beschäftigt. Dieser sorgt für eine Veränderung der Integrationsdauer, wie aus Formel 1 hervor geht.

Die Eingangsspannung Ue wird durch den Schmitt-Trigger vorgegeben und schwankt zwischen der minimalen bzw. maximalen Versorgungsspannung. Die Ausgangsspannung Ua entspricht der Schaltschwelle des Schmitt-Triggers. Die Zeit, welche benötigt wird für das Integrieren lässt sich aus der Frequenz berechnen, welche der später erzeugte Ton besitzen soll. Die Integrationszeit entspricht der halben Periodendauer. Da für den Aufbau ein vordefinierter Kondensator mit C = 10nF lässt sich für die einzelnen Frequenzen ein theoretischer Wert für den Widerstand errechnen. Formel 2 zeigt die Formel zur Berechnung des Widerstandes.

Die Berechnung der Widerstände zeigt, dass diese bei steigender Frequenz sinken. Während die Frequenz exponentiell mit jeder Oktave ansteigt, so sinkt der Wert für den Widerstand mit jeder Oktave exponentiell.

Es wird zur Umsetzung des Verhältnisses von 1 Oktave pro Volt ein Widerstand benötigt, der bei steigender Spannung exponentiell abnimmt. Um dies zu realisieren wird ein Optokoppler, bestehend aus einem Photoresistor und einer LED verbaut. Der Photoresistor weist eine exponentielle Abnahme des Widerstandes auf, je heller die LED leuchtet. Die Helligkeit der LED wird über die anliegende Steuerspannung geregelt.

Da die LED jedoch mindestens eine Spannung von 0,7 V benötigt, damit diese anfängt zu leuchten, ist eine Bearbeitung der Steuerspannung nötig. Dies geschieht mit Hilfe eines Umkehraddierers, der +1V auf die Steuerspannung drauf addiert. Anschließend wird das Signal mit Hilfe eines Invertierers wieder in eine positive Spannung zwischen 1V – 6 V umgewandelt. Abbildung 3 zeigt den Schaltungsaufbau zur Bearbeitung der Steuerspannung. In Abbildung 4 wird der gesamte Schaltungsentwurf zur Realisierung des Voltage-Controlled-Oscillators.

Um die entworfene Schaltung auf einer Platine realisieren zu können, muss der Schaltplan in Eagle aufgebaut werden. Hierbei gilt es die vorgegebenen Regularien zum Schaltungs- und Platienenentwurf einzuhalten. Dies erleichtert das spätere Ätzen der Leiterbahnen. Aus Abbildung 4 ist der fertige Schaltplan für den Voltage-Controlled-Oscillator zu entnehmen. In diesem sind auch die Steckverbindungen für die Inputs und Outputs vorhanden, sowie Messpunkte, welche eine spätere Fehlersuche erleichtern sollen.

Nachdem der Schaltplan in Eagle eingepflegt wurde muss dieser nach Eagle-Board exportiert werden. In Eagle-Board werden die Bauteile an ihrer spätere Position auf der Platine geschoben. Hierbei ist darauf zu achten, dass durch eine enge Platzierung der Bauteile das spätere ziehen der Leiterbahnen vereinfacht wird. Es gilt nun durch geschicktes verlegen der Leiterbahnen, die Platine zu finalisieren. Hierbei ist darauf zu achten, dass es optimal wäre sämtliche Leiterbahnen auf der Bottom-Layer zu platzieren. Eine Platzierung auf der Top-Layer hat die Verwendung von Via’s zur Folge, welche Fehleranfälligkeiten in der Schaltung darstellen könnnen. Abbildung 5 zeigt das Platienenlayout in Eagle-Board mit verlegten Leiterbahnen.

Die fertiggestellte Platine wird in unten  dargestellt, jeweils einmal von der Top-Seite und der Bottom-Seite. Nun können die Löcher für die Bauteile in die Platine gebohrt werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Löcher mit der richtigen Größe der Bohrer und zentral gebohrt werden.