{"id":146,"date":"2019-06-14T15:29:45","date_gmt":"2019-06-14T13:29:45","guid":{"rendered":"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ss2019mo\/?page_id=146"},"modified":"2019-07-17T11:08:57","modified_gmt":"2019-07-17T09:08:57","slug":"vco","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/Synthaffaere\/vco\/","title":{"rendered":"VCO"},"content":{"rendered":"

VCO(Voltage Controlled Oscillators)<\/strong><\/p>\n

Im nachfolgenden wird die Entwicklung und Dimensionierung eines Voltage-Controlled-Oscillators erl\u00e4utert. Es werden die Schritte von der theoretischen Entwicklung und Simulation, bishin zur fertigen Platine dargestellt. Ebenfalls werden Probleme w\u00e4hrend der einzelnen Schritte aufgegriffen und L\u00f6sungsans\u00e4tze aufgezeigt.<\/p>\n

Die prim\u00e4re 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 Tonh\u00f6he soll durch eine Steuerspannung zwischen 0V und 5V geregelt werden. Hierbei gilt, dass der Ton f\u00fcr jede 1V Erh\u00f6hung der Steuerspannung sich um eine Oktave ver\u00e4ndern soll.<\/p>\n

Bei genauer Betrachtung ist ein exponentielles Verhalten der Frequenz zu erkennen. Diese verdoppelt sich, wenn der Ton sich um eine Oktave erh\u00f6ht. Hieraus l\u00e4sst sich ableiten, dass f\u00fcr eine lineare Ver\u00e4nderung der Steuerspannung (Erh\u00f6hung um 1V) sich die Frequenz exponentiell \u00e4ndert. Dieses Problem gilt es w\u00e4hrend des Schaltungsentwurfes zu l\u00f6sen.<\/p>\n

Zur Erzeugung von Schwingungen wird ein Oszillator ben\u00f6tigt. 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 zur\u00fcckgef\u00fchrt. Somit wird die Spannung des Integrators invertiert\u00a0 und der Dreieck-Rechteck-Generator f\u00e4ngt an zu oszillieren. Hierbei liegt am Ausgang des Integrators ein Dreieck-Signal an, w\u00e4hrend am Ausgang des Schmitt-Triggers ein Rechtecksignal anliegt. Beide Signale besitzen die selbe Frequenz. Unten ist die Eagle Schematic aufbau gezeigt.<\/p>\n

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Um nun die Frequenz am Ausgang des Dreieck-Rechteck-Generators zu ver\u00e4ndern gibt es verschiedene Methoden. Zum einen l\u00e4sst sich durch eine Ver\u00e4nderung der Widerst\u00e4nde innerhalb des Schmitt-Triggers, die Schaltschwelle verschieben. So erreicht der Integrator die Grenze zum Umschalten des Schmitt-Triggers sp\u00e4ter bzw. fr\u00fcher.<\/p>\n

Im nachfolgenden wird jedoch sich mit der Ver\u00e4nderung des Widerstandes aus dem Integrator besch\u00e4ftigt. Dieser sorgt f\u00fcr eine Ver\u00e4nderung der Integrationsdauer, wie aus Formel 1 hervor geht.<\/p>\n

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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 ben\u00f6tigt wird f\u00fcr das Integrieren l\u00e4sst sich aus der Frequenz berechnen, welche der sp\u00e4ter erzeugte Ton besitzen soll. Die Integrationszeit entspricht der halben Periodendauer. Da f\u00fcr den Aufbau ein vordefinierter Kondensator mit C = 10nF l\u00e4sst sich f\u00fcr die einzelnen Frequenzen ein theoretischer Wert f\u00fcr den Widerstand errechnen. Formel 2 zeigt die Formel zur Berechnung des Widerstandes.<\/p>\n

Die Berechnung der Widerst\u00e4nde zeigt, dass diese bei steigender Frequenz sinken. W\u00e4hrend die Frequenz exponentiell mit jeder Oktave ansteigt, so sinkt der Wert f\u00fcr den Widerstand mit jeder Oktave exponentiell.<\/p>\n

Es wird zur Umsetzung des Verh\u00e4ltnisses von 1 Oktave pro Volt ein Widerstand ben\u00f6tigt, 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 \u00fcber die anliegende Steuerspannung geregelt.<\/p>\n

Da die LED jedoch mindestens eine Spannung von 0,7 V ben\u00f6tigt, damit diese anf\u00e4ngt zu leuchten, ist eine Bearbeitung der Steuerspannung n\u00f6tig. Dies geschieht mit Hilfe eines Umkehraddierers, der +1V auf die Steuerspannung drauf addiert. Anschlie\u00dfend wird das Signal mit Hilfe eines Invertierers wieder in eine positive Spannung zwischen 1V \u2013 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.<\/p>\n

Um die entworfene Schaltung auf einer Platine realisieren zu k\u00f6nnen, muss der Schaltplan in Eagle aufgebaut werden. Hierbei gilt es die vorgegebenen Regularien zum Schaltungs- und Platienenentwurf einzuhalten. Dies erleichtert das sp\u00e4tere \u00c4tzen der Leiterbahnen. Aus Abbildung 4 ist der fertige Schaltplan f\u00fcr den Voltage-Controlled-Oscillator zu entnehmen. In diesem sind auch die Steckverbindungen f\u00fcr die Inputs und Outputs vorhanden, sowie Messpunkte, welche eine sp\u00e4tere Fehlersuche erleichtern sollen.<\/p>\n

Nachdem der Schaltplan in Eagle eingepflegt wurde muss dieser nach Eagle-Board exportiert werden. In Eagle-Board werden die Bauteile an ihrer sp\u00e4tere Position auf der Platine geschoben. Hierbei ist darauf zu achten, dass durch eine enge Platzierung der Bauteile das sp\u00e4tere 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 w\u00e4re s\u00e4mtliche Leiterbahnen auf der Bottom-Layer zu platzieren. Eine Platzierung auf der Top-Layer hat die Verwendung von Via’s zur Folge, welche Fehleranf\u00e4lligkeiten in der Schaltung darstellen k\u00f6nnnen. Abbildung 5 zeigt das Platienenlayout in Eagle-Board mit verlegten Leiterbahnen.<\/p>\n

Die fertiggestellte Platine wird in unten\u00a0 dargestellt, jeweils einmal von der Top-Seite und der Bottom-Seite. Nun k\u00f6nnen die L\u00f6cher f\u00fcr die Bauteile in die Platine gebohrt werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass die L\u00f6cher mit der richtigen Gr\u00f6\u00dfe der Bohrer und zentral gebohrt werden.<\/p>\n

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