Die an uns gestellte Aufgabe war es, die vom VCO der Teilgruppe 1 erzeugten Signale umzuwandeln und auf den richtigen Pegel zu bringen. Angestrebt sind die Formen einer Rechteck-, Sägezahn- und einer Sinusspannung bei einer Amplitude von 1,1 V. Zunächst sind wir diese Aufgaben getrennt angegangen und haben für jede Signalform eine eigene Teilschaltung entwickelt. Dazu soll uns von der VCO-Gruppe eine Dreieckspannung mit 10 V peak-to-peak und eine Rechteckspannung mit 20 V peak-to-peak übergeben werden. Beide Signale sind symmetrisch um 0 V.

Spannungsregler

Aus der Recherche ergab sich, dass es sinnvoll ist für einige Teilschaltungen das Versorgungsniveau von 12 V herabzusetzen. In der Simulationsphase gelang uns dies mit invertierenden OPV Schaltungen. Da wir jedoch befürchteten, dass die Schwankungen der Versorgungsspannungen einen zu großen Einfluss auf unsere Schaltung haben könnten ersetzten wir dies mit den Spannungsreglern LM7805 (IN: 12V, OUT: 5V) und LM7905(IN:-12V, OUT:-5V). Die resultierende Schaltung ist in Abb. (1) zu sehen. Mit zwei Dioden gegen Masse drücken wir die Ausgangsspannung der beiden Regler um jeweils etwa 0,7V nach oben bzw. nach unten, sodass an den Ausgängen letztendlich 6,4V und -6,4V anliegen. Dies ist an den Messpins 7805 und 7905 zu prüfen. Die Konfiguration der Kondensatoren und Widerstände geht aus den Empfehlungen der Datenblätter der Spannungsregler hervor und kann dort nachgeschlagen werden. Die Schaltung ist in Abbildung (1) zu sehen. Ebenfalls zu sehen sind die Pinbelegung des Versorgungsbusses und der Verbindungsleitung mit dem VCO.

Abbildung 1: Die Schaltung

Rechtecksignal mit Pulsweitenmodulation

Durch einen Tipp unseres Tutors erfuhren wir, das die Umsetzung einer Pulsweitenmodulation eine einfache, aber effektive Anwendung für einen analogen Synthesizer ist, weshalb wir dieses Feature hinzufügen wollten. Die Recherche ergab, dass dies mit einem Komparator am einfachsten zu realisieren ist. Als Komparator und OPV verwenden wir den TL074, da dieser sich mit seinen JFET-Inputs gut für Audiosignale eignet und er 4 OPV`s enthält, sodass wir die in Abb. (2) zu sehende Schaltung im Boardlayout kompakt um diesen Baustein aufbauen können.

Der Komparator vergleicht die zwei Spannungen an seinen Eingängen und gibt ein High-Signal aus, wenn die Gleichspannung am nicht-invertierenden Eingang größer ist als das Signal am invertierenden Eingang (hier liegt das Dreiecksignal des VCO an). Somit kann man den Tastgrad des ausgegebenen Rechtecks verändern indem man einen Spannungsteiler vor den invertierenden Eingang verbaut und einen der Widerstände als Potentiometer wählt, um die Gleichspannung am nicht-invertierenden Eingang zu erhöhen oder zu senken.

Die Dreieckspannung des VCO muss für den Vergleich am Komparator noch auf rein positive Spannungen gebracht werden. Wir verwenden also einen addierenden Operationsverstärker, welcher das VCO-Dreieck und die Gleichspannung aus dem LM7805 addiert. Das Dreieck liegt anschließend also etwa zwischen -1,4 V und -11,4 V und muss folglich mit einem weiteren OPV invertiert werden. Messunngen haben ergeben, dass der OPV die angegebenen -11,4 V nicht erreicht, da er bereits bei etwa -10,4 V die Sättigung erreicht. Dies ist nicht optimal, hat aber auf die eigentliche Funktionsweise der Schaltung keinen Einfluss.

Dimensionierung des Spannungsteilers am Komparator

Die Widerstände des Spannungsteiler müssen so dimensioniert werden, dass die am Komparator anliegende Gleichspannung jederzeit zwischen den Spitzenwerten der Dreieckspannung liegt, da der Komparator andernfalls eine Gleichspannung ausgibt, welche als Audiosignal in den vorgesehenen Schaltungen nicht funktioniert.

Abbildung 2: Die Schaltung für die Pulsweitenmodulation

Den ersten Widerstand des Spannungsteiler wählen wir mit 30 kΩ. Da wir zum Vergleich am Komparator die 12 V Versorgungsspannung wählen, ist hier bei der Dimensionierung der übrigen Widerstände darauf zu achten, dass mindestens 20 µA fließen, da sonst am 10 k Ω Widerstand nicht die notwendigen 0,6 V abfallen um die oben genannte Bedingung zu erfüllen. Aus diesen Überlegungen legen wir das Potentiometer R_34 auf 47 kΩ und den nachfolgenden Widerstand R_9, welcher das niedrigste Niveau der anliegenden Gleichspannung festlegt auf 4,7 k Ω fest.

Abbildung 3: Großer Tastgrad

Mit dem Potentiometer R_5 kann die Größe des Dreiecks und somit den Bereich der erreichbaren Tastgrade anpassen. Dies ist am Testpin Komp IN am Oszilloskop zu beobachten. Somit lässt sich der Arbeitsbereich der PWM festlegen und der Tastgrad mit R_34 auf dem Benutzerinterface festlegen. Ein Beispiel für großen und kleinen Tastgrad ist in den Bildern (3) und (4) zu sehen.

Abbildung 4: Kleiner Tastgrad

Justierung der PWM

Wie bereits erwähnt kann mit dem Potentiometer R_5 der Spitzenwert des Dreiecks angepasst werden. Wir haben optimale Ergebnisse mit der Dreieckspannung zwischen etwa 1 V und 8 V erzielt. In diesem Fall ist R_5 auf etwa 3,5 k Ω eingestellt. Hier sollte die volle Umdrehung des Tastgradpotentiometers R_25 nutzbar sein und eine breite Auswahl an Tastgraden zur Verfügung stehen.

Erzeugung einer Sägezahnspannung

Um ein Sägezahnsignal zu erzeugen gibt es verschiedene Varianten. Die erste Idee war einen Integrator mit sehr großem Rückkopplungswiderstand zu verwenden. Allerdings scheidet dieser Ansatz aufgrund der Frequenzabhängigkeit der Amplitude des Ausgangssignals aus. Letztendlich haben wir uns für eine Ausführung mit einem Analog Multiplexer/Demultiplexer (HCF4051) entschieden (Abbildung (5)). Dieser wird mit den Augängen der Spannungsregler LM7805 und LM7905 verbunden, sodass V_DD mit 6,4 V und V_EE mit -6,4 V festgelegt sind. Ebenso wichtig ist es den unbenutzten Steuereingängen B und C, sowie der Inhibit Leitung einen definierten Zustand zuzuordnen, weshalb wir diese ebenfalls mit V_EE verbinden. Nun teilen wir das Dreiecksignal des VCO auf zwei Pfade auf und invertieren einen der beiden mit einem OPV.

Abbildung 5: Teilschaltung zu Erzeugung des Sägezahnsignals

Jetzt können wir mit der Rechteckspannung des VCO den 4051 ansteuern. Dies ist sinnvoll, da das Rechteck des VCO genau dort eine steigende Flanke aufweist, wo das Dreieck sein Maximum erreicht. Wechselt man an dieser Stelle von einem nicht-invertierten Dreieck zu einem invertierten Dreieck, ist das Ergebnis eine Sägezahnspannung. Dabei ist darauf zu achten, dass die Amplitude des Steuersignals zwischen der des zu steuernden Dreiecks und V_DD liegt. Wir dämpfen, das vom VCO übergebene Rechteck auf etwa 6 V Amplitude herunter. Am Ausgang des 4051 sollte dann ein Sägezahn mit etwa 5 V Amplitude anliegen. Dies ist am Testpin 4051 zu überprüfen.

Abbildung 6: Das erzeugte Sägezahnsignal

Justierung der Schaltung

Wie bereits erwähnt ist es wichtig das die Rechteckspannung genug gedämpft wird, da sonst der IC zerstört werden würde. Gleichzeitig muss das Rechteck eine größere Amplitude haben als die am Schalter eingehenden Dreiecksignale. Die Amplitude sollte also größer sein als 5 V und kleiner als 6,4V. Dies kann am Testpin RE INV1 geprüft werden. Je kleiner sie gewählt wird, desto weiter befindet man sich im empfohlenen Betriebsbereich des IC. Gleichzeitig sollte die korrekte Funktionsweise des Schalters am Testpin 4051 getestet werden. Sollten die eingehenden Dreiecke unterschiedliche Amplitude haben, ergeben sich für den Sägezahn alternierende Spitzenwerte. Dies kann mit dem Potentiometer R_6 behoben werden. Ein Beispiel für das ausgegebene Sägezahnsignal ist in Abbildung (6) zu sehen.

Diodennetzwerk

Bei dem Sinusnetzwerk wird das übergebene Dreiecksignal vom VCO durch die Sinusapproximation in ein Sinussignal umgeformt. Man nutzt die Eigenschaft, dass die Sinusschwingung im Verlauf um den Nullpunkt sich ähnlich wie ein Dreieckssignal verhält. Für kleine Eingangsspannungen (Ue) wollen wir eine Verstärkung von 1 haben, für größere Eingangsspannungen müssen wir jedoch eine kleinere Verstärkung erreichen. Das hat die Folge, dass die Spitzen des Dreiecksignals abrunden und der Signalverlauf die Form einer Sinuskurve annimmt. Für kleine Ue arbeiten die Dioden im Sperrbereich, was zur Verstärkung von 1 führt. Mit Erhöhung von Ue verlassen wir den Sperrbereich der Dioden in den Einzelnen Stufen und die Spannungsteiler erhöhen die Ausgangsspannung (Ua) in der jeweiligen Stufe. Weiter sei darauf hingewiesen, das Ua in jeder Stufe langsamer steigt als Ue.

Die positiven und negativen Signalanteile werden getrennt approximiert. Die Werte der Widerstände sind für positive und negative Signalanteile gleich groß zu dimensionieren. Die Anzahl der Stufen im Diodennetzwerk bestimmen den “Feinheitsgrad“ des Sinussignals. Jedoch nur bis zu maximal 5 oder 6 Stufen.

Abbildung 7: Das Diodenennetzwerk

Pegelanpassung

Nach dem Schnittstellentermin wurde der Ausgangspegel für die Ausgangssignale auf 2,2 V_pp festgelegt. Um dies zu bewerkstelligen verwenden wir erneut eine Reihe von invertierenden Verstärkerschaltungen, die im Layout zu einem weiteren TL074 zusammengefasst werden.

Abbildung 8: Das erzeugte Sägezahnsignal

Da das Verhältnis der Widerstände am invertierenden Verstärker die Größe der ausgegebenen Spannung bestimmen, hängen die Werte der Vorwiderstände und der Potentiometer vom Verhältnis der am Eingang anliegenden Spannung zum festgelegten Ausgangspegel ab. An den Testpins Sinus, Sägezahn und PWM kann man die Ausgangssignale abgreifen. Diese werden auf einen 3-pin Molexstecker geführt, welcher mit einem Drehschalter verbunden ist. Mit dem Schalter kann der Benutzer das letztendlich auf die 3,5 mm Klinkenbuchse gegebene Signal festlegen.

Justierung der Pegelanpassung

Sollte an jedem der Eingänge das richtige Signal an, so muss man lediglich mit den Potentiometern R_3, R_9 und R_13 den Ausgangspegel der drei Signalpfade auf 2,2 V_pp einstellen. Damit wäre die Justierung der Schaltung abgeschlossen.

Korrektur der Fehler im Layout und Schaltplan

Während des Entwurfs sind uns einige Fehler unterlaufen, welche korrigiert werden mussten bevor die Schaltung wie beschrieben funktionieren konnte. Im Schaltplan wurde der invertierende und der nicht-invertierende Eingang von zwei OPV`s vertauscht. Da der Fehler erst beim testen der Platine bemerkt wurde, musste eine Notlösung gefunden werden. Dazu wurden die nötigen Leiterbahnen mit einem Drehmel durchtrennt und die richtigen Verbindungen mit isoliertem Kupferdraht gezogen. Die Korrekturen sind in den Abbildungen (9) und (10) zu sehen.

Abbildung 9: Korrektur am TL074 der PWM

Die Schnitte sind mit gelb markiert, während die neu gezogenen Verbindungen in Türkis hervorgehoben sind.

Abbildung 10: Korrektur am TL072 für die Invertierung der VCO-Signale

Nachdem wir diese Fehler behoben hatten, funktionierten auch die betroffenen Teile der Schaltung. Anschließend wurden die Fehler auch in Schaltplan und Layout ausgebessert, sodass die in diesem Dokument vorliegenden Versionen den eigentlich geplanten Schaltungen entsprechen sollten.

Bedienung

Sobald die Platine richtig eingestellt ist, sollte die Bedienung keine großen Schwierigkeiten mehr machen. Über den 3-pin Molex Stecker auf der rechten Seite der Platine wird der Signalausgang des VCO angeschlossen. Dabei ist vor allem auf die richtige Pinbelegung der Stecker zu achten. Mit der VCO- Gruppe wurde folgende Konvention vereinbart:

• Pin 1: Das Rechtecksignal mit etwa 20 V_pp
• Pin 2: GND
• Pin 3: Das Dreiecksignal mit etwa 10V_pp

Ist die Platine richtig justiert, können am linken Rand der Platine die Ausgangssignale an einem weiteren 3-pin Molex-Stecker abgegriffen, bzw. auf einen Drehschalter geführt werden, dessen Ausgang mit dem benachbarten 2-pin Molex-Stecker verbunden wird. Für den Schalter Eingang gilt folgende Konvention:

• Pin 1: Das Rechtecksignal mit Pulsweitenmodulation

• Pin 2: Das Sägezahnsignal

• Pin 3: Das Sinussignal

Mit dem Drehschalter kann so auf dem Benutzerinterface die ausgegebene Signalform bestimmt werden. Dies Signale werden an der 3,5 mm Klinkenbuchse ausgegeben und können von dort aus mit anderen Modulen verbunden werden. Steht der Drehschalter auf Position 1 (ganz links) kann mit dem Potentiometer auf dem Benutzerinterface der Tastgrad des Rechtecksignals verändert werden, um andere Klangfarben zu erzeugen. Die Darstellung der Frontplatte in Abbildung (11) hilft dem Benutzer eventuell bei der Orientierung.

Abbildung 11: Das Design der Benutzeroberfläche