Aus der Recherche ergab sich, dass es sinnvoll ist f\u00fcr einige Teilschaltungen das Versorgungsniveau von 12 V herabzusetzen. In der Simulationsphase gelang uns dies mit invertierenden OPV Schaltungen. Da wir jedoch bef\u00fcrchteten, dass die Schwankungen der Versorgungsspannungen einen zu gro\u00dfen Einfluss auf unsere Schaltung haben k\u00f6nnten 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 dr\u00fccken wir die Ausgangsspannung der beiden Regler um jeweils etwa 0,7V nach oben bzw. nach unten, sodass an den Ausg\u00e4ngen letztendlich 6,4V und -6,4V anliegen. Dies ist an den Messpins 7805 und 7905 zu pr\u00fcfen. Die Konfiguration der Kondensatoren und Widerst\u00e4nde geht aus den Empfehlungen der Datenbl\u00e4tter 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.<\/p>\n
Abbildung 1:\u00a0Die Schaltung<\/p>\n Rechtecksignal mit Pulsweitenmodulation<\/strong><\/p>\n Durch einen Tipp unseres Tutors erfuhren wir, das die Umsetzung einer Pulsweitenmodulation eine einfache, aber effektive Anwendung f\u00fcr einen analogen Synthesizer ist, weshalb wir dieses Feature hinzuf\u00fcgen 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 f\u00fcr Audiosignale eignet und er 4 OPV`s enth\u00e4lt, sodass wir die in Abb. (2) zu sehende Schaltung im Boardlayout kompakt um diesen Baustein aufbauen k\u00f6nnen.<\/p>\n Der Komparator vergleicht die zwei Spannungen an seinen Eing\u00e4ngen und gibt ein High-Signal aus, wenn die Gleichspannung am nicht-invertierenden Eingang gr\u00f6\u00dfer ist als das Signal am invertierenden Eingang (hier liegt das Dreiecksignal des VCO an). Somit kann man den Tastgrad des ausgegebenen Rechtecks ver\u00e4ndern indem man einen Spannungsteiler vor den invertierenden Eingang verbaut und einen der Widerst\u00e4nde als Potentiometer w\u00e4hlt, um die Gleichspannung am nicht-invertierenden Eingang zu erh\u00f6hen oder zu senken.<\/p>\n Die Dreieckspannung des VCO muss f\u00fcr den Vergleich am Komparator noch auf rein positive Spannungen gebracht werden. Wir verwenden also einen addierenden Operationsverst\u00e4rker, welcher das VCO-Dreieck und die Gleichspannung aus dem LM7805 addiert. Das Dreieck liegt anschlie\u00dfend 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 S\u00e4ttigung erreicht. Dies ist nicht optimal, hat aber auf die eigentliche Funktionsweise der Schaltung keinen Einfluss.<\/p>\n Dimensionierung des Spannungsteilers am Komparator<\/strong><\/p>\n Die Widerst\u00e4nde des Spannungsteiler m\u00fcssen 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.<\/p>\n Abbildung 2: Die Schaltung f\u00fcr die Pulsweitenmodulation<\/p>\n Den ersten Widerstand des Spannungsteiler w\u00e4hlen wir mit 30 k\u03a9. Da wir zum Vergleich am Komparator die 12 V Versorgungsspannung w\u00e4hlen, ist hier bei der Dimensionierung der \u00fcbrigen Widerst\u00e4nde darauf zu achten, dass mindestens 20 \u00b5A flie\u00dfen, da sonst am 10 k \u03a9\u00a0Widerstand nicht die notwendigen 0,6 V abfallen um die oben genannte Bedingung zu erf\u00fcllen. Aus diesen \u00dcberlegungen legen wir das Potentiometer R_34 auf 47 k\u03a9 und den nachfolgenden Widerstand R_9, welcher das niedrigste Niveau der anliegenden Gleichspannung festlegt auf 4,7 k \u03a9 fest.<\/p>\n Abbildung 3: Gro\u00dfer Tastgrad<\/p>\n Mit dem Potentiometer R_5 kann die Gr\u00f6\u00dfe des Dreiecks und somit den Bereich der erreichbaren Tastgrade anpassen. Dies ist am Testpin Komp IN am Oszilloskop zu beobachten. Somit l\u00e4sst sich der Arbeitsbereich der PWM festlegen und der Tastgrad mit R_34 auf dem Benutzerinterface festlegen. Ein Beispiel f\u00fcr gro\u00dfen und kleinen Tastgrad ist in den Bildern (3) und (4) zu sehen.<\/p>\n Abbildung 4: Kleiner Tastgrad<\/p>\n Justierung der PWM<\/strong><\/p>\n Wie bereits erw\u00e4hnt 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 \u03a9 eingestellt. Hier sollte die volle Umdrehung des Tastgradpotentiometers R_25 nutzbar sein und eine breite Auswahl an Tastgraden zur Verf\u00fcgung stehen.<\/p>\n Erzeugung einer S\u00e4gezahnspannung<\/strong><\/p>\n Um ein S\u00e4gezahnsignal zu erzeugen gibt es verschiedene Varianten. Die erste Idee war einen Integrator mit sehr gro\u00dfem R\u00fcckkopplungswiderstand zu verwenden. Allerdings scheidet dieser Ansatz aufgrund der Frequenzabh\u00e4ngigkeit der Amplitude des Ausgangssignals aus. Letztendlich haben wir uns f\u00fcr eine Ausf\u00fchrung mit einem Analog Multiplexer\/Demultiplexer (HCF4051) entschieden (Abbildung (5)). Dieser wird mit den Aug\u00e4ngen 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 Steuereing\u00e4ngen 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.<\/p>\n Abbildung 5:\u00a0Teilschaltung zu Erzeugung des S\u00e4gezahnsignals<\/p>\n Jetzt k\u00f6nnen 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 S\u00e4gezahnspannung. Dabei ist darauf zu achten, dass die Amplitude des Steuersignals zwischen der des zu steuernden Dreiecks und V_DD liegt. Wir d\u00e4mpfen, das vom VCO \u00fcbergebene Rechteck auf etwa 6 V Amplitude herunter. Am Ausgang des 4051 sollte dann ein S\u00e4gezahn mit etwa 5 V Amplitude anliegen. Dies ist am Testpin 4051 zu \u00fcberpr\u00fcfen.<\/p>\n Abbildung 6:\u00a0Das erzeugte S\u00e4gezahnsignal<\/p>\n Justierung der Schaltung<\/strong><\/p>\n Wie bereits erw\u00e4hnt ist es wichtig das die Rechteckspannung genug ged\u00e4mpft wird, da sonst der IC zerst\u00f6rt werden w\u00fcrde. Gleichzeitig muss das Rechteck eine gr\u00f6\u00dfere Amplitude haben als die am Schalter eingehenden Dreiecksignale. Die Amplitude sollte also gr\u00f6\u00dfer sein als 5 V und kleiner als 6,4V. Dies kann am Testpin RE INV1 gepr\u00fcft werden. Je kleiner sie gew\u00e4hlt 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 f\u00fcr den S\u00e4gezahn alternierende Spitzenwerte. Dies kann mit dem Potentiometer R_6 behoben werden. Ein Beispiel f\u00fcr das ausgegebene S\u00e4gezahnsignal ist in Abbildung (6)\u00a0zu sehen.<\/p>\n Diodennetzwerk<\/strong><\/p>\n Bei dem Sinusnetzwerk wird das \u00fcbergebene Dreiecksignal vom VCO durch die Sinusapproximation in ein Sinussignal umgeformt. Man nutzt die Eigenschaft, dass die Sinusschwingung im Verlauf um den Nullpunkt sich \u00e4hnlich wie ein Dreieckssignal verh\u00e4lt. F\u00fcr kleine Eingangsspannungen (Ue) wollen wir eine Verst\u00e4rkung von 1 haben, f\u00fcr gr\u00f6\u00dfere Eingangsspannungen m\u00fcssen wir jedoch eine kleinere Verst\u00e4rkung erreichen. Das hat die Folge, dass die Spitzen des Dreiecksignals abrunden und der Signalverlauf die Form einer Sinuskurve annimmt. F\u00fcr kleine Ue arbeiten die Dioden im Sperrbereich, was zur Verst\u00e4rkung von 1 f\u00fchrt. Mit Erh\u00f6hung von Ue verlassen wir den Sperrbereich der Dioden in den Einzelnen Stufen und die Spannungsteiler erh\u00f6hen die Ausgangsspannung (Ua) in der jeweiligen Stufe. Weiter sei darauf hingewiesen, das Ua in jeder Stufe langsamer steigt als Ue.<\/p>\n Die positiven und negativen Signalanteile werden getrennt approximiert. Die Werte der Widerst\u00e4nde sind f\u00fcr positive und negative Signalanteile gleich gro\u00df zu dimensionieren. Die Anzahl der Stufen im Diodennetzwerk bestimmen den \u201cFeinheitsgrad\u201c des Sinussignals. Jedoch nur bis zu maximal 5 oder 6 Stufen.<\/p>\n Abbildung 7:\u00a0Das Diodenennetzwerk<\/p>\n Pegelanpassung<\/strong><\/p>\n Nach dem Schnittstellentermin wurde der Ausgangspegel f\u00fcr die Ausgangssignale auf 2,2 V_pp festgelegt. Um dies zu bewerkstelligen verwenden wir erneut eine Reihe von invertierenden Verst\u00e4rkerschaltungen, die im Layout zu einem weiteren TL074 zusammengefasst werden.<\/p>\n Abbildung 8:\u00a0Das erzeugte S\u00e4gezahnsignal<\/p>\n Da das Verh\u00e4ltnis der Widerst\u00e4nde am invertierenden Verst\u00e4rker die Gr\u00f6\u00dfe der ausgegebenen Spannung bestimmen, h\u00e4ngen die Werte der Vorwiderst\u00e4nde und der Potentiometer vom Verh\u00e4ltnis der am Eingang anliegenden Spannung zum festgelegten Ausgangspegel ab. An den Testpins Sinus, S\u00e4gezahn und PWM kann man die Ausgangssignale abgreifen. Diese werden auf einen 3-pin Molexstecker gef\u00fchrt, welcher mit einem Drehschalter verbunden ist. Mit dem Schalter kann der Benutzer das letztendlich auf die 3,5 mm Klinkenbuchse gegebene Signal festlegen.<\/p>\n Justierung der Pegelanpassung<\/strong><\/p>\n Sollte an jedem der Eing\u00e4nge 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 w\u00e4re die Justierung der Schaltung abgeschlossen.<\/p>\n Korrektur der Fehler im Layout und Schaltplan<\/strong><\/p>\n W\u00e4hrend 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 Notl\u00f6sung gefunden werden. Dazu wurden die n\u00f6tigen Leiterbahnen mit einem Drehmel durchtrennt und die richtigen Verbindungen mit isoliertem Kupferdraht gezogen. Die Korrekturen sind in den Abbildungen (9) und (10) zu sehen.<\/p>\n Abbildung 9:\u00a0Korrektur am TL074 der PWM<\/p>\n Die Schnitte sind mit gelb markiert, w\u00e4hrend die neu gezogenen Verbindungen in T\u00fcrkis hervorgehoben sind.<\/p>\n![\"Spannungsregler\"](\"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/absynth\/wp-content\/uploads\/sites\/19\/2017\/06\/Spannungsregler.jpg\")
<\/a><\/p>\n<\/a><\/p>\n<\/a><\/p>\n<\/a><\/p>\n<\/a><\/p>\n<\/a><\/p>\n<\/a><\/p>\n<\/a><\/p>\n<\/a><\/p>\n