Aufgabe

Die Gruppe bildet den Teil des Oszillators und beschäftigt sich mit dem Entwurf eines spannungsgesteuerten Oszillatorschwingkreises, kurz VCO. Dessen Aufgabe ist es nun, aus einer konstanten Eingangssteuerspannung eine Schwingung zu erzeugen, welche ihre Frequenz in Abhängigkeit der Steuerspannung ändert und einen hörbaren Frequenzbereich abdeckt. Hinzukommend wirkt ein Einschaltsignal U_Enable mit, welches logisch mit der Betriebsspannung in ein AND-Gatter geht, um die Betriebsspannung an den zweiten Teil unseres VCOs, den Schmitt-Trigger, zu schalten. Der Oszillator soll keine Leistung umsetzen, wenn der Ton ausgeschaltet ist. Das erzeugte sinusförmige Ausgangssignal soll nun hörbare Frequenzunterschiede liefern und wird dann an den Klasse-D-Verstärker weitergeleitet. Die folgende Abbildung stellt das Blockschaltbild des Oszillators dar.

Abbildung 1: Blockschaltbild

Schaltplan

Der mit LTspice entworfene Schaltplan sieht so aus:

Abbildung 2: Schaltplan

Die Grundlage für den VCO bildet ein Schmitt-Trigger, welcher durch ein NAND-Gatter mit Schmitt-Trigger-Eigenschaft realisiert wird. Die Aufladung des Kondensators erfolgt über den Widerstand R_2 = 4kOhm. Die Diode sperrt da der Ausgang des NAND-Gatters auf HIGH steht. Sobald eine genügend hohe Spannung am Kondensator anliegt schaltet der Ausgang des NAND-Gatters auf LOW und der Kondensator C = 1uF entlädt sich über die Diode (Modell 1N914). Der Ausgang des NAND-Gatters schaltet sich wieder auf HIGH, wodurch die in Abbildung 1 dargestellte Trigger-Spannung entsteht (siehe Simulation).

Das nachgeschaltete D-Flipflop, mit von Q rückgekoppeltem Eingang auf D, zeigt das selbe Verhalten, wie ein einflankengesteuertes T-Flipflop. Bei steigender Flanke der Triggerspannung toggelt es seinen Ausgang und liefert somit eine Rechteckspannung mit halber Frequenz des Trigger-Signals. Die Frequenz dieser Signale hängt von der angelegten VCO-Spannung ab. Bei höheren Spannungen lädt sich der Kondensator schneller auf und das NAND-Gatter schaltet früher. Die Frequenz ist dadurch höher. Der mögliche Frequenzbereich liegt zwischen 100 und 1000Hz.

Durch den aktiven Tiefpassfilter 2.Ordnung werden die Oberschwingungen aus dem Rechtecksignal gefiltert und ein sinusähnliches Signal erzeugt. Für hohe Frequenzen nahe der Grenzfrequenz des Filters zeigt sich ein recht ordentliches Sinussignal. Für tiefere Frequenzen sind noch einige Oberschwingungen enthalten.

Simulation

Für die Simulation musste ein anderer Bauteilwert für R_2 verwendet werden als bei der praktischen Messung, um den gewünschten Frequenzbereich abzudecken. In der Simulation beträgt er 4kOhm, beim praktischen Testaufbau 50kOhm. Im folgenden sind die Simulationsergebnisse für zwei unterschiedliche Steuerspannungen U_VCO dargestellt:

Abbildung 3: Trigger

Abbildung 4: Rechteck

Abbildung 5: Simulation 1

Abbildung 6: Simulation 2

Erkennbar in den Abbildungen sind die Zeitverläufe von Trigger-Spannung (Abb. 3), durch toggeln erzeugte Rechteckspannung (Abb.4) und gefilterter Ausgangsspannung für zwei verschiedene Steuerspannungen bzw. Ausgangsfrequenzen.