Signal-/Frequenz-/Funktionsgenerator 0.1Hz-200kHz (Sinus, Rechteck, Dreieck)

Ein einfacher (vollanaloger) Frequenzgenerator lässt sich mit Hilfe eines 4-fach Operationsverstärkers (LMH6644), 6 Transistoren und wenigen passiven Bauteilen fertigen. Die symmetrische Spannungsversorgung (+/-5-12V) erfolgt entweder mit Hilfe eines Transformators oder einer Ladungspumpe. (Die Schaltung kann als diskreter Ersatz für MAX038, ICL8038, XR2206, IA338D dienen.)

Grundschaltung

Grundlage bildet eine Dreieck-/Rechteck-Generator-Kombination (IC3A + IC3C). Der Frequenzbereich ergibt sich aus den in der Gegenkopplung geschalteten Kapazitätswerten (C14-C19), die genaue Frequenzeinstellung erfolgt über eine anteilige Rückkopplung des Rechtecktsignals auf den Dreiecksgenerator.

Sinussynthetisator

Das Sinussignal erzeugt ein “Sinussynthetisator”. Bei f=1kHz wird ein Klirrfaktor von ca. k=0.5% erreicht. Grundelement der verwandten Sinusformerschaltung bildet der Differenzverstärker aus Q3 und Q4, deren Emitterströme  die stromgesteuerte Stromquelle (Q5, Q6) bereitstellt. Da Differenzverstärker ohne Stromgegenkopplung nur im Bereich kleiner Eingangsspannungen lineares Verhalten zwischen Eingangsspannungsdifferenz und Ausgangsstromdifferenz aufweisen wird dieser schwach stromgegengekoppelt (R13). Sein Wert hängt vom Kollektorstrom des Transistors Q6 ab.

Es gilt:

Bei dieser Dimensionierung muss der Spitzenwert der über R21 abfallenden symmetrischen Dreieckspannung die nachfolgende Bedingung erfüllen:

Dazu verändert man R18 solange, bis der Klirrfaktor der abgegebenen Sinusspannung ein Minimum erreicht.

Die Transistoren Q3/Q4 arbeiten kollektorseitig auf den Stromspiegel Q1/Q2, dessen Kollektorstromdifferenz  der Kollektorstromsumme von Q1/Q3 entspricht, welche in den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC3D fließt und am Ausgang eine sinusförmige Spannung bereitstellt, deren Amplitude proportional dem Produkt aus Betrag der Stromsumme und der Summe der Widerstände R19/R20 ist.

Quellen:
Mikroelektronik in der Amateurpraxis 2 (1.Auflg. 1984); Militärverlag der DDR
Kühne/, C. : Einfaches Sinusfunktionsnetzwerk, radio fernsehen elektronik 31 (1982) Heft 10, Seite 662-663
Kühne/, C. : Begrenzer für Sinussynthetisatoren, radio fernsehen elektronik 28 (1979) Heft 7, Seite 431-433

 

Ein einfaches Linearnetzteil zeigt nachfolgender Schaltplan.

Kombiniert man beides, ergibt sich der Schaltplan zu:

PCB-Variante 1

PCB-Variante 2 in 50x50mm.

Hat man keine symmetrische Spannungsversorgung, kann die negative Betriebsspannung beispielsweise mit einer Ladungspumpe erzeugt werden – hier gibt es mehrere Möglichkeiten.

Timer 555 + Linearregler LM337

Nachfolgend einige Überlegungen mit NE555 und LM337 als Shunt-Regler.

LM386 + LM337

Alternativ zum Timer 555 kann ein LM386 in selbstschwingender Beschaltung verwandt werden, wie folgende Überlegung zeigt.

Die eingangsseitigen Stromspitzen bei Lastströmen >=100mA lassen sich durch eine Schaltungsmodifikation minimieren, wie nachfolgender Vergleich zeigt. (R1/C1 entfallen, R1 deshalb, da der LM386 bereits interne Basiswiderstände besitzt)

Durch den eingangseitigen Einsatz einer Drossel + Kondensator lässt sich der Wirkungsgrad bei leichten Lasten geringfügig verbessern (wahrscheinlich nicht praxisrelevant) – zu Lasten eines größeren Spannungseinbruch bei höheren Lasten.

Abschliessend können, wie nachfolgende Gegenüberstellung zeigt, bei Bedarf die Stromtransienten am Ausgang des Inverters mit einer Serieninduktivität bedämpft werden. (Wahrscheinlich nicht praxisrelevant)

Somit ergibt sich kombinierter Schaltplan zu:

Weiterführende Diskussionen auf stromrichter.org.