Oszillator basteln (3-10Mhz)

Alex N. schrieb:
> ca 40-50 Vss

Leerlauf, oder kommt da eine Last dran?

50 Vss an 50 Ω sind ja immerhin schon 6 W.  Da würde man normalerweise
dem Oszillator einen Verstärker nachsetzen.

Vielleicht erzählst du uns ja noch was über den Anwendungszweck, dann
kann man bessere Ratschläge geben.

Ich schieb' das mal ins HF-Forum.

Hallo,

Der Oszillator wird nach dem einschalten einige Zeit barauchen um sich 
einzuschwingen. Wenn du nur den eingeschwungenen Zustand untersuchen 
willst, dann must du in LTspice die Anfangsbedingungen der Kapazitäten 
und Induktivitäten setzen. Dazu solltest du dir die Doku der folgenden 
Befehle mal durchlesen.

.ic
.uic
.nodeset

Damit kannst du dann den eingeschwungenen Zustand untersuchen ohne 
ständig hineinzoomen zu müssen.

PS: Sind deine Vorgaben tatsächlich 50Vss bei 10MHz? Da hätte ich als 
"quasi Neuling" Respekt vor.

Danke schonmal für die schnellen Antworten.

Also mit der Schaltung sollen Piezoelemente von Ultraschallsonden zum 
schwingen gebracht werden. Die Arbeiten zwischen 3 Mhz und 10 Mhz.

Bin ich prinzipiell auf dem Richtigen weg mit der Kombination aus 
Oszillator und Verstärker? Den Verstärker Schalte ich dann quasi erst 
drauf wenn der Oszillator eingeschwungen ist ?

Alex N. schrieb:

> Also mit der Schaltung sollen Piezoelemente von Ultraschallsonden zum
> schwingen gebracht werden.

Sowas hatte ich befürchtet. ;-)

Da brauchst du dann wohl auch ein wenig Leistung (je nach Größe
des Elements).

> Bin ich prinzipiell auf dem Richtigen weg mit der Kombination aus
> Oszillator und Verstärker?

Prinzipiell ja.

> Den Verstärker Schalte ich dann quasi erst
> drauf wenn der Oszillator eingeschwungen ist ?

Ist nicht so wichtig.

Wichtiger ist die Anpassung am Ausgang.  Diese Piezo-Teile haben
meines Wissens eine relativ hohe Impedanz, die stark kapazitiv
geprägt ist.  Die übliche Variante, die 50 Vss zu erzeugen, besteht
dabei darin, dass man das Piezo-Element in Reihe mit einer Spule
legt und so einen Reihenschwingkreis baut, der die Spannung recht
stark herauftransformiert.  Die Einstellung der Spule ist dabei
natürlich stark von der genauen Last abhängig.

Mit einem Verstärkerkonzept wie in der NF-Technik (wenn ich 50 Vss
haben will, einfach mal 60 V Versorgungsspannung nehmen und dann
eine Gegentaktstufe) wirst du einen Haufen Blindleistung hin und
her schaufeln in der kapazitiven Last, mal davon abgesehen, dass so
ein breitbandiger Verstärker nicht ganz einfach zu beherrschen ist.
Schließlich soll er ja auf der Frequenz des Oszillators schwingen
und nicht auf seiner eigenen …

Ich hol wohl besser noch ein bisschen weiter aus :) Das mit der 
Schaltung erzeuge Signal soll unterschiedliche Piezo Elemente immer 
wieder kurz "Anschieben" um sie zum Schwingen zu bringen. Zwischen den 
Anschiebephasen möchte ich die Signatur aufnehmen (Polar PFL280). Das 
Endziel des gesamten Aufbaus ist es, die einzelnen Piezo Elemente einer 
US Sonde zu "prüfen".

@Jörg Wunsch: Da ich unterschiedliche Elemente unterschiedlicher Sonden 
ansteuern will wird es nicht möglich sein alle optimal zu treiben eine 
direkte Anpassung wird deshalb vermutlich schwer ?

Alex N. schrieb:
> Bin ich prinzipiell auf dem Richtigen weg mit der Kombination aus
> Oszillator und Verstärker? Den Verstärker Schalte ich dann quasi erst
> drauf wenn der Oszillator eingeschwungen ist ?

Einen Verstärker wirst du auf jeden Fall benötigen. Eventuell auch 
mehrstufig. Mir wäre kein Oszillator bekannt, der mit einer derartigen 
Leistung belastet werden könnte.

Da ich gerade selbst mit einem AD9850 am herumwerkeln bin möchte ich mal 
die Idee in den Raum werfen so einen DDS-Chip für die Signalerzeugung zu 
verwenden.
Vom AD9850 gibt es fertige Module für ca. 10€. Der Chip wird über ein 
serielles Interface angesteuert und liefert am ausgang 1Vss. Das 
Sinussignal ist zwar nicht 100%ig perfekt aber könnte für deine Zwecke 
durchaus reichen. Du bräuchtest dich dann halt nur mehr um einen 
Verstärker kümmern und hättest ein Problem weniger.

lg

Alex N. schrieb:
> Da ich unterschiedliche Elemente unterschiedlicher Sonden ansteuern will
> wird es nicht möglich sein alle optimal zu treiben eine direkte
> Anpassung wird deshalb vermutlich schwer ?

Ja, aber vielleicht kannst du ja die Anpassung mit dem jeweiligen
Element zu einem vereinigen und diese dann im Ganzen umschalten?

Prinzipiell müsste man das sogar so aufbauen können, dass es dann
selbsterregend ist, d. h. die Resonanzfrequenz des Piezoelements
bestimmt die tatsächliche Oszillatorfrequenz, statt eines Oszillators,
denn man dann auf das jeweilige Element noch abstimmen muss.  Nach so
einem Prinzip arbeiten die üblichen Ultraschallreiniger.

Ich bin begeistert von der Unterstützung hier :)

@MichaelN: Habs mir gerade angesehen das sieht definitiv nach einer 
Option aus. Das könnte ich ja bequem mit dem Arduino ansteuern.

@Jörg: Das mit dem Umschalten wäre definitiv eine Lösung. Wie würde denn 
so eine selbsteregende Schaltung aussehen? Verstehe ich das richtig das 
meine obige Oszillatorschaltung dann vollkommen überflüssig wird?

Der AD9850 scheint mir doch die definitiv erfolgsverprechendere Variante 
zu sein. Einen Arduino hab ich sowieso noch rumliegen. Ich melde mich 
dann demnächst wegen dem passenden Verstärker wieder ;)

Alex N. schrieb:
> Verstehe ich das richtig das meine obige Oszillatorschaltung dann
> vollkommen überflüssig wird?

Ja, der komplette Verstärker wäre dann der Oszillator.

Dieses Bild geistert noch irgendwie durchs Netz:

http://www.hobbielektronika.hu/forum/files/42/t_42d655f355ba90ceecc185ddf98d91b0.jpg

Das ist gewissermaßen ein selbst schwingender Leistungsoszillator.

Ich habe zu Hause ein tschechoslowakisches Ultraschallgerät, die haben
das etwas aufwändiger gelöst.

Zum Verstärken reicht fast der LT1227 (von Reichelt 3,80€) der kann laut 
Datenblatt Seite 4 oben noch 22Vpp bei 10 MHz "unverzerrt" an 1 k 
abgeben. Und das bei 10-facher Spannungsverstärkung.

Generatordenker schrieb:
> Es reicht mit einer Seilwinde den "Piezo" zu ziehen.

Nur, weil du das Prinzip nicht verstanden hast, brauchst du diesen
Thread nicht weiter mit deinem Unsinn zuzuspammen.

@Christoph: Danke für den Tipp :) Hab mal 2 Stufen hintereinandergesetzt 
und bekomm in lt spice sogar saubere 30 Vss hin bei 8 MHz.

den AD9850 hab ich mir mittlerweile schon bestellt.

@Jörg: das Bild ist zu klein kann das sein?

@Eric: so ganz kapier ich die funktion nicht.

Vielen Dank :)

Alex N. schrieb:

> @Jörg: das Bild ist zu klein kann das sein?

Ah, Miſt, das war nur das Vorschaubild.

http://www.hobbielektronika.hu/forum/getfile.php?id=184139

> @Eric: so ganz kapier ich die funktion nicht.

Die Gatter mittels Widerstand in den linearen Bereich zu ziehen,
ist recht üblich für Quarzoszillatoren.  Indem man den Stromfluss
durch einen Widerstand misst und darauf die Rückkopplung aufsetzt,
ergibt sich automatisch ein Maximum der Schleifenverstärkung im
Resonanzpunkt des Piezo-Resonators.

Allerdings müsstest du das für höhere Pegel diskret aufbauen.

Alternativ kannst du natürlich obigen Vorschlag mit der
Resonanzüberhöhung per vorgeschalteter Induktivität damit noch
kombinieren.

eric schrieb:
> Ich meine aber, eine zusätzliche Induktivität würde die Schwingfrequenz
> verschieben und hätte deshalb nur Sinn, wenn man bei einer anderen
> Frequenz als der Serienresonanz arbeiten will.

OK, das könnte sein.

Jörg W. schrieb:
> eric schrieb:
>> Ich meine aber, eine zusätzliche Induktivität würde die Schwingfrequenz
>> verschieben und hätte deshalb nur Sinn, wenn man bei einer anderen
>> Frequenz als der Serienresonanz arbeiten will.
>
> OK, das könnte sein.

Ja, sie ändert die Frequenz, aber sie bringt eben auch viel mehr
Amplitude.

Habe die Schaltung mal aufgebaut und einen kleinen Piezo drangehängt,
den ich hier noch aus einem alten Kemo-Bausatz rumliegen hatte
(Ultraschall-Abstandswarner).  Das erste Bild zeigt das Ausganssignal,
wenn man den Schwinger direkt anklemmt, das zweite mit einer ziemlich
wahllos aus der Schachtel gegriffenen Spule von 8 mH davor.

Bitte unterschiedliche Skalierung in x- und y-Richtung zwischen
beiden Bildern beachten bzw. die Messdaten rechts unten.

Ich denke, es lohnt sich, damit mal ein wenig zu experimentieren.

Guten Morgen :)


@ Eric und Jörg:

Ich werde mir jetz einfach mal die Gates bestellen und das ausprobieren.
Die Logik dahinter verstehe ich leider immer noch nicht da fehlt es mir 
wohl an Basis wissen.



eric schrieb:
> Mir ist nicht ganz klar, hängen die alle gleichzeitig am Generator oder
> werden sie getrennt nacheinander angeschlossen.

Die Piezos sollen nacheinander getestet werden

dussel schrieb:
> Also DDS ist ja schon genannt worden, dann mit je nach Datenblatt
> passendem Bessel o.ä. auf den Op-Amp und es sollte passen.

Es wird für diese Anforderungen meiner Meinung nach keinen passenden 
Operationsverstärker geben.
Wenn du es hinbekommst das DDS-Signal mit einem µC zu erzeugen must du 
es bei 5Vss um den Faktor 10 verstärken.

Daraus folgt für den OPV

Grenzfrequenz: >100MHz
Betriebsspannung: >50V
Slew Rate: >3140 V/µs

Das sind schon heftige Forderungen (Ich hoffe ich hab mich nicht 
verrechnet).

Aus reinem Interesse noch eine vollkommen ernst gmeinte Frage: Mit 
welchem µC würdest du denn das 10MHz DDS-Signal erzeugen? Die üblichen 
AVRs und STM32 sind dazu ja zu lahm.

eric schrieb:
> Die Eigenresonanz des Gebers beträgt ca. 135 kHz,
> mit Spule wird er mit 60 kHz angesteuert.

Ich bin mir da (leider) gar nicht so ganz sicher.  Hatte zuerst
einen anderen 4011 dran (den ich mir zerschossen habe), da kam eine
andere Frequenz raus. :(

Allerdings hatte ich beim zweiten Aufbau dann das Mikrofon als
Gegenseite nicht mehr dran.  Damit hätte man sehen können, wo mehr
Schallamplitude rauskommt.

dussel schrieb:
> DDS bei den Frquenzen würde ich via µC erzeugen wäre

10 MHz DDS direkt mit Controller?  Das ist sportlich.  Hast du einen
Controller, der wenigstens 50 MHz IO-Takt schafft?

Wenn schon DDS, dann finde ich die AD-Teile keine schlechte Wahl.

Alex N. schrieb:
> Die Logik dahinter verstehe ich leider immer

So viel „Logik“ ist das nicht. ;-)  Das erste Gatter wird als
(invertierender) Analogverstärker betrieben durch den Widerstand.
Kann man am Oszi gut sehen, die Ein- und Ausgangspegel (ohne
Schwingung) liegen dann im Bereich Vcc/2.  Dadurch kann dieser
Verstärker die (relativ kleine) Rückkopplungswechselspannung
über dem 100-Ω-Widerstand und 100-pF-Kondensator verstärken.

Das zweite Gatter macht dann wieder Rechteck mit vollem Pegel
draus.

Michael N. schrieb:
> Es wird für diese Anforderungen meiner Meinung nach keinen passenden
> Operationsverstärker geben.


hab das in Ltspice mal mit dem Lt1227 getestet und der scheint das zu 
schaffen. Kann natürlich sein dass man das absolut nicht so macht.

Danke Jörg ich glaub ein bisschen klarer ist es mir jetz geworden. Ich 
denke wenn ich es dann aufgebaut habe wird es mir noch klarer :)

Alex N. schrieb:
> hab das in Ltspice mal mit dem Lt1227 getestet und der scheint das zu
> schaffen. Kann natürlich sein dass man das absolut nicht so macht.

Aus dem Datenblatt des LT1227:

Slew Rate: 1100 V/µs !
Supply Range: +-15V !

Nachtrag: Spice-Modelle sollte man i.d.R. mit etwas Vorsicht genießen. 
Man sollte immer einen Blick ins Datenblatt werfen.
Die Modelle haben einen gewissen Gültigkeitsbereich. Wie du gezeigt hast 
liefet die Simulation zwar ein Ergebnis, das Modell des OPVs ist unter 
den gegebenen Bedingungen aber nicht mehr gültig.

Michael N. schrieb:
> Slew Rate: 1100 V/µs !
> Supply Range: +-15V !

aber dann sollte es doch auch passen oder denke ich da falsch?

F = SR / (2pi*V) = 11.67 Mhz

das wäre ja noch ausreichend?

Alex N. schrieb:
> aber dann sollte es doch auch passen oder denke ich da falsch?
>
> F = SR / (2pi*V) = 11.67 Mhz
>
> das wäre ja noch ausreichend?

Nein, du denkst schon richtig. Du rechnest allerdings mit 15V. Du 
hattest ursprünglich mal etwas von 50V erwähnt.

Michael N. schrieb:
> Nein, du denkst schon richtig. Du rechnest allerdings mit 15V. Du
> hattest ursprünglich mal etwas von 50V erwähnt.

Da hast du vollkommen recht. Ich werde es jetz mal mit den 15V testen 
vielleicht reicht das ja schon aus um den piezo auf touren zu bringen

Michael N. schrieb:
> Slew Rate: >3140 V/µs

Korrektur: Es sind doch nur 1570 V/µs. Es war ja von 50Vss die Rede und 
nicht von einer Amplitude von 50V ;)

Noch einmal zum Einschwingen im Eingangspost:
C4 und R5 bilden einen Hochpass mit 1ms Zeitkonstante. Dessen 
Einschwingen siehst Du am Anfang. Der restliche Oszillator sollte nach 
50us etwa dort sein wo die Arbeitspunkte hingehören.

auch wenn der Zweig jetzt nicht weiter verfolgt wird
hauspapa

eric schrieb:
> Die Eigenschaften eines Piezos kann man auch bei niedrigen Pegeln
> untersuchen.

Du scheinst dich ja ziemlich gut mit Piezos auszukennen. Bin ich den 
überhaupt auf dem richtigen weg mit der Idee den Piezo anzuregen und 
dann auf eine Messung umzuschalten?

Mal so als Ideen eingeworfen:
1. Resonanz messen: Piezo in die positive RK eines OP/ST/KP 
(Quarzresonator)
2. Mit der dann bekannten F_r einen Rechteck(dipol?)puls gewünschter 
Amplitude auf den Piezo und Echo messen.

Oder mit 'nem RED-PITAYA den Impedanzverlauf messen.
Den Leistungsverstärker braucht's dann immer noch ;)

Meine Aufgabenstellung lautet eine geeignete Testumgebung für die 
Piezoelemente von Ultraschallsonden zu entwickeln. Mir steht hierfür ein 
Polar Fault Locator 780 (Quasi ein Komponententester) zur Verfügung. Da 
das Gerät aber nur mit 2kHz misst, ist mein Plan die piezos immer am 
Anfang des Messzyklus mit einer externen Quelle "anzuschubsen".
Der PFL bietet die möglichkeit eine Signatur aufzunehmen und als 
Referenz für darauffolgende Messungen zu verwenden. Auch ohne externe 
beschaltung bekomme ich schon geringfügige Abweichungen an gealterten 
Piezoelementen. Ich erwarte mir von dem "Anstups" Plan das ich jedoch 
wesentlich markantere Signaturen erhalte und eine viel bessere 
Gut/Schlecht unterscheidung machen kann.

eric schrieb:
> testen worauf ?

ich sehe bei ultraschallgeräten beispielsweise, dass das Bild nichtmehr 
sauber ist und einige Schatten aufweist. Dies kann an verschließenen 
piezos liegen, am Silikon der US Sonde oder evtl auch am US gerät 
selbst. Und die piezos als fehler auszuschließen oder ggf. den fehler 
nachzuweisen geht es.

Der PFL legt eine Sinusspannung mit maximal 2khz an das zu testende 
bauteil an und misst den Strom. Dann wird die Bauteiltypische Signatur 
aufgezeichnet. Bei einem Wiederstand wäre das die Gerade bei einem 
Kondensator eine Schleife. Ich bekomme jetz vom gerät quasi die Signatur 
eines Relativ hohen widerstandes mit geringer Kapazität. Je näher ich im 
Betriebsbereich Messe wird der Widerstand sinken und die Kapazität 
steigen (So die HOffnung) und ich bekomme aussagekräftigere Signaturen.

Soviel zu meinem abstrusen plan ;)

als Leistungsendstufe hat Reichelt noch den LT1210 im Programm
LT 1210 CT7 11,90 €
Bandbreite: 55MHz Spannungsanstieg: 900 V/µs
Versorgungsspannung: ± 5 V bis ± 15 V (leider auch nicht mehr)
Bauform: TO-220 (7 pins)

So nach langer Bastelei kann ich mich endlich zurückmelden ;)

Ich habe die Schaltung mit den Gates aufgebaut und mit unterschiedlichen 
Spulen getestet. M1_gut zeigt die Spannung am Piezo ohne Spule . Bild 
M3_gut mit der größten (1000µH). Aufgrund des Ultraschallbildes weiß ich 
ja bereits welche Piezos "schlechter" sind als andere. Mit der großen 
Spule Messe ich zwischen guten und schlechten Piezos realtive große 
Prozentuale unterschiede in Spannung und Frequenz. Das sind schoneinmal 
eine gute Grundlage für eine Unterscheidung und Bewertung. Ich werde 
weiter damit experimentieren :)

eric schrieb:
> Welche Sendefrequenzen benutzt Ihr,
> mit welchen Spannungen steuert Ihr an
> und welche Leistungen strahlt der Piezo ab ?

Sendefrequenz des USGs ist bei der Sonde die ich momentan teste 8.3 Mhz. 
Mit der selbsteregung ohne Spule M1_gut schwingt der Piezo aber nur mit 
ca. 3 Mhz. Die Spannung des USG konnte ich leider bisher nicht Messen da 
dieses mit sehr hoher wahrscheinlichkeit Dirac Impulse sendet und mein 
Oszilloskop da nicht mitspielt. Ich wüsste auch nicht wie ich die 
Leistung ermitteln kann.

Christoph K. schrieb:
> als Leistungsendstufe hat Reichelt noch den LT1210 im Programm

Vielen Dank aber der Lt1227 hat eine höhere slewrate

Schöne Grüße

Alex

Nachtrag: Am Oszi ist auf AC gestellt. Es handelt sich in Wahrheit eher 
um pulsierende Gleichspannung.

Ich sagte ja Endstufe, der kann richtig Leistung abgeben, 1,1A bis 35 
MHz. Zur Not könnte man das ja noch mit einem Trafo hochtransformieren 
wie im Datenblatt angedeutet:
http://www.linear.com/product/LT1210

@ Christoph Kessler: da der dds noch immer nicht da bin habe ich den 
zweig noch nicht weiterfolgt und nichts neues auf dem gebiet zu 
vermelden :)


Die Schaltung mit den Gates scheint tatsächlich sehr geeignet zu sein um 
die Piezos untereinander zu vergleichen. Jetz würde ich gerne für den 
Anfang die Freuquenz mit einem Arduino erfassen. Sobald ich aber 
irgendetwas anderes als ein oszi an den Piezo+ Pin meiner Schaltung 
hänge funktioniert gar nichtsmehr. Spannungsteiler-> Diode (damit nur 
eine halbwelle kommt) -> Arduino haut nicht hin. Deshalb wollte ich jetz 
einen Spannungsfolger davorsetzen um die eigentliche Schaltung nicht zu 
beeinflussen. Aber leider bricht die Spannung am Piezo auch bei meiner 
aktuellen Schaltung ein. Könnte mir jemand helfen wie ich diese Spannung 
auf einen Arduino Pin bekomme ?

Viele Grüße,

Alex

Gemessen habe ich von Masse - zwischen Spule/Piezo. MIttlerweile habe 
ich die schaltung noch einmal sauberer Aufgebaut und der hohe 
Gleichspannungsanteil ist verschwunden ?

eric schrieb:
> Die Schwingung im Bild M3 60 kHz hat mit den Schwingeigenschaften des
> Piezo nichts zu tun, sondern ist die Serienresonanz von L und der
> Belagkapazität des Piezos.

Das bedeutet aber ja das ich auf die Kapazität des Piezos und somit auf 
seinen Zustand schließen kann ? Ich habe die Schaltungen mit mehreren 
Spulen getestet. Ich habe jeweils einen guten einen schlechten und einen 
mittleren Piezo drangehängt. Bei der großen Spule waren die prozentualen 
unterschiede in der Amplitude und der Frequenz am größten. Durch einen 
hohen Wiederstand zwischen dem Piezo+ und dem SignalIn meiner oben 
dargestellten Schaltung bekomme ich mittlerweile ein auswertbares Signal 
und mein Arudino kann die Frequenz auslesen. Das ist für meine Anwendung 
schon sehr gut weil ich so einen automatisierten Tester realisieren 
könnte. Die Messung ist reproduzierbar und aufgrund von Referenzwerten 
von guten Sonden wäre diese Lösung aussagekräftig.

Ich möchte trotzdem weiter probieren. Ich habe mal versucht mit meinem 
sehr begrentzen Verständnis für Schaltungsentwicklung eine Schaltung mit 
Transistor aufzubauen. An die beiden Pads kommt der Piezo dran. Ist das 
schon ungefähr Richtig so?


Bei der Dirac Lösung sehe ich das Problem zum einen in der Erzeugung 
eines vernünftigen Impulses und auch in der Detektion und Auswertung der 
Antwort. Das wäre wesentlich komplizierter.

Wäre das eine geeingete Antennenschaltung?

So nochmal vielen dank an alle die mir geholfen haben :)

Ich habe jetzt die Schaltung von Eric im Einsatz. Mit einer 
Versorgungsspannung von 5 volt erhalte ich eine sehr saubere 
Rechteckspannung am Ausgang des ersten Gatters. Die lässt sich 
problemlos vom Arduino auslesen :)

Es scheint wohl so, dass die Belagskapazität ausschlagebend ist. Bisher 
verliefen alle Tests positiv :)