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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Dimensionierung eines Sinusgenerators für 100kHz


Autor: M. G. (ixil96)
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Hallo,

ich habe eine Frage zur Dimensionierung eines Sinusgenerators für
100kHz.

Die folgende Schaltung von Ti ist für 1MHz berechnet.
Wenn ich das auf 100kHz umrechne, bekomme ich hier ganz seltsame Werte:

http://www.ti.com/lit/wp/snoa839/snoa839.pdf

Kann mir da bitte jemand behilflich sein?

Autor: PopCorn (Gast)
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m. g. schrieb:
> bekomme ich hier ganz seltsame Werte:

Hallo,

schreibe bitte welche Werte Du nach der Formel berechnet hast.
Dann kann man auch sagen ob es falsch oder richtig ist.

Gruss

Autor: M. G. (ixil96)
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Also...
Wenn ich mit C1 = 1nF starte, erhalte ich für R1 = 
(100000/2)/(0,693*0,000000001) einen Wert von 72150072150072 Ohm?

R1 = (1/2*f) / (0,693 * C1)

: Bearbeitet durch User
Autor: Bodo (Gast)
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Hallo M.G.

es sieht so aus, als müsste man die Werte für die Kapazität in µF 
eintragen.

Siehe 3.Seite in der Mitte:
"The other component will be calculated with the resistance in Ohms and 
the capacitance in μfd."

An den Formel kann man auch sehen, dass man für ein zehntel der Frequenz 
(bei gleichem C1) auch nur ein zehntel von R1 benötigt.

BG

Autor: Bernhard D. (pc1401)
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Das liegt nur daran, dass die Appnote Zahlenwertgleichungen benutzt, und 
man sich die verwendeten Einheiten mühsam aus dem Text zusammenklamüsern 
muss.

Setze die Frequenz in MHz und die Kapazität in µF ein, dann erhältst Du 
R1 in Ohm.

Gruß,
Bernhard

Autor: Gerhard (Gast)
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>An den Formel kann man auch sehen, dass man für ein zehntel der Frequenz
>(bei gleichem C1) auch nur ein zehntel von R1 benötigt.
Eher: das Zehnfache von R.. oder auch C..

Autor: Paul B. (paul_baumann)
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Gerhard schrieb:
> Eher: das Zehnfache von R.. oder auch C..

So ist es.

MfG Paul

Autor: M. G. (ixil96)
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Ich habe die Schaltung nun simuliert und aufgebaut. Das Ergebnis ist 
sehr ernüchternd. In der Simulation sieht das Signal zwar gut aus, aber 
die 100kHz stimmen überhaut nicht!
Die Messung zeigt ein verzerrtes Signal mit einer Frequenz von ca. 21kHz 
anstatt 100kHz. Der LM358 hat eine Bandbreite von 1MHz, das sollte 
eigentlich genügen.

Kann mir jemand weiterhelfen?

Autor: Klaus R. (klara)
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M. G. schrieb:
> Kann mir jemand weiterhelfen?

Du hast doch LTspice.

Autor: Dergute W. (derguteweka)
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Moin,

Fuer Nicht-TI-Superspezial-OpAmps kommen mir die ganzen Widerstaende 
ziemlich niederohmig vor.

Gruss
WK

Autor: M. G. (ixil96)
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Alles genau so wie im application note von ti beschrieben:
http://www.ti.com/lit/wp/snoa839/snoa839.pdf

Autor: Harald W. (wilhelms)
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M. G. schrieb:

> Alles genau so wie im application note von ti beschrieben:
> http://www.ti.com/lit/wp/snoa839/snoa839.pdf

Nein, da steht nirends was von dem LM358. :-(

Autor: Der Andere (Gast)
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M. G. schrieb:
> Der LM358 hat eine Bandbreite von 1MHz

Falsch, er hat ein Verstärkungs-Bandbreite Produkt (GBW) von 1MHz.
Das bedeutet er hat bei 100kHz gerade mal noch eine Verstärkung von etwa 
10.
Prima Ausgangslage für einen klirrarmen Verstärker dessen Schaltung 
unter der Annahme berechnet wurde der (ideale) Verstärker hätte eine 
Verstärkung von unendlich.

Auch im von dir verlinkten Beitrag wird dazu gesagt: "The bandwidth of 
the amplifier should be at least 10 times the frequency of oscillation."
Du bist also an der absolut unteren Grenze.
Weiter kommt es hier schon auf das Layout an und auf die 
Versorgungspufferung direkt am IC.
Und selbst dann sieht man im verlinkten Beispiel ist der Sinus 
bestenfalls mittelmäßig.
Dazu kommt, dass der OP unsymmetrisch betrieben wird und dass TI Notes 
für einen schnellen OP gedacht sind, der einen viel geringeren 
Ausgangswiderstand hat wie der olle LM358.

Besser aber auch aufwändiger gehts mit Wien-Robinson-Brückenoszillator.

Autor: ArnoR (Gast)
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Harald W. schrieb:
> Nein, da steht nirends was von dem LM358. :-(

Und hier steht nirgends was von 1MHz.
Der LM358 ist für 100kHz als Oszillator in diesem Fall geeignet, weil er 
auf Grund der langsamen Flanken weniger Oberwellen liefert, als ein sehr 
schneller OPV. Für die Filterung ist er dagegen gar nicht geeignet, weil 
zu langsam. Das geht besser mit einem einfachen Transistor:

Beitrag "Re: Dimensionierung Sinusozillator"

Autor: Paul B. (paul_baumann)
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C3 muß 2nF haben. So hat der Kollege das jedenfalls berechnet. In der 
.pdf-Datei ist ein Link zu einer Excel Datei, der natürlich nicht 
funktioniert. Zum Dank habe ich eine eigene Openoffice-Datei angefertigt 
und angehangen.

Berichte mal, wie es in Natura funktioniert, einer Simulation traue ich 
nicht.

MfG Paul

(Für die obligatorischen Nölärsche: Wer sich nicht traut, die Datei zu 
laden, der läßt es sein. Mitteilungen über das Nicht-Laden sind mir 
völlig Brust)

Autor: Der Andere (Gast)
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ArnoR schrieb:
> Beitrag "Re: Dimensionierung Sinusozillator"

Danke Arno für die "Erdung", dass man sieht was man mit einem einfachen 
Transistor alles sogar besser machen kann.
:-)

Autor: M. G. (ixil96)
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> Der LM358 ist für 100kHz als Oszillator in diesem Fall geeignet, weil er
> auf Grund der langsamen Flanken weniger Oberwellen liefert, als ein sehr
> schneller OPV. Für die Filterung ist er dagegen gar nicht geeignet, weil
> zu langsam. Das geht besser mit einem einfachen Transistor:
>
> Beitrag "Re: Dimensionierung Sinusozillator"

Wie dimensioniere ich die Schaltung für 100kHz?
Die 100kHz Taktfrequenz am Ausgang des 555 sind mir klar.
Wie berechne ich aber die folgenden R und C ?

Autor: Der Andere (Gast)
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M. G. schrieb:
> Wie berechne ich aber die folgenden R und C ?

Ist nicht ganz trivial. Herleitung gibts im Tietze Schenk. Hier ist eine 
Seite in der es auch steht (Tiefpass 2. Grades):

http://www.umnicom.de/Elektronik/Schaltungssammlung/Filter/Berechnung/Filter3.html#1.3.2

Du musst erst die Charakteristik auswählen (Bessel, Butterworth oder 
Tschebyscheff) und dann mittels der Koeffizienten die restlichen Werte 
bestimmen.
Für Sinusformung würde ich eine Besselcharakteristik geben, aber das ist 
für mich alles schon lange her, vieleicht sagt Arno oder jemand anderes 
ders besser weiss noch was dazu.
Die Grenzfrequenz bestimmt dann die Ausgangsamplitude und den 
Klirrfaktor.
Auch hier aus dem Bauch raus würde ich mal anfangen mit Grenzfrequenz = 
Sollfrequenz und dann ggf. niedriger gehen und das mal simulieren.

Autor: ArnoR (Gast)
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M. G. schrieb:
> Wie berechne ich aber die folgenden R und C ?

Am einfachsten durch Ausprobieren mit einem Simulator. (siehe unten)

Der Andere schrieb:
> Für Sinusformung würde ich eine Besselcharakteristik geben

Das würde ich gerade nicht machen, weil der Dämpfungsverlauf beim 
Übergang vom Durchlass- in den Sperrbereich ziemlich flach verläuft und 
daher das resultierende Verhältnis aus Grundwelle zu Oberwellen schlecht 
ist (großer Klirrfaktor). Filter mit steilem Übergang in den 
Sperrbereich sind hier besser.

Autor: ArnoR (Gast)
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ArnoR schrieb:
> Filter mit steilem Übergang in den Sperrbereich sind hier besser.

Das sieht man im Anhang sehr gut. Die untere Schaltung ist in Richtung 
Tschebyscheff dimensioniert, die obere Richtung Bessel/Butterworth. Die 
untere Schaltung liefert nicht nur mehr Pegel (rote Kurven), sondern 
auch weniger Klirrfaktor, nämlich etwa 3% gegenüber 5% oben.

Im Simulator kann man auch prima jede beliebige Filtercharakteristik 
überprüfen, nicht nur Bessel, Butterworth usw. (für die kluge Leute die 
Koeffizienten ermittelt haben) sondern auch alles "dazwischen".

Autor: ArnoR (Gast)
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Mist, oben den Anhang vergessen.

Autor: Axel S. (a-za-z0-9)
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ArnoR schrieb:
> M. G. schrieb:
>> Wie berechne ich aber die folgenden R und C ?
>
> Am einfachsten durch Ausprobieren mit einem Simulator. (siehe unten)

Wenn man das Filter nicht komplett neu designen will, kann man RC-Filter 
auch einfach linear extrapolieren. OK, man muß dazu wenigstens erkennen 
können, welche der Widerstände und Kondensatoren Einfluß auf den 
Frequenzgang haben. Aber immer noch leichter als erstmal das Design 
aktiver Filter zu lernen.

> Der Andere schrieb:
>> Für Sinusformung würde ich eine Besselcharakteristik geben
>
> Das würde ich gerade nicht machen
...
> Filter mit steilem Übergang in den Sperrbereich sind hier besser.

ACK. Die negativen Eigenschaften dieser Filter wie die nichtkonstante 
Gruppenlaufzeit, Welligkeit im Durchlaßbereich etc. spielen in dieser 
Anwendung ja keine Rolle.

Autor: ArnoR (Gast)
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Axel S. schrieb:
> Wenn man das Filter nicht komplett neu designen will, kann man RC-Filter
> auch einfach linear extrapolieren.

Ja, wobei das aber auch relativ enge Grenzen hat. Wenn man nämlich die 
Widerstände niederohmig macht, kommt es zu einer merklichen 
Durchkopplung der Schaltflanken an den Ausgang.

Autor: M. G. (ixil96)
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Hallo!

Ich habe die Schaltung nun aufgebaut. Hier der Schaltplan mit den 
geänderten Bauteilwerten, die Messung und der Aufbau.
Warum ist die Frequenz so instabil? Nach dem Einschalten rund 92kHz, ein 
paar Minuten später sind es 95kHz?

Autor: Arduinoquäler (Gast)
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M. G. schrieb:
> Warum ist die Frequenz so instabil?

Weil du keinen Quarzoszillaor gebaut hast.

Alles unterliegt Temperaturschwankungen, auch der 555.

Und die Spannung deiner Batterie sinkt auch allmählich
mit der Betriebsdauer, was auch die Frequenz beeinflusst.

Besser wird es erst wenn man einen Keramik-Resonator verwendet.

Autor: gustav (Gast)
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Versorgungsspannungsschwankung, Temperaturdrift.
(+-3 % ist bei dem Aufbau und dem NE555 doch nicht viel.)

Autor: Paul B. (paul_baumann)
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Hast Du die erste Schaltung mit dem OPV noch aufgebaut bei Dir? Mich 
ineteressiert, ob die Frequenz und Kurvenform dort stimmt, wenn man das 
Filter richtig dimensioniert, in dem man den Kondensator C3 doppelt so 
groß wie C1 dimensioniert.

MfG Paul

Autor: M. G. (ixil96)
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Ok verstehe!
Ich suche eine Schaltung, die bei 105khz stabil (+-500Hz) schwingt. 
Dabei möchte ich die Frequenz in diesem Bereich mit einem Spindeltrimmer 
etwas verändern können(so um +-5kHz). Was wäre hier am besten geeignet?

Autor: M. G. (ixil96)
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Paul B. schrieb:
> Hast Du die erste Schaltung mit dem OPV noch aufgebaut bei Dir? Mich
> ineteressiert, ob die Frequenz und Kurvenform dort stimmt, wenn man das
> Filter richtig dimensioniert, in dem man den Kondensator C3 doppelt so
> groß wie C1 dimensioniert.
>
> MfG Paul

Ich benötige hier einen schnellen OPV. Die slew rate beim LM358 ist hier 
zu gering. Da muss ich erst warten, bis ich die Teile habe.

Autor: Paul B. (paul_baumann)
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M. G. schrieb:
> Ich benötige hier einen schnellen OPV. Die slew rate beim LM358 ist hier
> zu gering. Da muss ich erst warten, bis ich die Teile habe.

Mit einem TL 072 müßte es für 100KHz auch dicke reichen. Du kannst R1 
als Einstellregler auslegen und damit dann auch noch die Frequenz 
(geringfügig) so verändern, daß die Kurvenform hinter dem Filter so 
"si-nussig", wie es am Besten geht wird.

MfG Paul

Autor: ArnoR (Gast)
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M. G. schrieb:
> Ich habe die Schaltung nun aufgebaut. Hier der Schaltplan mit den
> geänderten Bauteilwerten, die Messung und der Aufbau.

Die Kurvenform sieht schlecht aus, weil die Amplitude zu groß ist 
(natürlich keine Skalierung angegeben!, vermutlich 2V/div), der 
Emitterfolger unten anschlägt und nicht mehr aktiv ist und daher die 
Schaltflanke vom Eingang zum Ausgang durchschlägt. Du solltest die 
Filtergrenzfrequenz niedriger ansetzen (die 5k1 vergrößern).

Dein Aufbaubild sehe ich mir nicht an (zu groß, weil Foto als png und 
nicht jpg). Hast du den TLC555 oder einen bipolaren verbaut?

Autor: M. G. (ixil96)
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ArnoR schrieb:
Hast du den TLC555 oder einen bipolaren verbaut?

Einen bipolaren...

Autor: Harald W. (wilhelms)
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M. G. schrieb:

> Warum ist die Frequenz so instabil?

Das liegt vermutlich an der Drift Deiner
frequenzbestimmenden  Bauelemente.

Autor: Arduinoquäler (Gast)
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Harald W. schrieb:
> Das liegt vermutlich an der Drift Deiner
> frequenzbestimmenden  Bauelemente.

Bruuuuhahahahah.

Autor: Harald W. (wilhelms)
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Arduinoquäler schrieb:
> Harald W. schrieb:
>> Das liegt vermutlich an der Drift Deiner
>> frequenzbestimmenden  Bauelemente.
>
> Bruuuuhahahahah.

Die Genauigkeit des 555 selbst ist besser als 1%, wenn er mit der
Schaltung aus dem Datenblatt betrieben wird. Besonders hohe Drift
haben z.B. Potis und Kerkos.

Autor: Arduinoquäler (Gast)
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Arduinoquäler schrieb:
> M. G. schrieb:
>> Warum ist die Frequenz so instabil?
>
> Weil du keinen Quarzoszillaor gebaut hast.
>
> Alles unterliegt Temperaturschwankungen, auch der 555.

Autor: ArnoR (Gast)
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M. G. schrieb:
> Einen bipolaren...

War ja klar... Und dann wunderst du dich über die miesen Eigenschaften? 
Die Ausgangsstufe liefert einen H-Pegel irgendwo ~1,5V...3V unter Vcc. 
Die Spannung geht direkt in die Frequenz ein. Der CMOS dagegen geht sehr 
dicht an Vcc und Masse, entsprechend stabiler ist die Frequenz. Schmeiß 
die bipolaren 555 in die Tonne.

Autor: Axel S. (a-za-z0-9)
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M. G. schrieb:
> Hast du den TLC555 oder einen bipolaren verbaut?
>
> Einen bipolaren...

Blöde Idee. Der ist ja laut Datenblatt bei 100kHz schon am Ende.
Kein Wunder daß der die Frequenz nicht stabil hält.

Autor: Jobst M. (jobstens-de)
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Quarzstabil und veränderbar!?
Entweder PLL oder DDS.
z.B.:
http://www.reichelt.de/?ARTICLE=112110

Ansonsten reicht Dir evtl. auch ein Schwingkreis mit Drehko oder 
veränderbarem Kern.

Vorteil sowohl bei Schwingkreis und DDS: Es kommt direkt ein Sinus raus.



Gruß

Jobst

Autor: AxelR. (Gast)
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Warum am 555 den Rechteckausgang verwenden? Über einen 
"Imbendanz"wandler kann man direkt an den C gehen, was aber wieder in 
die Frequenz mit eingeht. So macht aus nem (naja fast)Dreieck einen 
Sinus.

Autor: ArnoR (Gast)
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AxelR. schrieb:
> Warum am 555 den Rechteckausgang verwenden?

Weil in dem verlinkten Thread, aus dem die Schaltung stammt, eine 
Amplitude von 6Vss aus 9V Versorgung gewünscht war. Das geht nicht ohne 
zusätzliche Verstärkung, wenn man das Signal am C abnimmt. In der Summe 
ist es aber praktisch egal, ob man das Rechteck nimmt und besser 
filtert, oder weniger stark filtert und dafür  verstärkt.

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