Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Integrator: Vorwiderstand dimensionieren etc


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von Andi (Gast)


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Guten Abend,

meine Aufgabe ist es aus dem Rechtecksignal eines NE555 (also in 
astabiler Kippstufe) etwas sinusähnliches zu erzeugen und das Verfahren 
dass ich ausgewählt habe ist eine Schaltung mit 4 hintereinander 
geschalteten Integratoren. Der OPV ist hierbei der LM741.
Nun bin ich leider erst im 1. Semester und kenne mich mit OPVs und 
allgemein Integratoren nicht gut aus. Ich weiß was ein Integrator macht 
und kann das auch nachvollziehen, jedoch weiß ich nicht wie ich den 
Vorwiderstand festlegen soll. Könnte mir da jemand einen Tipp geben?

 Die Kapazität des parallelen Kondensators würde ich so bestimmen dass 
bei der höchsten Frequenz (bei NE555 mit 2 Potis veränderbar) dieser 
gerade so sperrt...wäre das sinnvoll?

grüße und schon mal vielen Danke,
Andi

P.S: ich möchte keinen Baustein mit 4 Integratoren nehmen.

: Verschoben durch Moderator
von Andi (Gast)


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Dank*

von Klaus R. (klara)


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Andi schrieb:
> meine Aufgabe ist es aus dem Rechtecksignal eines NE555 (also in
> astabiler Kippstufe) etwas sinusähnliches zu erzeugen und das Verfahren
> dass ich ausgewählt habe ist eine Schaltung mit 4 hintereinander
> geschalteten Integratoren.

Wie soll denn die Schaltung im Prinzip aussehen?

Andi schrieb:
> Der OPV ist hierbei der LM741.

Das hast Du ja einen tollen OPV gewählt. Der soll doch wohl nicht den 
Integrator bilden? Ein Tipp: Schau Dir mal dessen Einganswiderstände an.

Andi schrieb:
> Ich weiß was ein Integrator macht
> und kann das auch nachvollziehen, jedoch weiß ich nicht wie ich den
> Vorwiderstand festlegen soll. Könnte mir da jemand einen Tipp geben?

Ich müßte erst einmal wissen wie das überhaupt funktionieren soll. 
Schaltung wäre hilfreich.

mfg Klaus

von Andi (Gast)


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Hallo Klaus,

den LM741 hab ich genommen da der im Betrieb in großer Stückzahl 
vorhanden ist und mein Ausbilder gesagt hat dass das eine rel.gute Wahl 
wäre.
Im Datasheet steht dass der Input Resistance 0.3 MOhm ist, was bedeutet 
das für mich? (sorry dass ich mich so blöd anstelle)

Den Jumper in meinem Screenshot müssen sie nicht beachten, der dient nur 
zur Beschaltung einer 2. Leuchtdiode mit dem Rechtecksignal.

Vielen Dank,
Andi

von Achim S. (Gast)


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Andi schrieb:
> jedoch weiß ich nicht wie ich den
> Vorwiderstand festlegen soll.

Der Vorwiderstand ist zu klein, wenn er einen zu großen Stromfluss 
bewirkt (der Baustein vornedran muss den Strom treiben können, der OPV 
selbst muss den selben Strom über die Rückkopplung treiben.

Der Vorwiderstand ist zu groß, wenn er einen zu großen Fehler durch dem 
Eingagsstrom des OPV führt.

Und das Verhältnis aus Vorwiderstand und Kondesator sollte hat passend 
sein, um die gewünschte Zeitkonstante zu ergeben.

Andi schrieb:
> meine Aufgabe ist es aus dem Rechtecksignal eines NE555 (also in
> astabiler Kippstufe) etwas sinusähnliches zu erzeugen und das Verfahren
> dass ich ausgewählt habe ist eine Schaltung mit 4 hintereinander
> geschalteten Integratoren

Verstehst du unter Integrator das selbe wie ich?
https://de.wikipedia.org/wiki/Operationsverst%C3%A4rker#Integrierer
Oder meinst du vielleicht einfach Tiefpässe, die die Oberschwingungen 
des Rechtecks wegfiltern sollen und nur die sinusförmige Grundschwingung 
übrig lassen?

Zur Klärung schließe ich mich Klaus an:
Klaus R. schrieb:
> Schaltung wäre hilfreich.

Andi schrieb:
> mein Ausbilder gesagt hat dass das eine rel.gute Wahl
> wäre.

das hat er nicht wirklich ernst gemeint. Selbst als ich mit der 
Elektronik angefangen habe (vor diversen Jahrzehnten) stimmte diese 
Einschätzung schon nicht mehr. Inzwischen ist dieser OPV primär noch von 
historischem Interesse und wird vor allem "aus Tradition" eingesetzt.

von Klaus R. (klara)


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Andi schrieb:
> Den Jumper in meinem Screenshot müssen sie nicht beachten, der dient nur
> zur Beschaltung einer 2. Leuchtdiode mit dem Rechtecksignal.

Du solltest den Screenshot auch hier hochladen.

Andi schrieb:
> den LM741 hab ich genommen da der im Betrieb in großer Stückzahl
> vorhanden ist und mein Ausbilder gesagt hat dass das eine rel.gute Wahl
> wäre.
> Im Datasheet steht dass der Input Resistance 0.3 MOhm ist, was bedeutet
> das für mich?

Der LM741 ist für einen Integrator nicht gerade ideal. Der 
Eigangswiderstand und der Offset muß bei der Dimensionierung mit 
berücksichtigt werden. Es gibt schon lange OPV die da weniger Probleme 
bereiten.

Aber erst einmal die Schaltung.
mfg Klaus

von Christian S. (roehrenvorheizer)


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Hallo,

bringe deinem ausgebildeten Ausbilder doch bitte TL074, TL084 näher. Die 
gibt es auch schon seit Jahrzehnten.

was zum Lesen:

https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0412061.htm

als Tiefpass mit zweiGrenzfrequenzen:
https://elektroniktutor.de/analogverstaerker/op_int.html

MfG

: Bearbeitet durch User
von Nein (Gast)


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Jetzt lasst den Andi doch einen 741 verwenden. Der Lerneffekt ist am 
Groessten. Der Eingnagsbiasstrom ist solange eine abstrakte Groesse bis 
man einen Integrator baut. Nachher ist diese Groesse begriffen...

von Christian S. (roehrenvorheizer)


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Na gut, soll er es eben auf diese Weise lernen.

MfG

von Klaus R. (klara)


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Nein schrieb:
> Jetzt lasst den Andi doch einen 741 verwenden.

Tun wir ja. Erst Mal die Schaltung sehen und dann schauen ob sie 
funktionieren könnte und dann versuchen sie auch mit einem 741 
umzusetzen.
mfg Klaus

von Andi (Gast)


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Hallo,
erstmal sorry dass ich nen Tag lang nichts geschrieben habe, war 
familiär beschäftigt.
Ich hatte eigentlich bei meinem Post weiter oben schon einen Screenshot 
meines Schaltplans angehängt, jedoch scheint das nicht funktioniert zu 
haben.
Bzgl Bias-Strom:
Wenn ich das richtig verstanden habe ist das doch der Strom der trotzdem 
bei einem OPV fließt auch wenn er nicht aktiv sein sollte oder?
Nun ja das würde in meinem BSP. bedeuten dass meine Leuchtdiode, die mit 
der Sinusspannung gespeist wird, auch leicht leuchtet wenn ich 
eigentlich die andere Diode aktiv schalte (sprich mit dem Jumper das 
Signal vom 555er nicht zu den OPVs schicke) was für meine Ansprüche 
nicht so schlimm ist. Oder ist damit noch eine weitere Problematik 
verknüpft?


Ich hoffe das mit dem Screenshot klappt dieses Mal...

von Achim S. (Gast)


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Andi schrieb:
> Wenn ich das richtig verstanden habe ist das doch der Strom der trotzdem
> bei einem OPV fließt auch wenn er nicht aktiv sein sollte oder?

Das ist der Strom, der immer in den OPV-Eingang fließt. Eine 
Unterscheidung ob der OPV aktiv ist oder nicht, macht hier keinen Sinn. 
Wenn der OPV mit Spannung versorgt wird, ist er auch aktiv.

Andi schrieb:
> die mit
> der Sinusspannung gespeist wird,

da kommt keine Sinusspannung raus.

Erstens wird aus einem Rechteck, das du vierfach aufintegrierst, kein 
Sinus

Zweitens kommt der 741 nicht mit Spannungen klar, die nahe an seiner 
Versorgung liegen (und deine negative Versorgung ist GND hat damit den 
selben Wert wie dein Eingangssignal). So kannst du den 741 nicht 
betreiben.

Drittens führt - ohne geeignete Gegenmaßnahmen - schon die kleinste 
Offsetspannung am Integrator dazu, dass diese über die Zeit 
aufintegriert wird und der OPV in seine Begrenzung läuft. D.h. deine 
OPVs werden am Ausgang zu einer Versorgung (Vcc oder Vss) hinlaufen und 
dort dann nicht mehr so funktionieren, wie es von einem "idealen" OPV 
erwartet wird.

von Klaus R. (klara)


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Andi schrieb:
> etwas sinusähnliches zu erzeugen und das Verfahren
> dass ich ausgewählt habe ist eine Schaltung

Welche Verfahren standen denn alle zur Verfügung?

Wie Achim schon sage, mit in Reihe geschalteten Integratoren 
funktioniert das so nicht. Ich könnte mir vorstellen das Integratoren 
parallel geschaltet werden und jeweils ab einer gewissen Spannung aktiv 
werden.

Ziel ist es ja, den Sinus aus mehreren Geraden unterschiedlicher 
Steigung zusammenzusetzen. Jeder Integrator hat dann seine Steigung, die 
dann jeweils ab einer Schwellspannung aktiv wird. Ein Summierverstärker 
vereinigt dann die einzelnen Spannungsverläufe.

Ein ähnliches Verfahren kann man mit Diodennetzwerken aufbauen.

http://service.projektlabor.tu-berlin.de/wordpress/absynth/gruppen/gruppe-3-lfovco/3-2-lfo/

Früher setzte man dafür Funktionsgeneratoren wie den XR2206 oder MAX038 
ein. Hier noch ein Link, siehe "Digitale Funktionsgeneratoren".

https://de.wikipedia.org/wiki/Funktionsgenerator#Digitale_Funktionsgeneratoren

Die DDS haben alles abgelöst.

https://de.wikipedia.org/wiki/Direct_Digital_Synthesis
mfg Klaus

von Andi (Gast)


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Achim S. schrieb:

> Das ist der Strom, der immer in den OPV-Eingang fließt. Eine
> Unterscheidung ob der OPV aktiv ist oder nicht, macht hier keinen Sinn.
> Wenn der OPV mit Spannung versorgt wird, ist er auch aktiv.

Das war etwas ungeschickt von mir ausgedrückt.
Ich meinte dass dieser Strom durch meine Leuchtdiode fließt auch wenn 
ich das Signal des 555ers nicht auf die Integratoren schalte..



> Erstens wird aus einem Rechteck, das du vierfach aufintegrierst, kein
> Sinus

Mir ist bewusst dass es nur näherungsweise ein Sinus ist (der "nach 
oben" verschoben ist, aber mein Ausbilder sagte schon dass es nur etwas 
sinus-ähnliches sein muss.

> Zweitens kommt der 741 nicht mit Spannungen klar, die nahe an seiner
> Versorgung liegen (und deine negative Versorgung ist GND hat damit den
> selben Wert wie dein Eingangssignal). So kannst du den 741 nicht
> betreiben.

Ok das wusste ich nicht.. Ich habe mir gerade das Datasheet 
durchgelesen, steht das da irgendwo?

> Drittens führt - ohne geeignete Gegenmaßnahmen - schon die kleinste
> Offsetspannung am Integrator dazu, dass diese über die Zeit
> aufintegriert wird und der OPV in seine Begrenzung läuft. D.h. deine
> OPVs werden am Ausgang zu einer Versorgung (Vcc oder Vss) hinlaufen und
> dort dann nicht mehr so funktionieren, wie es von einem "idealen" OPV
> erwartet wird.

Ah ja ...da ich ja schon als Input 15V habe wird diese Spannung ja dann 
durch Offset im Endeffekt größer als 15V und somit funzts nicht 
mehr...hab ich das richtig verstanden?
Eine Gegenmaßnahme wie dass man einfach die "Nulllinie" verschiebt 
sodass ich wieder ein Potenzial von ca 15V habe ist eher nicht 
praktikabel oder?

Vielen Dank!
Andi

von Andi (Gast)


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Klaus R. schrieb:

> Welche Verfahren standen denn alle zur Verfügung?

Es ist mir komplett freigestellt, jedoch ist die Leiterplatte zu 
Ausbildungszwecken und ich dachte es wäre eine coole Idee hinter jedem 
Integrator einen Messpunkt hinzuzufügen sodass die Azubis sehen können 
wie sich das Signal an was sinusartiges annähert

> Wie Achim schon sage, mit in Reihe geschalteten Integratoren
> funktioniert das so nicht. Ich könnte mir vorstellen das Integratoren
> parallel geschaltet werden und jeweils ab einer gewissen Spannung aktiv
> werden.
>
> Ziel ist es ja, den Sinus aus mehreren Geraden unterschiedlicher
> Steigung zusammenzusetzen. Jeder Integrator hat dann seine Steigung, die
> dann jeweils ab einer Schwellspannung aktiv wird. Ein Summierverstärker
> vereinigt dann die einzelnen Spannungsverläufe.

Puh das muss ich erstmal verstehen...wie gesagt es muss kein Sinus 
werden

> Ein ähnliches Verfahren kann man mit Diodennetzwerken aufbauen.
>
> http://service.projektlabor.tu-berlin.de/wordpress...
>
> Früher setzte man dafür Funktionsgeneratoren wie den XR2206 oder MAX038
> ein. Hier noch ein Link, siehe "Digitale Funktionsgeneratoren".
>
> https://de.wikipedia.org/wiki/Funktionsgenerator#D...
>
> Die DDS haben alles abgelöst.
>
> https://de.wikipedia.org/wiki/Direct_Digital_Synthesis
> mfg Klaus

ah das ist interessant, wie gesagt ich werde versuchen das zu verstehen.

von Klaus R. (klara)


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Hallo Andi,
ich habe Deinen ursprünglichen Versuch in LTspice XVII simuliert.
Mit V1 habe ich eine Spannungsquelle angelegt, die einen Rechteck mit 1 
kHz liefert. Danach habe ich einen Integrator vorgesehen, der mit 1 KOhm 
und 160 nF ein Hochpaß mit einer Grenzfrequenz von 1 kHz darstellt.

C1 = 1 / (6,28 x 1 kHz x 1 kOhm)

Ein Integrator summiert den kleinsten Gleichspannungsanteil auf und 
steuert dann den OPV früher oder später voll auf. Deshalb mußte ich 
zuerst den Rechteck symmetrisch um 0 V verlagern. Aber S1 (blau) ist mir 
im Diagramm sofort unsymmetrisch geworden, so daß ich den Puls mit 0,25 
ms auf 0 V beginnen mußte, dann für 0.25 ms auf 1 V fortfuhr.

Dadurch wurde S1 (blau) symmetrisch. Man erhält durch die erste 
Intergation eines Rechtecks hier ein Dreiecksignal.

S1 (blau) wird dann im nächsten Intergrator eingespeist. Wir sehen 
tatsächlich das S2 (rot) ein sinusförmiges Signal ist. Es ist aber nicht 
mehr symmetrisch.

Deshalb geht S3 (türkis) gegen -UB.

Solch ein Gebilde ist sehr unstabil. In LTspice habe ich dazu ideale 
OPVs verwendet, also ohne Offset! In der Realität wäre diese Schaltung 
nicht praktikabel.

Falls Dich LTspice interessiert. Es ist kostenlos und ein wirklich gutes 
Tool zum Similieren von Schaltungen. Ein gutes Tutorial zu Einführung:

http://www.gunthard-kraus.de/LTSwitcherCAD/LTSpice%20_Tutorial_2017.pdf

Früher hieß das Tool am Anfang SwitcherCad, was mich damals auch eine 
Zeit abhielt es universell zuverwenden. Es ist aber universell und nicht 
auf das Portfolio des Herstellers begrenzt!

Hier ein Link für die Software vom Hersteller, der früher Linear 
Technolgy war. Im Forum gibt es zudem einige echte Experten die helfen 
können, falls erforderlich.

http://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

mfg Klaus

von Achim S. (Gast)


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Andi schrieb:
> Ok das wusste ich nicht.. Ich habe mir gerade das Datasheet
> durchgelesen, steht das da irgendwo?

Im Datenblatt des 741:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm741.pdf

Siehe "input voltage range" und "output voltage swing". Die Angaben dort 
sind für eine Versorgungsspannung von +-15V. Wenn du eine andere 
Versorgung hast verschieben sich die Grenzen dementsprechend.

Andi schrieb:
> Eine Gegenmaßnahme wie dass man einfach die "Nulllinie" verschiebt
> sodass ich wieder ein Potenzial von ca 15V habe ist eher nicht
> praktikabel oder?

doch, kannst du machen. Erzeuge mit einem Spannungsteiler eine 
"Mittelspannung", die der Hälfte der Versorgungsspannung enspricht, und 
lass die Integratoren um die herum arbeiten.

Da jeder Offset aufintegriert würde: mach zwischen den Stufen eine 
AC-Kopplung, die die Gleichanteile rauswirft.

Pack einen Widerstand parallel zum Kondensator in die Rückkopplung des 
OPV. Der beschränkt die DC-Verstärkung und liefert einen Pfad für den 
benötigten input bias current (der durch die AC-Kopplung nicht mehr von 
der Vorstufe kommen kann.

In der Simu siehst du im unteren Plot, wie es ~400ms dauert, bis alle 
Stufen eingeschwungen sind und das Signal am Ausgang der letzten 
Integrationsstufe anliegt. Der obere Plot zeigt gezoomt, wie die 
Ausgänge der einzelnen Integrationsstufen dann ausschauen.

von nachtmix (Gast)


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Andi schrieb:
> den LM741 hab ich genommen da der im Betrieb in großer Stückzahl
> vorhanden ist und mein Ausbilder gesagt hat dass das eine rel.gute Wahl
> wäre.

Ist auch eine gute Wahl. Wenn wieder einmal Glatteis ist, kann man damit 
den Gehweg streuen.

von Klaus R. (klara)


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Achim S. schrieb:
> Erzeuge mit einem Spannungsteiler eine
> "Mittelspannung", die der Hälfte der Versorgungsspannung enspricht, und
> lass die Integratoren um die herum arbeiten.
>
> Da jeder Offset aufintegriert würde: mach zwischen den Stufen eine
> AC-Kopplung, die die Gleichanteile rauswirft.
>
> Pack einen Widerstand parallel zum Kondensator in die Rückkopplung des
> OPV. Der beschränkt die DC-Verstärkung und liefert einen Pfad für den
> benötigten input bias current (der durch die AC-Kopplung nicht mehr von
> der Vorstufe kommen kann.
>
> In der Simu siehst du im unteren Plot, wie es ~400ms dauert, bis alle
> Stufen eingeschwungen sind und das Signal am Ausgang der letzten
> Integrationsstufe anliegt. Der obere Plot zeigt gezoomt, wie die
> Ausgänge der einzelnen Integrationsstufen dann ausschauen.

Gute praktikable Lösung.

Ich hatte schon gestern Abend irgendwo gelesen das nach dem zweiten 
Integrator ein Sinus herauskommt. Man spricht vom Doppelintegral.
mfg Klaus

von Thomas E. (picalic)


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Andi schrieb:
>> Welche Verfahren standen denn alle zur Verfügung?
>
> Es ist mir komplett freigestellt,

So aus Neugier:
Hast Du die Sache mit den Integratoren gewählt, um etwas zu 
demonstrieren, oder weil Du es für das "richtige" Verfahren für diese 
Anwendung hältst?

von Ingo L. (corrtexx)


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Christian S. schrieb:
> bringe deinem ausgebildeten Ausbilder doch bitte TL074, TL084 näher. Die
> gibt es auch schon seit Jahrzehnten.
Warum nicht die direkten Nachfolger? TLE207x

von Klaus R. (klara)


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Ingo L. schrieb:
> Warum nicht die direkten Nachfolger? TLE207x

Kostet um die 2€. Dafür gibt es auch andere OPV.
mfg Klaus

von Helmut L. (helmi1)


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Klaus R. schrieb:
> Ich hatte schon gestern Abend irgendwo gelesen das nach dem zweiten
> Integrator ein Sinus herauskommt.

Noe, Integration einer linearen Rampe ergibt eine parabelfoermige 
Spannung.
Potenzregel bei der Integration.

Wenn man da eine Sinusfoermige Spannung raus haben will ist es am 
einfachsten das Rechteck was der NE555 liefert ueber einen Tiefpass zu 
filtern.
Das kann man mit mehreren Aktiven Filtern von SallenKey Type erreichen.
Da braucht man dann auch keine Angst mehr zu haben fuer eventuelle 
Offsets der OPs. Anzahl der Filterstufen haengt davon ab welchen 
Qualitaet (Klirr) der Sinus erreichen soll. Grenzfrequenz des TP etwas 
oberhalb der Nutzfrequenz (Grundwelle) aber kleiner als die 1. 
Oberwelle. Es ist zwar eigentlich erst die 2. Oberwelle (3 x fg) die 
massgebliche bei einer Rechteckfunktion, aber da die nie exakt 
symmetrisch ist taucht auch die 1. etwas im Signal auf. Die Daempfung 
bzw. Ordnung des TP sollte dann so sein das alle Oberwellen genuegend 
gedaempft sind gegenueber der Grundwelle um den angestrebten Klirrfaktor 
zu erreichen.

von Achim S. (Gast)


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Helmut L. schrieb:
> Noe, Integration einer linearen Rampe ergibt eine parabelfoermige
> Spannung.
> Potenzregel bei der Integration.

Das ist richtig, und das habe ich zuerst auch als Argument gegen diese 
Lösung gesehen (und von Integratoren abgeraten).

Aber die Parabeln (und die höheren Plynomgrade) liegen passend, um den 
Sinus gut anzunähern (wie in den verschiedenen Simulationen oben zu 
sehen). Von daher ist der Ansatz mit den Integratoren gar nicht so 
verkehrt - sinusförmig wird die Sache schon.

von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

Von den Stabilitaetsproblemen der Integratoren mal abgesehen, wird das 
Rechteck genauso "sinusfoermig" wie mit einem entsprechenden 
Butterworthtiefpass. Wenn mans mit wenig Filterordnung noch 
sinusfoermiger haben will, laeufts auf Chebychev1-Tiefpaesse raus. Bei 
nur einer Nutzfrequenz stoert der Ripple im Durchlass nicht, aber der 
schnelle Anstieg der Sperrdaempfung nutzt der Reinheit des Sinus.

Gruss
WK

von Klaus R. (klara)


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Helmut L. schrieb:
> Noe, Integration einer linearen Rampe ergibt eine parabelfoermige
> Spannung.
> Potenzregel bei der Integration.

Nun ja, nicht alles was man in den Foren liest ist eben richtig. 
Zumindest sieht es nach der zweiten Integration schon sinusförmig aus. 
Würde Andi vermutlich schon genügen.
mfg Klaus

von Achim S. (Gast)


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Klaus R. schrieb:
> Nun ja, nicht alles was man in den Foren liest ist eben richtig.
> Zumindest sieht es nach der zweiten Integration schon sinusförmig aus.

Das ist kein Widerspruch: die erste Stufe macht aus dem Rechteck ein 
Dreieck. Die zweite Stufe macht aus dem Dreieck Parablen. Und die 
Parabeln nähern eine Sinuskurve an ...

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