Oszillatorschaltung: Programmierbare Oszillatoren mit digitalen Potentiometern aufbauen

| Autor / Redakteur: Thomas Brand * / Kristin Rinortner

DigiPots: Einen programmierbaren Oszillator aufbauen, dessen Schwingfrequenz und -amplitude sich unabhängig voneinander einstellen lassen.
DigiPots: Einen programmierbaren Oszillator aufbauen, dessen Schwingfrequenz und -amplitude sich unabhängig voneinander einstellen lassen. (Bild: VCG)

In diesem Analogtipp zeigen wir, wie Sie programmierbare Oszillatoren aufbauen, bei denen sich Schwingfrequenz und Schwingamplitude unabhängig voneinander mit Hilfe digitaler Potentiometer, sogenannter DigiPOTs, einstellen lassen.

Digitale Potentiometer (DigiPOT) sind vielseitig nutzbar und können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, u.a. auch zum Filtern und Erzeugen von Wechselspannungssignalen. Dabei ist es hin und wieder erforderlich, die Frequenz variabel zu gestalten und an die gewünschte Applikation anzupassen. Programmierbare Lösungen, bei denen sich die Frequenz durch eine entsprechende Schnittstelle einstellen lässt, sind bei derartigen Designs äußerst hilfreich und erleichtern den Entwicklungsaufwand teilweise enorm.

Im Folgenden beschreibe ich, wie Sie relativ einfach einen programmierbaren Oszillator aufbauen, dessen Schwingfrequenz und Schwingamplitude sich unabhängig voneinander mit Hilfe digitaler Potentiometer einstellen lassen.

Bild 1 zeigt einen typischen Dioden-stabilisierten Wien-Brücken-Oszillator, mit dem sich präzise Sinussignale im Bereich von ca. 10 bis ca. 200 kHz realisieren lassen (UAUSGANG). Wien-Brücken-Oszillatoren zeichnen sich dadurch aus, dass ein Brückenzweig durch einen Bandpass, der andere durch einen Spannungsteiler gebildet wird.

In diesem Beispiel verwende ich neben dem Rail-to-Rail-Präszisionsverstärker ADA4610-1 das digitale Potentiometer AD5142. Dieses beinhaltet zwei unabhängig voneinander steuerbare Potentiometer mit einer Auflösung von 256 Stufen. Die Programmierung der Widerstandswerte erfolgt per SPI, wie in Bild 2 zu sehen ist. Alternativ gibt es das Poti AD5142A, welches sich per I²C ansteuern lässt. Beide Varianten sind erhältlich als 10- oder 100-kΩ-Potentiometer.

In dieser klassischen Oszillatorschaltung bildet der Zweig mit R1A, R1B, C1 und C2 die positive Rückkopplung, während über R2A, R2B und die beiden parallelen Dioden D1 und D2 bzw. deren Widerstand RDIODE die negative Rückkopplung stattfindet. Dabei gilt Gleichung 1.

R2 = R2A || (R2B + RDIODE) (Gleichung 1)

Um eine dauerhafte, stabile Oszillation zu erreichen, müssen Sie die Phasenverschiebung der Schleifenverstärkung eliminieren. Fasst man dies in Formeln zusammen, ergibt sich für die Oszillatorfrequenz der in Gleichung 2 beschriebene Term.

ω0 = 1/RC bzw. f0 = 1/2πRC (Gleichung 2)

R bildet dabei den programmierbaren Widerstandswert des AD5142 mit
R = ((256 – D)/256) x RAB

D ist das dezimale Äquivalent des im AD5142 programmierten digitalen Codes, RAB der Gesamtwiderstand des Potentiometers.

Bild 1: Programmierbarer Wien-Brücken-Oszillator mit Amplitudenstabilisierung – die Widerstände werden durch DigiPots ersetzt.
Bild 1: Programmierbarer Wien-Brücken-Oszillator mit Amplitudenstabilisierung – die Widerstände werden durch DigiPots ersetzt. (Bild: Analog Devices)

Wie Sie die Oszillatorschwingung stabilisieren und abstimmen

Um die Oszillatorschwingung stabil zu halten, sollte die Wien-Brücke relativ ausgeglichen sein, d.h. die Verstärkung der positiven und negativen Rückkopplung muss aufeinander abgestimmt sein. Bei zu großer positiver Rückkopplung (Verstärkung) würde die Amplitude der Schwingung bzw. von UAUSGANG in die Sättigung geraten. Überwiegt die negative Rückkopplung, würde dies dazu führen, dass die Amplitude entsprechend zu stark gedämpft wird.

Für die dargestellt Schaltung empfiehlt es sich, den Verstärkungsfaktor R2/R1 auf ≈ 2 bzw. etwas größer einzustellen. Somit wird sichergestellt, dass das Signal auch zu schwingen beginnt. Allerdings sorgt das „wechselseitige Einschalten“ der Dioden in der negativen Rückkopplung ebenfalls dafür, dass die Verstärkung kurzzeitig kleiner als zwei ist und stabilisiert so das Schwingverhalten.

Sobald die gewünschte Schwingfrequenz sichergestellt ist, kann damit begonnen werden, über R2 die Amplitude der Schwingung unabhängig von der Frequenz abzustimmen. Sie lässt sich mit Gleichung 3 berechnen.

2/3 UAUSGANG = ID x R2B + UD (Gleichung 3)

Die Variablen ID und UD bilden dabei den Diodenvorwärtsstrom bzw. die Diodenflusspannung durch D1 und D2. Wird R2B kurzgeschlossen, ergibt sich eine Schwingungsamplitude von ca. ±0,6 V. Mit der richtigen Größenordnung von R2B kann das Gleichgewicht erreicht werden, so dass UAUSGANG konvergiert. In der dargestellten Schaltung in Bild 1 wird ein separates digitales 100-kΩ-Potentiometer für R2B verwendet.

Bild 2:Blockschaltbild des AD5142.
Bild 2:Blockschaltbild des AD5142. (Bild: Analog Devices)

Fazit: Mit der beschriebenen Schaltung und unter Verwendung eines 10-kΩ-Dual-Digitalpotentiometers lassen sich beispielsweise mit Widerstandswerten von 8 kΩ, 4 kΩ und 670 Ω Schwingfrequenzen von 8,8; 17,6 und 102 kHz bei einem geringen Fehleranteil von ±3% einstellen. Höhere Frequenzen sind ebenfalls möglich, allerdings nimmt dadurch auch der Fehleranteil zu. So würde der Fehler bei 200 kHz bereits 6% betragen.

Wichtig bei der Verwendung derartiger Schaltungen in frequenzabhängigen Anwendungen ist ebenfalls, dass die Beschränkungen der Bandbreite eingehalten werden, da die Bandbreite des Digitalpotentiometers eine Funktion des programmierten Widerstandes ist. Darüber hinaus erfordert die Frequenzabstimmung in Bild 1, dass die Widerstandswerte von R1A und R1B den gleichen Wert aufweisen. Allerdings können die beiden Kanäle nur nacheinander eingestellt werden, wodurch sich kurzzeitig ein kritischer Zwischenzustand ergibt, der für bestimmte Anwendungen möglicherweise nicht akzeptabel ist. Hierbei besteht jedoch die Möglichkeit, digitale Potentiometer mit Daisy-Chain-Modus einzusetzen, wodurch sich beide Widerstandswerte zur gleichen Zeit abändern lassen (z.B. AD5204).

* Thomas Brand arbeitet als Field Applications Engineer bei Analog Devices in München.

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