- Rechteck-Sinus-Wandler mit RC-Netzwerk
- Schaltplan des Rechteck-Sinus-Wandler-Wandlers
- Funktionsprinzip des Rechteckwandlers
- Auswahl der R- und C-Werte für die Rechteckwandlerschaltung
- Testen unserer Rechteck-Sinus-Wandlerschaltung
Die Rechteckwellen-Sinus-Wandlerschaltung ist eine wichtige analoge Schaltung, die Rechteckwellenformen in Sinuswellenformen umwandelt. Es hat ein breites Anwendungsspektrum in vielen verschiedenen Bereichen der Elektronik, wie z. B. in mathematischen Operationen, Akustik, Audioanwendungen, Wechselrichtern, Stromquellen, Funktionsgeneratoren usw.
In diesem Projekt werden wir diskutieren, wie eine Rechteckwellen-Sinus-Wandlerschaltung funktioniert und wie sie mit einfacher passiver Elektronik aufgebaut werden kann. Sie können auch andere unten aufgeführte Wellenformgeneratorschaltungen überprüfen.
- Rechteckgeneratorschaltung
- Sinusgeneratorschaltung
- Dreieckwellengeneratorschaltung
- Sägezahnwellengeneratorschaltung
Rechteck-Sinus-Wandler mit RC-Netzwerk
Ein Rechteckwellen-Sinus-Wandler kann aus 6 passiven Komponenten aufgebaut werden, nämlich Kondensatoren und drei Widerständen. Mit diesen drei Kondensatoren und drei Widerständen kann ein dreistufiges RC-Netzwerk aufgebaut werden, das eine Rechteckwelle als Eingang und eine Sinuswelle als Ausgang verwendet. Eine einfache einstufige RC-Netzwerkschaltung ist unten gezeigt.
In der obigen Schaltung ist ein einstufiges RC-Filter gezeigt, bei dem ein einzelner Widerstand und ein einzelner Kondensator verwendet werden. Die obige Schaltung ist ziemlich einfach. Der Kondensator wird abhängig vom Status der Rechteckwelle aufgeladen. Befindet sich die Rechteckwelle im Eingang in einer hohen Position, wird der Kondensator aufgeladen, und wenn sich die Rechteckwelle in einer niedrigen Position befindet, wird der Kondensator entladen.
Eine variierende Signalwelle wie eine Rechteckwelle hat eine Frequenz, abhängig von dieser Frequenz wird der Ausgang der Schaltungen geändert. Aufgrund dieses Verhaltens der Schaltung wird das RC-Filter als RC-Integratorschaltung bezeichnet. Eine RC-Integratorschaltung ändert die Signalausgabe in Abhängigkeit von der Frequenz und könnte die Rechteckwelle in eine Dreieckwelle oder die Dreieckwelle in eine Sinuswelle ändern.
Schaltplan des Rechteck-Sinus-Wandler-Wandlers
In diesem Tutorial verwenden wir diese RC-Integratorschaltungen (RC-Filternetzwerke), um Rechteckwellen in Sinuswellen umzuwandeln. Das vollständige Schaltbild des Wandlers ist unten angegeben und enthält, wie Sie sehen können, nur sehr wenige passive Komponenten.
Die Schaltung besteht aus drei Stufen von RC-Filterschaltungen. Jede Stufe hat ihre eigene Konvertierungsbedeutung. Lassen Sie uns anhand der Wellenformsimulation die Funktionsweise jeder Stufe und ihren Beitrag zur Konvertierung von Rechteckwellen in Sinuswellen verstehen
Funktionsprinzip des Rechteckwandlers
Um zu wissen, wie der Wandler von Rechteckwelle zu Sinus funktioniert, muss man verstehen, was in jeder RC-Filterstufe passiert.
Erste Stufe:
In der ersten RC-Netzwerkstufe hat es einen Widerstand in Reihe und einen Kondensator parallel. Der Ausgang ist über den Kondensator verfügbar. Der Kondensator wird über den Widerstand in Reihe aufgeladen. Da der Kondensator jedoch eine frequenzabhängige Komponente ist, dauert das Laden einige Zeit. Diese Laderate kann jedoch durch die RC-Zeitkonstante des Filters bestimmt werden. Durch das Laden und Entladen des Kondensators und da der Ausgang vom Kondensator kommt, ist die Wellenform stark von der Ladespannung des Kondensators abhängig. Die Kondensatorspannung während der Ladezeit kann durch die folgende Formel bestimmt werden:
V C = V (1 - e - (t / RC))
Und die Entladungsspannung kann bestimmt werden durch -
V C = V (e - (t / RC))
Aus den obigen beiden Formeln ist daher die RC-Zeitkonstante ein wichtiger Faktor, um zu bestimmen, wie viel Ladung der Kondensator speichert und wie viel Entladung für den Kondensator während einer RC-Zeitkonstante erfolgt. Wenn wir den Wert des Kondensators als 0,1 uF und den Widerstand als 100 kOhm wie im folgenden Bild auswählen, hat er eine Zeitkonstante von 10 Millisekunden.
Wenn nun 10 ms einer konstanten Rechteckwelle über diesem RC-Filter bereitgestellt werden, ist die Ausgangswellenform aufgrund des Ladens und Entladens des Kondensators in der RC-Zeitkonstante von 10 ms wie folgt.
Die Welle ist die parabolisch geformte exponentielle Wellenform.
Zweite Etage:
Der Ausgang der ersten RC-Netzwerkstufe ist nun der Eingang der zweiten RC-Netzwerkstufe. Dieses RC-Netzwerk nimmt die parabolisch geformte exponentielle Wellenform auf und macht sie zu einer dreieckigen Wellenform. Unter Verwendung des gleichen RC-Konstantlade- und Entladeszenarios bieten die RC-Filter der zweiten Stufe eine gerade aufsteigende Steigung, wenn der Kondensator geladen wird, und eine gerade absteigende Steigung, wenn der Kondensator entladen wird.
Der Ausgang dieser Stufe ist ein Rampenausgang, eine richtige Dreieckswelle.
Dritter Abschnitt:
In dieser dritten RC-Netzwerkstufe ist der Ausgang des zweiten RC-Netzwerks der Eingang der dritten RC-Netzwerkstufe. Es nimmt die dreieckige Rampenwelle als Eingabe und ändert dann die Formen der dreieckigen Wellen. Es liefert eine Sinuswelle, bei der der obere und untere Teil der Dreieckswelle geglättet werden, wodurch sie gekrümmt werden. Der Ausgang kommt einem Sinuswellenausgang ziemlich nahe.
Auswahl der R- und C-Werte für die Rechteckwandlerschaltung
Der Kondensator- und Widerstandswert ist der wichtigste Parameter dieser Schaltung. Denn ohne den richtigen Kondensator- und Widerstandswert wird die RC-Zeitkonstante nicht für eine bestimmte Frequenz angepasst und der Kondensator erhält nicht genügend Zeit zum Laden oder Entladen. Dies führt zu einem verzerrten Ausgang oder sogar bei hoher Frequenz. Der Widerstand arbeitet als einziger Widerstand und kann dieselbe Wellenform erzeugen, wie er über den Eingang gegeben wurde. Daher müssen Kondensator- und Widerstandswerte richtig gewählt werden.
Wenn die Eingangsfrequenz geändert werden kann, kann man einen zufälligen Kondensator- und Widerstandswert auswählen und die Frequenz entsprechend der Kombination ändern. Es ist gut, für alle Filterstufen den gleichen Kondensator- und Widerstandswert zu verwenden.
Verwenden Sie für eine schnelle Referenz bei niedrigen Frequenzen einen Kondensator mit höherem Wert und für hohe Frequenzen einen Kondensator mit niedrigerem Wert. Wenn jedoch alle Komponenten R1, R2 und R3 den gleichen Wert haben und alle Kondensatoren C1, C2, C3 den gleichen Wert haben, können der Kondensator und der Widerstand mit der folgenden Formel ausgewählt werden:
f = 1 / (2π x R x C)
Wobei F die Frequenz ist, R der Widerstandswert in Ohm ist, C die Kapazität in Farad ist.
Das folgende Schema zeigt eine dreistufige RC-Integratorschaltung, die zuvor beschrieben wurde. Die Schaltung verwendet jedoch 4,7 nF-Kondensatoren und 1 Kilo-Ohm-Widerstände. Dies schafft einen akzeptablen Frequenzbereich im 33-kHz-Bereich.
Testen unserer Rechteck-Sinus-Wandlerschaltung
Das Schema wird in einem Steckbrett erstellt und ein Funktionsgenerator zusammen mit einem Oszilloskop wird verwendet, um die Ausgangswelle zu überprüfen. Wenn Sie keinen Funktionsgenerator zum Erzeugen der Rechteckwelle haben, können Sie entweder Ihren eigenen Rechteckwellengenerator oder sogar einen Arduino-Wellenformgenerator erstellen, den Sie für alle Wellenformprojekte verwenden können. Die Schaltung ist sehr einfach und daher leicht auf dem Steckbrett zu bauen, wie Sie unten sehen können.
Für diese Demonstration verwenden wir einen Funktionsgenerator. Wie Sie im folgenden Bild sehen können, ist der Funktionsgenerator auf den gewünschten 33-kHz-Rechteckwellenausgang eingestellt.
Die Ausgabe kann auf einem Oszilloskop beobachtet werden. Eine Momentaufnahme der Ausgabe vom Oszilloskop ist unten angegeben. Die Eingangsrechteckwelle ist gelb und die Ausgangssinuswelle rot dargestellt.
Die Schaltung funktionierte wie erwartet für eine Eingangsfrequenz von 20 kHz bis 40 kHz. Weitere Informationen zur Funktionsweise der Schaltung finden Sie im folgenden Video. Ich hoffe, Ihnen hat das Tutorial gefallen und Sie haben etwas Nützliches gelernt. Wenn Sie Fragen haben, lassen Sie diese im Kommentarbereich unten. Sie können auch unsere Foren nutzen, um andere technische Fragen zu stellen.