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Frequenznormale fürs Oszilloskop

Um ein gebrauchtes analoges Oszilloskop zu kalibrieren, bzw. mindestens zu überprüfen, benötige ich eine Schaltung, die ein Rechteck mit genauer Frequenz und Amplitude erzeugt. Die Schaltung soll einen weiten Frequenzbereich von 2kHz bis 1MHz abdecken und dabei eine genaue Amplitude von 20mV, 200mV und 2V liefern (peak to peak).

Ein altes analoges Oszilloskop (bsw.: PM3215 von ca. 1975) hat etwa eine vorgesehene Genauigkeit von ±3%. Um diese sinnvoll zu prüfen, sollte das Prüfsignal also optimalerweise eine zehnmal geringere Abweichung aufweisen. Die folgende Schaltung generiert dafür ein Rechteck mit einer Frequenzabweichung von weniger als ±0,005% und einer Amplitude besser als ±0,7%.

Frequenz

Um eine maximale Genauigkeit bei der Frequenzerzeugung zu erreichen, war der erste Ansatz einen diskreten Oszillator mit Quarz und Trimmkondensator aufzubauen, um so einen Abgleich der Frequenz zu ermöglichen. Allerdings muss die Schaltung so erst noch kalibriert werden. Die Entscheidung fiel deshalb auf einen fertigen Quarzoszillator von Auris. Dieser bietet eine Frequenzstabilität von ±50ppm, womit sich jeder Abgleich erübrigt und lediglich eine einmalige Kontrolle der Frequenz stattfinden muss.

Allerdings ist die Ausgangssymmetrie (Pulsweitenverhältnis) nur mit 40-60% angegeben, so dass das Quarzsignal mindestens noch durch zwei geteilt werden muss.

Um das Oszilloskop mit mehren Zeitbasen zu überprüfen, muss ein weiter Frequenzbereich abgedeckt werden. Die meisten Frequenzteiler bieten nur Teilungsverhältnisse von 2^n. Somit würden aber zwangsläufig auch »krumme« Frequenzen (62,5kHz) erzeugt, die sich zum Vergleichen nicht so gut eignen. Das Oszilloskop bietet eine Abstufung der Zeitachse von 5ms, 2ms, 1ms…, also entsprechend für Frequenzen von 200Hz, 500Hz, 1kHz… Dieser Teilungsfaktor ist üblich bei vielen Oszilloskopen, der Frequenzgenerator soll deshalb die gleiche Abstufung erhalten.

Der 74HCT390 bietet zwei identische Hälften, die jeweils eine Frequenz durch zwei und durch fünf teilen können. Somit bietet sich folgende Möglichkeit mit zwei dieser ICs an.

Diagramm für Frequenzteiler.

Die größte Frequenz soll 1MHz sein, da der Quarzoszillator kein sauberes 50% Taktverhältnis hat, wird ein 2MHz Quarz verwendet, der mindestens durch zwei geteilt wird. Der 74HCT390 hat den Nachteil, dass er, wenn er als Teiler durch fünf benutzt wird, ein Tastverhältnis von 1:4 hat. Es wird somit auf jeden Fall auch hierfür die Teilung durch zwei benötigt. Dieser Teiler sitzt deshalb fest am Ende der Signalkette und kann nicht ausgeschaltet werden. Zunächst kann über einen Dreifachschalter ausgewählt werden, ob der Vorteiler durch 1:1, 1:2 oder 1:5 teilen soll. Der zweite Teiler kann dann auf 1:1, 1:10 oder 1:100 eingestellt werden. Es ergeben sich damit folgende Möglichkeiten für die Frequenz: 1MHz, 500kHz, 200kHz, 100kHz, 50kHz, 20kHz, 10kHz, 5kHz und 2kHz.

Amplitude

Der 74HCT390 hat eine Amplitude von fast Vdd bei einer sehr steilen Flanke mit nur 7ns Anstiegszeit. Leider ist eine Amplitude von fast Vdd nicht ausreichend genau. Es wurde deshalb aus zwei Bipolartransistoren eine Gegentaktstufe nachgeschaltet, die die Amplitude verstärken soll. Durch diese Stufe fehlt nun nur noch die Sättigungsspannung der Transistoren von weniger als 5mV nach oben und unten. Die Sättigungsspannung ist aber relativ konstant und lässt sich später leicht über einen Trimmer ausgleichen. Da die Amplitude sowieso nur 2V betragen soll, ist der Transistorstufe ein Spannungsteiler nachgeschaltet, der die Spannung in 20mV, 200mV und 2V teilt. Für den Spannungsteiler werden 0,1% Widerstände verwendet und über einen Spindeltrimmer kann die Amplitude abgeglichen werden.

Schwierig ist es die Verstärkerstufe so zu entwerfen, dass die Transistoren schnell genug sind. Es ist mir letztendlich gelungen mit einem BC337 und einem BC327 eine Anstiegszeit von 100ns zu erreichen, was für 1MHz gerade noch ausreichend ist. Man kann so auch bei dieser Frequenz noch deutlich erkennen, wo das Signal beim Maximum und beim Minimum angekommen ist. Falls Du weißt, wie man die Transistorstufe schneller machen kann, ohne die genaue Amplitude zu verschlechtern, über Tipps würde ich mich freuen.

Hier folgt nun der Schaltplan:

Schaltplan für die Frequenzreferenz

Weitere Schaltungselemente

Versorgt wird die Schaltung mit einem 9-Volt-Block. Für die Schaltung werden 5V benötigt, es wird deshalb ein LP 2950 ACZ5,0 eingesetzt, der mit 2% als Gesamtgenauigkeit zwar nicht berauschen ist, aber von 0°C bis 50°C mit weniger als 0,1% Spannungsdrift angeben ist und nur ca. 120uA Eigenverbrauch hat. Da die Amplitude des Transistorverstärkers auf jeden Fall eingestellt werden muss, kann dabei auch gleich die Grundgenauigkeit des Reglers ausgeglichen werden.

Zum Einschalten der Schaltung wird ein Druckschalter verwendet, der eine kleine Schaltung aus zwei Transistoren triggert. Die Schaltungsidee stammt auch dem Forum von David L. Jones(externer Link), die Schaltung wurde aber für Bipolartransistoren abgeändert.

Sie wurde dabei so ausgelegt, dass sie bei einer Batteriespannung von unter 6 Volt die Schaltung ausschaltet und ein neues Einschalten verhindert. Zusätzlich schaltet sie aus, wenn der Strom größer als etwa 200mA werden sollte. Somit weiß man automatisch, dass wenn sich die Schaltung einschalten lässt und aktiv bleibt, alle Parameter erfüllt sind und man von einem zuverlässigen Ausgangssignal ausgehen kann.

Die Schaltung hat im Aus-Zustand einen Verbrauch von weniger als 20nA, die vermutlich als Leckstrom durch den Kondensator fließen dürften.

Aufbau

Die Schaltung wurde wie gewohnt auf einer einseitigen Platine aufgebaut, ICs, Schalter und Quarz sind THD-Bauteile. Die Widerstände und die kleineren Stützkondensatoren wurden als SMD-Bauteile ausgeführt, einzig die fünf Widerstände für den Ausgangspannungsteiler sind 0,1% THD metallschicht Widerstände.

Das folgende Bild zeigt die eingebaute Schaltung, links ist der Platz für die Batterie. Unten neben der Batterie sind die LED und der Power-Schalter. Auf dem Schalter klebt eine alte Leuchtdiode als Knopfersatz.

Bild der Schaltung mit geöffnetem Gehäuse.

Die beiden nächsten Bilder zeigen zwei Aufnahmen des Signals, das Erste bei 1MHz und 2V Amplitude, das Zweite bei 100kHz und auch 2V Amplitude.

Rechteck mir 1Mhz und 2V Amplitude.

Rechteck mir 100kHz und 2V Amplitude.

Wie man erkennt stimmt die Amplitude, aber in der Zeitachse ist ein kleiner Fehler von -2 bis -3%. Dies liegt gerade noch in der Spezifikation des Oszilloskops, muss aber mal nachgestellt werden. Bei 1MHz gibt es vor dem Umschalten kleine Überschwinger, die durch die Speedup-Kondensatoren an den Transistoren entstehen. Sie sorgen dafür, dass die Transistoren schneller ausgeschaltet werden können, aber bei dieser Frequenz arbeiten sie schon wie eine kleine Ladungspumpe.

Zuverlässigkeit

Zunächst muss die Schaltung selbst überprüft und kalibriert werden. Dazu verwendete ich zunächst ein Amprobe 37XR-A (±0,1% ±5dgts Frequenz und Spannung). Die Frequenz stimmt erwartungsgemäß sehr genau. Die Amplitude muss einmal eingestellt werden und stimmt dann über alle drei Bereiche.

Anschließend wurde überprüft, ob sich die gemessenen Werte ändern, wenn die Schaltung auf 0°C abgekühlt oder auf 30°C erwärmt wird. Die Frequenz änderte sich nicht messbar, die Amplitude ändert sich nur an der letzten Stelle (200,0mV bei Raumtemperatur; 200,1mV bei 0°C). Als Nächstes muss die Schaltung mit besseren Messgeräten überprüft werden.

Ich habe die Möglichkeit bekommen die Schaltung an der Uni-Bremen mit einem hochwertigen Oszilloskop (Tektronics DPO 7254) zu überprüfen. Und konnte mit dem eingebauten Frequenzzähler messen, dass die Frequenz des Quarzes 1,99993 MHz ist (ca. -35ppm). Für die Amplitude ergab sich Folgendes:

Ergebnisse vom Ausmessen der Amplitude bei verschiedenen Frequenzen
Frequenz2V Amplitude200mV Amplitude20mV Amplitude
2kHz1,999V bis 2,001V200,4mV bis 201,2mV19,98mV bis 20,07mV
100kHz1,998V bis 1,996V200,8mV bis 201,3mV19,98mV bis 20,16mV
500kHz2,026V200,5mV bis 201,3mV19,88mV bis 19,95mV
1MHz2,019V bis 2,027V201,6mV bis 202,4mV20,24mV bis 20,34mV

Die doppelten Messwerte für jede Amplitude sind die minimal und maximal abgelesenen Werte, da diese leicht schwankten. Damit ist die größte Abweichung der Amplitude vom Sollwert 0,7%. Allerdings muss man der Schaltung auch eine kleine Messungenauigkeit zugutehalten, da es eine, wenn auch geringe, Rolle spielt, an welcher Stelle man die Messcursor anlegt. Allerdings hätte ich von der Amplitudengenauigkeit noch etwas mehr erwartet. Ich werde mal versuchen, ob ich spezielle 50Ω-Treiber bis 1MHz finde, die trotzdem leicht zu beschaffen sind.

Erstellt im Juli 12.