State-Variable-Filter am Mittwoch

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Und diese Woche nun wieder einmal Elektronik. Geräte, die die Welt nicht braucht leicht verständlich erklärt. Und auch hier wieder der Hinweis, daß man bei der Redaktion der Schrottpresse hochauflösende Schaltpläne sowie Layoutvorlagen auf Zuruf für umme bekommen kann.
Um auch gleich eines klarzustellen: Die Schaltung ist nicht von mir, sondern nur etwas angehübscht, mit zeitgemäßen Bauteilen versehen und mit neuem Layout versehen. Dazu später mehr.

Heute wollen wir uns mit der Erzeugung des reinen Tones befassen, des Sinus-Signals um genau zu sein.
»Ja super: Hab ich, mach ich mit der Soundkarte, soundsoviel Stellen hinter dem Komma…«
Ja, das mache ich auch, aber in meinem Workflow ist immer noch Platz für Gerätschaften, die mit Knöpfen und Schaltern zu bedienen sind statt mit der Maus. Wer unbedingt will, kann sich sicherlich auch ein PC-gestütztes Labornetzteil aufbauen oder TRMS-Millivoltmeter um die 10µV – nur als besonders praxisgerecht empfinde ich das nicht. Und selbst wenn ich irgendwoher Soft- und Hardware bekommen würde, die meiner Arbeitsweise entsprechen, würde ich bestimmte Geräte immer noch gerne in ihrer analogen Form im Rack haben wollen. Kindliche Trotzreaktion oder wie man das nennt!

Wie auch immer benutze ich natürlich für Messungen PC-Zeugs. Beruflich und daheim mit der USB-Soundkarte USBPre I, etwas veraltet, aber immer noch eine klangliche Referenz. Der Umstieg auf den Nachfolger USBPre II ist wegen dem aktuellen Preis von ca. 1.150€ noch nicht erfolgt… da warte ich lieber noch etwas.
Es gibt eigentlich auch keinen wirklichen Bedarf, wäre die D/A Auflösung nicht auf 16Bit beschränkt. Anlass also für eine analoge Lösung.

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Ich sollte das frisch aufgesetzte XP endlich aktivieren 🙂

Als rein analogen Lösungen des Problems existiert eigentlich nur die bewährte Wien-Robinson-Brücke oder das State-Variable-Filter. Sorgfältig konstruiert gibt es kaum Unterschiede, abgesehen davon, daß für das State-Variable-Filter Operationsverstärker zwingend Pflicht sind. Seit dem HP200 von David Packard und der Doktorarbeit seines Kumpels William Hewlett fährt man mit dem Prinzip Wienbrücke ganz ausgezeichnet.
Gemeinsam sind beiden Lösungen das Problem der Amplitudenregelung.

In diesem Fall aber – und weil relativ selten verwendet – geht es um einen Oszillator mittels einem State-Variable-Filter oder auch Quadratur-Oszillator. Im Aufbau ist dieser Typ etwas aufwendiger als die Wien-Robinson-Brücke, was aber in dem Augenblick zweitrangig wird, wenn man sich den Aufwand der Amplitudenregelung betrachtet. Kommt die Wienbrücke mit einem Phasenschieberblock aus, braucht man hier zwei davon – was einem Operationsverstärker entspricht und 1 cm² Platz auf der Platine. Der Aufwand kommt in jedem Fall mit der Amplitudenregelung! Leider ist ein technischer Fortschritt bei dem dafür benötigten Stellglied nicht auszumachen. Waren Hewlett & Packard in den dreißiger Jahren noch auf PTCs angewiesen (ein geheimnisvolles Kürzel für Glühlampe), gibt es seit Ende der sechziger Jahre den Sperrschicht-FET – das war es dann leider auch schon.
Also einen FET als Regelungselement! Wir benutzen einen 2N4391, einen JFET N-Channel und nein: Ein anderer funktioniert nicht! Man bekommt ihn bei Mouser-Electronic und er kostet 2€ + MwSt.

Gleich ein wichtiges Wort zur Bauteilauswahl: Der Prototyp der Schaltung wanderte ein halbes Jahr zwischen Arbeitstisch und Mülleimer hin- und her. Die angestrebten Daten waren einfach nicht zu erreichen – weder mit Umdimensionierung noch mit beten. Von Nichtfunktion bis Rechteck war so ziemlich alles vertreten; alles bis auf klirrarmen Sinus.
Die Lösung bestand in guten Bauteilen! Ganz einfach, wenn auch etwas teurer. Kein Conrad, kein Reichelt! Die LM318 von Reichelt funktionierten nicht. Was genau an denen falsch war, interessiert mich nicht weiter. China oder Togo als Ursprungsland oder was auch immer. Was bei einem LM317 noch durchgehen mag, versagt bei einem LM318 oder OPA2132 auf ganzer Linie! Beim OPA muß zwingend Burr-Brown draufstehen und nicht  中文字.

Stichwort LM317/337: Die Ripple-Rejektion dieser Spannungsregler liegt um die 70dB. Das ist für diese Anwendung deutlich zu wenig! Will man keine 50Hz und deren Harmonische sehen, ist eine Vorregelung unbedingt nötig. Die kann mit simplen 78/79xx erfolgen – Besseres schadet auf keinen Fall. Der Stromverbrauch liegt unter 100mA, also kein Grund für Sparsamkeit an falscher Stelle.

So, jetzt aber!

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Wie sehr schön zu sehen, fehlen die zeitbestimmenden Bauteile. Die sind nicht auf der Platine und das soll jeder machen, wie er denkt. Ob Poti oder wie bei mir ein Stufenschalter mit Festwiderständen der in Terzen abgestimmt ist – geht alles und ist letztlich Geschmackssache.
Das Filternetzwerk sieht grundsätzlich so aus:

net

Beide Widerstände (Pot1a/Pot1b) und beide C (CX1/CX2) müssen jeweils die gleiche Werte aufweisen – klar! R2 dient zum Eichen des jeweiligen Frequenzbereichs. Die 10kOhm entsprechen eher dem Maximalwert.
Bei meinem Muster habe ich 3 Dekaden vorgesehen: 20Hz – 200Hz //1µF, 200Hz – 2kHz //100nF, 2kHz – 20kHz //10nF

Parallel zu den zeitbestimmenden Kondensatoren für das SVF werde die Cs für Regelzeitkonstante der Amplitudenregelung geschaltet. Man tut sich auch hier einen Gefallen, wenn man Schalter mit geringer Querkapazität verendet *seufz!*

regel

Sonst noch was? Ach ja: Die Schaltung datiert aus dem Jahr 1981. Nicht mehr und nicht weniger. Ein gewisser Bob Cordell, Insidern auch wegen seiner ausgezeichneten Bücher über Endverstärker bekannt, hat das Teil im Rahmen einer Anleitung für eine Klirrfaktor-Messbrücke konstruiert. In diesem Link steht findet sich auch eine detaillierte Funktionsbeschreibung.
Natürlich hätte man das Layout 1:1 übernehmen können; allein: Es war mir zu groß und sperrig. Die frequenzkompensierten NE5534AN kann man heutzutage beruhigt durch OPA2132 ersetzen, wer dem Braten nicht traut, kann gerne auf AD8599 zurückgreifen. Wenigstens in meinem Aufbau war kein Unterschied feststellbar.
Auch die Transistoren 2N3904 können bedenkenlos gegen BC550 getauscht werden, der 2N4391 ist der bleifreie Nachfolger für den 2N4091. Das nur für diejenigen, die J-Fets essen statt sie zu verlöten.

Im übrigen gilt auch hier, was für alle Geräte mit empfindlichen Signalen gilt: Abschirmung! Alles wird lückenlos in Blech verpackt, dann gibt’s auch keine unangenehmen Überraschungen.

Zum guten Schluß das Ergebnis – hat sich der Aufwand gelohnt?

usb

Die USBPre mit internem Sinus

my

Die Bastelei! Das ist erst einmal besser!

Die Messung ist natürlich mit Vorsicht zu genießen. Das ist hart am Rande dessen, was die USBPre kann oder ein Stück darüber. Als Vergleich ist es aber anschaulich. Vor allem das hochfrequente Rauschen fällt deutlich niedriger aus.

gen1

100mm x 60mm mit lockerer Schüttung an Bauteilen

board

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20 Antworten zu State-Variable-Filter am Mittwoch

  1. DasKleineTeilchen schreibt:

    kurzes OT:

    unbekannte wordpress-lücke, pantoufle:

    http://www.heise.de/newsticker/meldung/Admins-aufgepasst-Krypto-Trojaner-befaellt-hunderte-Webserver-3116470.html

    mach ma backup, schatz.

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  2. R@iner schreibt:

    On Topic: Welches SPICE taugt eigentlich unter Linux?

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    • pantoufle schreibt:

      Keine Ahnung! Und wenn ich ganz ehrlich sein darf, werde ich mir zur Erholung mal eben einen kleinen Verstärker für meine Rechner-Boxen zusammenschrauben. Die Lausprecher lohnen den Aufwand: Die sind richtig gut, jetzt wo sie sich etwas eingelaufen haben.

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      • R@iner schreibt:

        Viel Spaß beim Basteln!

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      • pantoufle schreibt:

        Hab ich – Wissenschaft überlasse ich Berufeneren. Zum Ausgleich dafür bekomme ich ich auch mal was fertig.

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        • R@iner schreibt:

          Du, das war ehrlich gemeint. Ich war nur auf Bob Cordells Seite auf LTSpice gestoßen und erinnerte mich an alte Zeiten, als man Berkeley SPICE noch für den Atari ST kompilieren konnte.
          Mit Wissenschaft hat das eigentlich nichts zu tun, lernen doch bereits die Berufsschüler den rudimentären Umgang mit Tools wie Electronic Workbench.

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          • derda schreibt:

            Ltspice soll ganz brauchbar unter Wine laufen.
            Anderseits verkauft dir die Firma Cadence gerne eine Lizenz für pSpice. Da gibts auch was für Unix.

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          • pantoufle schreibt:

            Das Problem ist nicht Spice, sondern sich aus einer Tüte durch Ausmessen einen FET herauszupicken, der seinen Spezifikationen entspricht. Die Frage »gibts da nicht ne’ App für?« ist eindeutig mit Nein zu beantworten.

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            • R@iner schreibt:

              Die Kunst ist aber auch, Schaltungen so zu entwickeln, dass der Einfluss individuell streuender Eigenschaften aktiver Bauelementen möglichst wenig ins Gewicht fällt.

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            • pantoufle schreibt:

              Ja, das ist vollkommen richtig. Aber weißt Du was, R@iner? Es ist noch nie etwas gefunden (erfunden) worden, weil man mittels Bibel die Grenzen des Vorhandenen ausgelotet hat oder ihren genauen Wirkkreis. Das Unerwartete, das Element der Überraschung ist das, worum es geht. Das Fliegen hat der Mensch gelernt, weil er das Risiko einging zu stürzen – nicht, weil ihm jemand vorrechnete, daß es überhaupt unmöglich ist.

              Und die Kunst Vorhandenes vorauszusagen ist keine Kunst. Kunst ist das Unerwartete.

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            • R@iner schreibt:

              Das Unerwartete bei Schaltungen ist, dass
              – sie gar nicht funktionieren
              – die Transistoren sich wie Streichholzköpfe entzünden
              – Kondensatoren platzen
              – Leiterbahnen verdampfen
              – Verstärker oszillieren
              – Oszillatoren verstärken usw.
              Ich will damit sagen, dass Bootstrap- und Miller-Effekt, Transimpedanz-Schaltungen, Differenzverstärker, Gyratoren und die Wien-Brücke nicht vom Himmel gefallen sind.
              Ansonsten stimme ich zu, dass der Zufall und genaue Beobachtungen von Abweichungen des erwarteten Verhaltens schon immer eine große Rolle in den Naturwissenschaften gespielt hat.
              Wenn Du sagen wolltest, dass viel Erfahrung beim Umgang mit Schaltungstechnik Kreativität ermöglicht, dann bekommst Du von mir ein fettes „Ja“.

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            • pantoufle schreibt:

              Ja, einmal Erfahrung und auch learning by burning 🙂

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        • pantoufle schreibt:

          Alles gut, alles gut!
          Das war gar nicht so zickig gemeint wie es klang. Workbench benutze ich manchmal, aber ich denke, ich hab da ein ziemliches Oldschool-Verständnis am Lötkolben. Eine Handvoll Bauteile auf den Tisch werfen, ein Board eageln und loslöten – finetuning kommt dann am lebenden Objekt. Also basteln im schönsten Sinne. Wenn es unbedingt sein muß, kann ich auch anders, aber nicht bei diesem »3 x LM3886 mit etwas Entzerrung« – Geschergel. Der typische Grabbelkisten-Job, einfach Entspannung pur.

          Übrigens: Die Lautsprecher, die das antreiben sollen, sind Visaton FR 10-8 für 11€ bei Reichelt. Nach einer gewissen Einspielzeit machen die richtig ernstzunehmende Musik in den passenden Gehäusen (6l geschlossen mit Subwoofer). Es ist jedenfalls das Beste am Rechner was ich jemals hatte.

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