ELEKTRONIK SCHALTUNGEN. ITWissen.info

Transkript

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2 Inhalt Abtast- und Halteglied A/D-Umsetzer, ADU AFC, automatic frequency control ANL, automatic noise limiter Arbeitspunkt Aussteuerbereich Bandpass, BP Bandstopp, BS D-Flipflop Differenzierglied Differenzverstärker Diplex-Filter Filter Flipflop, FF Gleichrichter Gegenkopplung Gleichspannungswandler Hochpass, HP Integrierglied JK-Flipflop Kompander Komparator Konverter Modulator Operationsverstärker Oszillator Phasenregelkreis Pullup-Widerstand RS-Flipflop Rückkopplung Schmitt-Trigger Schwingkreis Sender Superheterodyne- Prinzip T-Flipflop Tiefpass, TP VCO, voltage controlled oscillator Verstärker Vierpol Wechselrichter Impressum: Herausgeber: Klaus Lipinski Copyrigt 2005 DATACOM-Buchverlag GmbH Dietersburg Alle Rechte vorbehalten 2

3 Abtast- und Halteglied sample and hold Abtastung eines Analogsignals in einer Abtast- und Halteschaltung A/D-Umsetzer, ADU ADC, analog digital converter 3 Ein Abtast- und Halteglied ist eine elektronische Schaltung, die zum Zeitpunkt der Abtastung die Eingangsspannung an den Ausgang weiterreicht und dort bis zum nächsten Abtastzeitpunkt speichert. Vom Schaltungsaufbau her handelt es sich um ein aktives Bauelement, wie einen Transistor oder Feldeffekt-Transistor, der vom Taktsignal kurzzeitig geschaltet wird und das analoge Eingangssignal auf einem Kondensator für die nachgeschaltete Digitalisierung zwischenspeichert. Sample-and-Hold-Schaltungen sind normalerweise integraler Bestandteil des A/D-Umsetzers. A/D-Umsetzer sind integrierte Schaltungen (IC) in MOS- oder CMOS-Technologie zur Digitalisierung von analogen Signalen. Bei der A/D-Wandlung werden die analogen Signale zunächst in einem Abtast- und Halteglied abgetastet und zwischengespeichert, danach quantifiziert und in einem Dualsystem codiert. A/D-Umsetzer arbeiten nach unterschiedlichen Wandlungsverfahren, die sich in der Wandlungsgeschwindigkeit, der Quantisierung, der Codierung und der Auflösung, mit der sie analoge Signale digital nachbilden, unterscheiden. So erreichen Hochgeschwindigkeits-Wandler Abtastraten von 1 GS/s (Gigasample pro Sekunde) bei einer Auflösung von 8 Bit. Bei höherer Auflösung von 10 Bit und 12 Bit sinken die Abtastraten auf 50 ks/s bis 1 MS/s. Weitere Parameter von ADCs sind neben der Leistungsaufnahme die Nichtlinearitäten und das Signal-Rausch- Verhältnis (S/N), das 70 db und höher sein

4 A/D-Wandlung mit einer Sampletiefe von 4 Bit AFC Automatische Frequenznachsteuerung automatic frequency control ANL automatic noise limiter 4 kann. Die Leistungsaufnahme ist technologie-abhängig und liegt bei Verwendung der CMOS-Technologie bei 1 mw bis 2 mw. Hinsichtlich der Nichtlinearitäten werden unter Einbeziehung der integralen Nichtlinearität (INL) und der differenziellen Nichtlinearität (DNL) Werte von +/- 1 LSB ereicht. Das bedeutet, dass der kleinste Bitwert um eine Stelle schwanken kann. Die automatische Frequenznachsteuerung (AFC) ist ein geregelter Oszillator, dessen Frequenz bei Abweichungen durch Alterungs- oder Temperatureinflüssen über eine Gegenkopplung mit einer Regelspannung nachgesteuert wird, so, dass er immer korrekt abgestimmt ist. Die Höhe der Regelspannung hängt von der frequenzmäßigen Abweichung von der Sollfrequenz ab. Je höher die Frequenzabweichung, desto höher die Regelspannung und damit die Frequenznachregelung. Der automatische Rauschbegrenzer ist eine elektronische Schaltung, die das Signal- Rausch-Verhältnis verbessert. Dies geschieht durch Anhebung des Nutzsignalpegels und durch mögliche Bandbreitenbegrenzungen.

5 Arbeitspunkt operating point Arbeitspunkt und Arbeitskennlinie in einem Transistor-Kennlinienfeld Aussteuerbereich dynamic range Aussteuerbereich eines aktiven Bauelements 5 Der Arbeitspunkt ist ein schaltungstechnisch festgelegter Punkt eines elektronischen Bauelements, der für eine elektronische Schaltung ausgewählt wurde. Dieser Punkt wird durch die Zusammenschaltung von Bauelementen und dem Arbeitswiderstand bestimmt. Er liegt im Kennlinienfeld von Transistoren und Dioden und spielt bei der Entwicklung einer elektronischen Schaltung eine wichtige Rolle, da durch ihn die Schaltungsfunktionen maßgeblich bestimmt werden, so beispielsweise das Verstärkungsverhalten und die Verzerrungen, die Mischverhalten und die Laufzeiten, um nur einige zu nennen. In der elektronischen Schaltungstechnik können bestimmte passive aber vor allem aktive elektronische Bauelemente wie Dioden, Thyristoren und Transistoren nur mit einer bestimmten maximal zulässigen Spannung resp. Strom gesteuert werden. Übersteigt die Steuerspannung den linearen Aussteuerbereich, dann arbeitet das entsprechende Bauelement oder der Vierpol im nichtlinearen Bereich, was zu Verzerrungen der Signalform führt. Innerhalb des Aussteuerbereichs liegt der Arbeitspunkt, der sich auf einer Kennlinie oder Kennlinienschar befindet.

6 Bandpass, BP BF, bandpass filter Ersatzschaltbilder für Bandstopp-, Bandpass-, Tiefpass- und Hochpassfilter Bandstopp, BS bandstop filter Ein Bandpass ist ein frequenzabhängiger Vierpol, der nur Frequenzen in einem bestimmten Frequenzbereich passieren lässt. Da in optischen Übertragungssystemen die Wellenlänge der Frequenz tritt, gilt die Aussage gleichermaßen für Frequenzen und Wellenlängen. Ein Bandpass-Filter ist eine Hintereinanderschaltung von einem Hochpass und einem Tiefpass. Ein solches Filter lässt nur die Signale passieren, die in dem Frequenzbereich oder Wellenlängenbereich liegen für den das Filter ausgelegt ist. Das übrige Frequenzspektrum kann den Vierpol nicht passieren. Hat ein solches Bandpass-Filter beispielsweise eine Mittenfrequenz von 946,50 MHz und eine Bandbreite von 3 MHz, dann lässt es alle Frequenzen zwischen 945 MHz und 948 MHz mit einer maximalen Dämpfung von 3 db passieren. Bandstopp-Filter selektieren bestimmte Frequenzen aus, die nicht in die Übertragungstrecke gelangen sollen. Sie dämpfen einen bestimmten Frequenzbereich, während die übrigen Frequenzen übertragen werden. Die Funktion eines Bandstopp-Filters entspricht der umgekehrten Funktion eines Bandpass-Filters; physikalisch handelt es sich um eine Parallelschaltung von einem Hochpass und einem Tiefpass, bei dem der eingegrenzte Frequenzbereich unterdrückt wird. Eingesetzt werden solche Filter u.a. in Breitbandnetzen und in lokalen Netzen in Breitband-Topologie, bei denen durch den Einsatz mehrerer Head-End-Stationen Frequenzbereiche doppelt belegt werden können. 6

7 D-Flipflop D flipflop Wahrheitstabelle und Schaltsymbol des D-Flipflops Differenzierglied Funktion des Differenziergliedes am Beispiel eines Rechteckimpulses Der D-Flipflop ist ein getakteter Flipflop mit einem Informationseingang D und einem Takteingang C Das D steht für Delay, also Verzögerung. Die Schaltung des D-Flipflops erfolgt ausschließlich durch die Flanke des Taktimpulses, unabhängig von einer zwischenzeitlichen Zustandsänderung am Informationseingang. Der Takteingang wird sowohl bei der steigenden als auch bei der fallenden Flanke des Taktimpulses geschaltet und übernimmt den am Informationseingang liegenden Pegel auf den Ausgang. Während RC-Glieder als Filter sinusförmige Signale in der Phasenlage und in der Amplitude aber nicht in der Form verändern, werden die gleichen RC-Glieder für die Verformung von Pulsen und anderen nichtsinusförmigen Signalen verwendet. Daher auch die Bezeichnung Impulsformersstufen. Man unterscheidet dabei zwischen Differenzierglied und Integrierglied, beides CR- bzw. RC-Glieder. Ein Differenzierglied, eine Kombination aus Kondensator und Widerstand, erfüllt die mathematische Funktion der Differenzierung bei der die Änderung der 7

8 Differenzverstärker differential amplifier Diplex-Filter diplex filter Filter 8 Signalanteile übertragen wird. So wird ein ebenes Pulsdach eines Rechecksignal kein differenziertes Signal zur Folge haben, die Anstiegsflanke hingegen ein positives und die Abfallsflanke ein negatives Pulssignal verursachen. Die Differenzierung arbeitet nur dann, wenn die Pulsdauer wesentlich größer ist als die Zeitkonstante des RC-Gliedes. Differenzierglieder werden zur Steurung von puls- bzw. flankengesteuerten Logiken und Gattern eingesetzt. Differenzverstärker sind vollkommen symmetrisch aufgebaute Verstärker hoher Empfindlichkeit mit zwei Ein- und Ausgängen. In einem Differenzverstärker werden die Eingangssignale der Eingänge 1 und 2 idealer Weise mit identischen Verstärkungsfaktoren und gleichem Frequenzgang verstärkt und stehen an den Ausgängen 1 und 2 zur Verfügung. Sind die Eingangspegel identisch, dann sind auch die Ausgangspegel identisch, es tritt somit zwischen Ausgang 1 und 2 keine Spannung auf, die Differenzspannung ist null. Erst bei Abweichungen zwischen den Eingangspegeln wird sich eine Differenzspannung zwischen den Ausgängen aufbauen. Die Ausgangsamplitude entspricht also immer der verstärkten Differenz zwischen den Eingangspegeln. Identische Eingangssignale werden unterdrückt, was sich in einer hohen Gleichtaktunterdrückung ausdrückt. Diese Eigenschaft wird auch zur Störspannungsunterdrückung benutzt. Gelangen Störsignale mit gleicher Polarität an die beiden Eingängen, werden sie durch die Gleichtaktunterdrückung kompen-siert. Dies gilt gleichermaßen für Brummsignale als auch für eingestreute HF-Signale. Diplex-Filter (Systemfilter) werden u.a. in lokalen Netzen in Breitband-Topologie eingesetzt um Vorwärts- und Rückwärtsrichtung in einem Einkabel-System zu trennen. Den Begriff Filter gibt es in der Kommunikationstechnik für ein digitales Filter und in der Nachrichtentechnik für ein analoges Filter. In der Kommunikationstechnik

9 Flipflop, FF 9 handelt es sich um die Selektion eines Bitmusters, in der Nachrichtentechnik um die Selektion von Frequenzen, bei der optischen Übertragungstechnik, um die Selektion von Wellenlängen und bei der Bildbearbeitung um das Filtern von Farb-, Kontrastoder Schärfedetails. In der Nachrichtentechnik unterscheidet man bei den analogen Filtern zwischen einer frequenzmäßigen Selektion und einer wellenlängenmäßigen Selektion, die optischen Filter, wie das Bragg-Gitter oder dichroitische Filter. Der Einsatz von Filtern, die auf einer Frequenzselektion basieren, umfasst die Verkabelung von lokalen Netzen, so beispielsweise in der Breitband-Topologie, und alle übertragungstechnischen Einrichtungen wie Verstärker, Sender, Empfänger, Antennen, Übertragungsstrecken. Die darin verwendeten Filtertechniken Hochpass, Tiefpass, Bandpass, Bandstopp-Filter und Diplex-Filter lassen bestimmte Frequenzbereich passieren, andere sperren sie. Ein Flipflop ist ein Halbleiterspeicher für die Speicherung von einem Bit. Es handelt sich dabei um eine elektronische Kippschaltung, einen Multivibrator, die in Speicherbausteinen wie RAMs, Schieberegistern und Zählern eingesetzt wird. Eine solche Schaltung kennt zwei Zustände, die die binären Zustände 0 und 1 repräsentieren. Die Zustände sind abhängig von den logischen Zuständen an den Eingängen oder sie werden taktsynchron geändert. Bei den Flipflops, deren Zustände von den Eingangszuständen abhängen, sind die Ausgangspegel solange stabil, bis sich der Zustand eines Eingangs ändert. Der neue Zustand ist dann wiederum stabil. Die Zustandsänderung kann synchron oder asynchron von einer oder beiden Pulsflanken eines Taktimpulses ausgelöst werden. Man spricht dann von zustands- oder flankengesteuerten Flipflops. Daneben gibt es Flipflops die verzögert schalten, diese arbeiten im Master-Slave- Betrieb. Ein Flipflop kann aus einzelnen Logiken zusammengesetzt werden, und zwar in der Kombination von zwei NOR-Gattern oder zwei NAND-Gattern. In der Grundschaltung hat ein Flipflop zwei Eingänge A und B und zwei Ausgänge P

10 Gegenkopplung negative feedback Prinzip der Gegenkopplung Gleichrichter rectifier und Q. Um unterschiedliche Anforderungen an die Speicherbausteine zu erfüllen, gibt es verschiedene Flipflop-Varianten wie den JK-Flipflop, RS-Flipflop, T-Flipflop und D-Flipflop. Im Gegensatz zur Rückkopplung, bei der ein gleichphasiges Signal zum Eingangssignal eines aktiven Vierpols hinzu addiert wird, wird bei der Gegenkopplung ein Teil des Ausgangssignals in der Phasenlage umgekehrt und als gegenphasiges Signal zum Eingangssignal addiert. Diese elektronische Schaltungstechnik wird u.a. bei automatischen Regelungen eingesetzt um Übersteuerungen zu verhindern, so beispielsweise bei der automatischen Verstärkungsregelung (AGC) oder der automatischen Frequenznachsteuerung (AFC). Gleichrichter sind elektronische Bauelemente oder Schaltungen, die Wechselstrom nur in einer Phasenlage passieren lassen. Mit Gleichrichtern, das können Thyristoren sein, ebenso Dioden oder Brückenschaltungen aus Dioden, kann aus Wechselspannung Gleichspannung gemacht werden. Da Gleichrichter nur eine Halbwelle der Wechselspannung durchlassen, steht hinter dem Gleichrichter ein Signal das nur aus Halbwellen von einer Polarität besteht. Dieses Halbwellensignal positiver oder negativer Polarität wird über Kapazitäten zu einem Gleichspannungssignal geglättet. Gleichrichter werden in Netzteilen und Stromversorgungen und auch in Demodulatoren eingesetzt. 10

11 Gleichspannungswandler DC to DC conversion Hochpass, HP highpass Ersatzschaltbild eines Hochpasses als LC- und RC-Glied 11 Gleichspannungswandler, auch bekannt als DC/DC-Wandler, sind elektronische Schaltungen, die die Gleichspannung vor der Wandlung in Wechselspannung konvertieren, diese transformieren und anschließend wieder in eine Gleichspannung wandeln. Da Gleichspannung nicht transformiert werden kann, arbeiten die DC/DC-Wandler wie elektronische Schaltnetzteile, die die Gleichspannung zunächst in eine Wechselspannung umwandeln. Anschließend wird diese mit einem Transformator in die gewünschte Höhe transformiert, in einem Gleichrichter wieder in Gleichspannung gewandelt und mit Siebgliedern geglättet. Um einen möglichst kleinen und leichten Transformator nutzen zu können, betragen die Schaltfrequenzen des Schaltnetzteils mehrere khz, beispielsweise 40 khz. Mit solchen DC/DC-Wandlern kann u.a. die Batteriespannung eines Kraftfahrzeugs in eine andere, höhere Spannung konvertiert werden. Ein Hochpass ist als Funktionseinheit ein Vierpol mit einer frequenzabhängigen Funktion. Bei diesem Filter werden alle Frequenzen durchgelassen, die oberhalb der Grenzfrequenz liegen. Diese entspricht der Frequenz, bei dem die Signalamplitude um 3 db gegenüber der maximalen Signalamplitude abgenommen hat. Das Ersatzschaltbild eines Hochpasses entspricht der Reihenschaltung einer Kapazität (C) mit einer Induktivität (L) oder einer Kapazität mit einem Widerstand (R). Die Steilheit der Filterkurve ist bei der LC-Kombination wesentlich besser als bei der RC-Kombination. Sie ist außerdem abhängig von der Güte der Komponenten und kann durch Hintereinanderschaltung von mehreren LC-Gliedern erhöht werden. Der Hochpass ist ebenso wie

12 Frequenzgang eines Hochpassfilters Integrierglied Funktion des Integrierglieds am Beispiel eines Rechteckimpulses 12 der Tiefpass eine Basiskomponente für das Bandpass-Filter und das Bandstopp-Filter. Hochpässe lassen nur hochfrequente Signalanteile passieren, das bedeutet, dass mit solchen Schaltungen nur Änderungen übertragen werden können. Von einem Puls wird somit nur die Pulsflanke übertragen, die sich aber über die Zeit ändert. Bei schnell steigender Pulsflanke wird sich ein positiver Impuls bilden, der sich ins negative kehrt, sobald die Änderungsgeschwindigkeit der Anstiegsflanke geringer wird. Mathematisch entspricht diese Funktion dem Differenzial, was auch zu der Bezeichnung Differenzierglied führt. Für die Verformung von nichtsinusförmigen Signalen und für die Erzeugung von Sägezahnsignalen werden RC-Glieder verwendet, die in diesen Anwendungen als Integrierglieder bezeichnet werden und die die mathematische Integration nachbilden. Mathematisch handelt es sich bei der Integration um die Kummulierung aller zeitlichen Amplitudenwerte. So ist beispielsweise die Integration eines Pulssignals ein Sägezahn weil sich die Spannungswerte zeitlich linear

13 JK-Flipflop Wahrheitstabelle und Schaltsymbol des JK-Flipflops Kompander compander 13 kummulieren. Wie exakt die mathematische Integration dabei nachgebildet wird, hängt vom Verhältnis der Dauer des Pulses zur Zeitkonstante der RC-Kombination ab. Sind die Verhältnisse nicht hinreichend abweichend von einander, dann wird sich die E-Funktion, mit der der Kondensator geladen wird, in der Kurvenform bemerkbar machen. Integrationsglieder werden u.a. in Impulsformerschaltungen und in Siebschaltungen zur Glättung der gleichgerichteten Sinusspannung eingesetzt. Ein JK-Flipflop ist ein getakteter Flipflop, dessen Bezeichnung von den zwei Informationseingängen J und K herrühren. Daneben hat der JK-Flipflop noch einen Takteingang (C). Die Arbeitsweise des JK-Flipflops entspricht der des RS-Flipflops, solange an den Eingängen unterschiedliche Signale anliegen. Liegen hingegen an den Eingängen J und K jeweils eine 1, dann arbeitet der JK-Flipflop wie ein T- Flipflop und wird von dem Taktsignal gesteuert. Der JK-Flipflop heißt auch Master-Slave- Flipflop weil er sich aus zwei Flipflops, einem Master und einem Slave zusammensetzt, die von der steigenden und fallenden Flanke des Taktimpulses gesteuert werden. JK-Flipflops werden in Schieberegistern und Zählern eingesetzt, weil alle Flipflops eines solchen Registers gleichzeitig gesetzt werden können. Das Wort Kompander ist aus den Wörtern Kompressor und Expander zusammengesetzt und beschreibt eine Einrichtung, mit der Nachrichten vor der

14 Komparator comparator Komparator mit Eingangs-, Vergleichs- und Ausgangsspannung 14 Übertragung wegen des begrenzten Dynamikbereichs der Übertragungsstrecke auf der Sendeseite komprimiert und auf der Empfängerseite wieder expandiert werden. Es handelt sich dabei um eine elektronische Funktionseinheit mit der die Amplitude und/oder die Frequenz komprimiert und expandiert werden kann. Sinn und Zweck der Kompression, die bei einem Kompander auch als Kompandierung bezeichnet wird, ist es, das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) auf der Übertragungsstrecke zu verbessern. Das komprimierte Signal erfährt bei gleicher Rauschbeeinträchtigung auf der Übertragungsstrecke einen geringeren Störeinfluss, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis nach der Expansion besser ist als ohne. Bei der Tonübertragung im UKW-Rundfunk wird beispielsweise ein entsprechendes Verfahren angewendet. Die Bezeichnung Komparator sagt bereits aus, dass es sich um eine Einrichtung handelt, die Werte miteinander vergleicht. 1. In der analogen Schaltungstechnik ist ein Komparator ein Differenzverstärker der ein analoges Eingangssignal mit einem Vergleichssignal vergleicht. Bei einer solchen elektronischen Schaltung entsteht bei hinreichend großer Verstärkung ein rechteckförmiges Ausgangssignal. Die Ausgangspegel ist davon abhängig, ob das Eingangssignal größer oder kleiner als das Vergleichssignal ist. Das Vergleichssignal selber kann eine feste oder einstellbare Spannung sein, oder auch das

15 Konverter converter Modulator MOD, modulator 15 Signal eines Sensors. So könnte beispielsweise ein Fotowiderstand benutzt werden, um bei Einbruch der Dunkelheit den Komparator auszulösen, wie es bei Dämmerungs-schaltern der Fall ist. Die Flanke des Ausgangssignals ist abhängig von der eingestellten Vergleichsspannung und der Hysterese des Komparators; die Flankensteilheit des Ausgangssignals kann durch eine Rückkopplung noch erhöht werden. Solche Komparator-Schaltungen mit steiler Hysteres heißen Schmitt-Trigger und finden ihren Einsatz u.a. in Regeneratoren zur Regenerierung von verschliffenen Impulssignalen. 2. Neben den analogen Komparatoren gibt es noch die digitalen Komparatoren. Bei diesen handelt es sich um Binärschaltungen, die zwei binäre Zahlen miteinander vergleichen. Je nachdem wieviel stellig die Zahlen sind, spricht man von 1- oder 2- Bit-Komparator. Letzterer könnte vier digitale Zustände miteinander vergleichen und bei Abweichung ein Digitalsignal generieren. Unter einem Konverter versteht man eine Einrichtung für die Wandlung von Signalen von einem in ein anderes Format, damit diese weiterverarbeitet werden können. So können Konverter als Medienkonverter arbeiten und den Übergang von einem Übertragungsmedium auf ein anderes ausführen, oder Licht von einer Wellenlänge in eine andere transferieren, wie die Wellenlängen-Konverter, Spannungen anpassen, oder als Frequenzumsetzer arbeiten, die Signale von einer Trägerfrequenz auf eine andere Frequenz, beispielsweise eine Zwischenfrequnez, umsetzen. Bei Computern übernehmen Konverter programmtechnische Funktionen, damit Daten eines Systems beim Übergang auf ein anderes an die spezifischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Dateiformate, angepasst werden. Ein Modulator ist eine elektronische Baugruppe, die eine Trägerfrequenz mit einer Signalfrequenz moduliert. Je nach Modulationsverfahren ändert die Trägerfrequenz die Amplitude, die Frequenz oder die Phasenlage im Rhythmus der aufmodulierten

16 Operationsverstärker OP-AMP, operational amplifier Oszillator oscillator 16 Signalfrequenz. Modulatoren arbeiten bei der Mischung der Signale mit nichtlinearen Kennlinien und erzeugen beispielsweise bei der Amplitudenmodulation Frequenzprodukte, die sich aus der Addition und der Subtraktion der Trägerfrequenz mit der Modulationsfrequenz ergeben. Bei der Modulation von Frequenzbändern ergeben sich zwei Seitenbänder oberhalb und unterhalb der Trägerfrequenz, daher auch die Bezeichnung Zweiseitenband (ZSB). Ein Operationsverstärker ist ein galvanisch gekoppelter Differenzverstärker für Gleich- und Wechselspannung. Wie der Differenzverstärker hat der Operationsverstärker zwei Eingänge: einen positiven und einen negativen, die symmetrisch und unsymmetrisch betrieben werden können. Die Differenzspannung zwischen den Eingangsspannungen steht verstärkt als Ausgangsspannung zur Verfügung. Betrachtet man den Operationsverstärker als Vierpol, realisiert als integrierte Schaltung, so sind als Parameter neben der Verstärkung, die Bandbreite, das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite, die Ein- und Ausgangsimpedanzen, die Gleichtaktunterdrückung, die durch nichtlineare Verzerrungen entstehenden Harmonischen, die Änderungsgeschwindigkeit und die Anstiegszeit zu nennen. Der Operationsverstärker ist eine analoge integrierte Schaltung, die aus Widerständen, Kondensatoren und etwa 20 Transistoren gebildet wird. Die Verstärkungswerte liegen zwischen 80 db und 120 db. Typische Werte für einen der bekanntesten Operationsverstärker, den Typ µa 741, sind die Gleichtaktunterdrückung von 90 db, das Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt von 1 MHz, die Slew Rate (SR) von 0,5 V/µs und die Anstiegszeit von 0,3 µs. Abhängig von der Nutzung können Operationsverstärker als Differenzverstärker, Summenverstärker, Integrationsverstärker, Addierer, invertierender Verstärker, aktives Filter, Impedanzwandler, Oszillator oder Funktionsgenerator eingesetzt werden. Ein Oszillator ist eine freischwingende elektronische Schaltung zur Erzeugung von Frequenzen. Das Oszillatorprinzip basiert auf einem Schwingkreis, der von einem aktiven elektronischen Bauteil, wie einer Elektronenröhre oder einem Transistor,

17 Phasenregelkreis PLL, phase lock loop Prinzip des Phasenregelkreises (PLL) Pullup-Widerstand pull-up restistor 17 gesteuert wird. Zur Aufrechterhaltung der Resonanz arbeiten Oszillatoren mit Rückkopplung und führen ein Teil der Resonanzenergie des Schwingkreises an den Eingang der aktiven Schaltung. Die Frequenz des Oszillators wird durch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestimmt und kann durch Steuerspannungen geändert werden. Phase Lock Loop (PLL) ist eine Technik zur phasensynchronen Steuerung von elektronischen Empfangsschaltkreisen. Bei dem PLL- Verfahren wird die Phasenlage eines spannungsgesteuerten Oszillators in einem Komparator mit einer Referenzphasenlage verglichen und aus der Abweichung eine Steuerspannung gewonnen, mit der der Oszillator in seiner Phasenlage nachgeregelt wird. Die Regelung erfolgt phasensynchron, so dass man von einer phasenstarren Kopplung zwischen Oszillator und Referenzphasenlage sprechen kann. Ein Pullup-Widerstand liegt an der Betriebsspannung und spannt mit dieser den Eingang einer aktiven Schaltung oder einer Logikschaltung vor. Er hebt den Eingangspegel gewissermaßen auf den Betriebsspannungspegel. Die Steuerung einer solchen vorgespannten Logik erfolgt indem der Eingang über einen Transistor oder einen Schalter auf Massepotential geschaltet wird. In diesem Fall verliert der Pullup-Widerstand seine Funktion, die er erst dann wieder ausübt, wenn die Schaltfunktion unterbrochen bzw. der Schalter offen ist. Mit Pullup- oder Pulldown-Widerständen, die die komplementäre Funktion ausüben, können logische Gatter aufgebaut werden.

18 RS-Flipflop Wahrheitstabelle und Schaltsymbol des RS-Flipflops Rückkopplung feedback Prinzip der Rückkopplung 18 Die Bezeichnung RS-Flipflop hängt unmittelbar mit der Bezeichnung der Eingänge zusammen: R steht für Reset, S für Set. Ein solcher RS- Flipflop hat ebenfalls zwei Ausgänge Z und Z* (Z invers). In Abhängigkeit von dem letzten Zustand des Flipflops hat eine Zustandsänderung an einem Eingang eine Änderung an den Ausgängen zur Folge. Der RS-Flipflop kennt einen undefinierten Zustand wenn beide Eingänge auf 1 gesetzt werden. Rückkopplung ist eine schaltungstechnische Maßnahme in Elektronikschaltungen. Bei der Rückkopplung wird ein Teil des Ausgangssignals eines aktiven Vierpols an den Eingang des Vierpols rückgeführt. Solange das rückgeführte Signal die gleiche Phasenlage hat wie das Ausgangssignal, spricht man von Rückkopplung oder Mitkopplung, bei gegenphasigen Signalen von Gegenkopplung. Das rückgekoppelte Signal addiert sich zu dem ursprünglichen Eingangssignal. Das Prinzip der Rückkopplung wird überall dort eingesetzt, die mit dem rückgekoppelten Signal eine Steuerfunktion ausgeführt wird oder wo das rückgekoppelte Signal einen Schwingungszustand auslösen soll, wie beim Oszillator.

19 Schmitt-Trigger Schmitt-Trigger zur Pulsregenerierung Schwingkreis oscillator circuit 19 Ein Schmitt-Trigger ist eine rückgekoppelte Schwellwertschaltung. Durch die Rückkopplung, die beim Schmitt-Trigger eine Mitkopplung ist, d.h. das rückgekoppelte Signal wird phasengleich mit reduzierter Amplitude auf den Eingang gekoppelt und verstärkt dort das Eingangssignal. Der Operationsverstärker wird dadurch immer in seiner Sättigung betrieben. Wird die Schwellspannung durch die Eingangsspannung unterschritten, kippt das Triggersystem in die negative Sättigungsspannung, bei Überschreiten in die positive. Die Schwellspannung und die Hysterese des Schmitt-Triggers werden durch das Verhältnis der beiden Widerstände festgelegt. Schmitt-Trigger werden zur Pulsregenrierung in Regeneratoren eingesetzt. Schwingkreise sind elektronische Schaltungen, bestehend aus einer Reihen- oder Parallelschaltung von Kondensatoren und Induktivitäten. Das Schwingkreisprinzip basiert darauf, dass der Kondensator aufgeladen wird, ein elektrisches Feld erzeugt und bei der Entladung über die Spule in dieser ein magnetisches Feld aufbaut. Da das magnetische Feld nur durch Stromzufluss aufrechterhalten werden kann, bricht

20 Reihen- und Parallelschaltung von Schwingkreisen und deren Resonanzkennlinien Formel für die Berechnung der Resonanzfrequenz von Schwingkreisen Sender TX, transmitter 20 es, nachdem der Kondensator keinen weiteren Strom mehr liefert, in sich zusammen und erzeugt eine Gegeninduktion, die den Kondensator in entgegengesetzter Polarität auflädt. Dieser Vorgang wiederholt sich ununterbrochen und wird nur durch die Dämpfung der Schwingkeis-Komponenten beendet. Die Frequenz mit der die Ladung zwischen Induktivität und Kapazität ausgetauscht werden, ist die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Sie ist dann gegeben, wenn die beiden Reaktanzen gleich groß sind. Da der eine Widerstand mit steigender Frequenz größer wird, der andere hingegen geringer, gibt es eine Frequenz bei der beide Widerstände gleich sind: X(L) = X(C). Dieses Voraussetzung gilt sowohl für die Reihenschaltung von Induktivität und Kondensator als auch für die Parallelschaltung. Die Resonanz eines Schwingkreises hat je nach Dämpfung der beiden Bauteile eine sehr ausgeprägte Frequenzgangkurve, die sich in einer geringen oder höheren Bandbreite ausdrückt. Schwingkreise werden für schmalbandige Filter eingesetzt und in Oszillatoren für die Frequenzgenerierung. Das Resonanzprinzip kommt auch bei Antennen zur Anwendung. Ein Sender ist eine elektronische Baugruppe, der Signale so aufbereitet, dass sie auf das Übertragungsmedium gelegt werden können. Der Begriff Sender wird meistens in Verbindung mit funktechnischen Einrichtungen benutzt, in denen die Signale für

21 Superheterodyne-Prinzip die Funkübertragung aufbereitet und an die Luftschnittstelle angepasst werden. Es kann sich aber auch um einen optischen Sender handeln, der die Lichtsignale für die LwL-Übertragunsstrecke generiert. Ein Funksender besteht aus einem Oszillator und einem Modulator sowie einer Endstufe, in der die frequenz-, impedanz- und pegelmäßige Anpassung an die Antenne erfolgt. Der Oszillator erzeugt die Sende- oder Trägerfrequenz. Diese Frequenz wird im Modulator mit dem Signal moduliert; je nach Funknetz kann es sich dabei um eine Amplituden-, Frequenz oder Phasenmodulation handeln. Das modulierte Trägersignal wird anschließend in der Endstufe, einem Leistungsverstärker, an die funktechnischen Anforderungen der Antenne angepasst. Dazu wird die Trägerfrequenz leistungsmäßig verstärkt und die Ausgangsimpedanz des Senders an die Impedanz der Antenne angepasst. Das Ausgangssignal des Senders wird zur Antenne übertragen, von wo aus es sich als elektromagnetische Funkwelle löst. In den Anfangsjahren der Rundfunktechnik war es technisch nicht möglich hoch selektive und durchstimmbare Filter und Verstärkungstechniken über größere Frequenzbereiche zu realisieren. Aus diesem Grund hat man über eine Mischung Prinzip des Superheterodyne- Empfängers 21

22 T-Flipflop Tiefpass, TP LP, lowpass 22 der Eingangsfrequenz mit einer abstimmbaren Oszillatorfrequenz eine Zwischenfrequenz generiert, die immer konstant ist und über selektive Verstärker verstärkt werden kann. Dieses Prinzip heißt Überlagerungs- oder Superheterodyne- Prinzip. Das Prinzip wird in allen Rundfunk- und Fernsehgeräten angewendet aber auch in anderen HF-basierten Empfängern. Als Beispiel soll das Empfangsteil eines UKW-Empfängers dienen. Die Sendefrequenzen liegen bei UKW zwischen 87 MHz und 108 MHz. Wird diese Eingangsfrequenz mit einer abstimmbaren Oszillatorfrequenz zwischen 88 MHz und 109 MHz gemischt, dann ergibt sich aus der Mischung der Oszillatorfrequenz und Eingangsfrequenz die Zwischenfrequenz von 1 MHz. Diese Zwischenfrequenz kann in einem hochselektiven Zwischenfrequenzverstärker verstärkt, das Signal anschließend im Demodulator demoduliert und als analoges oder digitales Signal weiterverabeitet werden. T-Flipflops sind getaktete Flipflops mit nur einem Takteingang. Die Ausgangszustände eines T-Flipflops können nicht festgelegt werden, lediglich die Änderung der Ausgangszustände. Die erfolgt bei jedem Flankenwechsel der Taktimpulses. Da sich der Ausgangszustand des T-Flipflops zweimal pro Taktfrequenz ändert, wird der Flipflop auch als Frequenzteiler eingesetzt. Ein T-Flipflop kann auch aus dem einem JK-Flipflop gebildet werden wenn man beide Eingänge auf HI-Pegel legt. Ein Tiefpass ist als Funktionseinheit ein Vierpol mit einer frequenzabhängigen Funktion. Bei diesem Filter werden alle Frequenzen durchgelassen, die unterhalb der Grenzfrequenz liegen. Diese entspricht der Frequenz, bei dem die Signalamplitude um 3 db gegenüber der maximalen Signalamplitude abgenommen hat. Das Ersatzschaltbild eines Tiefpasses entspricht der Reihenschaltung einer Induktivität (L) und einer Kapazität (C). Die Steilheit der Filterkurve ist bei der LC- Kombination wesentlich besser als bei der RC-Kombination. Sie ist außerdem

23 Frequenzgang eines Tiefpassfilters abhängig von der Güte der Komponenten und kann durch Hintereinanderschaltung von mehreren LC-Gliedern erhöht werden. Der Tiefpass ist ebenso wie der Hochpass eine Basiskomponente für das Bandpass- Filter und das Bandstopp-Filter. Tiefpässe lassen nur tieffrequente Signalanteile passieren, das bedeutet, dass mit solchen Schaltungen nur Ladungsänderungen übertragen werden können. Von einem Puls wird somit nicht die Pulsflanke übertragen, sondern das Pulsdach, das in Form einer E-Funktion die Kapazität auflädt. Mathematisch entspricht diese Funktion einem Integral, was auch zu der Bezeichnung Integralglied führt. VCO Spannungsgesteuerter Oszillator voltage controlled oscillator Verstärker AMP, amplifier 23 Ein spannungsgesteuerter Oszillator, dessen Frequenz durch eine Steuerspannung verändert werden kann. Als frequenzabhägiges steuerbares Bauteil dient dabei eine Kapazitätsdiode. VCOs werden in Rundfunk- und Fernsehgeräten, Satellitenempfängern und anderen Empfangseinrichtungen eingesetzt. Ein Verstärker ist ein aktiver Vierpol mit Ein- und Ausgängen. Ihm zugeführte Eingangsspannung wird von dem Verstärker um einen bestimmten

24 Schaltzeichen für den Verstärker Vierpol Blockschaltbild eines Vierpols Wechselrichter DC to AC converter 24 Verstärkungsfaktor erhöht und als Ausgangsspannung zur Verfügung gestellt. Bei allen Verstärkern ist die Verstärkung frequenzabhängig; man spricht in diesem Zusammenhang von Frequenzgang. Die Verstärkung wird in Dezibel angegeben. Verstärker werden überall dort eingesetzt, wo der Signalpegel durch Dämpfungen wieder erhöht werden muss, so beispielsweise innerhalb von Übertragungsstrecken. Wichtige Parameter von Verstärkern sind neben der Verstärkung und dem Frequenzgang die Eingangs- und die Ausgangsimpedanz sowie die Phasen- und Gruppenlaufzeiten. In LANs werden Verstärker im allgemeinen mit Repeatern bezeichnet, da diese in aller Regel auch Regenerierungsfunktionen übernehmen. Ein Vierpol ist in der analogen Übertragungstechnik eine Funktionseinheit mit einem zweipoligen Eingang und einem zweipoligen Ausgang. Die Funktion des Vierpols wird durch das Verhalten zwischen Ein- und Ausgang beschrieben. Dazu gehören das frequenz-, phasen-, dämpfungs- und verstärkungsmäßige Verhalten ebenso wie die Ein- und Ausgangsimpedanz. Ein Vierpol kann ein Kabel sein, ein Dämpfungsglied, Filter, Schwingkreis oder Oszillator, ein Verstärker, Sender oder eine komplexe analoge Schaltung mit unterschiedlichsten Funktionen. Wechselrichter sind elektronische Schaltungen, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln. Solche Wechselrichter werden überall dort eingesetzt, wo Geräte oder Systeme die mit Wechselspannung, resp. Netzspannung betrieben werden, über Akkus gepuffert sind. So beispielsweise in USV-Systemen oder bei der Einspeisung der Gleichspannung von Photovoltaik-Anlagen in das Netz. <br> Wechselrichter arbeiten wie getaktete Netzteile und erzeugen aus der Gleichspannung eine Wechselspannung. Im Gegensatz zu Gleichspannungswandlern entspricht die Taktfrequenz der Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz. Das getaktete Signal wird über Tiefpässe in ein Sinussignal geformt und auf die Höhe der Netzspannung transformiert. <br>

25 Neben dem Wirkungsgrad sind die Leistung, Potentialtrennung, der Kurzschluss- Schutz und die Störaussendung weitere wichtige Kenndaten von Wechselrichtern. Sie sind als eigenständige Geräte oder für den Einbau in Gehäusen oder Racks lieferbar. 25