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Ein einfacher Funktionsgenerator


Manchmal braucht man auch außer dem Sinus auch andere Kurvenformen wie z. B. Dreieck oder Rechteck als Meßsignale. Im September 2006 ist mir durch einen Beitrag im Internet das IC XR 2206 über den Weg gelaufen.



Das IC XR 2206

Der XR 2206 beinhaltet einen kompletten Funktionsgenerator. Schon mit wenigen zusätzlichen Bauteilen läßt sich damit ein vollwertiger Funktionsgenerator herstellen, der außer Sinus auch die Kurvenformen Dreieck und Rechteck kann. Der XR 2206 braucht eine Betriebsspannung von 12 bis 20 Volt, die an Pin 4 gelegt wird. Pin 12 (Masse) wird mit dem Minuspol der Betriebsspannung verbunden.


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Die Pinbelegung des XR 2206


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Blockschaltbild des XR 2206


Die erzeugte Frequenz wird von der Kapazität zwischen dem Pin 5 und 6 sowie vom Widerstand am Pin 7 oder 8 bestimmt. Die Frequenz errechnet sich nach der Formel F=1/RC. Die Frequenz kann also mit Kondensatoren oder Widerständen geregelt werden.

Sind die Pins 13 und 14 offen, so steht am Ausgang (Pin 2) ein Dreiecksignal mit einer Amplitude von 4 Volt Spitze-Spitze an, dessen Symmetrie mit einem Poti zwischen den Pin 15 und 16 eingestellt werden kann. Sind die Pins 13 und 14 durch einen Schalter verbunden, steht am Ausgang (Pin 2) ein Sinussignal an, dessen Amplitude mit einem Poti am Pin 3 von 0 bis zur Höhe der Betriebsspannung eingestellt werden kann. Die Symmetrie des Sinussignals ist mit einem Poti zwischen den Pin 13 und 14 einstellbar. Am Pin 11 liegt ein Rechtecksignal mit voller Amplitude der Betriebsspannung an, das nicht weiter regelbar ist, außer in der Frequenz.



Die Schaltung

Im Datenblatt des XR 2006 ist eine einfache Beispielschaltung zum Testen des XR 2206 abgedruckt. Ich beschloss im September 2006, diese Schaltung einmal zum Experimentieren aufzubauen.


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Eine einfache Schaltung mit dem XR 2206 aus dessen Datenblatt


Allerdings ist die Schaltung im Datenblatt sehr einfach und erlaubt auch nur eine Frequenz. Ich habe die Schaltung etwas geändert und insgesamt drei umschaltbare Frequenzbereiche eingebaut, die mit einem 3-Stufenschalter umgeschaltet werden können:

  • Bereich 1: 0 bis 100 Hz
  • Bereich 2: 100 bis 9500 Hz
  • Bereich 3: 9.5 - 633 KHz

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Die geänderte Schaltung des Funktionsgenerators


Für die Feinjustage der Frequenz wurde an Pin 7 ein Poti mit 100 Kiloohm eingebaut. Um eine extrem feine Frequenzeinstellung zu ermöglichen, wurde diesem ein weiteres Poti mit 1 Kiloohm in Reihe geschaltet. Ist der Schalter S2 geschlossen, steht am Ausgang ein Sinussignal an. Wird der Schalter S2 geöffnet, erhält man ein Dreiecksignal. Die Amplitude des Signals sowie die korrekte Symmetrie der Kurvenformen Sinus und Dreieck sind ebenfalls über zwei Potis einstellbar. Nur das Rechtecksignal ist nicht weiter regelbar, außer in der Frequenz.


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Noch einmal der komplette Schaltplan des Funktionsgenerators



Der Bau des Funktionsgenerators

Als Gehäuse wurde ein großes Tekogehäuse aus Kunststoff in den Maßen 21,5 x 13 x 8,5 cm ausgesucht. Die Schaltung enthält insgesamt fünf Potis (Frequenz- und Frequenzfeineinstellung, Amplitude, Symmetrie der Kurvenform für Sinus und Dreieck), einen Stufenschalter für die drei Frequenzbereiche und ein Schalter zur Umschaltung zwischen Sinus und Dreieck. Weiterhin müssen ein Netzschalter (Ein / Aus) und eine LED mit hinein. Für einen kleinen internen Verstärker wurde ein weiteres Poti und ein Schalter vorgesehen.

Als Ausgangsbuchsen habe ich für Sinus / Dreieck zwei 4 mm Buchsen, eine Chinch- und eine BNC-Buchse vorgesehen. So kann man das Signal auch per Chinchkabel in einen Stereoverstärker führen. Für das Rechtecksignal kommt eine weitere BNC-Buchse hinzu.

Anschließend wurde alles gleichmäßig auf der Frontplatte angeordnet und die Löcher gebohrt. Danach konnten die Buchsen, Schalter und Potis eingebaut werden. Nicht zu vergessen auch einen externen Sicherungshalter auf der Rückseite des Gehäuses für die Stromversorgung!


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Das Gehäuse beim Einbau der Buchsen


Nach dem Einbau wurden an die Potis und Schalter erstmal die Drähte angelötet. Hier verwendete ich Klingeldraht aus dem Baumarkt. An die anderen Enden der Drähte kamen Kabelschuhe. Damit war das Gehäuse soweit vorbereitet und es ging an die eigentliche Schaltung heran.


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Das Gehäuse nach dem Anlöten der Drähte an die Potis und Schalter


Die Schaltung kann gut auf einer Streifenplatine aufgebaut werden. Für das IC habe ich eine Fassung vorgesehen und für die Anschlüsse der Potis und Schalter Lötnägel. Anschließend begann das Bestücken der Platine mit den Bauteilen. Wo Leiterbahnen unterbrochen werden mußten, wurde eine Markierung gemacht. Nachdem das fertig war, wurde alles nochmal kontrolliert und das Einlöten der Bauteile konnte beginnen.


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Die fertig aufgebaute Schaltung auf der Streifenplatine


Nachdem alle Bauteile und die Lötnägel eingelötet waren, wurden alle Leiterbahnen mit dem Ohmmeter auf Kurzschlüsse geprüft. Gleiches gilt auch für die Leiterbahnunterbrechungen. Es kann immer sein, das ein hauchfeiner Kupferspan beim Unterbrechen zurückbleibt und dann doch eine Verbindung besteht! Also lieber nochmal Prüfen, bevor die Schaltung in Betrieb genommen wird. Auch die Lötstellen sollte man sich noch einmal genau ansehen.

Nachdem alles in Ordnung war, konnte der erste Testbetrieb folgen! Die Potis und Schalter wurden mit der Platine verbunden und diese in Betrieb genommen. Die Ausgänge lassen sich zuerst mit dem Multimeter und dann mit dem Oszilloskop überprüfen.


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Testbetrieb und Prüfen der Schaltung mit dem Oszilloskop


Der Rechteckausgang funktionierte. Man kann bei ihm allerdings nur die Frequenz einstellen. Die Amplitude ist nicht einstellbar und so hoch wie die Betriebsspannung. Leider ist das Signal mit der Standardbeschaltung aus dem Datenblatt qualitativ nicht so gut. Siehe dazu weiter unten.

Der Sinus- und Dreieckausgang funktionierte ebenfalls. Die korrekte Symmetrie der Kurven wird über die beiden Potis Sinus / Dreieck eingestellt. Das Dreiecksignal hat eine Amplitude von etwa 4 Volt Spitze-Spitze. Die Amplitude des Sinussignals ist mit einem Poti einstellbar. Auch der Sinus war nicht ganz einwandfrei. Auf den Dächern zeigten sich kurze Spitzen.

Nachdem die Schaltungsplatine soweit funktionierte, konnte sie in das Gehäuse geschraubt werden. Als Stromversorgung habe ich ein stabilisiertes Netzteil mit 12 Volt und 250 mA genommen, welches man als fertigen Baustein bei Conrad bekommt. Die Schaltung selbst braucht zwar nur wenige Milliampere, doch sollte man auch daran denken, das der Funktionsgenerator einmal stärker belastet werden kann! Weiterhin ist der Einbau einer Feinsicherung mit 250 mA hinter dem Ausgang des Netzteils sehr sinnvoll.


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Nach dem Einbau der Schaltung und des Netzteils in das Gehäuse


Da das Gehäuse ausreichend groß ist, entschloss ich mich, auch noch einen kleinen Lautsprecher mit einzubauen. Damit kann man die vom Generator erzeugten Töne im NF-Bereich hörbar machen um sie auch ohne Oszilloskop grob nach Gehör einstellen zu können. Nur sollte man den Lautsprecher nicht direkt am Ausgang des Funktionsgenerators anschließen, da dieser den Ausgang aufgrund seines geringen Widerstandes so stark belasten würde das die Ausgangsspannung zusammenbricht! Es gehört auf jedem Fall ein kleiner Verstärker mit hohem Eingangswiderstand dazwischen.

Mein ersteres Vorhaben einen kleinen IC-Verstärker mit 1 Watt Ausgangsleistung zu nehmen habe ich wieder aufgegeben. Dieser wurde extrem heiß und war auch bei geringer Laustärke schon total übersteuert. Ich griff dann zu etwas mir bekannten und nahm eine kleine Gegentaktstufe. Die Einstellung der Lautstärke geschieht über ein logarithmisches Poti mit 100 Kiloohm in der Eingangssignalleitung. Auch ist der Verstärker per Schalter abschaltbar, wenn er nicht benötigt wird.



Einige Schirmbilder vom Oszilloskop

Bei genauerer Betrachtung der Signale mit dem Oszilloskop kam ich zu dem Ergebnis, das einige Signale qualitativ nicht so gut sind, so z. B. das Rechtecksignal:


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Das Rechtecksignal ist leider qualitativ nicht so gut


Allerdings lassen sich Rechtecksignale auch einfacher erzeugen, z. B. mit dem NE 555.

Dann ging es zum Dreiecksignal. Für die Einstellung seiner korrekten Symmetrie ist ein Poti vorhanden. Bei richtiger Justierung sah das ganz gut aus:


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Ein nicht richtig justiertes Dreiecksignal -
hier muß man mit dem Poti für die Symmetrie Dreieck nachjustieren!


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Ein richtig justiertes Dreiecksignal


Der Sinus wird bei diesem IC mit Hilfe eines Netzwerkes aus dem Dreiecksignal erzeugt. Auch hier ist für die richtige Justierung ein Poti vorhanden. Allerdings wird auch bei richtiger Justierung des Potis die Spitze des Sinus nie exakt rund sein was an der Arbeitsweise eines solchen Netzwerkes liegt.


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Dieser Sinus ist noch eher ein Dreieck -
auch hier muß man mit dem Poti für die Symmetrie Sinus nachjustieren!


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Ein richtig justiertes Sinussignal


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Ein verzerrtes Sinussignal


Besonders bei Frequenzen über 1 Kilohertz fallen an den oberen Teilen der Sinuskurven kurze Spitzen auf. Diese sollen eine systembedingte Eigenschaft des XR 2206 sein. Ein probeweises Abschalten des Rechteckausganges durch kurzschließen nach Masse brachte keine Verbesserung.


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Die kleinen Spitzen auf dem Dach der Sinuskurve
sind systembedingte Eigenschaft des XR 2206


Bei höheren Frequenzen, ab etwa 50 KHz und mehr, erhielt ich keine korrekten Kurvenformen für Sinus und Dreieck mehr. Sie werden mit zunehmender Frequenz immer stärker verzerrt, was man auch mit den Potis nicht mehr nachjustieren konnte. Diese Verzerrungen scheinen durch Oberwellen bedingt zu sein. Hier könnte eventuell der Einbau eines Tiefpassfilters am Ausgang helfen, was ich aber noch nicht versucht habe.


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Der Sinus mit 66 KHz wird schon unsauberer


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Bei 333 KHz ist es stark verzerrt


Fazit: Mit dem XR 2206 läßt sich mit relativ wenig Schaltungsaufwand ein einfacher Funktionsgenerator bauen. Allerdings ist mit der Standardbeschaltung die Qualität der Signale, besonders des Sinussignals, nicht berauschend. Für einfache Versuche reichen diese, aber für richtige Messungen wie z. B. bei Audioanwendungen braucht man qualitativ bessere Signale! Diese lassen sich nur mit einem höheren Schaltungsaufwand herstellen.

In einer früheren Ausgabe der Elektor wurden einige Verbesserungen gemacht. Eine davon war eine symmetrische Spannungsversorgung von etwa +8 Volt an Pin 4 und -8 Volt an Pin 12. Die Mitte davon diente als Bezugsmasse. Leider kenne ich die genaue Ausgabe nicht. Trotzdem findet man den XR 2206 heute in vielen einfachen Funktionsgeneratoren, allerdings mit deutlich höherem Schaltungsaufwand. Wer sich dafür interessiert, sollte einmal im Internet nachsehen. Einige Elektronikversandhäuser bieten z. B. auf ihren Internetseiten die Bedienungsanleitungen und Schaltpläne ihrer Geräte als PDF-Dateien an. Darin kann man bestimmt weitere Anregungen finden.


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