Rechteckschwingung

In diesem Abschnitt benutzen wir den Timer-Baustein 555 und erzeugen Frequenzen im hörbaren Bereich. Anschließend werden die Frequenzdaten mit der BASIC Stamp weiter bearbeitet.

Zuerst wird mit dem 555-Timerbaustein eine Impulsfolge erzeugt und über das Oszilloskop sichtbar gemacht. Mit Hilfe zweier Potenziometer werden die Frequenz und das Tastverhältnis verändert. An den Ausgang des Timerbausteins wird ein Piezo-Lautsprecher angeschlossen (optional) und es werden die Signale mit Hilfe eines Oszillographen angeschaut.

1 - Das 555 Timer-IC

Das 555 Timer IC

Material

1x Board of Education mit BASIC Stamp

1x PicoScope USB-Oszilloskop

2x Widerstand 100kOhm

1x Piezo-Lautsprecher (optional)

1x 555 Timer-IC

1x 10µF Elektrolytkondensator

1x 0,1µF keramischer Kondensator

2x Widerstand 2kOhm

div. Steckdrähte

Die hier angegebenen Bauteile werden nicht alle gleichzeitig benötigt. Einzelne Kondensatoren und Widerstände werden erst später bei einem weiteren elektrischen Schaltkreis mit einbezogen.

Beim Aufbau der Schaltung ist darauf zu achten, dass der Elko gepolt ist. Die kürzere Elektrode eines Elkos ist immer mit einem "-"-Symbol versehen und muss seitenrichtig in die Schaltung eingebaut werden. Andernfalls wird die Schaltung und/oder der Kondensator beschädigt. Ein keramischer Kondensator ist ungepolt.

Abb. 1 zeigt das Schaltsymbol des Timer-IC 555 und die Anschlussbelegung des Bausteins. Damit die Verdrahtung fehlerfrei ist, achte auf das Markierungszeichen auf dem IC. An ihm orientiert sich die Pinbelegung in Abb. 1.

Abbildung 1 - 555-Timer IC mit Pinbelegung

2 - Astabiler Multivibrator (AMV)

Mit dem folgenden Schaltungsaufbau wird eine stetige Impulsfolge erzeugt. Am Ausgang des Timers ist ein Piezo-Lautsprecher angeschlossen (optional) und mit den beiden variablen Widerständen Poti A und Poti B lassen sich die Frequenz und das Tastverhältnis verändern.

Die in der Schaltskizze mit nc benannten Anschlüsse stehen für "not connected"; eine übliche Bezeichnung in Schaltplänen für Anschlüsse, die ohne weitere elektrische Verbindung bleiben. Die beiden Potenziometer werden hier als variable Widerstände benutzt, deshalb bleibt eine Elektrode unbeschaltet.

Abbildung 2 - Aufbau eines astabilen Multivibrators mit einem 555-Timer IC

Astabiler Multivibrator mit 555 Timer IC
Aufgaben	Baue die Schaltung nach Abb. 2 auf dem Steckbrett des BoE auf. Achte auf die richtige Polung des Elko! Schließe einen Oszilloskop Tastkopf zwischen Pin 3 und Pin 1 des 555 Timer ICs an. Stelle mit Hilfe der Potenziometer eine Frequenz von 1Hz ein.

3 - Berechnung der Timerfrequenz

Die Frequenz berechnet sich nach dem Datenblatt des 555 Timer ICs über die Formeln

für die Frequenz am Ausgang. Dabei sind

C         Kapazität des Elektrolytkondensators

RA        Widerstand am Potenziometer A

RB        Widerstand am Potenziometer B

Die Pulsweiten für den HIGH und LOW Signalanteil ergeben sich aus

4 - Oszillogramme

Mit den beiden Potenziometern lassen sich die Frequenz und das Tastverhältnis der Wellenform bei astabilen Multivibrator verändern.

Poti B beeinflusst direkt den Zeitanteil des LOW-Signals. Indirekt beeinflusst es auch den Zeitanteil der auf HIGH liegt. Mit Poti A beeinflusst man entsprechend den HIGH-Anteil des Signals und indirekt den LOW Anteil.

Oszillogramme
Aufgabe	Bestimme mit Hilfe des Oszilloskops die kürzeste und längste Zeiteinheit für den LOW-Anteil des Rechtecksignals.

Oszillogramme
Aufgaben	Bestimme ebenso die kürzeste und längste Zeiteinheit für den HIGH-Anteil des Rechtecksignals. Stelle das Signal so ein, dass LOW- und HIGH-Anteile annähernd gleich lang sind (Tastverhältnis ungefähr 1 : 1).

5 - Einfacher Frequenzzähler

Im folgenden Versuch werden wir mit einem Programm arbeiten, das die Frequenz einer Rechteckimpulsfolge bestimmt. Die BASIC Stamp ist bereits mit allem ausgerüstet, um Frequenzen zu bestimmen und zusammen mit dem PBASIC Befehl count sollte das ein Kinderspiel sein.

Die BASIC Stamp erhöht den Zähler, sobald die Eingangsspannung einen Schwellenwert von 1,4V zweimal übersteigt. Dadurch lassen sich die Frequenzen periodischer Signale wie zum Beispiel einer Pulsfolge, Dreieck- oder Sinuswelle sehr leicht bestimmen. Die nachfolgende Abbildung verdeutlicht noch einmal, warum zwei Schwellenwertüberschreitungen notwendig sind. Die Zeit, in der sich eine Wellenform wiederholt, bezeichnet man als Periode oder Zyklus. Anhand der Abbildung erkennt man, dass der Schwellenwert zweimal pro Periode erreicht und über- bzw. unterschritten wird.

Einfacher Frequenzzähler
Material	wie in Übung 2 (astabiler Multivibrator). Poti A wird gegen zwei in Reihe geschaltete 2kOhm Widerstände ausgetauscht und der Elektrolytkondensator von 10µF wird gegen einen keramischen Kondensator von 0,1µF ausgetauscht.
Aufgaben	Baue die Schaltung nach Abb. 3 auf dem Steckbrett des BoE auf. Übertrage das Programm Frequenzzaehler.bs2 in den Editor und speichere es ab. Starte das Programm und bestimme, welche niedrigste und höchste Frequenz sich durch Verändern des Schleifers von Potenziometer B einstellen lassen. Lies die Werte im Terminal ab und überprüfe sie mit Hilfe eines Oszilloskopes.

Schaltungsaufbau eines einfachen Frequenzzählers

Abbildung 3 - Schaltskizze für einen Frequenzzähler

Das Programm Frequenzzaehler.bs2

Abbildung 4 - Das Programm frequenz_zaehler.bs2

Gezeigt werden in den folgenden beiden Abbildungen die Terminalausgaben für den kleinsten und den höchsten gemessenen Frequenzwert der Schaltung. Die Überprüfung mit dem Oszilloskop sollte die im Terminal angezeigten Werte gut bestätigen.

6 - Frequenzen aufzeichnen

Die mit dem Potenziometer eingestellten verschiedenen Frequenzen lassen sich mit dem modifizierten Programm Frequenzzaehler_2.bs2 als Daten im RAM der BASIC Stamp abspeichern.

Frequenzen aufzeichnen

Aufgaben

Übertrage bzw. ergänze die fehlenden Zeilen im Programm Frequenzaehler.bs2 nach Vorgabe aus Abb. 5 und speichere das neue Programm unter dem neuen Namen Frequenzzaehler_2.bs2 ab.
Starte das Programm und verändere den Position des Mittelabgriffs des Potenziometers.
Nach Abschluss der Datenaufzeichnung gibt das Programm die gespeicherten Daten im Terminal aus.
Die in Abbildung 6 gezeigte Terminalausgabe wurde dadurch erzeugt, dass der Mittelabgriff des Potenziometers schnell hin und her bewegt wurde.

Das Programm frequenz_zaehler_2.bs2

Abbildung 5 - Programm frequenz_zaehler_2.bs2

Darstellung der Aufzeichnungswerte im Terminalfenster

Wie arbeitet das Programm?

In diesem Programm wird ein Feld f deklariert, das 10 Speicher vom Typ Word im RAM-Bereich der BASIC Stamp reserviert, in dem die 10 im Sekundentakt gemessenen Daten abgelegt werden.

```
f   VAR   Word(10)
```

Die Laufvariable n wird bei jedem Schleifendurchlauf um eins erhöht; gleiches gilt für den Feldindex. Mit dem Start wird der erste Wert in das Arrayelement f(0) geladen, der zweite in das Feldelement f(1) und der letzte in f(9).

In gleicher Weise ist die Terminalausgabe strukturiert.

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