Rechteckgenerator

Ein Rechteckgenerator ist eine elektrische Schaltung zur Erzeugung einer rechteckigen Schwingung (siehe Rechteckschwingung). Die Bezeichnung wird sowohl für Geräte als auch für Schaltungsteile beziehungsweise Elektronik-Baugruppen verwendet.

Merkmale

Rechteckgeneratoren sind durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

• Frequenz bzw. Periodendauer und deren Konstanz (siehe auch Jitter)
• Tastgrad (engl. duty cycle, oft einstellbar oder veränderlich)
• Flankensteilheit; für Messzwecke und in Digitalschaltungen sind oft Anstiegs- und Abfallzeiten im Sub-Nanosekundenbereich erforderlich
• Oberer und unterer Pegel (bei Labor-Geräten oft unabhängig voneinander einstellbar, bei Digitalschaltungen idealerweise der Masse- und der Betriebsspannungs-Pegel).
• Bei Laborgeräten der Ausgangswiderstand bzw. die Quellimpedanz (oft 50 Ohm, um das Rechtecksingal verzerrungsarm über Koaxialleitungen übertragen zu können)

Anwendung

Laborgeräte

• Speisung analoger und digitaler Schaltungen zu Testzwecken
• Erzeugung von Impulsfolgen mit definierter Frequenz, Pegeln und Tastgrad

Elektronische Schaltungen (Beispiele)

• Bestandteil von Sensoren, Schaltreglern und Schaltnetzteilen zur Darstellung, Regelung oder Veränderung einer analogen Größe (z. B. Temperatur, Ausgangsspannung, Beleuchtungsstärke) anhand der Frequenz oder des Tastgrades
• meist quarzgesteuerter Taktgenerator für Quarzuhren, Prozessoren und Mikrocontroller (siehe Quarzoszillator)
• Signalgeneratoren für optische oder akustische Anzeigen
• Impulsgeneratoren u.a. in Radargeräten und Laser-Entfernungsmessgeräten

Beispiel

Die nebenstehende Schaltung ist ein Rechteckgenerator (Kippschwinger, astabiler Multivibrator) für Frequenzen im Bereich von etwa 0,1 Hz bis 500 kHz. Die erzeugte Frequenz ist etwa 1% stabil und kann durch Wahl von C und R beziehungsweise mit dem Potentiometer stark variiert werden. Die Schaltung arbeitet mit dem Baustein NE555. Die Funktion lässt sich folgendermaßen beschreiben: Solange die Spannung am Kondensator C kleiner ist als 2/3 (66%) der Betriebsspannung, wird er über R (Serienschaltung von Poti und 1-kOhm-Widerstand) aufgeladen. Die Ausgangsspannung an Pin 3 ist während dieser Zeit etwa die Betriebsspannung. Wird der 66%-Wert überschritten, kippt intern ein Flipflop um, die Ausgangsspannung sinkt auf 0 Volt und der Kondensator wird über R entladen. Sobald 1/3 (33%) der Betriebsspannung unterschritten werden, kippt das Flipflop in die ursprüngliche Position und das Spiel beginnt von vorn. Die Spannung am Kondensator hat annähernd die Form eines Dreiecks.

Mit einem Potentiometer von 20 kOhm lässt sich die erzeugte Frequenz etwa im Verhältnis 1:20 ändern. Sie ist umgekehrt proportional zur Kapazität C und zu R. Der NE555 stellt die Schaltschwellen von 1/3 und 2/3 intern mit einem Spannungsteiler aus drei Widerständen bereit. Einer der Verbindungspunkte ist herausgeführt (Pin 5). Durch eine Änderung der Spannung an Pin 5 (unbeschaltet: 2/3 der Betriebsspannung) kann man die Frequenz elektronisch ändern (Voltage controlled Oscillator). Durch eine Wechselspannung an diesem Anschluss kann man eine Frequenzmodulation erzielen („Kojak-Sirene“).