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Eine Reihe von Anwendungen elektronischer Analogrechner erfordern eine Rauschquelle - als Beispiel möge die Simulation eines schwingungsfähigen Mehrmassengebildes dienen, das einer zufälligen Anregung ausgesetzt wird (beispielsweise ein Automobil auf einer holprigen Strecke) etc. Andere Einsatzmöglichkeiten sind beispielsweise die Untersuchung von Filtern oder stochastischen Prozessen. Viele Anwendungen elektronischer Analogrechner benötigen eine gute Rauschquelle als Eingangssignal, wobei jedoch in der Regel ein stark niederfrequentes Rauschsignal notwendig ist, was geeignete Rauschquellen eher schwer erhältlich macht. Professionelle Rauschquellen verstärken beispielsweise das Nyquistrauschen eines Widerstandes oder das Rauschen an einem vorgespannten PN-Übergang, mischen dieses Signal mit einer Festfrequenz (meist etwa 300 kHz), um einen Zwischenfrequenz zu erzeugen, die dann verstärkt und gefiltert wird. Wenn man sich die Schaltungen professioneller Rauschgeneratoren wie beispielsweise des Wandel und Goltermann RG-1 ansieht, wird klar, dass der Bau eines guten Rauschgenerators eine echte Herausforderung darstellt und sicherlich nicht an einem Bastelwochenende erledigt ist. Glücklicherweise habe ich einen Wandel und Goltermann RG-1 Rauschgenerator, der im Grunde genommen ideal als Rauschquelle für meine Analogrechner geeignet ist. Das einzige zu lösende Problem ist der Frequenzbereich des Gerätes, der mit bis zu 100 kHz viel zu hochfrequent ist, um direkt verwendet werden zu können. Was ich benötige, ist Rauschen mit Frequenzen zwischen 0 Hz und
Offensichtlich musste also ein Tiefpassfilter gebaut werden, das entsprechend einstellbar ist, um diese Frequenzbereiche darstellen zu können. Hierbei entschied ich mich, ein Switched-Capacitor-Filter einzusetzen, dessen Bandbreite einfach gesteuert werden kann. Eingesetzt wurde der MAXIM-Baustein MAX293 - ein elliptischen Tiefpassfilter achter Ordnung, das zu seiner Ansteuerung ledigich ein TTL-Taktsignal von hundertfacher Cut-Off-Frequenz benötigt. |
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Das Bild auf der linken Seite zeigt die Gesamtschaltung des
fertiggestellten Tiefpassfilters, das aus folgenden Teilen besteht:
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| Die Stromversorgung gestaltet sich ausgesprochen einfach, da die Karte in einem 19-Zoll-Einschub betrieben wird, der bereits über die nötigen Versorgungsspannungen verfügt (+/-15 V, +5 V, +/-10 V). Die benötigten Spannungen von +/-5 V für den Filterbaustein werden aus den Spannungen +/-15 V mit Hilfe zweier Festspannungsregulatoren abgeleitet. |
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Der Taktgenerator muss im Stande sein, acht verschiedene Frequenzen zu liefern, die jeweils dem einhundertfachen der oberen Grenzfrequenz des Filters entsprechen. Aus Gründen der Einfachheit entschied ich mich, einen Funktionsgeneratorbaustein des Typs XR2206 zu verwenden, dessen Einbettung in die Gesamtschaltung das folgende Bild zeigt:
Das eigentliche Filter zeigt das nächste Schaltbild. Das Eingangssignal des RG-1 kann mit Hilfe eines 600 Ohm-Widerstandes terminiert werden. Danach steuert es zunächst ein Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 5 kHz an, bevor es das variable Filter MAX293 erreicht. Dieser Baustein enthält einen eigenen Ausgangsverstärker, mit dessen Hilfe ein zweites 5 kHz-Tiefpassfilter aufgebaut wurde. Dessen Ausgangssignal steuert in der Folge einen nicht-invertierenden Verstärker mit einer Verstärkung von etwa 10 (11, um genau zu sein) an, der darüberhinaus mit einem Driftkompensationssignal versorgt wird (der Filterbaustein erzeugt eine nicht zu vernachlässigende Drift). Der Ausgang dieses Verstärkers dient in der Folge als Eingangssignal eines Spannungsteilers, dessen Ausgang den eigentlichen Ausgangsverstärker ansteuert.
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Die Frontplatte des Filters ist auf dem Bild rechts zu sehen. Von links
nach rechts befinden sich hier die folgenden Bedienelemente:
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Das Bild zur Linken zeigt das Spektrum des Ausgangssignals des Filters, das mit einem 100 kHz Rauschsignal eines Wandel und Goltermann RG-1 Rauschgenerators angesteuert wurde, wobei die Filterbandbreite auf 1 Hz eingestellt war. Die Haarlinie des Spektrumanalysators ist auf 1 Hz eingestellt und die Steilheit des Filters ist nahezu unglaublich. |