Art-of-Electronics

Projekte und Beiträge

• Echte Zufallszahlen aus einem Transistorrauschen erzeugen
• Simulation eines Delta-Sigma-ADC
• Gute Masse – gute Messung
• Millivoltgeber mit Uralt-Opamp 741
• Was kann ein Referenzspannungsmodul für 20€ bieten?
• ADR9833-Funktionsgenerator

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6.9.2025

Echte Zufallszahlen aus einem Transistorrauschen erzeugen

Chiquadrat-Test prüft auf Gleichverteilung

Nein, das ist kein wissenschaftliches Projekt, aber ein Projekt der besonderen Art.
Es handelt sich um einen Baubericht mit allen Informationen, die gebraucht werden, um einen Zufallszahlengenerator zu bauen, der ein weisses Rauschen erzeugt, echte Zufallszahlen generiert und mit einer Erweiterung auch als Würfel mit bis zu 17 Seiten verwendet werden kann – so wie er in manchen Spielen heute eingesetzt wird.

Da das Projekt einigermaßen umfangreich ist, habe ich die Bauanleitung in ein PDF zum Download hinein gepackt. Dazu kommen die Arduino Sketche und weitere Informa-tionen, die hier für Dich bereit liegen.

Platine für dieses Projekt
Wie schon bei anderen Projekten: Ich habe einige Platinen anfertigen lassen, die ich gerne anbiete, um Euch den Nachbau zu erleichtern. Eine Platine kostet bei aktuellem $-Preis 14,50 € + 1,50 € für den Versand. Bitte einfach anfragen bei dl1mkp(at)darc.de

Hier nun die Dokumente zum Projekt:

• [1] Aufbauanleitung
• [2] Rauschsignal auf dem Oszilloskop, korrekte Einstellung (unter [4] verfügbar)
• [3] BOM: Materialliste
• [4] Arduino-Sketches: Da ich SPAM-Probleme hatte, die meine Seite lahmlegten, ist hierfür eine Anmeldung nötig. Daten werden grundsätzlich nicht weiter gegeben.
  
  Das Video [2] ist eine .mov-Datei. Bei Bedarf bitte konvertieren.

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Simulation eines Delta-Sigma-ADC

Spricht man mit erfahrenen Elektronikentwicklern, so kennt fast jeder den ∆∑-ADC. Er ist inzwischen einer der meist gefragten Analog-Digital-Wandler der heutigen Messtechnik und auch für den Hobbyisten günstig zu erwerben.

Fragt man dnn genauer nach, wie der Delta-Sigma-Wandler funktioniert, kann kaum jemand „aus dem Stand“ heraus eine klare, überzeugende Erklärung liefern. Schaut man in Lehrbüchern und auf Elektronikplattformen nach, sieht man oftmals eine lange Kette von Gleichungen, so nach dem Motto „wie man sofort sieht, gilt hier…“ und das ist meistens nicht der Fall. Man sieht gar nichts sofort und auch nicht ohne Erklärungen.

Analog Devices – sie seien dafür gelobt – hat ein Tutorial erstellt (siehe Links) und geht in der Einführung darauf ein, dass der ∆∑-ADC schlichtweg als „kontra – intuitiv“ gelten müsse. Er nutzt analoge und digitale Komponenten und man versteht eben nicht sofort, wie diese – im Prinzip recht unkomplizierte – Schaltung so gute Ergebnisse produziert, dass sie heute für viele Fälle als optimale Technologie angesehen wird.

Schauen wir uns mal das Blockschaltbild an und diskutieren es:

Wir sehen ganz links den Eingang für das zu messende Signal (hier „Input 1 V“) an einem OpAmp „∆“. Sein Ausgang „Out 1“ führt auf den Eingang eines Integrators, den wir uns hier als kurzfristigen Ergebnisspeicher für „Out 1“ vorstellen dürfen. Sein Ausgang „Out 2“ führt auf einen OpAmp, der immer dann, wenn er ein Signal > 0 Volt angeboten bekommt, eine logische 1 an den DAC liefert, bei negativem Eingangspotential eine „0“. Der DAC verdient seinen Namen eigentlich nicht. Er ist nicht viel mehr, als ein Schalter, der bei logischer 0 an „Out 3“ die negative Referenzspannung, also – 2,5 V an seinem Ausgang „Out 4“ liefert, bei logischer „1“ liefert er + 2,5 V.

Und das war’s – prinzipiell – auch schon.

Mein Anspruch hier ist nicht, die sehr exakten, mathematisch durchgearbeiteten Aufsätze zu kopieren, die ihr in den untenstehenden Links findet. Hier geht’s mir um ein grundsätzliches Verständnis und darum, die Simulationssoftware zu erklären, die ihr auf meinem GitHub-Repository findet (Link siehe unten).

Wir schauen uns jetzt einfach an, wie die Schaltung arbeitet. Die Ergebnisse habe ich in der Tabelle für die ersten sechs Arbeitsschritte zusammen gefasst.

Wir gehen von 1 Volt zu messender Spannung aus. Wir nehmen an, dass der Ausgang des DAC auf Null liegt. Also haben wir an Out 1 ebenfalls 1 V, der Integrator (unser Sigma) übernimmt das 1 V in seinen „Speicher“ (…kondensator), womit Out 2 und Out 3 auch bei 1V sind. Der DAC sieht positive Spannung und legt + 2,5 V an den invertierenden Eingang des OpAmp.

Wir kommen jetzt zu Schritt 2. Die +2,5 V werden am Eingangs-OpAmp (unserem Delta) von der Eingangsspannung 1 V abgezogen und so kommt Out 1 zu seinen -1,5 V. Der Zyklus wiederholt sich. In der Praxis mit sehr hoher Frequenz, denn dieser sehr einfache Ablauf bringt die Stärke mit sich, dass er sehr oft und recht schnell ablaufen kann. So kommt der ∆∑-ADC zu seiner Auflösung und seinem Tempo.

Vollziehe gerne die Schritte bis Nr 6 nach. Einfacher ist das allerdings, wenn du mein Python-Skript von GitHub runter ziehst. Ich denke, es ist selbsterklärend. Um es nicht allzu sehr zu überfrachten, habe ich auf allen Schnickschnack verzichtet und „messe“ damit Spannungen < 2 Volt. Die Höhe der Referenzspannung ist weitgehend unkritisch. Du kannst z.B. 2 oder 3 Volt nehmen.

Spannend ist, dem Wandler bei der Arbeit zu zu schauen. Deswegen habe ich eine Grafik integriert, die dir zeigt, nach wie vielen Schritten der simulierte Wandler sich wie weit an den Messwert heran gearbeitet hat. Wenig erstaunlich: Will man genau messen, braucht man mehr Schritte 🙂 Und natürlich haben wir jetzt nur den Kern des ∆∑-ADC simuliert. Es gibt noch viele, viele Aspekte, die eine Rolle spielen, wie z.B. das nachgeschaltete digitale Filter, das wir hier gar nicht betrachten.

Schauen wir die ∆∑-ADC bei der Arbeit zu und stauen, wie schnell er ein recht gutes Ergebnis findet, in diesem Fall schon nach 100 Schritten:

Die zu messende Spannung war 1.55 V. Nach 100 Schritten (Zählung beginnt bei 0), war der Output der Ergebnisliste ab Schritt 90 bis Schritt 99:

90 Out1= -0.4500 | Out2= 1.0500 | Out3= 1.0000 | Out4= 2.0000 | Messw= 1.5778
91 Out1= -0.4500 | Out2= 0.6000 | Out3= 1.0000 | Out4= 2.0000 | Messw= 1.5824
92 Out1= -0.4500 | Out2= 0.1500 | Out3= 1.0000 | Out4= 2.0000 | Messw= 1.5870
93 Out1= -0.4500 | Out2= -0.3000 | Out3= 0.0000 | Out4= -2.0000 | Messw= 1.5484
94 Out1= 3.5500 | Out2= 3.2500 | Out3= 1.0000 | Out4= 2.0000 | Messw= 1.5532
95 Out1= -0.4500 | Out2= 2.8000 | Out3= 1.0000 | Out4= 2.0000 | Messw= 1.5579
96 Out1= -0.4500 | Out2= 2.3500 | Out3= 1.0000 | Out4= 2.0000 | Messw= 1.5625
97 Out1= -0.4500 | Out2= 1.9000 | Out3= 1.0000 | Out4= 2.0000 | Messw= 1.5670
98 Out1= -0.4500 | Out2= 1.4500 | Out3= 1.0000 | Out4= 2.0000 | Messw= 1.5714
99 Out1= -0.4500 | Out2= 1.0000 | Out3= 1.0000 | Out4= 2.0000 | Messw= 1.5758

Out1= -0.4500 | Out2= 1.0000 | Out3= 1.0000 | Out4= 2.0000 | Messergebnis= 1.5600

Simulation abgeschlossen

Wir liegen also 0,01 V über dem „wahren Messwert“.

Um den Messwert zu erhalten, wird der Wert „Out 4“, also der Ausgang des DAC, nach jedem Schritt aufsummiert und davon der Mittelwert gebildet.

Hier der Zugang zu meinem Python-Skript:
https://github.com/michael5411/Delta-Sigma-Converter-Simulation

Lesenswerte, weiterführende Beiträge sind hier zu finden:
https://youtu.be/NrkFd7h6R2Y

Dieses Tutorial bildet die Grundlage für meinen Beitrag:
https://www.analog.com/en/resources/interactive-design-tools/sigma-delta-adc-tutorial.html

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5.11.2024

Gute Masse – gute Messung

Diese Erfahrung hat sicher jeder von uns schon einmal gemacht: Man führt eine Messung durch, an der mehrere Geräte beteiligt sind. Ein Bananenstecker kommt zum nächsten, Brummschleifen bilden sich von ganz alleine und zum Schluss hat man ein Messergebnis, das hin und her „zittert“, bevor überhaupt der Prüfling angeschlossen ist.

Der Spruch „Wer mißt, mißt Mist“ kommt einem direkt in den Sinn. Nach einem solchen Erlebnis habe ich für den Potentialausgleich die gezeigte Box auf einer Kupferplatte aufgebaut. Nachdem ich feststellen konnte, dass immer noch ein messbarer Widerstand (0,02Ω) zwischen der Polklemme und einzelnen Buchsen bestand, habe ich auf der Rückseite nochmal alle Buchsen miteinander und der Polklemme mit 1,5 mm² Cu-Installationsdraht verbunden. Jetzt ist mit meinem DVM kein Widerstand mehr messbar – auch nicht mit der Kelvin-Messleitung.

Die Box kann ich als kleine Bastelarbeit wärmstens empfehlen. Bei mir gibt es noch einen sog. „Tiefenerder“ in der Elektroinstallation. Der wird auch noch angeschlossen.

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24.Okt 2024

Millivoltgeber mit Uralt-Opamp 741

Dipl-Ing Bernd Schädler

Die hier gezeigte „Mikro“-Schaltung eignet sich gut, um besonders kleine Spannungen im mV-Bereich zu erzeugen, sei es für Offsetfunktionen z.B. für 4-fach OpAmps, bei denen es gewöhnlich keine Offset-Einstellmöglichkeit gibt oder auch für Schaltungen, bei denen mit sehr kleinen Spannungen hantiert werden muß, Thermoelemente etc. Neu ist die Idee nicht, doch habe ich bisher keine vergleichbare Schaltung gesehen.

Das Konzept ist einfach: Ein OpAmp-Puffer mit Trimmpoti zur Offsettrimmung, dessen pos. Eingang auf Masse liegt.

Der OpAmp -Typ 741 wurde gewählt, weil damit (je nach Hersteller) Ausgangsspan-nungen im Bereich von +/- 5mV bis +/-15mV möglich sind.

Der von mir getestete Typ (Texas Instruments) zeigte unsymmetrisches Verhalten und
ließ sich von ca -5mV bis ca +8mV trimmen. Der Einfluss der Versorgungsspannungen auf die Ausgangsspannung betrug bei einer Änderung der Versorgungsspannung (+/-12V) um 1V im pos. oder neg. Bereich weniger als 100μV.  Hierzu finden sich Angaben im Datenblatt.

Grundsätzlich kann auch jeder andere OpAmp mit Offset-Trimmanschlüssen verwendet werden. Es sind Ausgangsspannungen bis in den µV-Bereich möglich!

Bitte beachten, daß nicht alle OpAmps die gleiche Beschaltung wie der 741 haben! Das Datenblatt gibt darüber Aufschluß.

Wer etwas höhere Spannungen benötigt, kann auch auf die Grundschaltung eines nichtinvertierenden OpAmp-Verstärkers zurückgreifen, hier also den pos. OpAmp-Eingang auf Masse legen, einen Widerstand (R1) vom Ausgang zum negativen Opamp-Eingang und einen weiteren (R2) vom neg. OpAmp-Eingang zur Masse (Rechte Abbildung). Die Ausgangsspannung ergibt sich zu Uout = Offset x (1+ R1/R2)

Wunder an Stabilität und Konstanz über Temperatur darf man natürlich nicht erwarten. Hier spielt der verwendete OpAmp die erste Geige, ein Blick in das Datenblatt gibt auch hier wieder Aufschluß. Einfach auf Tauglichkeit testen! 

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17.Mai 2024

Was kann ein Referenzspannungs-modul für 20€ bieten?

Die Aussage: „Wer misst, misst Mist“, hat jeder der misst, häufiger schon gehört. Und wir teilen wahrscheinlich die Erfahrung, dass Messgeräte eben auch altern, mal einen Fehler haben und Unsinn anzeigen. Das kann ärgerlich sein, eventuell sogar riskant.

Jedes Messgerät sollte regelmässig sorgfältig überprüft und ggfls. kalibriert werden. Beim professionellen Einsatz ist das ohnehin durch Vorschriften geregelt.

Welche Geräte sollte man kalibrieren?

Grundsätzlich kommt jedes Messgerät in Frage. Inzwischen kalibriere ich jährlich einmal „zwischen den Jahren“ meine DVMs, Hand- und Tischgeräte, prüfe die analogen Anzeigeinstrumente, überprüfe die Einbau-DVMs z.B. in Netzgeräten und Anzeigen.

Die klassischen DVMs haben fast immer ein kleines Poti oder 10-Gangtrimmer dazu. Labor-DVMs werden per Software abgeglichen, wobei man das mit viel Ruhe und Handbuchlektüre erst einmal erproben soll. Es kann „tricky“ sein.

Aber auch Oszillographen sollten im DC-Bereich korrekte Werte anzeigen und bieten entsprechende Abgleichmöglichkeiten an. Genial finde ich immer noch die Abgleich- möglichkeit in den 7000er-Vertikalverstärkern, direkt an der Frontseite ohne jeden Eingriff ins Gerät und instantan machbar. Da hatte mal jemand eine echt gute Idee.

Das getestete Modul

Soviel vorab: Durch Einsatz des hochwertigen AD584KH bekommt man ein brauchba-res Teil für wenig Geld. Man sollte jedoch ein paar Details genauer kennen.

Dies ist umso wichtiger, als vom Hersteller – auch nach mehrfacher Nachfrage über verschiedene Kanäle – keinerlei technische Information verfügbar ist. Sehr schade ;-(

Um die Qualität des Moduls systematisch zu erkunden, habe ich insgesamt rund 4000 Messungen mit einem eigens dafür entworfenen Messprogramm auf HPIB-Geräten durchgeführt und diese Messungen ausgewertet. Davon später mehr.

AD584KH – eine gute Wahl

Es gibt von Analog Devices eine ganze Reihe erstklassiger Chips. Der AD584KH ist der bessere der beiden „Geschwister“. Sein kleines Schwesterchen, der AD584J hat den zweifachen Temperaturdrift: 30ppm/°C. Der AD584K („H“ bezeichnet die Gehäuseform TO-99/H-08) bietet 15 ppm/°C im Bereich 0°C … 70°C.

Eigentliches Herz ist eine 1,215 V band gap Referenz. Das Datenblatt zeigt sehr schön, wie die Ausgangsspannungen 2,5 / 5,0 / 7,5 / 10,0 Volt gewonnen werden und welche Applikationsmöglichkeiten es sonst noch gibt. Empfehlenswerte Lektüre: AD584

Das Rauschen im Frequenzband 0,1 – 10 Hz liegt bei 50 µVpp. Was den Punkt „Rauschen und Störsignale“ angeht, gibt es weiter unten noch Besonderheiten.

Ohne jede Frage: Der Chip ist gut geeignet als Referenz für ADC/ DAC- Anwendungen bis zu 14 Bit Auflösung. Allerdings nur, wenn auch wirklich dieser Chip eingebaut wurde und nicht ein Billig-Ersatzchip, wie man ihn z.B. bei SSD-Speichern leider findet.

Deswegen war es mir auch wichtig, durch die einigermassen auswändigen Messungen sicher zu gehen: Der Einsatz ist bedenkenlos möglich. Soviel vorab: In diesem Punkt wurde ich nicht enttäuscht. Ich habe 2 Module erfolgreich getestet.
Es gibt viele Angebote im Netz. Hier habe ich eingekauft: 4-fach Referenzmodul

Das Modul – und seine Eigenheiten

Das Modul verfügt über einen Einschalter an der Seite. Sobald man den Akku via USB aufgeladen hat, leuchtet beim Einschalten die rechte LED für die Spannung „10 Volt“. Mit einem etwas hakeligen Minitaster kann man zwischen 2,5V, 5V, 7,5V und 10V wählen. Eine von 4 LEDs leuchtet auf, die Spannung steht zur Verfügung. Der maximale Strom beim AD584KH sind 10 mA. Soweit meine Messungen zeigen, liegt kein Buffer Op-Amp zwischen AD584 und dem Ausgang. Das Datenblatt zeigt ganz genau den Zusammen-hang zwischen Laststrom und Ausgangsspannung.

Man fragt sich – weil man keine Schaltung hat – wie denn wohl die Betriebsspannung für den AD584 zustande kommt, denn 3,7 V vom Akku sind nun mal zu wenig. Richtig geraten: Es gibt einen Step-Up Wandler in der Box. Und der erzeugt erwartungsgemäss auch ein hochfrequentes Störsignal:

Bei dieser Messung war das Modul im Akkubetrieb, ohne dass gleichzeitig aufgeladen wurde. Wenn man zugleich noch auflädt, bekommt man weitere Störungen dazu, die vom Ladegerät stammen. Also bitte erst aufladen, dann nutzen. Der Akku hält einen halben Tag problemlos durch.

Automatisiertes Messverfahren

Als elektronischer Grufti schwöre ich immer noch (seit ca. 1975) auf HP488-bestückte Messgeräte. Natürlich ist heute alles viel doller, schneller, größer, schöner usw. Juckt mich aber grad mal gar nicht.

Im Vordergrund sind die beiden Module zu sehen. Dahinter mein bewährter 8-Channel Multiplexer, aufgebaut mit Arduino und verbunden via COM4-Port. Das messende Voltmeter ist ein HP34401. Dies ist ein 6 1/2-stelliges DVM, das vor rund einem Jahr zuletzt geeicht wurde. Nach einer Stunde Aufwärmzeit darf es als stabil gelten.

In einem späteren Post werde ich euch von meinem besten Freund und bis heute noch aktiven Elektronikprofi Bernd S. berichten, der ein phantastisches Händchen für Mess-technik hat. Sein ganzes Ingenieurleben hat er in der Messtechnik verbracht. Bernd hat eine unglaublich stabile und nahezu perfekte Referenzspannungsquelle gezaubert, von der ich das Glück habe, ein Exemplar zu besitzen. Die Pointe: In einer Langzeitmessung mit diesem Gerät und dem HP34401 ließ ich 50.000 Messungen in 2023 automatisiert ablaufen und hatte dabei zuletzt nur noch eine Drift im Bereich von < 5µV. Und das bedeutet: Hier ist ein Teil der Drift vom HP34401, der andere Teil von der Quelle!

Für eine non-professional Arbeit scheint mir das richtig gut. Und schließe auch daraus: Das DVM ist wohl einigermassen gut in Form – die Kalibrierung „hält noch“.

Da ich beim letzten Mal schon mehrfach Anfragen nach Messprotokollen hatte, werde ich diesmal mein komplettes, wenn auch etwas sperriges Protokoll der Menschheit zur Verfügung stellen, auch die Messprogramme mit Python unter Einsatz von pyVISA.
Ich hoffe, es kommen dann nicht zu viele Detailfragen 🙂 Hier die Kurzfassung.

Messergebnisse

Das ist dann doch immer der interessanteste Teil. Die kleinen Module waren recht brav und haben Spass gemacht. Meine Ergebnisse (für eine der Spannungen: 2,5 Volt):

Referenzspannung 2,5 Volt

Die Auswertung „abw1 [mV]“ zeigt die Abweichung des linken Moduls vom Idealwert „2,5V“ und den zeitlichen Verlauf (von links nach rechts) über ca. 120 Minuten. Man erkennt einen Drift von ca. 0,015 mV bei beiden Modulen. „abw1 [mV]“ bezieht sich auf das rechte Modul. Man sieht: Das entspricht exakt dem Datenblatt.

Erfreulich, dass beide AD584K deutlich besser abschneiden, als sie es gemäss des Datenblattes müssten! Das Datenblatt zeigt (Rev C., Seite 3) für 2,5 V Ausgangs-spannung eine maximal mögliche Abweichung ab Werk bis zu +/- 3,5 mV. Das scheint mir ein klarer Hinweis, dass hier Originalteile verwendet wurden.

Hier noch eine Übersicht, welche Fehlerbalken man in diese Grafik einfügen muss, um mögliche Fehler des HP34401 zu erfassen:

Gesamtauswertung der Messungen für 2,5 Volt

Hier sieht man den Mittelwert aller Messungen bei 2,5 Volt für das linke Modul (mwert1) und das rechte Modul (mwert2). Rechts daneben der Mittelwert der Abweichung über die Zeit (siehe Grafiken oben) für beide Module. Interessant: Das rechte Modul wies ins- gesamt nur die Hälfte der Abweichung vom Idealwert auf, als das andere Modul.

Die tatsächliche Drift lag jeweils um die 20 ppm, was teils der leicht schwankenden Umgebungstemperatur geschuldet sein dürfte, teils evtl. vom DVM herrührt.

Untereinander lagen die Module im Mittel um 2,3 mV auseinander. Es hätten maximal bis 7 mV sein können, wenn ein Modul +3,5 mV, das andere – 3,5 mV aufgewiesen hätte.

FAZIT

Es scheint so, dass zumindest meine „Stichprobe“ von zwei Referenz-Modulen sich als Treffer erwiesen hat. Ein anderes Modul mit anderen Eigenschaften aber ansonsten ganz ähnlich, hat vergleichbare Werte geliefert. Weit „getoppt“ wird es vom Eigenbau meines Freundes, der versprochen hat, dass er das Projekt hier vorstellt.

Somit kann guten Gewissens raten, die 20 – 25 € für ein solches Modul zu investieren.
Man findet es überall auf den bekannten Plattformen oder hier: 4-fach Referenzmodul

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5.April 2024

AD9833-Funktionsgenerator

Jeder Elektroniker hat einen oder mehrere Signalgeneratoren in seinem Bestand. Es liegt nahe, ein mobiles Gerät zu nutzen, das einfach zu bedienen ist, mit einem Frequenzbereich von typisch 1 Hz bis 3 MHz und mehreren Signalformen.

Ganz prima wäre es, wenn man solch ein Gerät vom Rechner aus steuern könnte, zwecks Automatisierung oder um einen Sweep vorzunehmen.

So fand ich dieses fernöstliche Modul >Signalgenerator, AD9833< dessen Beschreibung ganz gut aussieht – wenn man beim Lesen der Beschreibung nicht allzu kleinlich ist. 50 € sind zwar auch Geld, aber das Risiko hält sich in Grenzen, zumal Rückgaberecht besteht. Für den AD9833 gibt es eine ausführliche und lesenswerte Beschreibung: AD9833 datasheet von Analog Devices.

Das Gerät wurde in ein kleines Pultgehäuse eingebaut und erhielt eine eigene Stromversorgung (dazu später mehr in einem anderen Beitrag auf AoE-Blog).

Inzwischen liefern auch fernöstliche Hersteller fast immer eine Dokumentation auf Anfrage, ab und zu recht ausführlich und inklusive Schaltplänen. Zu diesem Gerät gibt es keine Unterlagen, auch nicht nachdem Amazon beim Hersteller VIKYE nachgefragt hatte. Dies hat zu manch unnötigen Umwegen geführt.

Das Gerät funktionierte auf Anhieb und ist intuitiv ganz gut zu bedienen. An den Touchscreen gewöhnt man sich schnell, auch an seine Eigenheiten. Weil die Bedienung per Finger bei mir gar nicht gut funktionierte, habe ich mir einen Kunststoffstift besorgt, mit dem es fast perfekt funktioniert.

Das Gerät liefert ein Sinussignal zwischen 1 Hz und 3 MHz. In der Beschreibung steht zwar “DC – 3 MHz“, aber das ist natürlich falsch. Rechtecksignal und Dreieck können zwischen 1 Hz und 1 MHz gewählt werden.

Das Rechtecksignal kommt mit einer Amplitude von ca. 3 Vpp, die anderen Signale mit 0,6 Vpp. Man braucht folglich einen einfachen Singlerail-OpAmp für die Nachverstärkung und um eine optimale Ausgangsimpedanz zu erreichen. Dafür reicht der MCP602 völlig aus.

Technische Beschreibung und Wirklichkeit
Immer interessant: Wie weit stimmt die Beschreibung in „Pidgin-Deutsch“ mit der Wahrheit überein? Tatsächlich ist die Benutzeroberfläche so gut wie selbsterklärend. Aber da ist dann noch die Information:

„Der Funktionssignalgenerator ermöglicht die Kommunikation mit dem PC über die TYP C-Schnittstelle, um Host-Computer-Software bereitzustellen.“

Diese Schnittstelle mag es möglicherweise geben – keine Ahnung, ob das so ist. Selbstverständlich habe ich über meinen Rechner mit jeder nur vorstellbaren Einstellung der USB-RS232C-Schnittstelle experimentiert, um mit dem Modul in Verbindung zu kommen. Hätte es eine Anleitung gegeben … siehe oben.

Bei keiner von über 50 Einstellmöglichkeiten (Baudrate, Stopbits, RTS etc etc) meldete sich das Modul, auch 50-fach „Power on/ off“ brachte nichts … bis ich dann mit dem Entschluss aufgab, einen steuerbaren Generator selbst zu bauen (auch davon später hier im AoE-Blog). Also ist das entweder nur Fake, um das Modul attraktiver aussehen zu lassen oder es wurden Einstellungen gewählt, die nicht von dieser Welt sind. Oder mein Modul hat da einen Defekt?

In diesem Punkt: 100 % Enttäuschung – das war keine schöne Erfahrung. Niemand kann/ will etwas dazu sagen. Im Netz ist auch nichts zu finden.

Eine weitere Verunsicherung bietet die Benutzeroberfläche: Sie zeigt eine Auswahl zwischen dem AD9833 und dem AD9834. Wenn man den AD9834 auswählt, kann man alle Funktionen ganz normal anklicken … nur passiert absolut gar nichts. Es gibt kein Ausgangssignal. Hier hat der Programmierer wohl den AD9834 antizipiert … kommt vielleicht irgendwann einmal. Diesen Punkt einfach ignorieren.

Messergebnisse
Der AD9833 ist für einen Frequenzbereich von 0,1 Hz … 12,5 MHz ausgelegt, weswegen es mich interessiert hat, warum dieses Modul nur einen Teil dieses Bereiches abdeckt und welche Qualität die gelieferten Ausgangssignale haben. Denn letztlich willst du mit diesen Signalen bei deinen Experimenten arbeiten.

Sinus
Im Bereich ab 10 Hz bekommt man ein sauberes Signal, ab 100 kHz sind DDS-Artefakte zu erkennen. Oberhalb von 1 MHz wird es dann schlimmer, bei 3 MHz ist komplett Feierabend. Dieses Signal ist stark verformt.

Schwierig wird es auch unterhalb von 10 Hz. Bei 1 Hz ist das Ausgangssignal im Bereich von 50 mV (!) und stark mit Rauschen überlagert. Ja – man kann natürlich ein Filter nachschalten, aber das ist nicht Sinn eines Generators.

Bei höheren Frequenzen steigt die Amplitude an und ist bei 50 Hz schon auf 600 mV mit kaum meßbaren Störungen. Wo genau was in der Schaltung passiert lässt sich nicht feststellen, denn es gibt – wie schon gesagt – keine Unterlagen.

Rechteck
Diese Signalform bringt eine Amplitude von mindestens 3 Vpp laut Datenblatt, bei mir 3,8 Vpp. Das Signal kommt bis 100 Hz als teils differenzierter Rechteck daher … da ist wohl ein RC-Glied dazwischen – und wird in Richtung 1 kHz besser. So bleibt es bis 1MHz. Die „schrägen Dächer“ sind natürlich nicht so toll. Da nimmst du bei niedrigen Frequenzen besser den Sinusausgang und hängst dir einen sauberen Schmitt-Trigger dahinter. Unterhalb von 100 Hz ist das Rechtecksignal nur in Ausnahmefällen zu gebrauchen.

Dreieck
Der Dreiecksbereich hat einen m.E. nutzbaren Frequenzbereich von 500 Hz bis 500 kHz. Unterhalb von 500 Hz sind die Dreiecksflanken „verschliffen“ – wieder mal das RC-Glied – oberhalb von 100 kHz nehmen die Verformungen und DDS-Artefakte immer mehr zu … bei 500 kHz ist kein Dreieck mehr zu erkennen.

Sweep-Funktion
Ganz praktisch ist die SWEEP-Funktion, die von einer niedrigeren zu einer höheren Frequenz mit wählbarem Schrittabstand alle Frequenzen durchlaufen lässt. Da es dafür keinen Triggerausgang gibt – das wäre natürlich cool gewesen – ist es nicht ganz einfach, damit einen Hochpass, Tiefpass, Bandpass zu testen.

In meinem Lab behelfe ich mir mit einer einfachen Triggerhilfe, die über „ext. Trigger“ die Ablenkung auf meinem Oszi startet, sobald ich den Sweep am Modul manuell starte. Das ist nicht elegant, erfüllt aber seinen Zweck.

Wie schnell der Sweep abläuft, wird nur durch die vorgewählten Frequenzschritte bestimmt. Auch das leider nicht völlig optimal. Hier ein Beispiel für einen Sweep von 10 Hz – 20 kHz mit drei verschiedenen Frequenzsprüngen. Die Zeitangaben stammen von der Stoppuhr.

Frequenzsprung jeweils	Zeit
100 Hz	~ 1 s
10 Hz	~ 5 s
1 Hz	~ 42 s

Referenzsignal verfügbar
Da das Referenzsignal heraus geführt ist, bekommt man einen Rechteckgenerator mit 25 MHz als Zugabe. Man kann zwar die Frequenz des Referenzsignales wählen, wie im nächsten Abschnitt gezeigt. Diese Einstellung verändert aber nicht die Frequenz des heraus geführten Clocksignales.

Referenzfrequenz verändern
Die Standard-Referenzfrequenz für die DDS-Synthese ist 25 MHz. Aber: Die Bedien-oberfläche erlaubt, die Referenzfrequenz zu verändern.

Wenn man z.B. die Referenzfrequenz auf 10 MHz eingestellt hat, dann erhöht sich die Ausgangsfrequenz um den Faktor 25/10 = 2,5. Wenn du eine Ausgangsfrequenz von 100 kHz einstellst, bekommst du 250 kHz.

Anderes Beispiel mit dem Faktor 10: Du stellst als Referenz 2,5 MHz ein. Er liefert dir die 10-fache Ausgangsfrequenz. Aus 500 kHz werden 5 MHz (liegt in den Specs des Chips, aber nicht des Modules). Das Signal ist nicht optimal. Wenn du es auf die Spitze treibst und 1 MHz eingibst, dann liefert er ein grottenschlechtes Signal von ca. 7,5 MHz. Es sind keine 10 MHz, weil das Signal kein Rechteck mehr ist.

Niedrigere Referenzfrequenz wählen
Jetzt die spannende Frage: Wenn ich jetzt so tue, als hätte ich eine Referenz-frequenz von z.B. 75 MHz – was passiert? Tatsächlich: Das Userinterface nimmt diese eigentlich unmögliche Referenzfrequenz als Rechengrösse an und teilt ganz einfach die eingestellte Frequenz durch 3.

Wenn du also 250 MHz als Referenzfrequenz eingibst – was passiert dann? Auch damit ist er einverstanden und teilt durch 10. Kann ich meinen AD9833 damit auch überzeugen, mit einer Periode von 0,1 s einen Rechteck zu erzeugen, obwohl das doch eigentlich nicht vorgesehen ist?

JA – liebe Hacker – das geht tatsächlich. Aber ein Rechteck ist leider wieder nur ein differenziertes Signal (siehe oben), weil der Output nicht statisch auf 3 V hoch geht und nach 10s auf 0 V, sondern er macht einen „Peak“ nach oben und 10s später einen „Peak“ nach unten. Nutzen kann man das, optimal ist es wohl eher nicht.

Das Datenblatt erklärt dazu im Detail, wie man Frequenzen ganz exakt einstellen kann, indem man die optimale Kombination aus Referenzfrequenz und Frequenzeinstellung wählt. Dazu braucht man direkten Zugriff auf die Register des recht leistungsfähigen AD9833.

Ungenutzte Möglichkeiten
Ein Blick in das AD9833 Datasheet offenbar auch, dass der Baustein nicht nur einen, sondern gleich zwei baugleiche Generatoren enthält. Über die Register kann jeder Generator programmiert werden und sogar die Phasenlage der beiden Signale zueinander kann dort definiert werden. Das eröffnet eine Fülle von Möglichkeiten, von denen der Nutzer dieses kleinen Moduls nichts mitbekommt.

Fazit
Auch wenn hier Kritik anklingt, so ist für meinen Geschmack das Preis-/ Leistungs-verhältnis dieses Moduls in Ordnung. Es läuft zuverlässig, begnügt sich mit weniger als 100 mA bei 5V und wird im Rahmen seiner Möglichkeiten eingesetzt. Man kann nicht viel falsch machen und hat mit wenig Aufwand ein funktionierendes Gerät.

Ausblick
Es hat aber auch dazu geführt, dass ich ein weiteres AD9833-Modul für ein paar €uro eingekauft habe, mit dem ein Generator entstanden ist, der die Möglichkeiten des AD9833 ausschöpft und viel mehr Möglichkeiten bietet. Vor allem war mir die Integration in meine Messaufbauten wichtig, was ich mir von diesem Fertigmodul ursprünglich erhofft hatte.

Demnächst mehr davon im AoE-Blog.