Analoge Schaltung

Aufbau als analoge Schaltung und aktueller Stand

Der nächste Schritt bestand darin, den oben gezeigten Gesamtschaltplan in eine diskret aufgebaute, analoge Schaltung umzusetzen. Dabei erschien es mir sinnvoll, nicht die Schaltung komplett auf einmal aufzubauen, sondern sukzessive Einheit für Einheit hinzuzufügen. Dies ermöglicht die Überprüfung jeder einzelnen Komponente auf ihre Funktion und eine erleichterte Lokalisierung von potentiellen Fehlern. Unabdingbar für den Aufbau der Schaltung ist die Verwendung eines Oszilloskops. Dadurch, dass es sich um eine äußerst zeitkritische Schaltung handelt, kann nur mit einem Oszilloskop deren Funktion überprüft und die Komponenten passend eingestellt werden.

Eine gewöhnliche Punktrasterplatine bildet die Grundlage für die Schaltung. Auf der Oberseite befinden sich sämtliche Bauteile, auf der Unterseite, mit Ausnahme der orangen Signalleitungen, die der Übersicht halber auf der Oberseite platziert wurden, alle Leitungen. Für die ICs wurden Sockel verwendet, wodurch sie bei einem Defekt leicht auszutauschen sind. Außerdem wird so der direkte Kontakt der empfindlichen Bauteile mit der heißen Lötspitze vermieden.

Folgende Übersicht stellt einen kurzen Verlauf der Schaltungsrealisierung dar:

Bild 1: Schaltungsrealisierung

Wie in Bild 10c zu erkennen ist, befinden sich auf der Platine noch freie Flächen, welche jedoch für die weiteren Operationsverstärker-Stufen und das AND-Gatter reserviert sind. Da bei der Realisierung des Schaltplans weitere Komplikationen und nicht vorhersehbare Probleme aufgetreten sind, ist es mir leider noch nicht gelungen, die Schaltung komplett fertig zu stellen und die Funktionalität des selbstentwickelten Konzepts zu überprüfen. Dafür war die verbleibende Zeit der Ingenieurpraxis nicht ausreichend. Ich werde jedoch während des laufenden Semesters weiter beim Projekt „Daedalus“ teilnehmen und die Schaltung verbessern.

Das Hauptproblem liegt derzeit bei den eingesetzten Operationsverstärkern (Typ LT1227). Diese sind mit einem zusätzlichen „Shutdown-Pin“ ausgestattet, der laut Datenblatt ein Ein- und Ausschalten des Operationsverstärkers ermöglichen sollte, was in bisherigen Testschaltungen jedoch noch nicht gelungen ist. Wurde anstelle des LT1227 ein gewöhnlicher (aber viel zu langsamer) LM358 verwendet, funktionierten die Testschaltungen. Dieses Problem gilt es zunächst zu lösen.

 

Für die Weiterführung des Projektes wurden neue Baugruppen erstellt:

Für eine einwandfreie Funktion der Operationsverstärker gerade bei sehr hohen Frequenzen ist eine optimal geglättete symmetrische Spannungsverstorgung unabdingbar. Deshalb wurde eine Platine in Eagle designed, gefräst, bestückt und in Betrieb genommen.

Eagle Schaltplan:

Fertige Platine:

 

Zur Signalaufbereitung wurde eine Schaltung mit sehr schnellen Operationsverstärkern aufgebaut, die das Signal zuerst verstärkt, anschließend durch einen Hochpass das 100Hz Flimmern der Neonröhren filtert und letztlich durch einen Komparator das Signal verarbeitbar macht.
Diese Schaltung wurde aufgrund der extrem kurzen Impulse und dadurch resultierenden Kapazitien Probleme nur in SMD aufgebaut:

Da das Signal der Empfangsdiode für die Operationsverstärker zu schwach ist, wurde das Signal durch eine Verstärkerschaltung mit einem Highspeedtransistor verstärkt und in den Eingang des erste Operationsverstärkers geführt.

Verstärkerschaltung mit Transistor:

Das Empfangene Signal mit sehr langsamen und lang andauernden Pulsen ist in untenstehender Grafik  mit blauer Färbng zu erkennen. Das blaue Signal ist das gelbe durch Transistor verstärkte. Besonders gut zu sehen ist hier die 100Hz Störung der Leuchtstoffröhren:

Dieses Signal entstand bei einer Entfernung von 40 cm von Sende- zu Empfangsdiode. Bei etwas größeren Entfernungen sieht das Signal schnell so aus:

Das gelbe Signal stellt hier die Logikansteuerung der Sendediode dar, von der später der Laufzeitunterscheid zum blauen Signal gemessen werden soll. Das Signal der Sendediode hat eine Amplitude von genau 5 Volt. Das blaue hingegen, was das Signal direkt Tiefpassfilterung darstellt, besitzt eine Amplitude von 100mV. Es ist deutlich schon bei 10µs Abtastung das Rauschen zu sehen, was eine spätere Signalverarbeitung erschwert.