letzte Bearbeitung : 14.03.2009
Aktueller Stand des Projektes :
Ein Schwerpunkt während meines Studiums der Elektronik war elektronisches Rauschen. Dort habe ich viel über die Rauschphänomene der einzelnen Halbleiter und über Techniken zum Design rauscharmer Schaltungen gelernt. Natürlich war auch die Messung des Rauschens Inhalt der Vorlesungen – inklusive Rauschgeneratoren. Seit der Zeit – sehr lang ist es her – wollte ich einmal eine Rauschquelle auf Basis eines PRBS Generators (Pseudo-Random Bit Sequences) aufbauen, allerdings hatte ich nie eine richtige Verwendung dafür und somit machte es auch wenig Sinn sich weiter mit dem Thema zu beschäftigen.
Meine Erfahrungen mit den Pass'schen Schaltungen – insbesondere mit dem Xono – haben mir gezeigt das sie doch einiges an Einspielzeit benötigen und sie mit zunehmender Betriebsdauer immer besser werden. Hier gab es nun endlich die gesuchte Anwendung einer Rauschquelle für den Audio Bereich – einen Burn-In Generator für Audio Geräte inkl. eines inversen RIAA Ausganges.
Nach einigen Überlegungen und Recherchen ist das folgende Design herausgekommen:
Mit dieser Schaltung ergeben sich die folgenden Funktionen des Gerätes:
Das folgende pdf-File gibt einen Überblick über die Funktionsblöcke des Burn-In Generators. Sie werden im einzelnen weiter unten beschrieben.
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Wie oben schon angedeutet wird das Rauschsignal digital durch ein Schieberegister erzeugt. Dieses Register hat 39 Stufen (IC4…IC8) und wird von einem 10,24MHz Quarzoszillator (IC10) als Taktsignal versorgt. Das ergibt eine Zykluslänge (bevor sich das Bitmuster wiederholen) von
239 − 1 = 549755813887
Takten und somit eine Zykluszeit von
(239 − 1) / 10,24 × 106 = 53687,09s ≈ 14,9h
Dies ist natürlich mehr als ausreichend für einen Burn-In Generator und darf bei dieser Anwendung als ein reales weißes Rauschsignal angesehen werden. Eine kürzere Schieberegisterlänge (z.B. 31 Register) hätte es an dieser Stelle sicherlich auch getan – letztendlich kostet es aber nur ein 8 Bit Schieberegister mehr.
Bei der gewählten Anzahl von Schieberegistern ist die Rückkopplung sehr einfach und besteht aus der XOR Verknüpfung (IC9A) des 35. und 39. Registers. Ausgekoppelt wird das Signal durch ein zweites XOR Gatter (IC9B). R1 und C12 sorgen für einen Reset nach dem einschalten.
Am Ausgang des Pseudo Noise Generators haben wir natürlich noch immer ein digitales Signal mit TTL-Pegel. Dies muß nun in ein analoges Rauschsignal gewandelt werden. Hierzu wird als erstes der Pegel des Signals durch einen Level Shifter (IC15A, Q1, Q2, Q3) auf ±5V umgesetzt und anschließend durch einen 50kHz Butterworth Tiefßpaßfilter 4. Ordnung (IC16A, IC16B) gefiltert. Mit dem Poti P1 kann dann das Signal auf den gewünschten Ausgangspegel eingestellt werden. Die benötigte Betriebsspannung für den Level Shifter wird durch die beiden Spannungsregler IC18 und IC19 aus der analogen Betriebsspannungsversorgung erzeugt.
Einige parktische Hintergrundinformationen zur Erzeugung einer digitalen Pseudo Noise Folge findet man in dem hervorragenden Werk
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Mit diesem Schaltungsteil erging es mir ähnlich wie mit dem PRBS Generator, die Erzeugung eines Sinussignals aus einem digitalen Takt wollte ich schon immer mal ausprobieren. Auch wenn im ersten Moment es nicht sinnvoll erscheint ein reines Sinussignal in einem Burn-In Generator zur Verfügung zu stellen – es soll ja mit möglichst allen Audio Frequenzen eingespielt werden – so brauche ich doch oft in der Schaltungsentwicklung einfach nur mal ein symmetrisches zweikanaliges Sinussignal um Arbeiten an einem Prototypen durchführen zu können. Um nicht noch ein zweites Gerät aufzubauen bot es sich also an den Takt des Rauschgenerators zu benutzen und daraus ein Sinussignal zu generieren.
Die Schaltung basiert fast vollständig auf der Application Note AN9780 von Harris Semiconductor. Es wird auch hier wieder eine Schieberegister verwendet – diesmal mit 16 Stufen (IC22, IC24) – aus dessen Registern über Widerstände gewichtet ausgekoppelt wird (R30…R37, R39…R46). Alle gewichteten Ausgangsspannungen werden zusammengeführt und man erhält ein Signal das treppenförming einen Sinus nachbildet. Die Taktfrequenz der Treppenstufen (40kHz) ist 32× größer als die Frequenz des resultierenden Sinussignals (1,25kHz). Diese Taktfrequenz wird mit Hilfe von IC21 aus dem Takt der Rauschquelle abgeleitet. IC23 bildet den in der Applikation angegebenen 5 Bit Zähler. Die beiden 8 Bit Schieberegister IC22 und IC24 ergeben zusammen das 16 Bit Schieberegister.
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Will man auch einen Phonoverstärker mit dem Burn-In Generator einspielen muß man den linearen Frequenzverlauf des Rauschsignales entsprechend der RIAA Kurve verändern. Hierzu ist der inverse RIAA Filter zuständig. Das Eingangssignal wird invers zur gültigen RIAA Kurve verändert und in seiner Amplitude auch noch abgesenkt – dies geschieht selbstverständlich auch noch für MM und MC Eingänge unterschiedlich (-40dB und -60dB). Da der Ausgangswiderstand der treibenden Stufe mit in die Berechnung des Filters eingeht – Reihenschaltung zu R6 – sorgt der Impedanzwandler IC26 hier für definierte Verhältnisse. Die Dimensionierung der Kondensatoren in der Parallelschaltung ist so gewählt das man mit Standardwerten möglich wenig Abweichung von den berechneten Werten im Filter hat. Die Widerstandswerte entsprechen der E96 Reihe.
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Der externe Eingang ist recht simpel gehalten. Das Signal wird durch die beiden Zenerdioden D1 und D2 in der maximalen Amplitude begrenzt, wobei R1 für eine Strombegrenzung beim Durchbruch einer oder beider Zenerdioden sorgt. Das Signal wird anschließend durch den Impedanzwandler IC25 an den Multiplexer weitergeleitet – that's it.
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Die Umschaltung der Signale wird durch zwei DG508 analog Multiplexer vorgenommen. Da beide Bausteine jeweils nur 3 Signale schalten müssen läßt sich bei geschickter Wahl der Eingänge die Umschaltung ohne großartige BCD Kodierung der digitalen Eingänge durchführen. Der erste Multiplexer (IC11) schaltet die 3 möglichen Signale (Noise, Sinus oder extern) Der nachfolgende (IC12) schaltet dann daraus den gewünschten Ausgangspegel (Line, MM oder MC). Die On-Widerstände der beiden Multiplexer werden durch die nachfolgenden Stufen neutralisiert.
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Das Ausgangssignal des zweiten Multiplexers liegt an den Eingängen der beiden Audio Balanced Line Drivers IC13 und IC14 an. Durch diese Treiber erfolgt eine Umsetzung des bis zu diesem Punkt unsymmetrischen Signals in zwei symmetrische Ausgangssignale (linker und rechter Kanal). Um sicherzustellen das sich keine DC-Anteile in den Ausgangssignalen befinden sind diese AC gekoppelt (C53…C60). Die Widerstände R50, R51, R54 und R55 schützen die Ausgänge vor einem Kurzschluß und setzen gleichzeitig den Ausgangswiderstand der Schaltung auf 50Ω. Die Widerstände R52, R53, R56 und R57 stellen eine definierte Verbindung der Ausgangskondensatoren nach Masse dar und garantieren das sich kein Potential am Ausgang aufbauen kann.
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Zur Betriebsspannungsversorgung gibt es eigentlich nicht viel zu schreiben. Aus der Sekundärspannung des Transformators wird die symmetrische ±15V Betriebsspannung der analogen Schaltungen erzeugt (IC1, IC2). Zusätzlich wird die benötigte digitale Versorgung aus dem positiven Zweig der analogen Betriebsspannung gewonnen (IC3). Die LED zur Betriebsspannungsanzeige (DS1) wird von der negativen Spannung betrieben.
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