|
Met een slope-detector kunt u zien of een analoog signaal in grootte stijgt of daalt. Anders geformuleerd, of het signaal een positieve of negatieve helling heeft. Een van de toepassingen van een dergelijke schakeling is een analoge frequentie-verdubbelaar. |
Het principe van een slope-detector
Wat is de slope van een signaal?
Het Engelse woordje slope staat voor helling. In de elektronica wordt het woordje slope gebruikt om aan te geven hoe een signaal van de ene waarde naar een andere gaat. Het signaal kan namelijk stijgen of dalen. In het eerste geval spreekt men van een positieve helling, in het tweede geval van een negatieve helling of slope.
Een voorbeeld
In onderstaande figuur is een vrij willekeurig verlopende spanning getekend, een spanning die u bijvoorbeeld kunt verwachten aan de uitgang van de gelijkrichtschakeling van een dB-meter voor geluid. Vóór tijdstip t1 is de spanning constant, de slope is nul. Tussen t1 en t2 stijgt het signaal naar een maximum, de slope is positief. Nadien daalt het signaal weer naar een bepaald minimum met uiteraard een negatieve slope. De overgang van een positieve naar een negatieve slope geeft dus steeds aan dat een signaal net een maximum waarde heeft bereikt. De overgang van een negatieve naar een positieve slope zegt u dat het signaal net uit een minimum komt.
 |
| Een grafische verklaring van het begrip slope. (© 2017 Jos Verstraten) |
Voor sommige schakelingen is het belangrijk te weten waar de minimale en maximale waarden in een signaal optreden. Als u een systeem verzint dat u mededeelt hoe de slope van het signaal verloopt, kunt u uit deze informatie afleiden wanneer het signaal een minimum of een maximum doorloopt.
Een slope-detector met een op-amp
Met slechts één op-amp kunt u vrij eenvoudig een slope-detector opbouwen. Het basisschema is getekend in onderstaande figuur en bestaat uit niets anders dan de reeds in het artikel 'De op-amp als comparator' besproken vergelijker-schakeling, aangevuld met één weerstandje en één condensator.
Het ingangssignaal wordt aangeboden aan de positieve ingang. Tussen deze ingang en zijn inverterende soortgenoot staat een weerstand R1 geschakeld. De negatieve ingang gaat bovendien via een condensator C1 naar de massa.
 |
| Een slope-detector met slechts drie componenten. (© 2017 Jos Verstraten) |
Experimenteer mee met deze cursus!
U kunt de experimenten die in deze cursus worden beschreven zélf uitvoeren.
Daarvoor moet u echter eerst onze 'analoge trainer' nabouwen.
De uitgebreide beschrijving van de zelfbouw van dit apparaat treft u aan op de onderstaande link:
Hobby-lab: bouw een analoge trainer
De slope-detector op uw experimenteerprint
U kunt dit experiment volgens onderstaand schema op de universele experimenteerprint (zie referentie) opbouwen volgens onderstaande figuur. De positieve ingang moet u aansluiten op een instelbare gelijkspanning die zowel positief als negatief regelbaar is. U kunt hiervoor weer de twee 9 V batterijtjes met de potentiometer gebruiken, die u al diverse keren in deze artikelenserie hebt gebruikt. Op de uitgang hangt u bij voorkeur een ouderwetse analoge universeelmeter, waarop u het verloop van de uitgangsspanning het best kunt observeren.
 |
| De slope-detector op de universele experimenteerprint. (© 2017 Jos Verstraten) |
Bij het aansluiten van de twee voedingsspanningen op uw experimenteerprint zal de uitgang van de schakeling ofwel maximaal positief, ofwel maximaal negatief zijn. U verdraait de instelpotmeter voor de offset-compensatie tot de uitgangsspanning net omklapt van plus naar min. Hiermee hebt u de offset van de op-amp gecompenseerd en kunt u het experiment starten.
Verdraai langzaam de potentiometer van de ingangsspanning, zodat de spanning op de positieve ingang stijgt. U ziet de schakeling dadelijk reageren: de uitgang wordt positief. Laat nu de spanning weer dalen. De uitgang reageert prompt en wordt negatief. Verdraai nu de potentiometer achtereenvolgens vrij willekeurig in uur- en tegenuurwijzerzin en u zult merken dat de uitgang ieder verandering van draairichting onmiddellijk beloont met het omklappen van de spanning. Dat hebben wij in onderstaande figuur grafisch weergegeven.
Kortom, op deze wel zeer eenvoudige manier hebt u een slope-detector gefabriceerd! Een positieve slope levert een positief uitgangssignaal op, een negatieve slope of nul-slope een negatieve uitgang.
 |
| De werking van de schakeling grafisch voorgesteld. (© 2017 Jos Verstraten) |
De positieve ingang van de op-amp is rechtstreeks gekoppeld aan het ingangssignaal en volgt de variatie van dit signaal zonder enige vertraging. De negatieve ingang is via weerstand R1 ook aangesloten aan de ingang, maar de condensator naar massa zal ervoor zorgen dat de spanning op de negatieve ingang steeds iets vertraagd is ten opzichte van de spanning op de positieve ingang. Dat is getekend in onderstaande figuur. In de bovenste grafiek zijn de spanningen op de beide ingangen van de op-amp getekend. De positieve ingangsspanning als volle lijn, het signaal op de inverterende ingang gestippeld. Als Uin stijgt, zal er een stroom door R1 gaan vloeien, die de condensator oplaadt. Zolang de ingangsspanning blijft stijgen, zal er stroom door R1 blijven vloeien en zal de condensator zich opladen tot de stijgende ingangsspanning. Er is dus steeds een positief spanningsverschil tussen de positieve en de negatieve ingang. De op-amp is geschakeld als comparator en uit een vorig artikel weet u dat de op-amp op dat kleine spanningsverschil reageert door het vastlopen tegen de positieve voedingsspanning.
Als de ingangsspanning gaat dalen zal er een moment komen, waarop de spanningen op beide ingangen
aan elkaar gelijk zijn. De comparator klapt om. Nadien zal de condensator gaan ontladen, maar ook nu zal er een klein spanningsverschil ontstaan tussen beide ingangen, zij het van inverse polariteit. De negatieve ingang is iets positiever dan de niet-inverterende ingang, de uitgang van de comparator
blijft negatief.
 |
| Grafische voorstelling van het verschil tussen de spanningen op de twee ingangen van de op-amp. (© 2017 Jos Verstraten) |
Het zal duidelijk zijn dat de vertraging tussen positieve en negatieve ingang wordt bepaald door de grootte van R1 en C1. Hoe groter beide onderdelen, hoe trager de negatieve ingang de spanningsvariatie aan de ingang volgt. Dit simpele feit geeft dadelijk de begrenzing aan van deze schakeling. De gekozen waarden van 100 kΩ en 100 nF zijn ideaal voor het volgen van de langzame spanningsvariaties die u met het draaien aan de potentiometer uitvoert, maar zouden niet geschikt zijn als u de schakeling wilt gebruiken bij zeer snelle spanningsvariaties.
De schakeling is dus frequentie-selectief, voor iedere frequentie-band moet u R1 en C1 andere waarden geven.
Toepassing van een slope-detector
Een analoge frequentie-verdubbelaar
Een praktische toepassing van de slope-detector is getekend in onderstaande figuur. Stel dat u de frequentie f van een bepaald sinusvormig signaal Vin wilt verdubbelen. Bij muziekelektronica-freaks zullen nu allerlei belletjes gaan rinkelen!
De oplossing is simpel. Het ingangssignaal legt u aan de ingang van een slope-detector (de waarden van R1 en C1 aangepast aan de frequentie van het ingangssignaal) en tegelijkertijd aan de ingang van een 'normale' comparator. De uitgangsspanningen A en B van beide schakelingen kunt u aflezen uit de grafieken in de figuur. Twee vierkantsgolven, waarvan één een kwart periode is verschoven. In een
pulsvormer wekt u vervolgens naaldpulsjes op bij iedere overgang van + naar - (en omgekeerd) van een van beide blokgolven. Met deze pulsjes stuurt u een flip-flop. Aan de uitgang van deze schakeling (een twee-deler) verschijnt een blokgolf met de dubbele frequentie van het ingangssignaal. Uit deze blok kunt u door een geschikte filtering (laagdoorlaat) weer een sinus afleiden, waarvan de frequentie het dubbele is van de frequentie van het ingangssignaal.
Niet de enige manier om de frequentie van een sinussignaal te verdubbelen, maar wel een zeer eenvoudige!
 |
| Het schema van een analoge frequentie-verdubbelaar. (© 2017 Jos Verstraten) |
|
|