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Tonhöhenschwankungs-Meßgerät
 

Wenn auch die folgende Bauanleitung relativ umfangreich ist, dürfte sie doch für viele Hobby-Elektroniker interessant sein. Das hier vorgestellte Gerät erlaubt die Messung von Drift und Flutter bei Tonbandgeräten und Plattenspielern, wobei zwischen linearer und nach DIN 45 507 bewerteter Anzeige gewählt werden kann.
 
Bei der Schallaufzeichnung und -wiedergäbe läßt sich infolge der begrenzten Präzision des mechanischen Antriebes kein völlig konstanter Vorschub des Tonträgers erzielen. Kleine kurzzeitige Schwankungen (Flutter) und häufig auch ein Unterschied der mittleren Geschwindigkeiten (Drift) am Anfang und am Ende der Aufnahme sind unvermeidlich [1, 2].
Die Norm 45 507 schlägt zur Messung der Gleichlaufschwankungen ein Meßgerät vor, das folgendermaßen arbeitet:
Ein Pilotton von 3150 Hz (hier ist das Ohr am empfindlichsten) wird abgespielt, wobei über einen Frequenzdiskriminator die von der Gleichlaufschwankung herrührende Frequenzmodulation erfaßt wird (Bild 1).
 
Geschwindigkeits- Tonhöhenschwankungen Bild 1. Der Zusammenhang zwischen Geschwindigkeits- und Tonhöhenschwankungen ist rein linear
Wird diese Frequenzmodulation im Bereich von 0,2 Hz bis 300 Hz direkt zur Anzeige gebracht, so spricht man von linearer bzw. umbewerteter Anzeige. Bild 2 zeigt den Frequenzgang des Meßgerätes in Stellung "linear".
Will man berücksichtigen, daß das Ohr nicht für alle Schwankungsfrequenzen gleich empfindlich ist, so muß vor die Anzeige ein Bewertungsfilter geschaltet werden. Das von der Norm vorgeschlagene Bewertungsdiagramm ist zusammen mit dem Verlauf des Bewertungsfilters des Meßgerätes ebenfalls aus Bild 2 ersichtlich.
 
Bewertungsfilter Bild 2. Durchlaßkurven des Meßgeräts bei linearer und bewerteter Anzeige. Als Vergleich ist das DIN-Toleranzfeld mit eingezeichnet
Für Messungen an Plattenspielern muß eine Meßschallplatte DIN 45 507 vorhanden sein. Tonbandgeräte können entweder mit einem Tonband, auf dem der Normton vorhanden ist (BASF), gemessen werden, oder es ist der Pilotton mit dem zu prüfenden Gerät aufzunehmen und wieder abzuspielen. Zu diesem Zweck besitzt das Meßgerät einen eingebauten Quarzoszillator, der über Teiler 3150 Hz abgibt. Eine derartige Messung ist mehrere Male zu wiederholen, es gilt der schlechteste Meßwert (DIN 45 511).
Gemäß der Norm wurde das Gerät so ausgelegt, daß die Spitze-Spitze-Werte der schnellen Gleichlaufschwankungen (Flutter) angezeigt werden. Bei der Drift wird die langsame Abweichung von einer wählbaren Sollgeschwindigkeit erfaßt und angezeigt.


So funktioniert die Messung


Bild 3 zeigt das Blockschaltbild, das wir kurz besprechen wollen.
 
Blockschaltbild Bild 3. Blockschaltbild des Meßgeräts
Dem Eingangsverstärker wird über einen Umschalter entweder das Meßsignal des Prüflings oder das Eichsignal des internen Quarzoszillators zugeführt. Das Meßgerät benötigt für eine einwandfreie Messung ein Eingangssignal von mindestens 50 mV. Ob der Eingangspegel groß genug ist oder nicht, wird durch eine Leuchtdiode ("Signal") angezeigt.
Mit dem verstärkten und durch einen Begrenzerverstärker vorbereiteten Eingangssignal wird die Signalnormierungsstufe geschaltet, die anschließend den Frequenzdiskriminator ansteuert. Da dessen Ausgangsspannung für die Meßwertanzeige zu klein ist, wird sie verstärkt und gleichzeitig mit aktiven Tiefpässen von 3150-Hz-Resten befreit. Das resultierende Signal wird nochmals von den einzelnen Meßverstärkern für die "Flutter"- bzw. "Drift"-Anzeige verstärkt und dann zur Anzeige gebracht. Bei der bewerteten Messung der Tonhöhenschwankungen wird das nach DIN 45 507 geforderte Bewertungsfilter in den Signalzweig geschaltet, bei linearer Messung wird es überbrückt.
Zur Erzeugung des Pilottones dient ein quarzstabilisierter Oszillator, der auf 3,15 MHz schwingt und dessen Frequenz auf 3,15 kHz heruntergeteilt wird.
Die vollständige Schaltung zeigt Bild 4. Sie enthält auch das Netzteil für die Versorgungsspannungen -15 V, +15 V und +5 V.
 
Schaltbild Bild 4. Die Flutter und Drift-Meßschaltungen und die 3150-Hz-Erzeugung kommen leider nicht ohne einige Abgleichpunkte aus
Schaltung Netzteil Bild 5. Die Schaltung des Netzteils. Es liefert die vier hochkonstanten und kurzschlußfesten Versorgungsspannungen

Die neun Baugruppen


Der Eingangsverstärker

Der Eingangsverstärker ist als Elektrometerverstärker aufgebaut, um das Meßobjekt nicht zu sehr zu belasten.
Die Verstärkung beträgt:

Formel

Der Eingang muß gleichspannungsmäßig entkoppelt werden, da sonst bei einer dem Meßsignal überlagerten Gleichspannung der Operationsverstärker übersteuert werden könnte. Das Koppelglied 47 nF, 470 kOhm ist so dimensioniert, daß der nach DIN 45 507 geforderte Eingangswiderstand von 300 kOhm überschritten wird und die Grenzfrequenz weit unterhalb von 3150 Hz liegt.

Der Begrenzerverstörker


Dem Eingangsverstärker ist ein Begrenzerverstärker als Signalformer nachgeschaltet. Die Gegenkopplung erfolgt hierbei durch eine 4,7-V-Z-Diode. Da der Verstärker das Eingangssignal invertiert, muß der positive Teil des Eingangssignals unterdrückt werden, damit am Ausgang eine positive Ausgangsspannung ansteht. Dies geschieht durch die nach Masse geschaltete Diode BAY 83. Die Spannung nach dem Begrenzer ist daher positiv, etwa rechteckförmig und auf ca. 4 V begrenzt.
Außerdem wird vom Begrenzerverstärker eine Schaltstufe angesteuert, die die "Signal"-LED ansteuert. Sie zeigt dem Benutzer des Meßgerätes an, ob ein genügend großes Eingangssignal anliegt.

Signalnormierung und Frequenzdiskriminator


Von der ansteigenden Flanke der Ausgangsspannung des Begrenzerverstärkers wird das nachfolgende Monoflop 74 121, das zur Signalnormierung verwendet wird, getriggert.
Das in seiner Amplitude konstante Ausgangssignal des Monoflops von etwa 3,4 V wird an dem nachfolgenden RC-Glied aufintegriert. Da sich, je nachdem, ob die Eingangsfrequenz höher oder tiefer als die Pilotfrequenz ist, die Pausenzeit des Monoflops ändert, wird der Kondensator mehr oder weniger aufgeladen. Die Differenz der Kondensatorspannung zur Sollspannung bei der Pilotfrequenz stellt das Meßwert-Nutzsignal dar.
Mit Hilfe des nachfolgenden Differenzverstärkers wird diejenige Gleichspannung, welche am Kondensator bei der Pilotfrequenz anliegt, kompensiert und das Träger- und Modulationssignal ca. 5fach verstärkt. Die Kompensation auf Null erfolgt mit dem Potentiometer P 1, das von außen einstellbar ist ("Eichen"). Der Abgleich erfolgt bei gedrückter Eichtaste, so daß die intern erzeugte Frequenz von 3150 Hz am Eingang anliegt.

Das Tiefpaßfilter

Das Ausgangssignal des Frequenzdiskriminators muß auch von Resten der Meßfrequenz (3150 Hz) befreit werden. Dies geschieht durch zwei hintereinandergeschaltete aktive Tiefpässe 5. und 3. Ordnung [3], die durch einen Verstärker getrennt sind. Dessen Verstärkung (P 2) kann zu Abgleichzwecken l-...llfach eingestellt werden. Die eingestellte Verstärkung ist etwa 6fach. Die Tiefpässe haben eine Butterworth-Charakteristik und folgende gemessene Grenzfrequenzen:
5. Ordnung: ca. 780 Hz, Dämpfung ca. 88 dB/Dek.
3. Ordnung: ca. 620 Hz, Dämpfung ca. 55 dB/Dek.

Drift-Anzeige

Das Tiefpaß-Ausgangssignal wird nun direkt dem Meßverstärker für die Drift-Anzeige zugeführt. Dieser ist galvanisch gekoppelt, da auch Gleichspannungen angezeigt werden müssen. Durch Tastendruck wird die Verstärkung für die drei Meßbereiche 0,5 %, 2,5 % und 5 % geschaltet und der Meßwert mit einem Drehspulinstrument ±50 µA zur Anzeige gebracht. Der Nullpunkt des Drift-Instrumentes liegt in der Mitte der Skala.

Das DIN-Bewertungsfilter

Bei bewerteter Flutter-Messung gelangt das Meßsignal über das DIN-Bewertungsfilter zum Meßverstärker. Das Bewertungfilter besteht aus einem Hochpaß und einem nachfolgenden Tiefpaß. Mit dem Rückkopplungswiderstand P 4 (2,5 kOhm) kann die Verstärkung dieses aktiven Tiefpasses so eingestellt werden, daß die Dämpfung 0 dB bei 4 Hz beträgt. Bei linearer (unbewerteter) Messung wird das Bewertungsfilter überbrückt und das Meßsignal direkt dem Flutter-Meßverstärker zugeführt.

Flutter-Anzeige

Die Ankopplung an den Meßverstärker erfolgt über einen relativ großen Kondensator, da die untere Grenzfrequenz kleiner als 0,2 Hz sein muß. Es können drei Meßbereiche eingeschaltet werden: 0,3 %, 1,5 % und 3 %. Da der Spitze-Spitze-Wert zur Anzeige gebracht werden soll, ist dem Meßverstärker ein Greinacher-Gleichrichter nachgeschaltet, dessen Ausgangsspannung von einem Drehspulinstrument mit einer Empfindlichkeit von 30 µA angezeigt wird. Die Begrenzung des Operationsverstärkers dient somit zugleich als Überlastungsschutz für das Meßinstrument.
Damit der Zeiger des Flutter-Anzeigeinstrumentes beim Drücken der Taste "Eichen" schnell den Nullpunkt erreicht, werden beim Drücken dieser Taste die Ladekondensatoren über 10 kOhm entladen.

Der Quarz-Oszillator

Das Gerät enthält zur Erzeugung der nach DIN 45 507 vorgeschriebenen Meßfrequenz von 3150 Hz einen quarzstabilisierten Oszillator, der auf 3,15 MHz schwingt [4]. Mit Hilfe eines Teilers wird diese Frequenz auf 3150 Hz heruntergeteilt.
Im Rückkopplungszweig liegt dem Quarz ein Trimmkondensator (10...40 pF) in Reihe. Er dient zur Feineinstellung der Oszillatorfrequenz. Dem Ausgang des Frequenzteilers wurde noch ein Spannungsteiler nachgeschaltet, der die Ausgangsspannung auf 0,4 V herunterteilt. Dies ist zur Aussteuerung von Tonbandgeräten ausreichend, der Ausgang ist dadurch kurzschlußfest. Ein Auskoppelkondensator (1 µF, ungepolt) verhindert, daß unerwünschte Gleichspannungsanteile vom Meßgerät auf den Eingang des Prüflings gelangen können und umgekehrt.

Das Netzteil

Der Aufbau des Netzteils (Bild 5) wurde so konzipiert, daß vier galvanisch getrennte Gleichspannungen zur Verfügung stehen: 5 V, max. 400 mA, für Quarzoszillator, Frequenzteiler und Signalanzeige; 5 V, max. 200 mA, für Monoflop und Netzanzeige; und schließlich ±15 V, max. je 200 mA, für die Operationsverstärker. Alle stabilisierten Spannungen sind kurzschlußfest.


Der Aufbau

Alle Baugruppen wurden auf vier Europakarten (100 mm x 160 mm) untergebracht. Die steckbare Filterplatine trägt die Funktionsgruppen Eingangsverstärker, Begrenzer, Diskriminator, Tiefpaß und Bewertungsfilter. Bild 6 zeigt die Platine, Bild 7 den zugehörigen Bestückungsplan.
Die Anzeigeplatine trägt die beiden Anzeige Verstärker, die Greinacherschaltung und die direkt eingelöteten Drucktastensätze. Sie ist fest eingebaut. Die Platine selbst zeigt Bild 8 und den Bestückungsplan Bild 9.
Die Oszillatorplatine ist steckbar. Sie ist in Bild 10 gezeigt, den Bestückungsplan zeigt Bild 11. Das Netzteil ist auf der vierten Platine untergebracht. Sie ist so ausgelegt, daß auch der Netztransformator darauf Platz findet.
Die im Gerät verwendeten Spezialteile sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt.

Tabelle 1
Im Gerät verwendete Spezialteile

Drucktasten: 2 Tastensätze mit je 3 Tasten, jede Taste mit 2 x 3 Kontakten, gegenseitig verriegelt
Netztrafo: EI 60/21mm, 2x 21V, 2x9V
Gehäuse: 300 mm x 200 mm x 130 mm
(Amtron, Remscheid)
3150-kHz-Quarz (Wuttke-Quarze. 6000 Frankfurt 70, Hainerweg 271)
Kontaktleisten 3 Buchsenleisten und 3 Steckerleisten DIN 41 617, 31polig
 
Bild 6. Die Filterplatine Bild 7. Bestückungsplan zur Filterplatine. Sie enthält den Eingangsverstärker, den Begrenzer, den Diskriminator und das Bewertungsfilter
Filterplatine Bestückungsplan Filterplatine
   
Bild 8. Die Anzeigeplatine Bild 9. Bestückungsplan zur Anzeigeplatine
Anzeigeplatine Bestückungsplan Anzeigeplatine
   
Bild 10. Diese Platine enthält Oszillator und Teiler für die Erzeugung von 3150 Hz Bild 11. Bestückungsplan zu Bild 10
Oszillatorplatine Bestückungsplan Oszillatorplatine
   
Bild 12. Die Netzteilplatine liefert die vier stabilisierten Spannungen für die Meßschaltungen. Bild 13. Bestückungsplan zur Netzteilplatine
Netzteilplatine Bestückungsplan Netzteilplatine

Der Abgleich

Der Abgleich des Gerätes ist leider nicht ganz problemlos. Hat man ein handelsübliches Gleichlaufschwankungs-Meßgerät zur Verfügung, so kann man dieses als Vergleichsnormal heranziehen. Allerdings: Den Verfassern standen drei Vergleichsgeräte zur Verfügung und keines zeigte dasselbe an wie die anderen beiden! Sicherer ist deshalb der absolute Abgleich (Tabelle 2).
Mit einem langsamen Funktionsgenerator (f = 0,01 Hz bis 10 kHz, z.B. hp 3310 A) steuert man den Wobbel-Eingang eines spannungsgesteuerten zweiten Generators an (z. B. Wavetek 1800). Mit einer Gleichspannungsquelle ist die Feineinstellung der Mittenfrequenz möglich. Mit der Wobbelamplitude kann man eine Frequenzmodulation mit 4 Hz von 3 %, 1,5 %, 0,3 % einstellen. Für die Drift-Anzeige wird der Wobbel-Eingang nur über eine feineinstellbare Gleichspannungsquelle angesteuert. Die Tabelle 2 zeigt (in der Reihenfolge des Vorgehens) die jeweiligen Einstellpunkte.

Tabelle 2
(Reihenfolge des Abgleichs)

Regler Platz Tastenstellung Abgleioh
P1
(500 Ohm)
Frontplatte Eich-Taste gedrückt,
Drift ±0.5 %
Drift auf 0
P2
(100kOhm)
Filterplatine Eich-Taste nicht gedrückt,
linear, Flutter 0,3 %
Grobeinstellung Flutter Vollausschlag
P3
(1 MOhm)
Anzeigeplatine Eich-Taste nicht gedrückt,
linear, Flutter 0.3 %
Flutter Vollausschlag
P4
(2,5 kOhm)
Filterplatine Eich-Taste nicht gedrückt,
bewert., Flutter 0.3 %
Flutter Vollausschlag bei 4 Hz
P5
(250 kOhm)
Anzeigeplatine Eich-Taste nicht gedrückt,
linear, Flutter 1,5 %
Flutter Vollausschlag
P6
(50 kOhm)
Anzeigeplatine Eich-Taste nicht gedrückt,
linear, Flutter 3 %
Flutter Vollausschlag
P1
(500 Ohm)
Frontplatte Eich-Taste gedrückt,
Drift ±0,5 %
Drift auf 0
P7
(50 kOhm)
Anzeigeplatine Eich-Taste nicht gedrückt,
Drift ±0,5 %
Drift Vollausschlag
P8
(22 kOhm)
Anzeigeplatine Eich-Taste nicht gedrückt,
Drift ±2,5 %
Drift Vollausschlag
P9
(10kOhm)
Anzeigeplatine Eich-Taste nicht gedrückt,
Drift ±5 %
Drift Vollausschlag

Die Arbeit wurde im Labor für elektrische Meßtechnik der Fachhochschule Frankfurt/Main ausgeführt. Die Autoren bedanken sich bei den Herren Gerber, Pons und Oehler vom Hessischen Rundfunk für die Unterstützung bei Vergleichsmessungen.

 
Literatur

[1] DIN-Vorschriften 45 507 und 45 511.
[2] Christian, E.: Normgemäße Meßverfahren der Magnettontechnik. FUNKSCHAU 1976, H. 11, 12, 13.
[3] Vahldiek, H.: Aktive RC-Filter, München 1972.
[4] Wuttke: Quarz-1 x 1 und Oszillatorschaltungen. Frankfurt/M., Hainerweg 271.
[5] Müller, O.: Einfaches Tonhöhenschwankungsmeßgerät. FUNKSCHAU 1974, Heft 1.

 
Ing. (grad.) Wolfgang Brettschneider (26), Starkstromelektriker-Lehre, Nachrichtentechnik-Studium an der Fachhochschule Frankfurt, seit 1976 bei der Bosch-Fernseh-GmbH tätig.

Ing. (grad.) Erich Niebisch (27), Radio- und Fernsehtechniker-Lehre, 1973 Abschluß als staatl. gepr. Elektroniktechniker, Nachrichtentechnik-Studium an der Fachhochschule Frankfurt, seit 1977 bei der Deutschen Bundespost.

Prof. Dr. Ing. G. Schnell (38), 6 Jahre wissenschaftlicher Mitarbeiter derTH Stuttgart, 4 Jahre Stabsmitglied bei Cern, Genf, seit 1973 an der Fachhochschule Frankfurt, Bereiche Meßtechnik und Elektronik.

 
aus: Funkschau 23/1977, Seite 1099ff. und Funkschau 24/1977, Seite 1141ff.

Herzlichen Dank an die Funkschau für die Erlaubnis, diesen Artikel hier zu veröffentlichen.
 
 
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