AIRqualizerEqualizer + Analyzer

Projekt Elektronik (SS 2009)

Abschlußbericht

20. Juli 2009

Martin FrauenhoferIsaak GerberTobias Jacob

Paul-Philipp KnustErik Liebig

Markus LottmannAlexander Nitsch

Alexander ReinickeJens Rohnstock

Betreuer: Janis Dobler

Inhaltsverzeichnis

1 Projektvorstellung 5

2 Zeitplan 5

3 Aufbau & Projektgliederung 6

4 Rohrenaufbau & Gehause 74.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.2 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.3 Stromversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

5 Sensorik 105.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.2 Sensorauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.3 Sensorbeschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125.4 Aufgetretene Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135.5 Was zu tun bleibt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

6 Motorsteuerung 156.1 Motorauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156.2 Motoraufbau und Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156.3 Motorbeschaltung und Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166.4 Tiefpass fur Abstandssensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186.5 Ergebnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186.6 Bauelementeliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

7 Equalizer 237.1 Eingang & Vorverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237.2 Ubersteuerungsanzeige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257.3 Bandpaßfilterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267.4 Multiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287.5 Spannungsspitzendetektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297.6 A/D-Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307.7 Spannungsversorgung & Schnittstelle zum Audioverstarker . . . . . . . . . 317.8 Erfolge und Probleme bei der Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

8 Audioverstarker 398.1 Blockschaltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408.2 Dimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

8.2.1 Vorverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408.2.2 Endstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

8.3 Kopplung mit Equalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428.4 Schaltplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

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9 Mikrocontroller-Platine 449.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449.2 Idee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449.3 Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

9.3.1 Steuerung der Bandpasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459.3.2 Einlesen der Audiosignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459.3.3 Ansteuerung der Schrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459.3.4 Einlesen der Sensorsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459.3.5 JTAG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459.3.6 Erweiterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459.3.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

9.4 Wahl des Mikrocontrollers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469.5 Realisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

9.5.1 Steuerung der Bandpasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479.5.2 Einlesen der Audiosignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479.5.3 Ansteuerung der Schrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489.5.4 Einlesen der Sensorsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489.5.5 JTAG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499.5.6 Erweiterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499.5.7 Sonstiges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

9.6 Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499.7 Ergebnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

10 Regelung 5510.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5510.2 Prinzipieller Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5510.3 Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5510.4 Testergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

10.4.1 Offnen und Schließen der Drosselklappe . . . . . . . . . . . . . . . 5510.4.2 Genaue Positionierung der Drosselklappe . . . . . . . . . . . . . . 5810.4.3 Pulsansteuerung mit konstanter Position und variablen Offnungs-

winkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5810.4.4 Pulsansteuerung mit konstanter Position und variablen Offnungs-

zeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5810.4.5 Pulsansteuerung mit variabler Position und konstantem Offnungs-

winkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5810.5 Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5810.6 Ergebnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5910.7 Equalizer-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

11 Mikroprogramm 5911.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5911.2 Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

11.2.1 Modulaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3

11.2.2 Motorsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6011.2.3 ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6111.2.4 ExternADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6111.2.5 Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6111.2.6 Poti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

11.3 Ergebnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

12 Netzteil 6212.1 Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6212.2 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Literatur 69

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1 Projektvorstellung

Die Gruppe ele31 des Projekts Elektronik baute im Sommersemester 2009 den Airqua-lizer. Er besteht aus einem Audioverstarker, einem graphischen 7-Band-Equalizer undeinem Spektrumanalysator. Im Gegensatz zu den bekannten LED-Bargraphen solcherAnalysatoren visualisieren beim Airqualizer in luftdurchstromten Rohren schweben-de Polystrolkugeln die Energie des Audiosignals in den sieben Frequenzbandern. DerLautstarkepegel des Ausgangssignals kann an einer achten Rohre abgelesen werden.

Equalizer und Audioverstarker lassen sich ebenfalls uber diese Rohren bedienen. Da-bei werden die Polystrolkugeln einfach von Hand z. B. mit einem Magnetring auf diegewunschte Hohe in den Rohren gezogen, um bestimmte Frequenzbander starker bzw.schwacher zu gewichten oder die Lautstarke des Audiosignals am Ausgang einzustellen.

2 Zeitplan

Die Arbeit am Projekt (inklusive Ideenfindung, Spezifikation, . . . ) fand uber 12 Wochendes Sommersemesters 2009 statt. Dabei waren die folgenden Meilensteine vorgegeben:

Datum Meilenstein

22.04.2009 Ideenfindung und grobe Gruppeneinteilung20.05.2009 Abgabe des Zwischenberichts und einer Wandzeitung27.05.2009 Fertigstellen der Platinenlayouts08.07.2009 Fertigstellen der Prasentationsfolien, Probevortrag15.07.2009 Prasentation des Projekts20.07.2009 Abgabe des Abschlußberichts, Fertigstellen einer Webseite

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Equalizer

Verstärker

Bandpässe

Line-In

Line-Out

Steuerung

Mikrocontroller

Luftröhren

Sensoren

Motoren

LEDs

Lautstärke

Sensorsignale

MotorsignaleSteuersignale

Audiosignale

Bandpasssignale

LED-Signale

Display

Display-

Signale

Abbildung 1: Blockschaltbild des Airqualizers

3 Aufbau & Projektgliederung

Die grundlegende Struktur des Airqualizers zeigt das Blockschaltbild in Abb. 1. DerMikrocontroller steuert als Herz des Gerats den analogen Equalizer, den Audioverstarkerund die Motoren, uber welche die Kugeln in den Luftrohren ausgerichtet werden (dergraphische Analysator). Uber die Sensoren in den Luftrohren kann der Mikrocontrol-ler die momentane Schwebehohe jeder Kugel ermitteln und somit zum einen uber dieMotoren entsprechend gegensteuern und zum anderen den Equalizer sowie den Verstar-ker entsprechend der Nutzervorgaben verstellen. Desweiteren erhalt der Mikrocontrollerdas durch sieben Bandpasse gefilterte Audiosignal, auf dessen Grundlage wiederum diePosition der Kugeln in den Rohren verandert wird.

Die Arbeit am Airqualizer wurde gemaß dem Blockschaltbild auf sieben Gruppenaufgeteilt, die parallel jeweils einen Teil des Gerats fertigstellten. Die folgenden Abschnit-te stellen die einzelnen Blocke im Detail vor.

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4 Rohrenaufbau & Gehause

Die Umsetzung unseres Konzepts eines mechanischen Analyzers/Equalizers mit Luftund Styroporkugeln, welcher sich an dem bekannten Balkendiagramm orientiert, wirddurch einen Verbund von Acrylrohren realisiert. Die Kugeln werden durch PC-Lufterangetrieben. Die Interaktionsfahigkeit besteht durch Reißzwecken in den Kugeln, welchedann durch einen Magneten beruhrungslos manipulierbar sind.

Zu Beginn wurde ein Prototyp aufgebaut, in dem die mechanische und aerodynami-schen Konzepte getestet und optimiert wurden, sowie im spateren Verlauf des Projektesauch die Schrittmotoransteuerung bzw. die Regelungs-Software des Mikrocontrollers.Der finale Aufbau besteht nunmehr aus einem Metallgehause, den entsprechenden ana-logen und digitalen Platinen und insgesamt 8 Rohren, welche vom Aufbau baugleichentsprechend des Prototypen sind.

4.1 Anforderungen

Der Rohrenverbund soll nach der analog- und digitalelektronischen Auswertung undVerarbeitung des eingespeisten Musiksignals das mechanische Userinterface darstellen.Als Vorbild dient die bekannte Balkendarstellung der einzelnen Frequenzbander. In deneinzelnen Rohren sollen nur gemaß dieses Vorbildes die Styroporkugeln durch einen Luft-strom auf und ab bewegt werden (Analyzer). Daruber hinaus sollen die Rohren/Kugelnauch zur Eingabe/Einstellung der Bandverstarkung dienen (Equalizer), wie es auch hierweitestgehend aus dem HiFi-Bereich bekannt ist. Auf eine anfangs geplante, zusatzlicheIllumination der Rohren mittels RGB-LEDs wurde letztendlich aus Zeit- und Kosten-grunden verzichtet.

4.2 Aufbau

Zur Einleitung soll der Aufbau einer einzelnen Rohre als Grundelement beschriebenwerden. Soweit nicht anders beschrieben, sind die einzelnen Teile mittels Heißkleberverbunden worden.

Die Rohre besteht aus einem durchsichtigen, oben und unten offenem Acrylrohr miteinem Außen- bzw. Innendurchmesser von 40 mm bzw. 36 mm. Die Gesamtlange desRohres betragt ca. 65 cm. Innerhalb dieses Acrylrohres befindet sich eine, nachher wei-testgehend frei schwebende, Styroporkugel mit einem Durchmesser von 30–32 mm. Umauch die geforderte Interaktion (Equalizer) zu ermoglichen, werden an der Kugel zweiReißzwecken angebracht, um spater die Kugel beruhrungslos mittels eines Magnets inder Rohre verschieben zu konnen. Die Positionsbestimmung der Kugel in der Acrylrohreerfolgt mittels eines Infrarotsensors.

Der notige Luftstrom zum Schweben und Bewegen der Kugel wird durch einen han-delsublichen 80 mm-PC-Lufter1 erzeugt. Dieser befindet sich am unteren Ende der Rohreund ist mit der Acrylrohre durch einen Trichter verbunden. Der Trichter ist durch eine

1Sunon MagLev Motor Fan, 80×80×25 mm, 3000 U/min, 68 m3/h, 1,6 W

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Abbildung 2: Schematischer Aufbau der Rohren

aufgeschnittene PET-Flasche realisiert und dient einerseits als Adapter, um die unter-schiedlichen Durchmesser dichtend miteinander zu verbinden. Er dient auch zur Kom-primierung des Luftstroms. Innerhalb des Trichters befinden sich zwei Papp-Scheiben,welche der Wirbelbildung, hervorgerufen durch die Rotation der Lufterblatter, entge-genwirkt, um somit eine moglichst einheitlich gerichtete Luftsaule zu ermoglichen. Dieobere Pappscheibe verhindert dabei auch das Absinken der Kugel in den Trichter.

Unterhalb des Lufters ist ein handelsubliches Winkel-Abwasserrohr (87 ∘) mit einemDurchmesser von ca. 80 mm montiert, in welchem sich am nach hinten gerichtetenAusgangs-Querschnitt eine Drosselklappe befindet. Die Drosselklappe ist mit einer Alu-miniumachse (5 mm Durchmesser) mit zwei Schrauben verbunden, welche durch in dasAbflussrohr gebohrte Locher gesteckt und am oberen Ende mit einem Schrittmotor ver-bunden ist. Durch Drehen der Klappe in bzw. langs den/des Luftstrom(s) unterhalbdes Lufters, kann direkt durch Verringerung der Luftzufuhr, der Luftstrom in der Rohregesteuert werden, um ein Absinken, Steigen oder Schweben der Styroporkugel zu ermog-lichen. Eine direkte Regulierung der Luftergeschwindigkeit hat sich als zu trage erwiesen.

Zum Außenaufbau: Der Prototyp bestand aus einem Holzgehause, welches dem Roh-renaufbau in erster Linie Stabilitat geben, als auch die Montage der Sensoren und derSchrittmotoren ermoglichen sollte. Der schematische Aufbau ist in Abb. 2 dargestellt.

Der finale Aufbau hat ein Metallgehause. In diesem befinden sich nunmehr 8 Rohren,

8

Abbildung 3: Schematischer Aufbau des Gehauses (Ruckansicht)

sowie die Sensorik, Aktuatorik und die analogen und digitalen Platinen. Das Gehausedient der Stabilitat, als auch der Optik, in dem von Vorne nur noch die Acrylrohren mitden Styroporkugeln und entsprechend Metallblenden zu sehen sind. Die Ruckansicht istoffen. Hinter den Rohren befindet sich eine Zwischenwand aus Holz, auf der die Planti-nen verschraubt sind. Sensoren und Motoren sind entsprechend Abb. 3 auf Holzleistenbefestigt. Die Seiten sind mit Metall verblendet.

4.3 Stromversorgung

Zusatzlich zu Versorgungs- und Ansteuerleitungen fur Schrittmotor und Abstandssensorwird eine Gleichspannung von 12 V fur den Lufter benotigt. Das Metallgehause wirddurch die Masseleitung des Netzsteckers geerdet. Alle elektrischen Bauteile im sind aufHolzplatten montiert und somit vom Gehause elektrisch getrennt.

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5 Sensorik

Um die korrekte Funktionsweise des Airqualizers zu gewahrleisten, muss eine geeigneteSensorik vorhanden sein. Die Sensorik wird dazu benotigt, die aktuellen Positionen derStyroporkugeln in dem Acrylrohren zu bestimmen. Dabei handelt es sich bei der Hohe derKugeln um die Regelgroße unseres Regelkreises. Im Betriebsmodus Visualisierung wirddann anhand der Regelgroße ggf. die Hohe der Kugeln mittels des Reglers (Drosselklappe)angepasst. Im Betriebsmodus Equalizer werden die Eingaben des Benutzers ermittelt,sowie die aktuelle Position der Kugel stabilisiert.

5.1 Anforderungen

Diese einfache Spezifikation bringt nun einige Anforderungen mit sich. Zunachst sollteder Sensor moglichst klein sein, um nicht zuviel Platz zu beanspruchen und das auße-re Erscheinungsbild des Airqualizers moglichst nicht zu beeinflussen. Um eine gewisseOptik der Acrylglassaulen zu wahren, sollte, wenn moglich, auch ein nicht sichtbares Ver-fahren zur Abstandsmessung eingesetzt werden und der sichtbare Raum um die Saulenmoglichst frei von Sensorik sein.

Aufgrund der Festlegung der Maximallange der Acrylrohren auf 0,61 m ergibt sich einMessbereich von 0–0,61 m, welcher von dem Sensor abgedeckt werden muss. Zusatzlichmuss der Sensor eine ausreichende Genauigkeit aufweisen, um zu starke Schwankungenin der Regelung der Ballhohe, aufgrund von falschen Messwerten, zu minimieren. Es wirdangenommen, dass 1–2 cm Genauigkeit ausreichend sind. Desweiteren muss der Sensorin der Acrylrohre einsetzbar sein und darf damit nur eine maximale Streuung von 35 mm(36 mm Innendurchmesser des Rohrs), bei einem Abstand von 61 cm, vorweisen.

Eine einfache Bereitstellung des Messwertes fur den Mikrocontroller und ein Sensorohne eine aufwandige Zusatzbeschaltung, sowie eine Versorgungsspannung im Bereichvon 1–12 V waren wunschenswert. Außerdem darf der Preis des Sensors nicht vernach-lassigt werden, da immerhin 8 Stuck benotigt werden, und das Budget des Projektesbeschrankt ist.

5.2 Sensorauswahl

Aufgrund der Anforderungen an den Abstandssensor wurden nach erster RechercheUltraschall- und Infrarotsensoren sowie eine Zusammenschaltung aus mehreren Licht-schranken als mogliche Kandidaten gehandelt. Die Abstandsmessung per Laser wurdeaus Kostengrunden direkt ausgeschlossen.

Ultraschallsensoren erwiesen sich nach genauerer Betrachtung als zu teuer, relativaufwandig von der Beschaltung, vermeintlich zu ungenau, sowie zu breit streuend fur dieAcrylrohren (Reflexionen an den Rohrwanden). Zusatzlich benotigen Ultraschallsensorenje nach Gute relativ hohe Spannungen von bis zu 50 V.

Der Losungsansatz der Lichtschranken beruhte auf der Idee, alle 4 cm Locher in dasRohr zu bohren und dort jeweils eine Lichtschranke zu platzieren. Anhand des Signalsder ausgelosten Lichtschranke konnte man dann die Position der Kugel bestimmen. Al-

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Abbildung 4: Abstandsmessung mittels IR-Triangulation beim Sharp GP2D12

lerdings handelt es sich nur um einen Bereich, in welchem sich die Kugel befindet undum keinen genauen Messwert. Eine logische Auswertung der einzelnen Lichtschranken-signale ware zusatzlich notig, außerdem wurde die Optik der Acrylrohre stark gestortwerden. Der Vorteil diese Ansatzes liegt darin, dass er sehr kostengunstig ist und daherwurde diese Variante als Notlosung befunden.

Letztendlich fiel die Wahl auf einen Infrarotsensor von Sharp, den GP2D12. Mit diesemSensor wurde wohl schon in fruheren Projekten gute Erfahrungen gemacht und Sharphatte die Sensoren damals kostenlos bereitgestellt. Das Messprinzip beruht auf der Tri-angulation(siehe Abb. 4). Hierzu besitzt der Sensor einen Sender und Empfanger. DerSender strahlt per IR-Diode gepulstes Licht aus. Dieses Licht wird an dem Messobjektreflektiert und trifft nun auf den CCD2-Empfanger, welcher aus einer Zeile Photodiodenbesteht. Je nachdem, wo der reflektierte Infrarotstrahl auf die CCD-Zeile trifft, schaltetdie jeweilige Photodiode und eine Auswertelogik kann den Einfallswinkel ermittelt. Mit-tels Sinussatz kann nun der Abstand zum Messobjekt ermittelt werden und dieser in einAusgangssignal umgewandelt werden. Der Sensor hat einen Erfassungsbereich von 10–80 cm und liefert ein kontinuierliches, analoges, nicht lineares Ausgangssignal zwischen0,45 V und 2,65 V, welches eine Abhangigkeit vom Messabstand besitzt. Dieses Signalkann dann mit Hilfe eines A/D-Umsetzers digitalisiert werden und dem Mikrocontrollerbereitgestellt werden. Dort muss dann eine Umrechnung, nach der im Datenblatt angege-benen Kennlinie (Abb. 5), vorgenommen werden. Da die Kennlinie schlecht linearisierbarist, wurde eine Messwerttabelle aufgenommen und im Speicher des Mikrocontrollers ge-halten.

Die Versorgungsspannung des GP2D12 liegt zwischen 4,5 bis 5,5 V, bei einem Stromvon 33 mA. Bei einem Abstrahlwinkel des Sensors von 3 ∘ und mittiger Platzierung, er-reicht die Sensorkeule bei 61 cm Abstand einen Durchmesser von 32 mm, und somit solltedie Rohrwand nicht detektiert werden. Dafur ist allerdings eine sehr genaue Positionie-rung des Sensors vonnoten. Naheres dazu im Abschnitt 5.4. Da der Sensor recht klein ist,

2Charge-coupled Device

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Abbildung 5: Ausgangskennlinie des GP2D12 [Sha00]

lasst er sich gut uber bzw. halb in der Rohre montieren. Beachtet werden muss allerdingsein Abstand des Messobjektes zum Sensor von 10 cm, da dieser erst ab diesem Abstandbrauchbare Messwerte liefert, sowie eine Montage moglichst im Mittelpunkt der Rohre.

Zunachst wurde ein einzelnes Exemplar des Sensors besorgt, um erste Tests durch-zufuhren und gleichzeitig eine Anfrage an die Firma Sharp gestellt, ob sie 8 Stuck derSensoren kostenlos zur Verfugung stellen konnten. Dankenswerter Weise wurden wirdaraufhin mit dem baugleichen Sensortyp GP2Y0A21YK durch Andreas Biss von SharpMicroelectronics Europe versorgt. Nach ersten Testmessungen mit dem Sensor am Os-zilloskop wurde festgestellt, dass die Abtastrate von rund 38 ms hoch genug fur unsereMessungen ist und das Ausgangssignal schnell auf Abstandsanderungen reagiert. Gleich-zeitig wurden allerdings einige Spikes auf dem Ausgangssignal entdeckt, welche durcheine zusatzliche Beschaltung minimiert werden konnen. Die Versorgungsspannung durchdas Netzteil wurde auf 5 V festgelegt.

5.3 Sensorbeschaltung

Ohne zusatzliche Beschaltung kann man auf dem Oszilloskop große, positive Spikes alle1 ms erkennen. Um diese zu entfernen, lotet man einen 100 nF-Kondensator zwischendie beiden Pins der Versorgungsspannung als Abblockkondensator. Die Spikes solltennun verschwunden sein. Um die kleineren Spikes auch noch zu entfernen, lotet manzusatzlich einen 10�F-Kondensator parallel zu dem 100 nF-Kondensator an die Pins

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der Versorgungsspannung. Dabei ist auf einen moglichst kurzen Weg zu achten. Desweiteren sollte man beachten, dass das Gehause des Sensors leitfahig ist. Daher wurdendie Sensoren im Airqualizer-Gehause auf einer Holzplatte montiert.

5.4 Aufgetretene Probleme

Nichtlinearitat Der Ball darf nicht naher als 7 cm an den Sensor heran kommen, dasonst nicht mehr eindeutig unterschieden werden kann, ob der Ball sich vom Sensor wegbewegt oder auf ihn zu. Die Ursache liegt bei der nicht injektiven Kennlinie (Abb. 5)im Bereich von 0–10 cm. Um diesem Problem aus dem Weg zu gehen, wurden in dieoberen 7 cm der Acrylglasrohren rund herum Locher gebohrt. Die Locher lassen die Luftentweichen und nehmen somit dem Ball das Luftpolster, auf dem er schwebt.

Sensorjustierung Das gesamte Sensorsystem ist sehr komplex, da aufgrund der nichtsichtbaren IR-Strahlung schwer abzuschatzen ist, an welchem Gegenstand der Sensorgenau reflektiert. Wenn sich der Ball am unteren Ende des Rohres befindet, ist es sehrschwierig zu beurteilen, ob der Strahl am Ball oder an der Rohrenwand reflektiert wird.Damit ergeben sich Probleme fur die Sensorjustierung, da man vermeintlich nicht mehrauf den Ball justiert. Zusatzlich ist es relativ schwer, die Sensoren fein zu justierenund dennoch fest auf einem Holzbrett im Gehause zu montieren. Dabei ist die zentralePositionierung leider nicht umbedingt die optimale. Sehr geringe Neigungswinkel derSensoren reichen aus, um den Sensorwert zwischen 100 mV und 500 mV schwanken zulassen. Durch eine nicht optimale Justierung handelt man sich hier zusatzliche Fehlerein.

Nicht ideale Reflexion Idealerweise wurde man als Detektionsobjekt eine gerade, weißeFlache benutzen, da sie die besten Reflexionseigenschaften fur den Sensor besitzt. Auf-grund von mechanischen und aerodynamischen Gegebenheiten ist es allerdings vonnoten,einen Ball als Schwebekorper einzusetzen, da dieser am besten von der Luft umstromtwird und sich nicht in der Rohre verkanten kann. Ein weißer Styroporball besitzt al-lerdings aufgrund seiner Rundung keine idealen Reflexionseigenschaften und streut denIR-Strahl starker als eine ebene Flache. Somit sollte nur noch ein Teil der ausgesanntenStrahlung am IR-Empfanger wieder ankommen. Daher liegt die Vermutung nahe, dassdarunter die Qualitat der Sensorwerte leidet.

Storsignale Die Sensoren sind uber ca. 2 m lange Signalleitungen an die Moterplatinenangeschlossen, welche wiederum das Signal zum Mikrocontroller durchschleifen. Die lan-gen Signalstrecken kommen durch die Bauweise des Gehauses zustande. Sie unterliegenaußeren Storeinflussen wie den elektromagnetischen Feldern der Motoren sowie weiterenhochfrequenten Storsignalen. Diese Storsignale erzeugen im Sensorsignal einen relativhohen Peak–to–Peak-Wert von mehreren hundert Millivolt im Vergleich zu Anderungender Sensorwerte von 5 mV bei weiten Entfernungen und Abstandsanderungen von einemZentimeter. Um den Einfluss dieser Storungen etwas zu mildern, wurde in die Motor-

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platine ein Tiefpass erster Ordung mit einer Grenzfrequenz von 80 Hz integriert. Mehrdazu im Abschnitt 6.

Ergebnis Alle diese Probleme fuhren dazu, dass die Qualitat der Sensorwerte sinkt undman bei großeren Entfernungen vom Sensor Probleme in der Auflosung der Sensorwertebekommt. Je nachdem wie groß die oben beschrieben Storeinflusse sind, kann es vorkom-men, dann man uber 10–30 cm kaum Anderungen in der Signalstarke hat und somit einesinnvolle Nutzung dieses Sensorbereiches außer Frage steht. War es im Prototyp nochmoglich, 50 cm Bereichsbreite auszusteuern, sind es im finalen Aufbau etwa 20-30 cm.Dabei hat die optimale Sensorausrichtung im Prototypen vermeintlich den großten Ein-fluss gehabt. Diese Genauigkeit ist im Airqualizer-Aufbau leider nicht moglich.

5.5 Was zu tun bleibt

Es ist anzustreben, die Sensorjustierung zu verbessern und damit den aussteuerbarenBereich der Acyrlglasrohren auf den Stand des Prototypens zu bringen und damit zu-mindest große Teile des sichtbaren Bereiches von 50 cm ansteuern zu konnen.

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6 Motorsteuerung

Die Schrittmotoren bewegen die Drosselklappen, die zur Regelung des Luftstroms in denLuftrohren eingesetzt werden. Die Achse einer Drosselklappe wird dabei direkt mit derMotorwelle eines Schrittmotors verbunden. Um diese Verbindung herzustellen 5mm auf5mm Achskupplung verwendet.

6.1 Motorauswahl

Als Motor wurde fur das Entwickeln und Erproben der Ansteuerung ein im Labor ver-fugbarer 12 V-Schrittmotor mit einer Schrittweite von 1,8 ∘ verwendet. Im endgultigenAufbau sind Schrittmotoren vom Typ KP4M2 von Japan Servo verwendet worden. Diesewerden auch mit 12 V betrieben und verfugen ebenfalls uber eine Schrittweite von 1,8 ∘.Diese Motoren wurden wegen ihres verhaltnismaßig geringen Strombedarfs von maximal0,3 A und ihres niedrigen Preises gewahlt. Im Aufbau werden 8 dieser Motoren gleich-zeitig betrieben. Zuerst in betracht gezogene Motoren vom Typ TECO X1004 von MIRElektronik hatten mit maximal 1 A Strombedarf die Stromversorgung uberlastet.

6.2 Motoraufbau und Betriebsarten

Die von uns verwendeten Schrittmotoren besitzen jeweils zwei Spulen. Wird durch ei-ne dieser Spulen ein Strom geschickt, richtet sich der Rotor des Motors entsprechenddes erzeugten Magnetfeldes aus. Der Motor hat jetzt einen Schritt gemacht. Um einenweiteren Schritt zu machen, wird ein Strom durch die andere Spule geschickt. Fur dennachsten Schritt wird durch die erste Spule ein umgekehrter Strom geschickt und furden letzten Schritt wird ein umgekehrter Strom durch die zweite Spule getrieben. Damitist ein Zyklus eines bipolar betriebenen Motors beendet. Intern sind die Spulen einesMotors so gewickelt, dass nicht nach Beendigung eines Zykluses auch eine Umdrehungdurchgefuhrt wurde. Bei dem von uns verwendeten Motor mit 1,8 ∘ Schrittweite warenalso 50 Zyklen fur eine Umdrehung notwendig.

Motoren, die zusatzlich zu zwei Anschlussen pro Spule noch jeweils einen weiterenAnschluss an der Mitte der Spule haben, konnen auch unipolar betrieben werden. Imunipolaren Betrieb wird jeweils nur ein Halfte einer Spule von Strom durchflossen. Nach-dem fur den nachsten Schritt die zweite Spule bestromt wurde, wird anders als beimbipolar betriebenen Motor nicht ein umgekehrter Stromfluss benotigt, um den nachstenSchritt durchzufuhren. Stattdessen fließt der Strom vom Mittelanschluss uber die andereHalfte der Spule ab. Somit kommt es intern zu der benotigten Umkehrung der Strom-richtung. Dadurch, dass jeweils nur eine Halfte der Spule von Strom durchflossen ist, istdas maximale Drehmoment im unipolaren Betrieb geringer als im bipolaren Betrieb.

Zu der eben beschriebenen Vollschrittansteuerung gibt es auch noch eine Halbschrit-tansteuerung, die auch bipolar und unipolar vollzogen werden kann. Der Unterschiedbesteht darin, dass nachdem die erste Spule bestromt wurde, diese nicht ausgeschaltetwird und die zweite Spule mit Strom versorgt wird. Stattdessen wird die zweite Spulezusatzlich aktiviert, wodurch sich der Rotor des Motors in eine Mittelstellung zwischen

15

Vollschritt Spule 1a Spule 1b Spule 2a Spule 2b

Schritt 1 + − 0 0Schritt 2 0 0 + −Schritt 3 − + 0 0Schritt 4 0 0 − +

Halbschritt Spule 1a Spule 1b Spule 2a Spule 2b

Schritt 1 + − 0 0Schritt 2 + − + −Schritt 3 0 0 + −Schritt 4 − + + −Schritt 5 − + 0 0Schritt 6 − + − +Schritt 7 0 0 − +Schritt 8 + − − +

Tabelle 1: Ansteuerung der Schrittmotoren

den beiden Vollschritten bewegt. Anschließend wird der Strom durch die erste Spule ab-gestellt. Der erste Schritt ist damit vollzogen. Die weiteren Teilschritte verlaufen analog.

6.3 Motorbeschaltung und Betrieb

Der Schrittmotor wird direkt an einen Treiber IC vom Typ L298 angeschlossen. DieserIC verfugt uber zwei separate H-Brucken, die jeweils eine Spule des Motors versorgenkonnen. Da es Aufgrund der H-Brucken moglich ist einen Strom in beide Richtungen zutreiben und Aufgrund des hoheren Drehmoments, haben wir uns fur eine bipolare Halb-schrittansteuerung des Motors entschieden. Durch die Halbschrittansteuerung halbiertsich die Schrittweite, wodurch eine feinere Einstellung der Drosselklappen moglich ist.Der L298 IC wird vom Mikrocontroller aus uber 4 Steuerleitungen angesprochen. Jeweils

16

Abbildung 6: Motorbeschaltung

zwei Steuerleitungen legen fest, ob und wenn in welcher Richtung der Strom durch dieSpulen des Motors fließt: Wenn an beiden Steuerleitungen der gleiche Logikpegel anliegt,werden beide Seiten der H-Brucke gleich ausgesteuert und somit liegt das gleiche Poten-tial an beiden Enden der Spule, es fließt kein Strom. Bei unterschiedlichem Logikpegelfließt dementsprechend ein Strom.

Damit die Motoren bei 12 V Versorgungsspannung nicht die maximalen 0,3 A Stromziehen, werden sie mit einer Chopperschaltung betrieben. Dafur werden die Enable Ein-gange der H-Brucken und die Sense Ausgange genutzt. An die Sense Ausgange ist da-bei jeweils ein Messwiderstand angeschlossen, so dass eine zum Strom in der jeweiligenSpule proportionale Spannung abfallt. Diese Spannung wird in einer Komparatorschal-tung mit einer Referenzspannung verglichen. Ubersteigt die Spannung uber einem derMesswiderstande den Referenzwert, wird der Enable Eingang der entsprechenden Spu-le auf Null Potential gezogen, was einen sinkenden Strom zur Folge hat. Ist der Stromweit genug gefallen wird der Enable Eingang durch den Komparator wieder aktiviertund der Strom steigt wieder. Durch diese Schaltung konnen die Motoren mit einer hohe-ren Versorgungsspannung betrieben werden, als dies eigentlich durch den vorgegebenenmaximalen Stromfluss moglich ware. Diese hohere Versorgungsspannung sorgt fur einenschnelleren Stromanstieg in den Motorspulen. Dadurch wird das maximale Drehmomentder Motoren fruher erreicht und es kommt bei hohen Ansteuerungsfrequenzen nicht zuSchrittverlusten.

Der im endgultigen Betrieb realisierte Storm pro Spule betragt 0,125 A und wurdedurch schrittweise Verringerung des Stroms, bis zum Eintreten von Schrittverlusten,ermittelt. Der maximale Strom pro Spule kann auf der Motorplatine mit dem EinstellpotiR4 eingestellt werden.

17

6.4 Tiefpass fur Abstandssensor

Fur die Messwertleitung der Abstandssensoren ist auf den Motorplatinen noch ein Tief-pass realisiert. Er dient dazu eventuelle Storungen des Messsignals, die auf der Ubertra-gungsstrecke vom Sensor zur Platine auftreten, zu unterdrucken. Der Tiefpass hat eineGrenzfrequenz von 80 Hz. Bei der Dimensionierung musste ein Kompromiss zwischen derReaktionsgeschwindigkeit des Messsignals am Mikrokontroller und der Filterung einesmoglichst großen Frequenzbereichs getroffen werden.

f =1

2�RC(1)

6.5 Ergebnis

Die Motorplatinen sind alle komplett durchgemessen und funktionierten einzeln im Pro-totyp. Einzeln funktionierten sie auch im endgultigen Aufbau. Im parallelen Betriebkommt es jedoch zu Problemen. Wenn die Motoren angesteuert werden vibrieren sie,anstatt Schritte auszufuhren. Wo der Fehler liegt kann im Moment noch nicht gesagtwerden. Eine mogliche Quelle stell jedoch die Stromversorgung da, da Schrittmotorenbei zu geringem Strom zu wenig Drehmoment erzeugen, wodurch es anstelle des Schrittsnur zu einem Vibrieren kommt.

6.6 Bauelementeliste

1×L298n

1×lm324

4×10Ohm Widerstand

1×180Ohm Widerstand

3×100nF Kondensator

1×10nF Kondensator

1×50kOhm Einstellpoti

1×10kOhm Einstellpoti

8×40V-1A Schottkydioden

1×DIL14 Gehausesockel

1×6pol Wannenstecker

2×3pol Steckverbinder

1×2pol Steckverbinder

1×4pol Stiftleiste

1×KP4M2 Schrittmotor von JapanServo

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Abbildung 7: Schaltplan der Motorplatine

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Abbildung 8: Bestuckungsplan der Motorplatine

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Abbildung 9: Platinenlayout der Motorplatine (Bottom)

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Abbildung 10: Platinenlayout der Motorplatine (Top)

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Vorverstärker Bandpässe

7:1 MUX

Spannungs-spitzen-

detektion

ADCMikro-

controller

Bandverstärkung

Kanalauswahl

Line In

L

R

7

zum Audioverstärker

Abbildung 11: Blockschaltbild des Equalizers

7 Equalizer

Der Airqualizer soll neben der reinen Visualisierung des Audiosignals naturlich auchdas Signal selber erklingen lassen konnen. Als Quelle sind dafur z. B. CD-Player odermobile Gerate, die ansonsten Musik nur uber Kopfhorerausgange ausgeben, vorgesehen.Ein eingebauter Audioverstarker ermoglicht den direkten Betrieb von Lautsprechern amAirqualizer. Ein graphischer 7-Band-Equalizer ermoglicht eine klangliche Beeinflus-sung des Audiosignals, wahrend der Verstarker eine Veranderung der Gesamtlautstarkeam Ausgang zulaßt.

Der in diesem Abschnitt beschriebene Schaltungsteil realisiert nicht nur den Equalizer,sondern stellt auch die Daten zur Verfugung, mit denen der Mikrocontroller letztlichden Analysator betreibt. Das Blockschaltbild in Abb. 11 gibt einen Uberblick uber dieFunktionsweise, welche im Folgenden naher erlautert wird.

7.1 Eingang & Vorverstarker

Von dem anfangs gefaßten Vorsatz, den Audioteil des Airqualizers in Stereo umzuset-zen, mußte wegen der mangelnden Belastbarkeit des Netzteils sowie Zeitknappheit beimFertigen der Platinen Abstand genommen werden. Aus diesem Grund wird das Audiosi-gnal zu Beginn der Audioverarbeitungskette durch Summation der beiden Stereokanalein ein Monosignal umgesetzt.

Die Ausgangsleistung und -spitzenspannung mobiler, audiofahiger Gerate stellte sich inanfangs durchgefuhrten Testmessungen als sehr unterschiedlich heraus. Es scheint keineverbindlichen Festlegungen zu geben, an die sich die Hersteller dieser Gerate halten.Da hier also nicht von genormten Spannungspegeln ausgegangen werden kann, ist am

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Abbildung 12: Schaltplan des Equalizereingangs

Eingang des Airqualizers ein kleiner, einstellbarer Vorverstarker vorgesehen, uber densich das Eingangssignal um maximal ±12 dB verstarken bzw. dampfen lasst. Summationund Skalierung erfolgen uber einen invertierenden Addierer, dessen Verstarkung uber einPotentiometer vom Benutzer eingestellt werden kann (Abb. 12). Die Ausgangsspannungdes Addierers ergibt sich aus

Uout = −R(UL

R40+UR

R39

), (2)

wobei R den Widerstand in der Ruckkopplung beschreibt. Unter der Annahme, dass sichlinker und rechter Kanal zu

UL + UR = 2 ⋅ Uin (3)

addieren, kann die Verstarkung des invertierenden Addierers uber

V =Uout

Uin= −2 ⋅ R

R39,40= − R

5 kΩ(4)

bestimmt werden. Um nun Vmin = 1/4 bzw. Vmax = 4 zu erreichen, muss R = 1,25 kΩbzw. R = 20 kΩ gewahlt werden. Fur das gewahlte 20 kΩ-Potentiometer und den dazu inReihe geschalteten 1 kΩ-Widerstand werden die gewunschten Verstarkungen mit etwaszusatzlichem Spielraum erreicht.

Um die nachfolgende Elektronik nicht durch zu hohe Spannungen zu zerstoren, be-grenzen zwei Dioden vom Typ 1N914 hinter dem Addierer die maximale Spannung aufScheitelwerte von ca. 0,8 V. Optional kann eine Ubersteuerungsanzeige angeschlossenwerden, die dem Benutzer uber eine LED signalisiert, wann das verstarkte Eingangs-signal zu groß wird. Als Addierer kommt der rauscharme Doppel-OPV NE5532 zumEinsatz.

Das als Signalquelle dienende Gerat wird uber eine 3,5 mm-Stereo-Klinkenstecker anden Airqualizer angeschlossen. Das Potentiometer des Vorverstarkers sowie die LEDder Ubersteuerungsanzeige werden uber Steckverbinder an die Platine angeschlossen und

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Abbildung 13: Schaltplan der Ubersteuerungsanzeige

nahe der Klinkenbuchse am Gehause angebracht. Die Equalizer-Platine ist in der Mittedes Airqualizers befestigt. Um die Benutzerschnittstellen moglichst flexibel positionie-ren zu konnen, sitzen sie nicht direkt auf der Platine, sondern werden uber Steckverbinderangeschlossen.

7.2 Ubersteuerungsanzeige

Um dem Benutzer optisch zu signalisieren, wann das verstarkte Eingangssignal zu hoheSpannungspegel aufweist, kann hinter dem Vorverstarker eine Ubersteuerungsanzeigezugeschaltet werden (Abb. 13).

< .mine Um die nachfolgende Elektronik nicht durch zu hohe Spannungen zuzerstoren, begrenzen zwei Dioden vom Typ 1N914 hinter dem Addierer die maximaleSpannung auf Scheitelwerte von ca. 0,8 V. Optional kann eine Ubersteuerungsanzeigeangeschlossen werden, die dem Benutzer uber eine LED signalisiert, wann das verstarkteEingangssignal zu groß wird. Als Addierer kommt der rauscharme Doppel-OPV NE5532zum Einsatz. ======= Der fur IC1 gewahlte LM311 ist ein OPV mit Open-Collector-Ausgang. Uber die Spannungsteiler R1–R3 und R2–R4 an seinen Eingangen kann dieSchaltschwelle des Komparators eingestellt werden. Ubersteigt das Eingangssignal dieseSchwelle, wird der Ausgang des IC1 negativ, so daß der Kondensator C3 uber R5 auf-15 V aufgeladen wird. Der Transistor Q1 offnet und durch die LED fließt ein Strom, derdurch den Vorwiderstand R8 auf ca. 2 mA begrenzt wird. Da sich C3 uber R6 und R7 nurlangsam entladt, leuchtet die LED nach dem Auftreten der Ubersteuerung am Eingangnoch etwas langer. Somit hat der Benutzer die Moglichkeit, auch sehr kurze Ubersteue-rungen zu erkennen. Uber die Wahl von R6 und R7 kann die

”Nachleuchtezeit“ der LED

verandert werden. Fallt die Basis-Emitter-Spannung des Transistors unter 0,7 V, erlischtdie LED, da der Transistor wieder sperrt. > .r101

< .mine Das als Signalquelle dienende Gerat wird uber eine 3,5 mm-Stereo-Klinkensteckeran den Airqualizer angeschlossen. Das Potentiometer des Vorverstarkers sowie dieLED der Ubersteuerungsanzeige werden uber Steckverbinder an die Platine angeschlos-

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Abbildung 14: Schaltplan der Bandpaßfilterung und der anschließenden Summation

sen und nahe der Klinkenbuchse am Gehause angebracht. Die Equalizer-Platine ist inder Mitte des Airqualizers befestigt. Um die Benutzerschnittstellen moglichst flexibelpositionieren zu konnen, sitzen sie nicht direkt auf der Platine, sondern werden uberSteckverbinder angeschlossen. ======= > .r101

7.3 Bandpaßfilterung

Nach der Vorverarbeitung wird das Audiosignal in einer Parallelstruktur aus sieben ana-logen Bandpassen in die einzelnen Frequenzbander zerteilt, deren Verstarkung vom Mi-krocontroller kontrolliert wird. Dafur kommen digitale Potentionmeter vom Typ AD5204zum Einsatz, die uber ein serielles 3-Wire-Interface direkt vom Mikrocontroller gesteuertwerden konnen. Die Bandpaßsignale werden – entsprechend gewichtet – wieder aufad-diert, bevor sie zum Audioverstarker gelangen. Die Schaltung ist in Abb. 14 fur einender Bandpasse zu sehen. Die anderen sechs Bandpasse werden zwischen den Punkten Aund B im Schaltplan angeschlossen. Nur fur einen Widerstandswert RB = RA/6 und eineVerstarkung von 1 in allen sieben Bandpassen liefert der Equalizer am Ausgang hinterdem invertierenden Addierer ebenfalls eine Gesamtverstarkung von 1.3 Noch vor demgemeinsamen Summationspunkt der Filter wird das Bandsignal jeweils ausgekoppelt,um fur die Weiterverarbeitung im Mikrocontroller aufbereitet zu werden (siehe dazuAbschnitt 7.4).

IC1 in Abb. 14 dient als Eingangspuffer und ist, genau wie der Addierer IC3 und alleFilterstufen, wiederum mit dem rauscharmen Doppel-OPV NE5532 realisiert. Koppel-kondensatoren am Ein- und Ausgang der Schaltung blocken im Audiosignal auftretendeGleichanteile.

3Da alle Filterstufen mit dem gleichen Widerstand RA = 100 kΩ an den Addierer angeschlossen sind,geht jedes der sieben Bandsignale mit gleicher Gewichtung ins Summensignal ein, wenn die Poten-tiometer ebenfalls auf den gleichen Wert eingestellt sind.

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Bandindex Mittenfrequenz berechnetes C2

1 62,5 Hz 8,82 nF

2 157,5 Hz 3,50 nF

3 396,9 Hz 1,39 nF

4 1000 Hz 551,33 pF

5 2519,8 Hz 218,80 pF

6 6349,6 Hz 86,83 pF

7 16000 Hz 34,46 pF

Tabelle 2: Berechnete Mittenfrequenzen und Kapazitaten der Bandpasse

Die Filter werden durch aktive Bandpasse zweiter Ordnung realisiert. Ihre Mitten-frequenz und Gute ist – wie von einem graphischen Equalizer gewohnt – jeweils fest,allerdings lasst sich ihre Verstarkung zwischen −12 dB und +12 dB variieren. Die Band-passen weisen die gleiche Gute auf und ihre Mittenfrequenzen sind so bestimmt, dassder horbare Bereich auf einer logarithmischen Frequenzachse in sieben gleich große, sichuberlappende Bander eingeteilt wird.4 Mittenfrequenz und Gute dieser Filter ergebensich nach [Skr88] folgendermaßen:

!m =

√2R1 +R2

R1R2R3C1C2, (5)

Q = !m ⋅R2R3C1C2

2R2C1 + (R1 +R2 +R3)C2. (6)

Mit dem fur die Dimensionierung gewahlten C1 = 10 ⋅ C2 und R3 = 10 ⋅ R2 vereinfachtsich Gl. (5) zu

!m =1

10R2C2

√2 +

R2

R1, (7)

woraus sich durch einfaches Umstellen die die Mittenfrequenz bestimmende Kapazitat C2

bestimmen laßt. Die Widerstandswerte wurden, um in allen Filtern nur die Kapazitatenvariieren zu mussen, fur jeden Bandpaß auf jeweils

R1 = 10 kΩ , R2 = 100 kΩ , R3 = 1 MΩ (8)

festgelegt. Das fur jeden Bandpaß daraus resultierende C2 ist in Tab. 2 aufgelistet.Die in Tab. 2 aufgefuhrten Mittenfrequenzen der Bandpasse ergeben sich durch die

Festlegung der Mittenfrequenz des mittleren Bandes auf 1 kHz und der des oberstenBandes auf 16 kHz. Der Multiplikator zwischen benachbarten Mittenfrequenzen betragtfur sieben Bander demzufolge

K =3

√16 kHz

1 kHz≈ 2,52 , (9)

4Diese Einteilung ist dem menschlichen Gehor angepasst, welches u. a. ein logarithmisches Frequenz-empfinden zeigt (Frequenzverdopplung = 1 Oktave hoher).

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Bandindex Mittenfrequenz gewahltes C2 gewahltes C1

1 67,2 Hz 8,2 nF 82 nF

2 167,1 Hz 3,3 nF 33 nF

3 367,6 Hz 1,5 nF 15 nF

4 984,5 Hz 560 pF 5,6 nF

5 2506 Hz 220 pF 2,2 nF

6 6723,5 Hz 82 pF 820 pF

7 16707 Hz 33 pF 330 pF

Tabelle 3: Verwendete Kapazitaten und resultierende Mittenfrequenzen der Bandpasse

woraus sich fur die Gute eines jeden Filters bei maximaler Verstarkung zu

Q =

√K

K − 1≈ 1,05 (10)

ergibt. Wie aus Gl. (6) zu erkennen ist, sinkt die Gute jedoch mit fallender Verstarkung,d. h. die Bander werden in diesem Fall etwas breiter. Schaltungstechnisch lassen sichauch graphische Equalizer entwerfen, deren Bandbreiten tatsachlich unabhangig von derBandverstarkung sind (siehe z. B. [Boh86]). Dies ware z. B. fur Studioanwendungensicher die bessere Alternative, da sich benachbarte Bandern in diesem Fall deutlich we-niger gegenseitig beeinflussen. Fur den Einsatzbereich des Airqualizers ist ein solchesFilterdesign jedoch nicht unbedingt notwendig.

Die in Tab. 2 aufgelisteten Mittenfrequenzen wurden nicht gerundet, da die benotigtenKondensatoren ohnehin nicht in beliebigen Kapazitaten erhaltlich sind. Stattdessen wur-den die berechneten C2 erst am Ende auf tatsachlich erhaltliche Großen gerundet. Diegewahlten Kapazitaten sowie die nach Gl. (7) daraus resultierenden Mittenfrequenzensind in Tab. 3 zusammengefaßt. Die Abweichung der Mittenfrequenzen von den berechne-ten Werten sind in Anbetracht des Einsatzbereiches des Airqualizers vernachlassigbarklein.

7.4 Multiplexer

Da der Analysator des Airqualizers ebenfalls uber den Mikrocontroller gesteuert wird,benotigt letzterer das bandpaßgefilterte Audiosignal in digitaler Form. Dazu werdendie Bandpaßsignale vor der Summation ausgekoppelt und durch einen ADC umgesetzt.Um die fur den ADC notwendige Signalaufbereitung nicht in siebenfacher Ausfuhrungaufbauen zu mussen, werden die Bandsignale in einem analogen Multiplexer vom TypDG408 zusammengefuhrt. Der Mikrocontroller kann uber drei Steuerleitungen auswah-len, welches der sieben Bandsignale vom Ausgang des Multiplexers uber die Signalauf-bereitung zum ADC gelangt.

Der DG408 arbeitet mit Umschaltzeiten im Nanosekundenbereich ausreichend schnell,um im Zeitmultiplex-Betrieb die Bandsignale nacheinander an den ADC durchzuschal-ten. Da es sich letztendlich um eine graphische Ausgabe handelt, mussen ohnehin keine

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Abbildung 15: Schaltplan des Multiplexers und des Spannungspitzendetektors

so hohen Timing-Anforderungen gestellt werden wie beispielsweise fur Audio. Zudemwar der DG408 einer der wenigen verfugbaren analogen Multiplexer mit 8 Kanalen.

Die Beschaltung des Multiplexers in Abb. 15 ist recht simpel. Auf sieben der acht zurVerfugung stehenden Eingange S1. . . S8 fuhren die sieben ausgekoppelten Bandsignaleaus der Filterstufe. Die drei Steuerleitungen fur die Kanalauswahl sind direkt mit demMikrocontroller verbunden, der daruber entscheiden kann, welcher Eingang jeweils aufden Ausgang D geschaltet wird. Da am Mikrocontroller fur den ENABLE-Anschluß desMultiplexers keine Pins mehr verfugbar waren, wurde der DG408 fest auf

”enabled“ ver-

drahtet. Der Ausgang des Multiplexers fuhrt direkt auf die Spannungsspitzendetektion.

7.5 Spannungsspitzendetektion

Was uber die Rohren des Analysators dargestellt werden soll, ist die Signalenergie in densieben Frequenzbandern. Eine ziemlich genaue Methode, diese Energie zu bestimmen,bestunde in der kontinuierlichen Abtastung der Bandsignale und einer anschließendenSummation der Amplitudenquadrate (in Software). Mit ausreichend kleinen Zeitfensternfur die Summation (und ggf. einem gleitenden Mittelwert uber die Summen) kann dieEnergie sehr genau bestimmt werden. Allerdings wird in dieser Losung unverhaltnis-maßig viel Aufwand in die A/D-Umsetzung gesteckt, da ausreichend hohe Abtastratengewahrleistet werden mußten, um aussagekraftige Ergebnisse zu erhalten.

Um Mikrocontroller und ADC zu entlasten, konnte jeweils ein Bandsignal gleichge-richtet, (in Hardware) uber einen kurzen Zeitraum aufsummiert und anschließend perADC umgesetzt werden. Im Vorfeld durchgefuhrte Softwaresimulationen zeigten jedoch,daß schon der Spitzenwert des Signals den Verlauf der Signalenergie qualitativ sehr gutapproximiert. Ein solcher Spitzendetektor ließ sich schaltungstechnisch recht einfach um-setzen (Abb. 15).

Der Komparator IC1 schaltet nur dann positiv durch, wenn das Eingangssignal großerist als die momentane Spannung uber dem Kondensator.5 Die Diode wird leitend, und

5Die negativen Spitzen werden hier vernachlassigt, da die Simulationen zeigten, daß positive und ahnlich

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Abbildung 16: Schaltplan des ADCs

der Kondensator wird auf den am Eingang liegenden Wert aufgeladen. Ab diesem Punkt(oder fur niedrigere Spannungen am Eingang) kippt der Ausgang des Komparators innegative Richtung, was wegen der dann in Sperrichtung gepolten Diode allerdings keineAuswirkung auf den Kondensator hat. Um ein Entladen des Kondensators uber dienachfolgende Schaltung zu verhinden, ist IC2 als Spannungsfolger zwischengeschaltet, dereinen sehr großen Eingangswiderstand aufweist. Um am Ende eines Analysefensters denSpitzenwert wieder zuruckzusetzen, kann der Kondensator uber den FET Q1 entladenwerden, dessen Gate direkt an den Mikrocontroller angeschlossen ist.

Wie auch im Rest der Equalizer-Schaltung kommt als OPV der NE5532 zum Einsatz.

7.6 A/D-Umsetzung

Da sich auf halber Strecke durchs Projekt herausstellte, daß nicht genugend Pins amMikrocontroller zur Verfugung stehen, um – wie anfangs geplant – die aufbereitetenBandpaßsignale mit dem internen ADC des Mikrocontrollers umzusetzen, mußte aufeinen externen ADC ausgewichen werden. Vorgabe der Mikrocontroller-Gruppe war einparalleler Datenausgang. Da die digitalisierten Signale nur fur die Positionierung derBalle in den Rohren herangezogen werden, ist eine Quantisierung mit z. B. im Audiobe-reich verbreiteten 16 bit nicht notwendig. Die 256 Stufen eines 8-Bit-ADCs reichen volligaus, um die Hohe der Balle sehr fein einstellen zu konnen.

Die Wahl fiel letztendlich auf den ADC0804, der fur einen bezahlbaren Preis die An-forderungen erfullt. Mit Umsetzzeiten im Bereich von 100�s ist er zwar vergleichsweiselangsam (fur z. B. HiFi-Audioanwendungen nicht geeignet), liefert aber immerhin dieMoglichkeit, analoge Spannungswerte einige hundert bis tausend Male pro Sekunde indigitale 8-Bit-Worte umzusetzen – absolut ausreichend fur die Steuerung der Balle im

große negative Spitzen im Audiosignal zeitlich stets sehr dicht aufeinander folgten.

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Airqualizer.Die Beschaltung des ADC0804 ist in Abb. 16 zu sehen. Durch Kurzschließen der Pins

CLK und CLKR verwendet der ADC sein internes Taktsignal mit einer Frequenz von640 kHz (Self-Clocking Mode). Um Storeinflusse am Takteingang zu vermeiden, wirddieser uber einen kleinen Kondensator wechselspannungsmaßig geerdet.

Aus der in Abschnitt 7.1 beschriebenen Spannungsbegrenzung auf 0,8 V und der in Ab-schnitt 7.3 erwahnten maximalen Verstarkung um den Faktor 4 ergibt sich eine Maxim-malspannung von ca. UbpOut = 3,2 V am Ausgang jedes Bandpasses und somit am Ein-gang des ADCs. Da der Spitzendetektor negative Signalanteile ignoriert, ergibt sich alsminimale Eingangsspannung am ADC 0 V. Der negative Eingangspin VI- des ADC0804kann somit direkt auf Masse gelegt werden. Am Pin VREF erwartet der ADC die Halfteder Referenzspannung, in diesem Fall also

Uref =UbpOut

2= 1,6 V . (11)

Mit dem Spannungsteiler5 V

Uref=R1 +R3

R3(12)

fallt die gewunschte Spannung Uref fur ein Widerstandsverhaltnis von

R1

R3= 2,125 (13)

uber R3 ab. Gewahlt wurde R1 = 3,3 kΩ und R3 = 1,5 kΩ sowie ein zusatzliches 1 kΩ-Potentiometer fur den Feinabgleich.

Uber die Pins RD und WR kann der Mikrocontroller die A/D-Umsetzung steuern.INTR signalisiert eine abgeschlossene Umsetzung. Das digitale 8-Bit-Wort wird uberdie parallelen Ausgange DB0. . . DB7 direkt an den Mikrocontroller ubermittelt, der dieDaten weiterverarbeitet.

7.7 Spannungsversorgung & Schnittstelle zum Audioverstarker

Eine anfangs fur die Equalizer-Platine geplante ±12 V-Schiene direkt vom Netzteil ent-fiel im Laufe des Projekts zugunsten der neu hinzugekommenen Motoren. Als Notlo-sung wurde deshalb kurzerhand mittels der Festspannungsregler 7815 und 7915 aus denvom Netzteil bereitgestellten ±24 V eine ±15 V-Versorgung fur die OPVs direkt auf derEqualizer-Platine erzeugt – eine recht praktikable aber naturlich extrem ineffiziente Me-thode, die bei einer moglichen Uberarbeitung des Airqualizers unbedingt ausgemerztwerden sollte.

Die Digitalpotentiometer AD5204 benotigen als einzige Versorgungsspannungen diekleinste und großte an ihren Poti-Anschlussen auftretende Spannung. Diese ±3,2 V wur-den uber entsprechende Z-Dioden von den ±15 V abgegriffen. Dies ist zwar aus Effi-zienzgrunden ahnlich bedenklich wie der Einsatz der Festspannungsregler, kann abergerade noch toleriert werden, da die beiden AD5204 die einzigen Verbraucher an dieserSpannungsquelle sind und in den Filtern kaum Leistung umsetzen.

31

Da auch der Audioverstarker ein Digitalpotentiometer benotigt und noch einer deracht Kanale aus den beiden AD5204 unbelegt war, werden die drei Potianschlusse diesesKanals uber einen Steckverbinder mit der Verstarker-Platine verbunden. Hinzu kommendie Versorgungsspannungen ±15 V, ±24 V, analoge Masse und das Audiosignal.

7.8 Erfolge und Probleme bei der Umsetzung

Trotz intensiver Tests der zahlreichen Einzelkomponenten dieser Schaltung funktionier-te bis zum Prasentationstermin leider nicht alles wie geplant. Wahrend die klanglicheBeeinflussung uber die Bandpasse sowie die Wiedergabe uber den angeschlossenen Au-dioverstarker erfolgreich getestet wurde, bereitete der Einsatz der Digitalpotentiometerbis zuletzt Probleme. Wahrend sie in den Testschaltungen auch mit AD5204 wie ent-worfen funktionierten, begannen die Filter auf der Platine zu schwingen, sobald die dortvorher zu Testzwecken eingesetzten analogen Potentiometer durch die AD5204 ersetztwurden. Ein Problem, das es nach der Prasentation noch zu losen gilt!

Der gesamte Vorverarbeitungsteil fur den Analysator (Multiplexer, Spitzendetektion,ADC) konnte zwar einzeln erfolgreich getestet werden, nicht jedoch im Zusammenspielmit den Motoren und Rohren, da der entsprechende Teil der Mikrocontrollersoftware sokurzfristig nicht mehr fertiggestellt werden konnte.

Abbildung 17: Bestuckungsplan der Ubersteuerungsanzeige

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Kurzel Bauelement

ADC ADC0804

C1 82 nF RM 7,5

C2 6,8 nF RM 7,5

C3 3,3 nF RM 7,5

C4 33 nF RM 7,5

C5 1,5 nF RM 7,5

C6 15 nF RM 7,5

C7 560 pF RM 5

C8 5,6 nF RM 7,5

C9 220 pF RM 7,5

C10 2,2 nF RM 7,5

C11 82 pF RM 5

C12 820 pF RM 5

C13 33 pF RM 5

C14 330 pF RM 5

C15–17,29 47�F RM 2,5

C18 10�F RM 2,5

C19–28,35,36,38,39 47�F Elko RM 2,5

C30 10�F Elko RM 2,5

C31,34 330 nF RM 2,5

C32,33 100 nF RM 2,5

C37 100 pF RM 2,5

C40 1,5 nF RM 5

CON AMP Steckverbinder M10

CON AUDIO IN Steckverbinder M03

CON SUPPLY Steckverbinder M03

CON AUDIO MONITOR Steckverbinder M04

CON AUDIO POT Steckverbinder M02

CON MC Wannenstecker ML26

Tabelle 4: Bauelementeliste der Equalizer-Platine

Abbildung 18: Platinenlayout der Ubersteuerungsanzeige (Bottom)

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Kurzel Bauelement

D1–D3 1N914

D4–D5 BZX55

DIGIPOT1,2 AD5204N

IC1–5,8 NE5532N

IC6 7815 TO220

IC7 7915 TO220

MUX DG408DJ

Q1 BS170 SOT54

R42,58,60,66 1 kΩ

R1,2,8,9,13,14,18,19,23 10 kΩ

R24,28,29,33,34,38–41 10 kΩ

R53,57,59 10 kΩ

R37 16 kΩ

R5,10,15,20,25,30,35-36 100 kΩ

R3,4,6,7,11,12,16,17,21,22,26,27,31,32 1 MΩ

R43–52,61–62 47 Ω

R54 3,3 kΩ

R55 1,5 kΩ

R56 1 kΩ, PT10

R64,67 500 Ω, RJ9W Trimmer

Tabelle 5: Bauelementeliste der Equalizer-Platine (Fortsetzung)

Kurzel Bauelement

C1,C2 100 nF RM 5

C3 3,3�F Elko RM 2,5

CON AUDIO MONITOR Steckverbinder M04

D1,D2 1N4148

IC1 LM311N

LED1 2 mA 5 mm

Q1 BC559C TO92

R1–4

R5 1 kΩ

R6,R7 100 kΩ

R8 5,6 kΩ

Tabelle 6: Bauelementeliste der Ubersteuerungsanzeige

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Abbildung 19: Schaltplan des Equalizers

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Abbildung 20: Bestuckungsplan des Equalizers

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Abbildung 21: Platinenlayout des Equalizers (Bottom)

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Abbildung 22: Platinenlayout des Equalizers (Top)

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8 Audioverstarker

Ein Projekt wie der Airqualizer stellt die Teilnehmer vor nicht triviale Herausforde-rungen: Einerseits musste aus dem Nichts mit viel Kreativitat und Experimentierfreudeeine Technik entwickelt werden, mit der die springenden Balle in der Rohre zu realisierenund zu bedienen sind. Zum Anderen wurde sich dafur entschieden den Equalizerteil reinanalog zu verwirklichen. Die Verstarkung und Ausgabe des modifizierten Audiosignalswar die Aufgabe der Audiogruppe.

Es galt nun einen Audioverstarker zu entwickeln, der nicht zu anspruchsvoll sein darf,trotzdem gut klingen sollte, sich aber auch preislich in einem realistischen Rahmen be-wegen sollte. Da blieben trotzdem noch viele Variablen unbesetzt, wie die Art des Ver-starkers, die Verstarkung, die Ausgangsleistung und vieles mehr.

Den Gedanken, den Verstarker in Rohrentechnik zu realisieren wurde schnell wiederverworfen, da Rohren relativ teuer sind, mit hohen Spannungen gearbeitet wird undaußerdem keinerlei Erfahrungen im Umgang mit Rohrenverstarkern vorhanden war.

Beim ersten Verstarkertyp handelte es sich um einen D-Klasse Audioverstarker. Ver-starker dieser Art zeichnen sich durch einen extrem hohen Wirkungsgrad aus, der teil-weise bei uber 90 % liegt. Leider zeigten die Simulationen mit PSpice, dass es mit einerPWM (Schmitt-Trigger, Integrator und Komparator) bei einer Frequenz von ca. 400 kHz,einer Endstufe und schließlich einem Tiefpass nicht getan war, weil schon nach der PWMdas Rechtecksignal Verzerrungen aufwies. Um ein sauberes, verstarktes und rauscharmesSignal am Ausgang zu erhalten, bedarf es scheinbar einer etwas aufwandigeren, zusatz-lichen Beschaltung.

Eine ziemlich simple Methode einen Audioverstarker zu realisieren, ist die mit einemAudioverstarker-IC. Hierbei wurden diverse Schaltungen aus einigen Fachbuchern aus-probiert und getestet. Diese Schaltungen, welche unter anderem mit diversen integriertenICs auf dem Steckbrett gebaut wurden, zeigten bei einem Sinus-Signal aus dem Funkti-onsgenerator einen sowohl akustisch guten Klang, als auch auf dem Oszilloskop ein prak-tisch verzerrungsfreies Abbild des Eingangssignals. Wurde nun eine externe Audioquelle,wie ein Musik-Player angeschlossen traten teils starke Verzerrungen und Rauschen aufund es kam ein kraftiges Brummen dazu. Dieses Phanomen zeigte sich nicht nur bei einerSchaltung, sondern trat bei mehreren mit unterschiedlichen ICs auf. Zunachst wurde ge-ratselt, ob es am Steckbrett liegen kann und eine es wurde bei der dritten Schaltung, diescheinbar korrekt funktionieren sollte, da sowohl Buch, als auch Datenblatt dies theore-tisch noch bestatigten, eine Platine dafur geatzt und bestuckt. Es handelte sich hierbeium eine 47 W-Mono-Audioverstarker fur eine Last von 8 Ω. Auch hier zeigt sich die Sto-rung, worauf letzten Endes das ungeschirmte Klinke-Kabel in Verdacht kam eventuelleStorungen aufzunehmen. Damit war die Ursache gefunden. Es stellte sich heraus, dassohne Quelle, im Leerlauf, das 50 Hz-Netzbrummen von den Steckdosen der Schaltpulteaufgenommen wurde und zusatzlich noch ein hochfrequenter Rauschanteil dazukam.

Unterdessen waren die anderen Gruppen mit ihren Schaltungen und Dimensionie-rungen auch weiter fortgeschritten: Da es acht Motoren fur die Drosselklappen an denEqualizerrohren gab, war es erforderlich, diese mit ausreichend Strom zu versorgen. Daswurde bei der Dimensionierung des Netzteiles berucksichtigt. Jedoch wurde damit die

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Leistung des Verstarkers drastisch gekurzt, da sonst die Kosten fur das 24 V-Netzteil odergar fur mehrere Netzteile zu hoch wurden. Daher wurde fur die Audiogruppe eine Gren-ze von 25 W gesetzt, welche mit dem 47 W-Verstarker um Weiten uberschritten wurde.Außerdem sollte nun die variable Verstarkung des Audioverstarkers, also die Lautstarke-regelung, uber ein digitales Potentiometer mit 256 Schritten geregelt werden. Die relativeinfache IC-Audioverstarkerschaltung hatte nun noch auf den Eingang und das Digital-potentiometer angepasst werden mussen, was nun aber wegfiel, da der Verstarker einezu hohe Leistung erzielt.

Somit musste wieder eine neue, dieses Mal”leistungsarme“ Schaltung entworfen wer-

den. Hierbei wurde auf die Grundtechnik eines Audioverstarkers zuruckgegriffen, welcheaus einem invertierenden Verstarker und einer AB-Emitter-Gegentakt-Endstufe besteht.

8.1 Blockschaltbild

In der folgenden Abbildung ist das Blockschaltbild des Verstarkers zu sehen. Wie mansieht, wurde die gesamte Vorverstarkerstufe in zwei Teile aufgeteilt. Das hat folgendenHintergrund. Da die Lautstarkeregelung uber das Digitalpotentiometer stattfinden sollte,welches nur in bestimmten Spannungsbereichen arbeitet, musste fur die erste Stufe einegeringe Verstarkung gewahlt werden, damit die Spannungsebene einen Maximalwert von2,7 V nicht uberschreitet. Es wurde hier ein nicht invertierender Verstarker ausgewahlt,damit man die Moglichkeit hat, die Verstarkung vollkommen auf Null zu stellen. Beieinem nicht invertierenden Verstarker ware das nicht moglich gewesen.

Die zweite Stufe sollte dann die Verstarkung deutlich anheben. Hier wurde vorersteine feste Verstarkung von V = 40 gewahlt, welche aufgrund der kleineren Lautsprecherdann um die Halfte auf V = 20 gesenkt wurde.

Als Endstufe kam hier eine AB-Gegentakt-Endstufe zum Tragen. Diese Endstufe hatden Vorteil, dass sie im Gegensatz zum Eintaktverstarker zwei Verstarkungselemente be-sitzt, welche in unserem Falle durch zwei komplementare Transistoren realisiert wurden.Dadurch werden positive und negative Halbwelle des eingehenden Signals gleichmaßig.Aufgrund der vorher geforderten Versorgungsspannung von ±24 V fur die anderen ent-wickelten Verstarker sollte naturlich auch eine Endstufe entwickelt werden, die mit dieserSpannung arbeiten kann, was der gewahlten Endstufe keine Probleme bereitete.

8.2 Dimensionierung

8.2.1 Vorverstarker

Die Widerstandswerte der Vorverstarkerstufen ergaben sich aus den gewahlten Verstar-kungen und

V1 = −R2

R1= [0 . . . 1] (14)

mit R1 = 100 kΩ und R2 als digitales Potentiometer sowie

V2 = 1 +R4

R3

!= 20 . (15)

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Damit konnten die beiden Widerstande einfach zu R4 = 39 kΩ und R4 = 2,2 kΩ gewahltwerden.

Um eine rauscharme Ubertragung zu gewahrleisten, wurde der NE5532 also OPVgewahlt, der sich bis zuletzt als rauscharmer Vorverstarker im Audiobereich erwiesenhat.

8.2.2 Endstufe

Aufgrund der gewahlten Ausgangsimpedanz von R = 8 Ω (bzw. zwei in Reihe geschalteteLautsprecher mit je 4 Ω ergibt sich die Leistung der Endstufe durch

P = Ueff ⋅ Ieff =U2

eff

R=U2

2R

!= 8 W . (16)

Wir wahlten hier eine Leistung von 8 W, um die kleinen Boxen nicht unnotig zu uberla-sten. Damit ergibt sich eine Spannung an den Lautsprechern zu

U =√

2PR = 11,3 V . (17)

Aus dieser Spannung lassen sich die beiden Vorwiderstande der Transistoren berechnen,wenn man die abfallende Spannung vorher berechnet:

UR = 24 V − 11,3 V − 0,7 V = 12 V . (18)

Da durch die Diode nur ein relativ kleiner Strom von ca. 1,2 mA fließen muss, ergibt sichder Vorwiderstand zu

RV =UR

IR=

12 V

1,2 mA= 10 kΩ . (19)

Fur die Dioden kamen die 1N4148 zum Einsatz, da es sich hierbei um Schnellschaltdiodenhandelt, die in unserem Bereich die optimale Verwendung finden.

Um die thermische Zerstorung der Transistoren zu vermeiden, wurden zweierlei Maß-nahmen in Angriff genommen. Zum Einen wurde jeder Transistor durch Kuhlkorperausgestattet. Es handelt sich hierbei um eine passive Kuhlung mittels zweier einfacherKuhlkorper die an das TO-220-Gehause der beiden Transistoren angeschraubt wurden.Diese Maßnahme reicht wegen der geringen Leistungsaufnahme vollkommen aus, um denTransistor auch im Dauerbetrieb ausreichend mit Kuhlung zu versorgen. Es wurden zweiKuhlkorper mit einer Warmeleitfahigkeit von 7,5 W/K ausgewahlt. Die zweite Maßnah-me war das Einbringen zweier Leistungswiderstande zur thermischen Kompensation indie Schaltung. Die beiden Widerstande wurden hinter jeden Emitter gesetzt und bewirk-ten einen Spannungsabfall auf der Basis-Emitter-Strecke. Damit dieser nicht zu groß istund damit Leistung am Ausgang verloren geht, wurde sich experimentell auf 1 Ω geei-nigt. Bei kleineren Werten war die Temperaturzunahme zu groß, bei großeren Wertenfiel die Thermokompensation der Ausgangsleistung zum Opfer. Der Mix aus Leistungs-widerstanden und Kuhlkorper gewahrleistete einen dauerhaften Betrieb des Verstarkers.

Die Wahl der Transistoren fiel auf die komplementaren Transistoren BD243c undBD244c, welche sich im Gegentaktbetrieb als gute Wahl erwiesen haben.

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Abbildung 23: Schaltplan des Audioverstarkers

8.3 Kopplung mit Equalizer

Die Audioverstarkerschaltung ist uber einen eigens dimensionierten Stecker mit derEqualizer-Platine gekoppelt. Die zwei Spannungsebenen zur Versorgung der Endstufemit ±24 V und der Vorverstarker mit ±15 V wurden ebenfalls uber diesen Stecker ge-lost. Da das verwendete Digitalpotentiometer ebenfalls auf der Equalizer-Platine sitzt,wurde die Verbindung auch durch diesen Stecker hergestellt.

8.4 Schaltplane

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Abbildung 24: Layout des Audioverstarkers

Abbildung 25: Bestuckungsplan der Audioverstarkerplatine

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Abbildung 26: Blockbild der Schnittstellen

9 Mikrocontroller-Platine

9.1 Anforderungen

Die Mikrocontroller-Platine ist die zentrale Steuerungs-Platine. Sie verteilt und verar-beitet die Signale der einzelnen Systeme und ist fur die Steuerung des Gesamtverhaltensdes Airqualizers zustandig. Das Gesamtverhalten lasst sich in zwei Steuermodi aufteilenwelche den Modi Equalizer und Analyzer entsprechen. Sie sollen mit Hilfe eines Schaltersgewechselt werden konnen. Beide Modi teilen sich eine Regelung, sie ist dafur zustandigdas die einzelnen Balle der Rohren sich in vorgegebenen Hohen befinden. Dafur mussendie Sensorwerte ausgewertet und die Schrittmotoren entsprechend angesteuert werden.Im Analyzer-Modus werden die digitalisierten Audiosignale von der Equalizer-Platinein Sollwerte fur die Hohen der verschiedenen Balle umgerechnet. Im Equalizer-Modusmussen durch den Benutzer vorgenommene Anderungen an den Ballhohen erkannt undin entsprechende Sollwerte fur die Bandpasse sowie die Lautstarke umgerechnet werden.In beiden Modi mussen die Bandpasse sowie die Lautstarke entsprechend des internenZustands angesteuert werden. Dieser kann nur im Equalizer-Modus geandert werden.

9.2 Idee

Die gesamte Steuerung wird von nur einem Mikrocontroller auf der Platine ubernommen.Dadurch lassen sich alle Systeme des Airqualizers direkt ansteuern. Die Realisierung einesBussystems ist damit nicht erforderlich womit sich zusatzliche Steuerungs-Elemente aufMulti-/Demultiplexer-Aufgaben beschranken. Daher besteht die Logik der Platine ausder Verteilung von Signalen zwischen den verschiedenen Platinen und dem Mikrocontrol-ler. Ein zusatzlicher Vorteil der zentralen Steuerung ist das Anderungen am Verhaltennur durch umprogrammieren eines Mikrocontrollers realisiert werden konnen und diesedamit weitestgehend unabhangig von anderen Platinen und deren Bestuckung sind.

9.3 Schnittstellen

Die Schnittstellen zu den anderen Platinen lassen sich in sechs Gruppen einteilen:

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9.3.1 Steuerung der Bandpasse

Die Bandpasse sowie die Lautstarke mussen gesteuert werden. Zur Steuerung werdenzwei vierfach digitale Potentiometer auf der Equalizer-Platine benutzt. Zur Verringerungder Anzahl der Datenleitungen werden diese in Reihe geschaltet uber ein SPI-Interfaceangesteuert.

9.3.2 Einlesen der Audiosignale

Die sieben Audiosignale der einzelnen Bandpasse mussen eingelesen werden. Diese wer-den auf der Equalizer-Platine vorverarbeitet und dort von einem 8-Bit-ADC digitalisiert.Die verschiedenen Signale werden uber einen Multiplexer auf den ADC geschaltet. DerMultiplexer sowie der ADC werden von der Mikrocontroller-Platine angesteuert. Da-mit die digitalen Signale moglichst schnell eingelesen werden konnen werden die 8-Bitparallel an den Mikrocontroller ubertragen. Zusatzlich muss das Reset-Signal fur diePeak-Detektion auf der Equalizer-Platine gesteuert werden.

9.3.3 Ansteuerung der Schrittmotoren

Die Schrittmotoren mussen angesteuert werden um die Drosselklappen entsprechend zubewegen. Hierzu werden uber die acht Motor-Platinen die vier Spulen je Motor ubereinen Logikpegel direkt an- oder ausgeschaltet.

9.3.4 Einlesen der Sensorsignale

Die Signale der Sensoren werden uber die Motorplatinen direkt an die Mikrocontroller-Platine geleitet und mussen dort digitalisiert werden.

9.3.5 JTAG

Zum programmieren und debuggen des Mikrocontrollers wird eine JTAG Schnittstellenach außen gelegt.

9.3.6 Erweiterungen

Fur spatere Erweiterungen wie zum Beispiel ein Display werden zusatzlich 8 I/O-Pinsdes Mikrocontrollers nach außen gelegt. Außerdem werden zwei Schalter eingeplant umunter anderem zwischen dem Equalizer- und Analyzer-Modus umzuschalten.

9.3.7 Zusammenfassung

Die Steuerung der Bandpasse sowie das Einlesen der Audiosignale erfolgt uber eine26-adrige Verbindung zur Equalizer-Platine. Zusatzlich wird die Equalizer-Platine uberdiese Leitung mit digitaler Spannung und Masse versorgt. Das Ansteuern der Motorensowie das Einlesen der Sensorsignale erfolgt uber acht 6-adrige Verbindungen zu den achtMotor-Platinen. Zusatzlich wird die digitale Masse der Motor-Platinen mit der digitalen

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Masse der Mikrocontroller-Platine uber diese Leitungen verbunden um einen schnellerenAusgleich von durch die Motorspulen verursachten Unterschieden der gemeinsam genutz-ten Masse zu erreichen. Je eine 10-adrige Verbindung fur JTAG und die Erweiterungenwird zur Verfugung gestellt.

9.4 Wahl des Mikrocontrollers

Folgende Anforderungen werden an den Mikrocontroller gestellt:

∙ Durch die direkte Ansteuerung der einzelnen Systeme werden moglichst viele I/O-Pins benotigt.

∙ Die Regelung und Ansteuerung der acht Rohren erfordert eine ausreichend hoheTaktrate.

∙ Fur die Regelung wird ein hochauflosender Timer benotigt.

∙ Fur die Steuerung der digitalen Potentiometer wird ein SPI-Interface benotigt.

∙ Zum einfachen debuggen und programmieren wird ein JTAG-fahiger Mikrocontrol-ler benotigt.

∙ Es sollte ausreichend Programmspeicher zur Verfugung stehen.

∙ Fur die Digitalisierung der Sensorsignale ware ein interner ADC von Vorteil.

∙ Der Mikrocontroller sollte preiswert sein.

Die Entscheidung fiel auf den Atmega128. Er besitzt folgende relevante Merkmale:

∙ 53 I/O-Pins

∙ Taktraten bis 16MHz

∙ Zwei 16-bit Timer

∙ SPI-Interface

∙ JTAG-fahig

∙ 128K Bytes Programmspeicher

∙ 10-Bit / Acht-Kanal ADC

∙ relativ preiswert

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Abbildung 27: Connector zur Equalizer-Platine

9.5 Realisierung

9.5.1 Steuerung der Bandpasse

Die SPI-Pins der digitalen Potentiometer werden direkt mit den entsprechenden Pinsdes SPI-Interface des Mikrocontrollers verbunden. Zusatzliche Funktionalitaten der Po-tentiometer werden ebenfalls direkt an freie I/O-Pins des Mikrocontrollers gelegt.

9.5.2 Einlesen der Audiosignale

Die Steuerungspins des ADC und des Multiplexers auf der Equalizer-Platine sowie diePins fur die acht einzelnen Bits des digitalen Audiosignals werden ebenfalls direkt anfreie I/O-Pins des Mikrocontrollers gelegt. Gleiches gilt fur die Reset-Leitung der Peak-Detektion.

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Abbildung 28: Adressierbare Latches fur Motorplatinen

9.5.3 Ansteuerung der Schrittmotoren

Die je vier Signale fur die acht Motoren werden uber vier 8-Kanal adressierbare Lat-ches an die jeweiligen Connectoren fur die Motor-Platinen verteilt. Dabei steht je einadressierbares Latch fur eine Motorspule. Somit ist eine minimale Anzahl an Pins furdie Steuerung der Motoren erforderlich. Die Latches werden benotigt um eine zyklischeAnsteuerung der Motoren zu gewahrleisten. Falls ein Motor gerade nicht angewahlt istmussen dessen Spulen trotzdem angesteuert werden.

9.5.4 Einlesen der Sensorsignale

Da sich beim Atmega128 das JTAG-Interface mit den ADC-Eingangen uberschneidetwar es nicht moglich die acht Sensorsignale direkt an den Mikrocontroller zu legen.Daher werden die Sensorsignale uber einen einfachen 8-Kanal Analog-Multiplexer aneinen ADC-Eingang des Mikrocontrollers geschaltet.

Bemerkung: Ursprunglich war ein 4-fach 2-Kanal Analog-Multiplexer fur die Vertei-lung der Sensorsignale an die vier ADC-Eingange des Mikrocontrollers geplant. Nachdemdie Mikrocontroller-Platine fertig geatzt war mussten wir feststellen das der Multiplexerim Handel nur schwer zu erhalten ist. Daher wurde mit Hilfe eines provisorischen Adap-ters der 8-Kanal Multiplexer an die Pinbelegung des 2-Kanal Multiplexers angepasst. DieWahl der I/O-Pins am Mikrocontroller fur die Steuerung des Multiplexers mag deshalb

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Abbildung 29: Multiplexer fur Sensorsignale

etwas willkurlich erscheinen.

9.5.5 JTAG

Der JTAG-Connector wird entsprechend der Datenblatter des vom Labor zur Verfugunggestellten Adapters fur die RS232-Schnittstelle beschaltet.

9.5.6 Erweiterungen

Acht Pins sowie digitale Spannung und Masse werden direkt mit einem 10-Pin Connectorverbunden. Die Anschlusse fur die zwei Schalter werden als einfache Pins nach außengelegt.

9.5.7 Sonstiges

Der Mikrocontroller wird uber einen externen 16MHz Quarz getaktet. Zusatzlich gibt esdiverse Abblockkondensatoren zur Stabilisierung der Versorgungsspannung des Mikro-controllers sowie der Referenzspannung des internen ADC.

9.6 Layout

Der Entwurf des Layouts stellte sich als relativ aufwendig heraus. Durch die hohe An-zahl der Datenleitungen und deren Verteilung an die De-/Multiplexer und den Mikro-controller mussten haufige Layerwechsel in Kauf genommen werden. Als gute Strategiewurden vertikale/horizontale Leitungen nur im Bottom-/Top-Layer verwendet. Da dieDurchkontaktierungen nach der Atzung per Hand vorgenommen werden mussten wareine Anpassung der Via-Großen sowie deren Abstanden zu anderen Vias und Leitungenvonnoten. Dadurch ergaben sich weitere Einschrankungen beim Platzieren der Durch-kontaktierungen. Da der Atmega128 nur in SMD-Bauweise erhaltlich ist ergaben sichhier besondere Schwierigkeiten.

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Bemerkung: Das Layout ist wegen dem oben erwahnten Austausch des Multiplexersnicht konsistent mit dem Schaltplan. Auch die digitalen Massen fur die Motor-Platinenwurden nachtraglich an die entsprechenden Pins der Connectoren gelegt.

9.7 Ergebnis

Der Entwurf der Mikrocontroller-Platine war bis auf den ausgetauschten Multiplexererfolgreich. Die direkte Ansteuerung der verschiedenen Platinen erwies sich als hilfreichda gerade die Schnittstellen zur Equalizer-Platine zum Entwurfszeitpunkt noch nichtklar definiert waren. Die Schnittstellen konnten durch einfaches Variieren des Mikropro-gramms leicht angepasst werden. Das Layout musste leider zweimal entworfen werden daes keine klaren Angaben zu den Fahigkeiten des fur die Atzung zustandigen Labors gab.Es stellte sich heraus das bei zu dicht aneinander liegenden Leitungen die Saure nichtgut genug arbeiten kann. Daher musste die Platinen-Flache des ersten Entwurfs mehr alsverdoppelt werden was ein komplettes Redesign nach sich zog. Eine Herstellung durcheine externe Firma kam leider wegen schon zu hoher Kosten des mechanischen Aufbausdes Airqualizers nicht in Frage. Die Platine konnte aus zeitlichen Grunden noch nichtunter

”Volllast“ getestet werden. Etwaige Storeinflusse der verschiedenen digitalen und

analogen Signale mussen daher noch evaluiert werden.

Kurzel Bauelement

C1 Kondensator: 22 pF

C2 Kondensator: 22 pF

C3 Kondensator: 10 nF

C4 Kondensator: 10 nF

C5 Kondensator: 100 nF

C6 Kondensator: 10 nF

C7 Kondensator: 100 nF

C8 Kondensator: 10 nF

R1 Widerstand: 56 kΩ

R2 Widerstand: 56 kΩ

R3 Widerstand: 56 kΩ

Q1 Quarz: HC-49/US 16MHz

MC Mikrocontroller: Atmega128

SMUX 8-Kanal-Analog-Multiplexer: DG408

MW1DEMUX. . . MW4DEMUX 8-Kanal adressierbares Latch: CD74HCT259MG4

Tabelle 7: Bauelementeliste der Mikrocontroller-Platine

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Abbildung 30: Schaltplan der Mikrocontroller-Platine

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Abbildung 31: Bestuckungsplan der Mikrocontroller-Platine

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Abbildung 32: Platinenlayout der Mikrocontroller-Platine (Bottom)

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Abbildung 33: Platinenlayout der Mikrocontroller-Platine (Top)

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10 Regelung

10.1 Anforderungen

Die Regelung ist eines der zentralen Elemente des Airqualizers. Durch sie werden dieBalle in den acht Luftrohren in ihre entsprechenden Sollhohen gebracht um die Analyzer-Funktion zu verwirklichen. Auch die Equalizer-Funktion braucht eine Regelung um dieBalle in bestimmten Positionen schweben zu lassen. Die Beeinflussung der Ballhohenfindet durch Drehung von Drosselklappen unter den Luftern statt. Durch sie kann derLuftstrom in den Rohren variiert und damit die Hohe der Balle verandert werden. Fur dieprazise Steuerung der Drosselklappen werden Schrittmotoren verwendet. Um die aktuellePosition der Balle zu ermitteln befinden sich oben auf den Rohren IR-Abstands-Sensoren.Sie erzeugen je nach Hohe des Balles verschiedene Spannungspegel. Die Regelung mussdie verschiedenen Spannungswerte als Hohenwerte interpretieren. Diese werden als Ist-Großen in die Regelschleife eingefuhrt. Die Soll-Großen ergeben sich je nach Airqualizer-Modus aus den Audiosignalen der Bandpasse oder den aktuellen Einstellungen fur dieBandpasse sowie fur die Lautstarke. Unterschiede zwischen Ist- und Soll-Großen mussenvon der Regelung ausgeglichen werden. Dieser Ausgleich sollte so schnell wie moglicherfolgen und zu keinerlei Uberschwingen fuhren. Befindet der Ball sich in seiner Soll-Position sollte er diese ohne zu zittern exakt einhalten.

10.2 Prinzipieller Ablauf

Den prinzipielle Programmablauf fur Visualisierungs- und Steuerungsregelung zeigen dieAblaufdiagramme in Abb. 34 und Abb. 35.

10.3 Bedingungen

Die Bedingungen fur eine gut funktionierende Regelung sind nicht ideal. Ein Problemsind die Messwerte der Sensoren. Sie liefern nur in einem relativ kleinen Bereich akzep-table Werte. Die Spannung steigt nichtlinear wenn sich der Ball dem Sensor nahert. Ab10cm Entfernung sinkt sie jedoch wieder. Durch die Nichtlinearitat werden zudem Werteab 30cm ungenau da bei der Digitalisierung kleine Anderungen der Spannungen verlorengehen. Zusatzlich werden die Messungen durch den Aufbau an sich gestort. Storungenzum Beispiel durch Reflexionen an den Rohrenwanden sind nicht auszuschließen. Einweiteres Problem ist die Beeinflussung des Luftstroms durch die Drosselklappen. Ohnedetaillierte Kenntnisse der Stromungstechnik lasst sich das Verhalten des Balls nichtvoraussagen. Daher war ein umfangreiches Testen der Eigenschaften des Rohrensystemsan einem Prototypen unumganglich.

10.4 Testergebnisse

10.4.1 Offnen und Schließen der Drosselklappe

Es stellte sich heraus das der Ball relativ schnell auf eine Anderung des Luftstromsreagiert. Steig- und Sinkgeschwindigkeit sind verschieden aber beide relativ hoch.

55

Drosselklappen

Luftröhre

Abstandsmessung

Audiosignal

einlesen

Signalanpassung

Sensorwert

einlesen

Signalanpassung

Soll-Ist-

Vergleich

Motor-

Zustand

auslesen

Signalanpassung

Start

Soll != Ist

Motor-

Signale

ausgeben

Motor-

Zustand

ändern

Soll == Ist

Aktueller

Motorzustand

Prinzip-Aufbau Visualisierungs-Regelung

Aktueller

Equalizer-

Zustand

Equalizer-

Zustand

auslesen

Bandpass/

VOL-

Signale

ausgeben

Abbildung 34: Prinzipaufbau der Visualisierungsregelung

56

Drosselklappen

Luftröhre

Abstandsmessung

Equalizer-Zustand

auselesen

Sensorwert einlesen

Signalanpassung

Soll-Ist-Vergleich

Motor-Zustand auslesen

Signalanpassung

Start

Soll != Ist

Motor-Signale

ausgeben

Motor-Zustand ändern

Soll == Ist

Aktueller Motorzustand

Änderung erwünscht?

Aktueller Equalizer-Zustand

Equalizer-Zustand ändern

ja

nein

Equalizer-Zustand auslesen

Bandpass/VOL-

Signale ausgeben

Prinzip-Aufbau Steuerungs-Regelung

Abbildung 35: Prinzipaufbau der Steuerungsregelung

57

10.4.2 Genaue Positionierung der Drosselklappe

Ziel war es die Eigenschaften der Flugbahn des Balls bei kleinen Anderungen der Dros-selklappenposition zu bestimmen. Es stellte sich heraus das der Ball schon bei kleinstenAnderungen der Klappenposition stark reagiert. Eine Nullposition der Drosselklappefur den Schwebezustand des Balls ließ sich nur schwer finden. Schon bei Abweichungenvon wenigen Schritten begab sich der Ball in einen Sink- oder Steigflug. Hohe Sink-geschwindigkeiten ließen sich nur mit vollstandig geschlossener Klappe erreichen. HoheSteiggeschwindigkeiten schon bei halbgeoffneter Klappe. Da eine solch grobe Steuerungdes Balls durch die Klappenposition ungeeignet fur eine gute Regelung ist wurden alter-native Ansteuerungsmoglichkeiten der Drosselklappe getestet.

10.4.3 Pulsansteuerung mit konstanter Position und variablen Offnungswinkel

Die Drosselklappe wurde mit variablen Offnungswinkel abwechselnd geoffnet und ge-schlossen. Diese Methode erwies sich als nicht geeignet da die Geschwindigkeit derSchrittmotoren beschrankt ist und der Ball mit hoheren Offnungswinkeln zu schwingenbeginnt. Die großen Offnungswinkel werden jedoch fur eine hohe Steiggeschwindigkeitbenotigt.

10.4.4 Pulsansteuerung mit konstanter Position und variablen Offnungszeiten

Die Drosselklappe wurde wieder abwechselnd geoffnet und geschlossen aber mit kon-stantem Offnungswinkel. Geandert wurde lediglich das Verhaltnis zwischen der Dauerdes offenen bzw. geschlossenen Zustands der Klappe. Mit dieser Methode ließ sich dieGeschwindigkeit des Balles sehr genau einstellen. Wie bei der vorhergehenden Methodeubernimmt der Ball jedoch die Schwingungen der Drosselklappe da diese nicht schnellgenug gedreht werden kann.

10.4.5 Pulsansteuerung mit variabler Position und konstantem Offnungswinkel

Das Zentrum der Schwingung welche durch das Offnen und Schließen der Drosselklappeentsteht wurde hierbei variiert. Das Verhalten wurde mit verschiedenen Amplitudengetestet. Diese Methode liefert ahnliche Ergebnisse wie eine konstante Positionierungder Drosselklappe. Der Ball reagierte jedoch nicht ganz so stark auf Anderungen desSchwingungszentrums. Außerdem hatte der Ball eine stabilere Flugbahn. Obwohl mitdieser Methode keine perfekte Feineinstellung der Geschwindigkeit des Balls moglich istkommt sie wegen der stabilen Flugbahn des Balles fur die Regelung in Frage.

10.5 Umsetzung

Wegen der Tragheit des Systems ist eine PD-Regelung unumganglich. Alle Tests miteiner P-Regelung fuhrten zu erheblichem Uberschwingen und Einschwingen des Systemsmit Amplituden von bis zu 20cm. Da eine formelmaßige Herangehensweise wegen feh-lender Kenntnisse des Stromungsverhaltens nicht moglich war konnte die Regelung nur

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durch das Experiment bestimmt werden. Fur die Messung der Geschwindigkeiten wur-den zyklisch mehrere Hohenwerte gemittelt und deren Unterschied zum vorhergehendengemittelten Wert als aktuelle Geschwindigkeit interpretiert. Als Ansatz fur den differen-tiellen Teil der Regelung galt es eine zu hohe Geschwindigkeit durch einen Gegenimpulsin der Nahe der Sollhohe vorzeitig zu verringern. Diese Art der Regelung wurde mitfesten Grenzwerten fur Geschwindigkeit und Hohenunterschied sowie einer fixen Klap-penstellung fur die Schwebeposition getestet und funktionierte uberraschend gut. DerBall konnte mit hohen Geschwindigkeiten gezielt in verschiedene Positionen gebrachtwerden und behielt diese in einem stabilen Schwebezustand bei. Nur bei bestimmtenHohenunterschieden traten vereinzelt Uberschwinger auf. Aus zeitlichen Grunden wur-den weitere Experimente eingestellt und die aktuelle Regelung als ausreichend befunden.

10.6 Ergebnis

Da die Regelung nur zwei Zustande fur hohe und niedrige Geschwindigkeiten besitztund zudem auf eine fixe Drosselklappenstellung fur die Schwebeposition angewiesen istmuss sie als nicht ausreichend fur den endgultigen Betrieb angesehen werden. Es zeigtesich jedoch das eine schnelle und exakte Regelung der Ballhohe durch Beeinflussungdes Luftstroms mit Hilfe von Drosselklappen prinzipiell moglich ist. Wie zu erwartenfunktionierte die aktuelle provisorische Regelung im endgultigen Aufbau nicht. Leiderwar zum Ermitteln des Fehlers die Zeit nicht mehr ausreichend.

10.7 Equalizer-Funktion

Das Einstellen des Equalizers durch Andern der Ballhohen mit Hilfe eines Magnetenkonnte aus zeitlichen Grunden nicht realisiert werden. Es wurden auch keinerlei Ver-suche durchgefuhrt um das Erkennen einer gewollten Hohenanderung eines Balles zutesten. Theoretisch musste dies durch eine Zeitmessung der Regelung realisierbar sein.Wenn zum Ausgleichen einer Hohenabweichung zu viel Zeit benotigt wird muss eine ge-wollte Hohenanderung erfolgt sein. Die aktuelle Sollhohe wird daraufhin geandert unddie weitere Regelung kann normal erfolgen.

11 Mikroprogramm

11.1 Anforderungen

Der Mikrocontroller muss mehrere Aufgaben gleichzeitig bewaltigen. Daher ist ein par-alleler Ablauf der verschiedenen Aufgaben vonnoten. Zudem ist ein genaues Timing zumBeispiel bei der Ansteuerung der Motorspulen erforderlich. Da der Mikrocontroller diegesamte Steuerung ubernimmt sollte das Programm ubersichtlich und modular aufge-baut sein.

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11.2 Umsetzung

Um die Parallelisierung moglichst einfach zu realisieren werden zyklisch fur die einzelnenBereiche zustandige Unterprogramme aufgerufen. Die Unterprogramme sind komplett furihren Aufgabenbereich sowie ihr Timing verantwortlich. Kommunikation zwischen deneinzelnen Aufgabenbereichen findet ausschließlich uber globale Variablen und Funktionenstatt. Diese Verfahrensweise funktioniert nur wenn die Ausfuhrung aller Unterprogram-me innerhalb einer Toleranzzeit stattfindet. Diese richtet sich typischerweise nach dermaximalen Ansteuerungsgeschwindigkeit der Schrittmotoren.

11.2.1 Modulaufbau

Jedes Unterprogramm befindet sich in einer eigenen Quellcode-Datei: ADC, Clock, Ex-ternADC, Motorsteuerung, Poti, Regelung, uart, Timer. Jedes Unterprogramm wird miteiner * Init-Funktion initialisiert. Hier werden Variablen initialisiert, I/O-Ports gesetzt,Timer initialisiert und diverse Mikrocontroller-Einstellungen vorgenommen. Der eigent-liche Ablauf der Gesamtsteuerung wird durch standiges Aufrufen spezieller Funktionenrealisiert. Diese prufen den aktuellen Zustand ihres Aufgabenbereiches wie zum Beispielden Zustand eines AD-Umsetzers oder den Ablauf eines Timers und rufen entsprechendeSub-Routinen auf. Zu beachten ist das dabei nur ein Schritt der eigentlichen Aufgabevollzogen wird. Zum Beispiel wird in der Motorsteuerung nur ein Schritt eines Motorsausgefuhrt. Durch dieses einfache Prinzip lassen sich zusatzliche Funktionalitaten durchErganzen der Main-Schleife mit den entsprechenden Funktionen realisieren. Alle Timersind dabei asynchron ausgelegt. Es konnen damit wahrend ein Subprogramm wartetandere Subprogramme arbeiten.

11.2.2 Motorsteuerung

Die Spulen der Motoren werden direkt an- und ausgeschaltet. Dabei werden zur hoherenGenauigkeit Halbschritte gefahren. Die vier Bits zur Ansteuerung der Spulen werdenaus einer Tabelle entnommen wobei bei jedem Schritt der Index verschoben wird. Dadie Ansteuerungsgeschwindigkeit der Motoren begrenzt ist wird nach jedem Schritt einTimer gestartet. Fur die normale Ansteuerung stehen die Funktionen motor Init() undmotor Move() zur Verfugung. Um die Klappenposition zu andern reicht die Anderungder globalen Variable motor Soll Position[] aus. Durch wiederholtes Aufrufen von mo-tor Move werden die Motoren zyklisch entsprechend angesteuert. Zusatzlich lasst sichuber die Variable motor Position[] die aktuelle Position eines Motors auslesen. Fur diePulsansteuerung werden abwechselnd verschiedene Positionen angefahren. Es stehen dieFunktionen motor Flimmer Init(...), motor Flimmer Change(...) und motor Flimmer()zur Verfugung. Mit motor Flimmer Change(...) lassen sich die Parameter fur den Off-nungswinkel und das Rotationszentrum der Pulsansteuerung fur einen bestimmten Motorandern. Durch wiederholtes Aufrufen von motor Flimmer() werden die Motoren entspre-chend angesteuert.

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11.2.3 ADC

Hier stehen Funktionalitaten fur das Auslesen der Sensorsignale zur Verfugung. Diesewerden gemittelt um Rauschen zu unterdrucken. Es stehen die Funktionen adc Init()und adc Read() zur Verfugung. Durch wiederholtes Aufrufen von adc Read() werdenzyklisch die Sensorsignale eingelesen. Die zuletzt eingelesenen Ergebnisse der verschiede-nen Sensoren konnen jederzeit uber die globale Variable adc result[] ausgelesen werden.

11.2.4 ExternADC

Dieses Modul ist fur das Einlesen der Audiosignale verantwortlich. Die Funktionalitat istdie selbe wie bei dem Modul ADC. Die Funktionen und Variablen heißen entsprechendextern ADC *.

11.2.5 Regelung

Die Regelung ist aus zeitlichen Grunden relativ provisorisch gehalten. Die Ergebnisseder Digitalisierung der Sensorsignale werden Zwecks Unterdruckung von Storsignalen ge-mittelt und mittels einer Look-Up-Tabelle auf die Hohenwerte gemapt. Die Hohenwertewerden fur die Geschwindigkeitsberechnung noch einmal zyklisch gemittelt. Die Differenzdes erhaltenen Wertes zum vorhergehenden errechneten Wert wird direkt als Geschwin-digkeit interpretiert. Die so erhaltenen Geschwindigkeiten und Hohenwerte werden mitHilfe der Sollhohe interpretiert. Entsprechend der Geschwindigkeiten und der Hohenab-weichungen werden die neuen Positionen der Drosselklappen ausgerechnet. Diese werdenje nach Situation mit verschiedenen Vorzeichen und Faktoren linear aus der Hohenab-weichung bestimmt. Die Funktionalitat ist uber die Funktionen regelung Init() und rege-lung Read() erreichbar. Dabei werden durch wiederholtes Aufrufen von regelung Read()zyklisch die Regelgroßen eingelesen und entsprechende Klappenpositionen berechnet. Furdas Andern der einzelnen Sollhohen steht die globale Variable regelung Soll Height[] zurVerfugung.

11.2.6 Poti

Dieses Modul ist noch nicht implementiert, wird aber ahnlich wie die anderen Modulefunktionieren. Es wird die Funktionen poti Init() und poti Write() sowie die globalenVariablen poti Value[] geben.

11.3 Ergebnis

Aus zeitlichen Grunden ist das Steuerungsprogramm noch nicht vollstandig. Es fehltnoch komplett die Ansteuerung der digitalen Potentiometer. Das Funktionieren des Pro-gramms konnte noch nicht evaluiert werden da der Endaufbau nicht auf Anhieb funk-tioniert hat. Das Einlesen der Audiosignale der Bandpasse konnte bisher auch nur pro-visorisch getestet werden. Die Motoransteuerung und die Verarbeitung der Sensorwertewerden vermutlich funktionieren da sie ausfuhrlich am Prototypen getestet wurden.

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12 Netzteil

12.1 Konzept

Das Netzteil zur Versorgung der Elektronik wird fur die Spannungen ±24 V und +5 V alsherkommliches Transformator-Netzteil ausgelegt. Zunachst kame auch ein Schaltnetzteilin Betracht, welches einen hoheren Wirkungsgrad aufweisen wurde. Die hohere Effizi-enz erschien nach sorgfaltigem Abwagen allerdings nebensachlich gegenuber dem großenAufwand, der betrieben werden musste, um die erforderlichen stabilen Spannungen zugewahrleisten. Fur die ebenfalls benotigten +12 V schien es allerdings sinnvoller, voneinem Linearregler mit niedrigem Wirkungsgrad abzusehen.

Fur die Verstarkerstufe werden±24 V bei jeweils 1 A bereitgestellt. Außerdem +5 V furden Mikrocontroller, die Sensoren und sonstige aktive Bauelemente. Auch hier betragtder maximal zur Verfugung stehende Strom 1 A. Dabei entfallen auf den Mikrocontrollermaximal 400 mA und auf die Sensoren 8 × 33 mA. Desweiteren werden einige Operati-onsverstarker mit nur wenigen mA Verbrauch betrieben.

Die +5 V dienen den H-Brucken auf den Motorplatinen bzw. der dort verwendetenLogik als Referenzwert. Daher ist es notwendig, dass +5 V und +12 V den selben Mas-sebezug haben. Fur die Motoren werden 8 × 250 mA, fur die Lufter 8 × 200 mA bei+12 V zur Verfugung gestellt. Außerdem werden die H-Brucken der Motorsteuerung bei+12 V versorgt. Diese verbrauchen typischerweise 8×50mA. Daraus ergibt sich ungefah-rer Strombedarf von 4 A.

Es werden zwei separate Massen generiert, so dass sowohl eine analoge als auch einedigitale Masse zur Verfugung steht.

12.2 Funktionsweise

Die Netzspannung (230V/50Hz) wird zunachst auf Nieder-Wechselspannung herunter-transformiert. Um ±24 V zu erhalten, werden zwei 24 V-Transformatoren verwendet. Beieinem Wirkungsgrad von ca. 90 % ergibts sich sekundarseitig eine Wechselspannung vonetwa 22,8 V. Durch die Gleichrichtung ergibt sich eine Gleichspannung von

22,8 V ⋅√

2 = 32,24 V . (20)

Nun muss noch der Spannungsabfall berucksichtigt werden, der durch den Gleichrichterselbst auftritt, so dass man einfacherweise von einer Gleichspannung der Hohe 31 Vausgehen kann.

Dem Gleichrichter folgt nun ein Kondensator, welcher auftretende Schwankungen kom-pensieren soll. Die geglattete Gleichspannung liegt dann an einem positiv-Linearregleran, welcher eine Spannung von 24 V ausgibt und den Rest in Warme umwandelt (dabeimussen 2–3 V Betriebsspannung garantiert werden). Um ein Aufschwingen zu verhin-dern, wird der Linearregler mit kleinen Kondensatoren zwischen Eingang und Massebzw. Ausgang und Masse versehen. Anschließend wird ein weiterer Kondensator zurGlattung eingesetzt. Außerdem besitzt die Schaltung eine LED mit Vorwiderstand, umdie Betriebsfahigkeit bzw. Restladung im Kondensator anzuzeigen. Um +24 V zu erhal-ten, wird ein Linearrelger der 78xx-Familie eingesetzt welcher uber einen Ausgangsstrom

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Abbildung 36: Schaltplan der 24 V-Platine

von 1 A verfugt. Fur die -24 V wird eine analoge Schaltung benutzt, mit dem Unterschied,dass hier aus offensichtlichen Grunden ein negativ-Linearregler der 79xx-Familie verwen-det wird.

In einem ersten Entwurf wurde aus Kostengrunden versucht beide Schaltungen miteinem L7824 zu betreiben, was separat auch praktikabel ware. Dabei ist es allerdingsnicht moglich ein gemeinsames Massepotential zu generieren wodurch schließlich die obenbeschriebene Losung verwendet wurde. Die hier erzeugte Masse stellt die analoge Massedar und wird mit einem drei-poligen Stecker gemeinsam mit den Betriebsspannungen±24 V der Equalizer-Platine zur Verfugung gestellt und damit auch dem Verstarker. Dieanaloge Masse wird uber diesen Weg auch dem Rest der Schaltung zuganglich gemacht.

Fur die beiden verwendeten Spannungsregler ist zusatzliche Kuhlung erforderlich. Dabei 79xx-Reglern (im Gegensatz zu den 78xx-Reglern) die Masse nicht am mittleren Pinund damit auch nicht am Gehause anliegt mussen zur Kuhlung zwei separate Kuhlerverwendet werden oder einer der beiden Regler isoliert werden. Der benotigte Warme-widerstand Rth des Kuhlkorpers wird fur die anfallende Leistung P uber

Rth =#i − #uP

− (RthG +RthM) (21)

ermittelt, wobei #i die maximale Sperrschichttemperatur, #u die Umgebungstemperatur,RthG den inneren Warmewiderstand des Halbleiters und RthM den Warmewiderstand derMontageflache beschreiben. Mit oben genannter Verlustleistung und Werten aus demjeweiligen Datenblatt kann, inklusive etwas Toleranz, der benotigte Warmewiderstand

Rth24V = 8K

W(22)

ermittelt werden. Eine erste Rechnung ergab, dass ein kleiner aufschraubbarer Kuhlkor-per ausreicht, was zur Folge hatte, dass im Platinenlayout weder darauf geachtet wurde

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Abbildung 37: Schaltplan der 5 V/12 V-Platine

den Regler nach Außen zu setzen noch Platz innerhalb der Schaltung gelassen wurdeum einen großeren Kuhlkorper verwenden zu konnen. Das Problem konnte zwar letzt-endlich dadurch gelost werden, dass die Regler aus der Schaltung entfernt, auf einenexternen Kuhlkorper aufgeschraubt und mit Kabeln wieder mit der Schaltung verbun-den wurden. Die Funktionsfahigkeit der Schaltung wurde dadurch nicht beeintrachtigt.Allerdings sind die Kondensatoren, welche zur Beschaltung eingesetzt werden, dadurchviel weiter vom Linearregler weg als geplant und empfohlen, was im Zweifelsfall ehernegative Auswirkungen hat. Der Schaltplan ist in Abb. 36 zu sehen.

Die Bereitstellung der +5 V funktioniert praktisch auf dieselbe Weise wie vorher be-schrieben. Anfangs wurde versucht mittels 6 V-Transformator die gewunschten 5 V be-reitzustellen (um nicht unnotig viel Leistung in Warme umwandeln zu mussen), dannjedoch verworfen, weil trotz verwendetem Low-Drop-Spannungsregler nur noch ein ex-trem kleiner Spielraum geblieben ware. Vom Aufbau und der Funktionsweise funktioniertdie Schaltung auf dieselbe Art wie bei der Bereitstellung der ±24 V, abgesehen von ver-anderter Beschaltung des Spannungsreglers. Auch fur die Ripple-Beseitigung konntenkleinere Kondensatoren mit niedrigerer Spannungsfestigkeit verwendet werden. Benotigtwurde hier ein Kuhlkorper mit

Rth5V = 11K

W. (23)

Die +12V wurden im Gegensatz zu den anderen Spannungen nicht mit herkommli-chen Linearreglern produziert, sondern mit Hilfe eines Step-Down-Reglers, da durch die

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hohe erforderliche Stromstarke eine ebenfalls außerst hohe Verlustleistung zu erwartengewesen ware. Auch wenn ein solcher Regler sehr teuer ist, kann dadurch Verlustleistungvermieden werden, Kosten und Platz fur Kuhlkorper eingespart werden.6 Da der Schalt-regler fur die feste Ausgangsspannung von +12 V eingesetzt wird, werden Probleme mitder Stabilitat vermieden, welche auftreten konnen, wenn sehr kleine oder große PWM-Tastverhaltnisse gegeben sind. Es muss allerdings eine etwas kompliziertere Beschaltungals dies bei Linearreglern der Fall ist, in Kauf genommen werden.

Zunachst mussen Low-ESR-Elektrolytkondensatoren benutzt werden, um den Wir-kungsgrad hoch und die Temperatur niedrig zu halten. Will man an der PWM nichtsandern, so reicht es die Dimensionierung aus dem Datenblatt zu ubernehmen. Fur dasEinstellen der Ausgangsspannung ist folgende Formel anzuwenden:

R2 =Vout

2,21 VR3 −R3 . (24)

Die 2,21 V sind eine Referenzspannung und die Widerstande R2 und R3 sind zu di-mensionieren. Die Benennung entspricht der in Abb. 37. Setzt man R3 = 2,1 kΩ undVout = 12 V, ergibt sich

R2 = 9,3 kΩ . (25)

Verbaut wurde ein 10kΩ-Widerstand.Um einen gewunschten Strom Iout einzustellen, muss zuruckgegriffen werden auf

L =Vout ⋅ (Vin − Vout)

2f ⋅ Vout ⋅ (Imax − Iout). (26)

Der maximal mogliche Strom betragt bei dem hier verwendeten Bauteil Imax = 5,5 A,der gewunschte Strom Iout = 4 A, die Frequenz liegt bei 2 ⋅105 Hz. Die vorher eingestellteAusgangsspannung liegt bei Vout = 12 V, die am Eingang anliegende Spannung Vin =21 V. Daraus ergibt sich eine benotigte Induktivitat von

L = 17�H . (27)

Der zweipolige Stecker liefert an die Mikrocontroller-Platine 5 V und digitale Masse.Uber die acht dreipoligen Stecker werden die Motorplatinen mit 5 V/12 V und digitalerMasse versorgt. Die Transformatoren fur die +12 V sind nicht fur die Platinenmontagegedacht und sind daher auf dem Schaltplan und dem Layout nicht zu finden, allerdingsin der Bauteilliste Tab. 9.

Nachdem lange nicht klar war, wieviel Platz fur die Platinen in der Endmontage desAirqualizers zur Verfugung steht, wurden diese als vier Einzelplatinen realisiert umfur die Montage flexibler zu bleiben und nicht wie hier zu sehen als zwei Einzelplatinen(siehe Abb. 38 und Abb. 39). Da dies an sich aber nicht notig ist und aus Grunden derUbersichtlichkeit werden hier nur zwei Platinen zu finden sein. Die Sicherungen wurden

6Da in raumlicher Nahe der Kuhlkorper der 5 V-Platine vorhanden war, wurde der Step-Down-Reglerdamit auch gekuhlt obwohl man auch darauf hatte verzichten konnen.

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Abbildung 38: Platinenlayout der 24 V-Platine

dimensioniert mit dem doppelten Nennwert des Stroms. Die Vorwiderstande der LEDsergeben sich mit ULEDgr = 2,1 V und ILEDgr = 20 mA uber die Formel

Rvor =Uanliegend − ULEDgr

ILEDgr(28)

Die verwendeten Bauteile sind in den Tabellen zu finden. Die Bauteilbezeichnungenentsprechen denen in der Abbildung.

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Abbildung 39: Platinenlayout der 5 V/12 V-Platine

Kurzel Bauelement

TR1/TR2 Transformator EI 60 (24 V/1,04 A)

F1/F2 Feinsicherung 2A mitteltrage

B1/B2 Bruckengleichrichter B40C 1500

C1/C5 Elektrolytkondensator 4700�F Rastermaß 7,5 mm

C2 MKS-Folienkondensator 330 nF Rastermaß 5 mm

C3 MKS-Folienkondensator 100 nF Rastermaß 5 mm

C4/C8 Elektrolytkondensator 2200�F Rastermaß 7,5 mm

C6 Elektrolytkondensator 22�F Rastermaß 2,5 mm

C7 Elektrolytkondensator 10�F Rastermaß 2,5 mm

IC1 Festspannungsregler 7824 1 A TO-220

IC2 Festspannungsregler 7924 1 A TO-220

R1/R2 Kohleschichtwiderstand 1,1 kΩ

LED1/LED2 LED grun Rastermaß 5 mm

SL1 Platinensteckverbinder 3-polig Rastermaß 2,5 mm

2×Kuhlkorper mit Rth = 9 K/W

Tabelle 8: Bauelementeliste der 24 V-Platine

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Kurzel Bauelement

JP1/JP2 Anschlusspins fur 2×Transformator EI 66 (2×9 V/2780 mA)

TR1 Transformator EI 48 (9 V/1111 mA)

F1 Feinsicherung 2 A mitteltrage

F2 Feinsicherung 10 A mitteltrage

B1 Bruckengleichrichter B40C 7000

B2 Bruckengleichrichter B40C 1500

C1 Elektrolytkondensator low ESR 220�F Rastermaß 5 mm

C2 MKS-Folienkondensator 10 nF Rastermaß 2,5 mm

C3 Elektrolytkondensator low ESR 470�F Rastermaß 3,5 mm

C4 Elektrolytkondensator 4700�F Rastermaß 7,5 mm

C5 MKS-Folienkondensator 470 nF Rastermaß 5 mm

C6 Elektrolytkondensator 22�F Rastermaß 2,5 mm

C7 Elektrolytkondensator 2200�F Rastermaß 5 mm

IC1 Step-down Schaltregler LT 1074 CT TO-220

IC2 Festspannungsregler LM 2940 CT 1A TO-220

D1 Schottky-Diode MBR 745 TO-220

L1 Drossel 77A 150 15�H Rastermaß 15 mm

R1 Kohleschichtwiderstand 2,7 kΩ

R2 Kohleschichtwiderstand 10 kΩ

R3 Kohleschichtwiderstand 2,2 kΩ

R4 Kohleschichtwiderstand 480 Ω

R5 Kohleschichtwiderstand 130 Ω

LED1/LED2 LED grun Rastermaß 5 mm

SL1 Platinensteckverbinder 2-polig Rastermaß 2,5 mm

SL2-9 Platinensteckverbinder 3-polig Rastermaß 2,5 mm

1×Kuhlkorper Rth = 4,5 K/W

Tabelle 9: Bauelementeliste der 5 V/12 V-Platine

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Literatur

[Boh86] Bohn, Dennis A.: Constant-Q Graphic Equalizers. J. Audio Eng Soc., Vol.34, No. 9, September 1986.

[Sha00] Sharp Corporation: GP2D12/GP2D15 General Purpose Type Distance Mea-suring Sensors (Datasheet), 1999/2000.

[Skr88] Skritek, Paul: Handbuch der Audio-Schaltungstechnik. Franzis-Verlag, 1988.

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