Eine Lichtorgel ist ein Beleuchtungsgerät, durch das Musik auf elektronischem Weg in rhythmische Lichteffekte umgesetzt wird. In diesem Project haben wir ein Lichtorgel erstellt. Die Licht helligkeit ist abhängig von der Frequenzen.
Blockschaltbild
Das Audiosignal wird aufgenommen, und durch den nicht invertierenden Verstärker verstärkt. Das erhöhte Signal wird durch einem Tiefpass, einem Hochpass und 2 Bandpässe gefiltert. Schließlich, nach einer zweiten Verstärkung, werden die LEDs gesteuert und es wird farbiges Licht erzeugt.
Versorgung
Alle Bauteile außer die LEDs werden durch die gleiche Betriebsspannung versorgt. Die Werte davon werden nach einer theoretischen Bewertung und mehreren Versuchen gewählt.
Dafür wird ein DC-Dreifach-Netzgerät HM 7042-5 verwendet und mit den anderen Bauteile verbunden. Das System benötigt eine positive Versorgung mit einer Spannung von 12V und eine negative Versorgung mit einer Spannung von -12V. Der maximale Strom für beiden Versorgungen beträgt 300mA. Die Werte werden in den Kanäle I und III eingestellt.
Eingangsignalaufnahme und Verstärkung
Die Aufnahme des Audiosignals erfolgt durch einem AUX-Kabel.Sodann wird es durch einen nicht invertierenden Operationsverstärker angestiegen. Um einen Verstärkungsfaktor Vu auf 16 einzusetzen, werden 2 Widerstände mit den Werten R1 = 6.8kΩ und R2 =100kΩ verwendet.
Vu = 1 +R2/R1= 1 +100kΩ/6.8kΩ≈ 16
Die Gesamtschaltung wird in LT-Spice simuliert. Um ein Audiosignal zu simulieren, wird ein Musikstück mittels der Befehle wavefile=song.wavchan = 0 importiert. Bezüglich des Operationsverstärkers wird das Modell LM358LV, der die ähnliche Eigenschaften als der LM358 besitzt, benutzt.
Hier wird das Eingangssignal und das Ausgangssignal in Grün und Blau
dargestellt. Die Eingangssignalswerte schwingen zwischen 0.3V und 0.6V. Um eine Ausgangsspannung in dem Bereich 5 bis circa 10V zu realisieren, wurde der Verstärkungsfaktor vorher 16 ausgewählt. Damit die Schaltung der Simulation bestätigt wird, wird ein Versuchaufbau durchgeführt.Ein sinusförmige Eingangssignal wird durch einem Funktionsgenerator generiert, und wird mit dem Operationsverstärker, der Spannungsquelle und den Widerstände auf dem Steckbrett verbunden. Die Eingangs- und Ausgangssignäle werden auf dem Oszilloskop
gemessen und dargestellt.
Nach mehreren Labor-Versuche, die zum gewünschten Ergebnis geführt haben, wurde die Schaltung mit der Software ”EAGLE” simuliert um ein Layout für eine ätzbare Platine zu entwerfen. Für die Audioaufnahme wurde eine Klinkeneinbaubuchse mit 2 Pole benutzt.
Filterung
Das Ziel der Filterung ist es, das eingespeiste Audiosignal nach seinen Frequenzanteilen aufzuspalten. Konkret sollen 4 Frequenzbänder im hörbaren Frequenzbereich entstehen, die mit 4 Tonbereichen (tief, zwei Stufen mittel, hoch) korrespondieren. Die 4 Bereiche sind: 0 Hz – 265 Hz, 265 Hz – 5 kHz, 5 kHz – 10 kHz, 10 kHz – 20 kHz. Dabei müssen die beiden mittleren Bereiche mit Hilfe von Bandpässen realisiert werden, die beiden Randbereiche können jeweils mit einem Tiefpass (fG = 265 Hz) und einem Hochpass (fG = 10 kHz) gefiltert werden, da das menschliche Ohr außerhalb dieser Bereiche sowieso nicht in der Lage ist das Signal aufzunehmen. Anforderung an alle Filter sind möglichst steile Anstiege an den Flanken um eine genaue Abtrennung zu gewährleisten sowie eine überschaubare Bauteilanzahl um die praktische Umsetzung zu ermöglichen. Außerdem soll auch nach mehreren Filterstufen die Amplitude des Signals nicht zu stark abgeschwächt werden. Hierfür werden für alle Filter aktive Filter eingesetzt.
Tiefpass
Der Tiefpass soll alle Frequenzen über 265 Hz abblocken. Um eine möglichst steile Flanke aber dabei eine vertretbare Anzahl von Bauteilen zu erreichen, wurde ein Chebyshev Filter 3. Ordnung gewählt. Die genauen Bauteilwerte konnten recht bequem mit dem Online-Tool ”Filter Wizard” https://tools.analog.com/en/filterwizard/ ermittelt werden. Der Filter besteht aus passiven RC-Teilen und 2 Nicht-invertierenden
Operationsverstärkern, die die Signalamplitude hoch halten.
Beim Aufbau des Filters auf dem Steckbrett mussten einige Bauteilwerte verändert werden, da die durch das Tool gegebenen Werte nicht im Labor vorhanden waren und sich teils nur durch Zusammenschaltung vieler anderer Elemente ergaben, was aus Platzgründen unpraktisch war. Aufgrund der Verfügbarkeit vor Ort wurde auch der empfohlene OPV
”ADA-4000-1” durch den OPV ”TL074” mit einer Versorgungspannung von +- 12V ersetzt. Trotz der Modifikation der Schaltung bewährte sich der Filter beim Test auf dem Steckbrett. Mit einem Signalgenerator wurde ein Sinusförmiges Signal an den Aufbau angelegt, bei Variation der Frequenz erkannte man das gewünschte Filterverhalten. Dabei stellte
es sich als wichtig heraus, die Einstellung aller Laborgeräte gut zu überprüfen. Durch eine am Signalgenrator eingestellte, aber unbemerkte Offsetspannung kam es zu seltsamen Erscheinungen, wie einer LED, die vermeindlich ohne anliegende Spannung leuchtete. Nach langem rätzeln entdeckten wir den eingestellten Offset, genaueres Hingucken am Anfang hätte uns also viel Zeit erspart.Bei Zusammenschaltung des Filterausgangs mit einer LED und Speisung des Filters mit einem realen Audiosignal (über einen Klinkenstecker vom Handy) sah man ebenfalls die Filterwirkung auf das Signal. (Bei Bässen leuchtete die LED,bei höheren Tönen nicht.)
Nach erfolgreichem Testen wurde die Schaltung mit der Software ”EAGLE” am Computer aufgebaut um ein Layout für eine ätzbare Platine zu entwerfen. Diese Platine beinhaltet aus Platzgründen sowohl den Tiefpass, als auch einen Hochpass, da für jeden Filter je 2 OPVs benötigt werden, In dem vorhandenen TL074 IC aber gleich 4 OPVs verschaltet sind. Dieses Layout enthält ein Panikraster, um im Notfall Änderungen an der Schaltung direkt auf der Platine vornehmen zu können.
Bandpässe
Bei den Bandpässen wurde eine bekannte Schaltung ausgewählt und die Werte der Bauteile an den schon gewählten Grenzfrequenzen angepasst. Die Rechnung wurde durch ein Software bei https://wilaebaelectronica.blogspot.com/2017/01/filtro-pasabanda-activo-de-2do-orden-mfb.html realisiert.Die Grenzfrequenzen lauten: f1 = 265Hz und f2 = 5kHz für das Bandpass 1 und f3 =5kHz und f4 = 10kHz.
Dieser Schaltentwurf ist besonders vom Vorteil, da ein Bandpass 2. Ordnung mit einem einzigen Operationsverstärker geschafft wird. Dies spart Platz, was beim Aufbau in der Platine geschätzt wird. Um die Steilheit der Kurven an den Grenzfrequenzen zu erhöhen
und somit die Genauigkeit der Filterung zu verbessern, muss der Grad erhöht werden. Das wird erreicht, indem zwei Filter 2. Ordnung mit dem oben beschriebenen Entwurf in Reihe angeschlossen werden.
Nach der Rechnung, die Filter sehen aus wie folgt:
Wichtig ist hier zu erwähnen, der im Gerät benutzte Operationsverstärker entspricht nicht dem in der Simulation. Für das Gerät wird ein „LM 358 DIPÖPV verwendet. Beim Aufbau auf dem Steckbrett, bei dem ein sinusförmiges Signal mit dem Funktionsgenerator am Eingang angelegt und dessen Frequenz variiert wurde,ist aufgefallen, die Schaltungen filtern zwar die gewünschten Frequenzen gut heraus, aber die Amplitude der
gefilterten Signale waren zu klein (im Gegensatz zur Simulation). Da die LEDs minimal 5V brauchen, um zu leuchten, wurden die Amplituden bei den Grenzfrequenzen abgemessen und entsprechende Verstärker entworfen, die solche Amplitude (≈ 400mV ) auf 5V bringen.
Der Entwurf der Verstärker wird in den folgenden Abschnitten ausführlich erklärt. Anschließend werden die Schaltungen mit dem Software ËAGLE“, um einen Entwurf für ätzbare Platinen zu erschaffen. Auf der linken Seite wird ein Panikraster platziert für den Fall, dass Änderungen gemacht werden sollen oder eine Leitung kaputt gegangen wäre.
Hochpass
Der Arbeitsprozess am Hochpass verlief im wesentlichen parallel zu der Entwicklung des Tiefpasses, auch hier wurde ein aktiver Filter mit RC-Anteil und OPV gewählt, aufgebaut und getestet.
Nachverstärkung
Um die Diode zu steuern, müssen die Ausgangsspannungen nach den Filtern durch zwei LM358N verstärkt werden.
Die gleiche Verstärkungs-Schaltung (wie bei der Audioverstärkung) wird für einen der Bandpässe gebraucht.
Für den Hochpass wurde das Ausgangssignal verdoppelt. Um einen Verstärkungsfaktor von 2 zu bekommen, wurden zwei Wiederstände mit den gleichen Werte verwendet.
Bezüglich der Band- und Tiefpässe werden Potentiometern verwendet, damit die Widerstandswerte mechanisch verändert werden.
LED-Steuerung
Ziel der LED-Steuerung ist es, das Audiosignal nicht nur nach Frequenzen, sondern auch nach Lautstärken zu spalten. Generell sollen die LEDs ein visuelles Feedback zu der im Audiosignal vorliegenden Tonhöhe geben. Dazu existieren 4 andersfarbige LED-Blöcke (je 2 LEDs), die je bei der bestimmten Frequenz leuchten. Die Lautstärke, also Amplitude, mit
der ein Frequenzbereich vertreten ist, soll in zwei Stufen unterteilt werden (Leise, Laut). Bei ”leisen” Signalen leuchtet nur eine LED, bei ”lauten” Signalen beide LEDs einer Farbsorte. Dieses Verhalten soll mit Zenerdioden realisiert werden. Eine Zenerdiode ist eine Sonderform
der Diode, die dauerhaft im Durchbruch betrieben werden kann ohne Schaden zu nehmen. Die Idee hinter der Lautstärkeauflösung ist folgende: Bei geringen Signalamplituden ist die an der Z-Diode anliegende Spannung kleiner als die Durchbruchspannung, der Stromfluss geht nicht durch die Z-Diode und die danach folgenden LEDs. Sobald die Signalamplitude
groß genug ist, um die Z-Diode zu durchbrechen fließt auch durch die hinteren Bauteile ein Strom. Um den Spannungsabfall über die Z-Diode zu kompensieren, werden für die der Z-Diode folgenden LEDs kleinere Widerstände verwendet.
Ursprünglich sollten 3 Lautstärkestufen implementiert werden, aufgrund der eingeschränkten wertebereiche der Zenerdioden konnten allerdings nur zwei realisiert werden. Für mehr Lautstärkestufen müsste man entweder den Lautstärkebereich (leisester Ton bis lautester Ton) über einen größeren Spannungsbereich verteilen oder Zener-Dioden mit kleineren Durchbruchspannungen organisieren.
Für den Aufbau der Schaltung wurde auch hier ein Platinenlayout mit Eagle entworfen, dieses soll im Gegensatz zu den anderen Platinen nicht über einen BUS sondern über einfache Jumper-Kabel mit den anderen Baugruppen verbunden werden. Grund dafür ist, dass diese Platine von unten an den Deckel des Gehäuses geschraubt werden soll, um die LEDs elegant aus dem Gerät rausschauen zu lassen. Extra dafür gedachte LEDs mit Schraubbefestigung waren in der Anzahl zu teuer.