{"id":8,"date":"2021-02-18T18:26:00","date_gmt":"2021-02-18T17:26:00","guid":{"rendered":"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-lichtorgel-469\/?p=8"},"modified":"2021-02-18T18:26:00","modified_gmt":"2021-02-18T17:26:00","slug":"lichtorgel","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-lichtorgel-469\/2021\/02\/18\/lichtorgel\/","title":{"rendered":"Lichtorgel"},"content":{"rendered":"\n
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Lichtorgel<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Eine Lichtorgel<\/strong> ist ein Beleuchtungsger\u00e4t, durch das Musik auf elektronischem Weg in rhythmische Lichteffekte umgesetzt wird. In diesem Project haben wir ein Lichtorgel erstellt. Die Licht helligkeit ist abh\u00e4ngig von der Frequenzen.<\/p>\n\n\n\n

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Streckbrett von ganze Schaltung <\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Blockschaltbild<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Das Audiosignal wird aufgenommen, und durch den nicht invertierenden Verst\u00e4rker verst\u00e4rkt. Das erh\u00f6hte Signal wird durch einem Tiefpass, einem Hochpass und 2 Bandp\u00e4sse gefiltert. Schlie\u00dflich, nach einer zweiten Verst\u00e4rkung, werden die LEDs gesteuert und es wird farbiges Licht erzeugt.<\/p>\n\n\n\n

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Blockschaltbild<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Versorgung<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Alle Bauteile au\u00dfer die LEDs werden durch die gleiche Betriebsspannung versorgt. Die Werte davon werden nach einer theoretischen Bewertung und mehreren Versuchen gew\u00e4hlt.<\/p>\n\n\n\n

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Versorgungsspannung<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Daf\u00fcr wird ein DC-Dreifach-Netzger\u00e4t HM 7042-5 verwendet und mit den anderen Bauteile verbunden. Das System ben\u00f6tigt eine positive Versorgung mit einer Spannung von 12V und eine negative Versorgung mit einer Spannung von -12V. Der maximale Strom f\u00fcr beiden Versorgungen betr\u00e4gt 300mA. Die Werte werden in den Kan\u00e4le I und III eingestellt.<\/p>\n\n\n\n

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HM 7042-5<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Eingangsignalaufnahme und Verst\u00e4rkung<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Die Aufnahme des Audiosignals erfolgt durch einem AUX-Kabel.Sodann wird es durch einen nicht invertierenden Operationsverst\u00e4rker angestiegen. Um einen Verst\u00e4rkungsfaktor Vu auf 16 einzusetzen, werden 2 Widerst\u00e4nde mit den Werten R1 = 6.8k\u2126 und R2 =100k\u2126 verwendet.<\/p>\n\n\n\n

Vu = 1 +R2\/R1= 1 +100k\u2126\/6.8k\u2126\u2248 16<\/p>\n\n\n\n

Die Gesamtschaltung wird in LT-Spice simuliert. Um ein Audiosignal zu simulieren, wird ein Musikst\u00fcck mittels der Befehle wavefile=song.wavchan = 0 importiert. Bez\u00fcglich des Operationsverst\u00e4rkers wird das Modell LM358LV, der die \u00e4hnliche Eigenschaften als der LM358 besitzt, benutzt.<\/p>\n\n\n\n

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Nicht Invertierender Operrationsverst\u00e4rker<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Audiosignal vor(Gr\u00fcn) und nach(Blau) der Verst\u00e4rkung<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Hier wird das Eingangssignal und das Ausgangssignal in Gr\u00fcn 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 Verst\u00e4rkungsfaktor vorher 16 ausgew\u00e4hlt. Damit die Schaltung der Simulation best\u00e4tigt wird, wird ein Versuchaufbau durchgef\u00fchrt.Ein sinusf\u00f6rmige Eingangssignal wird durch einem Funktionsgenerator generiert, und wird mit dem Operationsverst\u00e4rker, der Spannungsquelle und den Widerst\u00e4nde auf dem Steckbrett verbunden. Die Eingangs- und Ausgangssign\u00e4le werden auf dem Oszilloskop
gemessen und dargestellt.<\/p>\n\n\n\n

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Nicht invertierender OPV<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Sinusf\u00f6rmiges Signal Audiosignal<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Nach mehreren Labor-Versuche, die zum gew\u00fcnschten Ergebnis gef\u00fchrt haben, wurde die Schaltung mit der Software \u201dEAGLE\u201d simuliert um ein Layout f\u00fcr eine \u00e4tzbare Platine zu entwerfen. F\u00fcr die Audioaufnahme wurde eine Klinkeneinbaubuchse mit 2 Pole benutzt.<\/p>\n\n\n\n

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Schaltung der Audioverst\u00e4rkung auf Eagle<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Audioverst\u00e4rker, Platinenlayout mit Eagle<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Filterung<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Das Ziel der Filterung ist es, das eingespeiste Audiosignal nach seinen Frequenzanteilen aufzuspalten. Konkret sollen 4 Frequenzb\u00e4nder im h\u00f6rbaren 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 m\u00fcssen die beiden mittleren Bereiche mit Hilfe von Bandp\u00e4ssen realisiert werden, die beiden Randbereiche k\u00f6nnen jeweils mit einem Tiefpass (fG = 265 Hz) und einem Hochpass (fG = 10 kHz) gefiltert werden, da das menschliche Ohr au\u00dferhalb dieser Bereiche sowieso nicht in der Lage ist das Signal aufzunehmen. Anforderung an alle Filter sind m\u00f6glichst steile Anstiege an den Flanken um eine genaue Abtrennung zu gew\u00e4hrleisten sowie eine \u00fcberschaubare Bauteilanzahl um die praktische Umsetzung zu erm\u00f6glichen. Au\u00dferdem soll auch nach mehreren Filterstufen die Amplitude des Signals nicht zu stark abgeschw\u00e4cht werden. Hierf\u00fcr werden f\u00fcr alle Filter aktive Filter eingesetzt.<\/p>\n\n\n\n

Tiefpass<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Der Tiefpass soll alle Frequenzen \u00fcber 265 Hz abblocken. Um eine m\u00f6glichst steile Flanke aber dabei eine vertretbare Anzahl von Bauteilen zu erreichen, wurde ein Chebyshev Filter 3. Ordnung gew\u00e4hlt. Die genauen Bauteilwerte konnten recht bequem mit dem Online-Tool \u201dFilter Wizard\u201d https:\/\/tools.analog.com\/en\/filterwizard\/ ermittelt werden. Der Filter besteht aus passiven RC-Teilen und 2 Nicht-invertierenden
Operationsverst\u00e4rkern, die die Signalamplitude hoch halten.
Beim Aufbau des Filters auf dem Steckbrett mussten einige Bauteilwerte ver\u00e4ndert 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 Platzgr\u00fcnden unpraktisch war. Aufgrund der Verf\u00fcgbarkeit vor Ort wurde auch der empfohlene OPV
\u201dADA-4000-1\u201d durch den OPV \u201dTL074\u201d mit einer Versorgungspannung von +- 12V ersetzt. Trotz der Modifikation der Schaltung bew\u00e4hrte sich der Filter beim Test auf dem Steckbrett. Mit einem Signalgenerator wurde ein Sinusf\u00f6rmiges Signal an den Aufbau angelegt, bei Variation der Frequenz erkannte man das gew\u00fcnschte Filterverhalten. Dabei stellte
es sich als wichtig heraus, die Einstellung aller Laborger\u00e4te gut zu \u00fcberpr\u00fcfen. Durch eine am Signalgenrator eingestellte, aber unbemerkte Offsetspannung kam es zu seltsamen Erscheinungen, wie einer LED, die vermeindlich ohne anliegende Spannung leuchtete. Nach langem r\u00e4tzeln entdeckten wir den eingestellten Offset, genaueres Hingucken am Anfang h\u00e4tte uns also viel Zeit erspart.Bei Zusammenschaltung des Filterausgangs mit einer LED und Speisung des Filters mit einem realen Audiosignal (\u00fcber einen Klinkenstecker vom Handy) sah man ebenfalls die Filterwirkung auf das Signal. (Bei B\u00e4ssen leuchtete die LED,bei h\u00f6heren T\u00f6nen nicht.)<\/p>\n\n\n\n

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Tiefpass, LTSpice Simulation<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Nach erfolgreichem Testen wurde die Schaltung mit der Software \u201dEAGLE\u201d am Computer aufgebaut um ein Layout f\u00fcr eine \u00e4tzbare Platine zu entwerfen. Diese Platine beinhaltet aus Platzgr\u00fcnden sowohl den Tiefpass, als auch einen Hochpass, da f\u00fcr jeden Filter je 2 OPVs ben\u00f6tigt werden, In dem vorhandenen TL074 IC aber gleich 4 OPVs verschaltet sind. Dieses Layout enth\u00e4lt ein Panikraster, um im Notfall \u00c4nderungen an der Schaltung direkt auf der Platine vornehmen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

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Hochpass und Tiefpass, Platinenlayout mit Eagle<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Bandp\u00e4sse<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Bei den Bandp\u00e4ssen wurde eine bekannte Schaltung ausgew\u00e4hlt und die Werte der Bauteile an den schon gew\u00e4hlten 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 f\u00fcr das Bandpass 1 und f3 =5kHz und f4 = 10kHz.<\/p>\n\n\n\n

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Bandpass 2. Ordnung, LTSpice Simulation<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Dieser Schaltentwurf ist besonders vom Vorteil, da ein Bandpass 2. Ordnung mit einem einzigen Operationsverst\u00e4rker geschafft wird. Dies spart Platz, was beim Aufbau in der Platine gesch\u00e4tzt wird. Um die Steilheit der Kurven an den Grenzfrequenzen zu erh\u00f6hen
und somit die Genauigkeit der Filterung zu verbessern, muss der Grad erh\u00f6ht 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:<\/p>\n\n\n\n

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Bandpass 1, LTSpice Simulation<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Bandpass 1, Eagle Schematics<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Bandpass 2, LTSpice Simulation<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Bandpass 2, Eagle Schematics<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Wichtig ist hier zu erw\u00e4hnen, der im Ger\u00e4t benutzte Operationsverst\u00e4rker entspricht nicht dem in der Simulation. F\u00fcr das Ger\u00e4t wird ein „LM 358 DIP\u00d6PV verwendet. Beim Aufbau auf dem Steckbrett, bei dem ein sinusf\u00f6rmiges Signal mit dem Funktionsgenerator am Eingang angelegt und dessen Frequenz variiert wurde,ist aufgefallen, die Schaltungen filtern zwar die gew\u00fcnschten 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 Verst\u00e4rker entworfen, die solche Amplitude (\u2248 400mV ) auf 5V bringen.
Der Entwurf der Verst\u00e4rker wird in den folgenden Abschnitten ausf\u00fchrlich erkl\u00e4rt. Anschlie\u00dfend werden die Schaltungen mit dem Software \u00cbAGLE“, um einen Entwurf f\u00fcr \u00e4tzbare Platinen zu erschaffen. Auf der linken Seite wird ein Panikraster platziert f\u00fcr den Fall, dass \u00c4nderungen gemacht werden sollen oder eine Leitung kaputt gegangen w\u00e4re.<\/p>\n\n\n\n

Hochpass<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Der Arbeitsprozess am Hochpass verlief im wesentlichen parallel zu der Entwicklung des Tiefpasses, auch hier wurde ein aktiver Filter mit RC-Anteil und OPV gew\u00e4hlt, aufgebaut und getestet.<\/p>\n\n\n\n

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Hochpass, LTSpice Simulation<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Hochpass\/Tiefpass Eagle Schematic<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Nachverst\u00e4rkung<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Um die Diode zu steuern, m\u00fcssen die Ausgangsspannungen nach den Filtern durch zwei LM358N verst\u00e4rkt werden.
Die gleiche Verst\u00e4rkungs-Schaltung (wie bei der Audioverst\u00e4rkung) wird f\u00fcr einen der Bandp\u00e4sse gebraucht.<\/p>\n\n\n\n

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1. Schaltung der Bandpass-Verst\u00e4rkung<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

F\u00fcr den Hochpass wurde das Ausgangssignal verdoppelt. Um einen Verst\u00e4rkungsfaktor von 2 zu bekommen, wurden zwei Wiederst\u00e4nde mit den gleichen Werte verwendet.<\/p>\n\n\n\n

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Schaltung der Hochpass-Verst\u00e4rkung<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Bez\u00fcglich der Band- und Tiefp\u00e4sse werden Potentiometern verwendet, damit die Widerstandswerte mechanisch ver\u00e4ndert werden.<\/p>\n\n\n\n

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2. Schaltung der Bandpass-Verst\u00e4rkung<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

LED-Steuerung<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Ziel der LED-Steuerung ist es, das Audiosignal nicht nur nach Frequenzen, sondern auch nach Lautst\u00e4rken zu spalten. Generell sollen die LEDs ein visuelles Feedback zu der im Audiosignal vorliegenden Tonh\u00f6he geben. Dazu existieren 4 andersfarbige LED-Bl\u00f6cke (je 2 LEDs), die je bei der bestimmten Frequenz leuchten. Die Lautst\u00e4rke, also Amplitude, mit
der ein Frequenzbereich vertreten ist, soll in zwei Stufen unterteilt werden (Leise, Laut). Bei \u201dleisen\u201d Signalen leuchtet nur eine LED, bei \u201dlauten\u201d 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 Lautst\u00e4rkeaufl\u00f6sung 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
gro\u00df genug ist, um die Z-Diode zu durchbrechen flie\u00dft auch durch die hinteren Bauteile ein Strom. Um den Spannungsabfall \u00fcber die Z-Diode zu kompensieren, werden f\u00fcr die der Z-Diode folgenden LEDs kleinere Widerst\u00e4nde verwendet.<\/p>\n\n\n\n

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LED-Steuerung, LT-Spice<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Strom durch LEDs bei kleiner Spannung<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Strom durch LEDs bei mittlerer Spannung<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Strom durch LEDs bei gro\u00dfer Spannung<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Urspr\u00fcnglich sollten 3 Lautst\u00e4rkestufen implementiert werden, aufgrund der eingeschr\u00e4nkten wertebereiche der Zenerdioden konnten allerdings nur zwei realisiert werden. F\u00fcr mehr Lautst\u00e4rkestufen m\u00fcsste man entweder den Lautst\u00e4rkebereich (leisester Ton bis lautester Ton) \u00fcber einen gr\u00f6\u00dferen Spannungsbereich verteilen oder Zener-Dioden mit kleineren Durchbruchspannungen organisieren.<\/p>\n\n\n\n

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LED-Platine in Eagle<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

F\u00fcr den Aufbau der Schaltung wurde auch hier ein Platinenlayout mit Eagle entworfen, dieses soll im Gegensatz zu den anderen Platinen nicht \u00fcber einen BUS sondern \u00fcber einfache Jumper-Kabel mit den anderen Baugruppen verbunden werden. Grund daf\u00fcr ist, dass diese Platine von unten an den Deckel des Geh\u00e4uses geschraubt werden soll, um die LEDs elegant aus dem Ger\u00e4t rausschauen zu lassen. Extra daf\u00fcr gedachte LEDs mit Schraubbefestigung waren in der Anzahl zu teuer.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Eine Lichtorgel ist ein Beleuchtungsger\u00e4t, durch das Musik auf elektronischem Weg in rhythmische Lichteffekte umgesetzt wird. In diesem Project haben wir ein Lichtorgel erstellt. Die Licht helligkeit ist abh\u00e4ngig von der Frequenzen. Blockschaltbild Das Audiosignal wird aufgenommen, und durch den nicht invertierenden Verst\u00e4rker verst\u00e4rkt. Das erh\u00f6hte Signal wird durch einem Tiefpass, einem Hochpass und 2 Bandp\u00e4sse gefiltert. […]<\/p>\n","protected":false},"author":125,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":[],"categories":[1],"tags":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/8"}],"collection":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/users\/125"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=8"}],"version-history":[{"count":11,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/8\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":51,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/8\/revisions\/51"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=8"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=8"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=8"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}