{"id":5,"date":"2021-02-20T19:34:11","date_gmt":"2021-02-20T18:34:11","guid":{"rendered":"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-synth-523\/?p=5"},"modified":"2021-02-21T08:49:36","modified_gmt":"2021-02-21T07:49:36","slug":"projekt-mini-synthesizer","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-synth-523\/2021\/02\/20\/projekt-mini-synthesizer\/","title":{"rendered":"Projekt Mini-Synthesizer"},"content":{"rendered":"\n

Projektlabor WS 2020\/21<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Grundlegender Aufbau<\/span><\/strong><\/p>\n\n\n\n

In diesem Projekt geht es um einen Mini-Synthesizer, der Dreieck- und Rechtecksignale verschiedener Frequenzen erzeugen kann.<\/p>\n\n\n\n

Abb. 1 zeigt die wesentlichen Funktionseinheiten des Synthesizers als Blockschaltbild.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 1: Blockschaltbild<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Als Input verwenden wir 12 Tasten. Der Mikrocontroller registriert, welche Taste gedr\u00fcckt wurde und gibt eine Gleichspannung an den VCO (Voltage Controlled Oscillator bzw. spannungsgesteuerter Oszillator) weiter. Der VCO erzeugt das Dreieck- und das Rechtecksignal und gibt diese an den Mixer weiter. Hier k\u00f6nnen die beiden Signale addiert werden. Danach kann das Signal mit verschiedenen Effekten (ADSR-E) versehen werden. Zum Schluss wird es verst\u00e4rkt und an den Ausgang zum Lautsprecher geleitet.<\/p>\n\n\n\n

Die T\u00f6ne, die wir erzeugen m\u00f6chten, sieht man mit den zugeh\u00f6rigen Frequenzen in Tabelle 1. Ein Unterschied von einer Oktave enspricht einer Verdopplung der Frequenz. Beim Dr\u00fccken der Tasten 1 bis 12 m\u00fcssen die Spannungen daher einen exponentiellen Verlauf haben. Diese Spannungen gibt der Mikrocontroller an den VCO-Eingang weiter. Die Spannungswerte wurden aus Simulationen ermittelt.<\/p>\n\n\n\n

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Tabelle 1: T\u00f6ne mit Frequenzen und den ben\u00f6tigten Spannungen<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Der Mikrocontroller<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Der Mikrocontroller besitzt sowohl digitale als auch analoge Eing\u00e4nge. Die digitalen Eing\u00e4nge kommen von den Tasten und werden an den Tiefpassfilter (LPF bzw. low pass filter) als PWM-Signal (PWM: Pulsweitenmodulation) ausgegeben. Dieser erzeugt n\u00e4herungsweise eine Gleichspannung, die zum VCO gef\u00fchrt wird.<\/p>\n\n\n\n

Die H\u00fcllkurve (s. Abschnitt ADSR) wird auch im Mikrocontroller berechnet. Daf\u00fcr werden die analogen Eing\u00e4nge des Mikrocontrollers verwendet.<\/p>\n\n\n\n

Der VCO<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Der VCO erzeugt die Schwingungen in Form von Dreieck- und Rechtecksignalen, wobei die Frequenz des Ausgangs von der anliegenden Eingangsspannung abh\u00e4ngt. Sie ist proportional zur Eingangsspannung.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 2: VCO-Schaltung
Quelle: ver\u00e4ndert aus electronics.stackexchange.com\/questions\/207668\/how-do-i-make-a-vco-with-a-lm-358(\u00f6ffnet in neuem Tab)<\/a><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Der verwendete VCO ist in Abb. 2 zu sehen. Er besteht aus einem Integrierer und aus einem Schmitt-Trigger. F\u00fcr die Widerst\u00e4nde verwenden wir R = 50 k\u03a9. UDD<\/sub> ist die Betriebsspannung der beiden Operationsverst\u00e4rker (in unserem Fall 5V).<\/p>\n\n\n\n

Wenn der Transistor leitet, dann wird der Kondensator aufgeladen und die Spannung am Ausgang 1 steigt an. Nach einer gewissen Zeit \u00fcbersteigt sie die eine Schaltschwelle des Schmitt-Triggers, danach liegt die negative Betriebsspannung (in unserem Fall 0 V) am zweiten Ausgang an. Damit wird der Basisstrom des Bipolartransistors niedriger und er leitet nicht mehr. In diesem Fall entl\u00e4dt der Eingangsstrom den Kondensator. Die Spannung am Ausgang 1 unterschreitet irgendwann die zweite Schaltschwelle des Schmitt-Triggers und der zweite Ausgang wird gleich der Betriebsspannung (hier 5 V). Dadurch f\u00e4ngt der Transistor an, wieder zu leiten.<\/p>\n\n\n\n

Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch. Man erh\u00e4lt am Ausgang 1 das Dreiecksignal und am Ausgang 2 das Rechtecksignal.<\/p>\n\n\n\n

Der Mixer<\/strong><\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr den Mixer verwenden wir invertierende Summierverst\u00e4rker (s. Abb. 3). Mit dieser Schaltung kann man die Signale addieren und durch die Wahl der Widerst\u00e4nde beliebig skalieren.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 3: Mixer
Quelle: Teile von de.wikipedia.org\/wiki\/Operationsverst%C3%A4rker<\/a><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die ersten beiden Summierverst\u00e4rker skalieren und invertieren die Signale. Dabei ist Ue1<\/sub> das Dreiecksignal und Ue1<\/sub>‚ das Rechtecksignal. Ue2<\/sub> und Ue2<\/sub>‚ sind konstante Spannungen. Der zweite Summierverst\u00e4rker addiert die beiden skalierten Signale und invertiert sie wieder (ohne Verst\u00e4rkung, da hier alle Widerst\u00e4nde gleich sind).<\/p>\n\n\n\n

ADSR und Analogmultiplizierer<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Um die Amplitude des Signals zeitlich ver\u00e4ndern zu k\u00f6nnen, wird eine ADSR-Schaltung verwendet. Es wird eine sogenannte H\u00fcllkurve mit unserem Signal multipliziert. ADSR steht f\u00fcr die Phasen Attack, Decay, Sustain und Release. Die Phasen und eine H\u00fcllkurve sind in Abb. 4 grafisch dargestellt. Die H\u00fcllkurve wird im Mikrocontroller erzeugt und als PWM-Signal ausgegeben. Dieses Signal wird vor der Multiplikation noch durch einen Tiefpassfilter (LPF in Abb. 1) zur Gl\u00e4ttung geleitet.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 4: H\u00fcllkurve mit ADSR-Phasen
Quelle: de.wikipedia.org\/wiki\/ADSR<\/a><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Wir brauchen also eine Schaltung, die zwei Signale miteinander multiplizieren kann. Man kann daf\u00fcr einen Summierverst\u00e4rker und den folgenden Zusammenhang verwenden:<\/p>\n\n\n\n

U1<\/sub> \u00b7 U2<\/sub> = exp(ln(U1<\/sub> \u00b7 U2<\/sub>)) = exp(ln(U1<\/sub>) + ln(U2<\/sub>)).<\/p>\n\n\n\n

Der Logarithmus und die Exponentialfunktion k\u00f6nnen mit Hilfe der beiden Schaltungen aus Abb. 5 implementiert werden.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 5: Schaltungen Logarithmierer und Potenzierer
Quelle: de.wikipedia.org\/wiki\/Operationsverst%C3%A4rker<\/a><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die gesamte Schaltung f\u00fcr die Multiplikation ist in Abb. 6 zu sehen.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 6: Schaltung f\u00fcr die Multiplikation zweier Signale<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Verst\u00e4rker und Lautsprecher<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Das Signal muss noch verst\u00e4rkt werden. Daf\u00fcr wird ein Operationsverst\u00e4rker (der LM 386) verwendet. Die Beschaltung sieht man in Abb. 7, zusammen mit dem Lautsprecher am Ausgang. Mit dieser Schaltung kann eine maximale Verst\u00e4rkung von 20 erzielt werden. Diese reicht f\u00fcr unsere Zwecke aus.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 7: Verst\u00e4rkerschaltung mit LM 386
Quelle: homemade-circuits.com\/ic-lm-386-datasheet-explained-in-simple\/<\/a><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Der Lautsprecher am Ausgang wandelt das elektrische Signal in ein akustisches Signal um. Wir verwenden einen Visaton FRS 5X (Abb. 8). Das ist ein 8 \u03a9\/5 W Breitbandlautsprecher, der einen breiten Frequenzbereich abdecken kann. Der \u00dcbertragungsbereich betr\u00e4gt 120 Hz bis 20 kHz.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 8: Visaton FRS 5X Breitbandlautsprecher
Quelle: visaton.de\/de\/produkte\/chassiszubehoer\/breitband-systeme\/frs-5-x-8-ohm<\/a><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Simulation<\/span><\/strong><\/p>\n\n\n\n

Vor dem richtigen Aufbau werden alle Schaltungen zuerst in LTSpice simuliert, um das Verhalten der Schaltungen n\u00e4herungsweise einsch\u00e4tzen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Die LTSpice-Simulationen f\u00fcr den VCO und den Mixer sieht man in Abb. 9 und 10. Die Betriebsspannung wurde mit 3,5 V statt 5 V simuliert, weil die verwendeten Operationsverst\u00e4rker in der realen Schaltung nur eine maximale Spannung von 3,5 V ausgeben k\u00f6nnen. Damit erh\u00e4lt man realistischere Ergebnisse.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 9: VCO – Simulation in LTSpice<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Abb. 10: Simulation des Mixers in LTSpice<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die Eingangswiderst\u00e4nde der invertierenden Summierverst\u00e4rker werden so gew\u00e4hlt, dass am Ausgang eine um 0 V zentrierter Spannungsverlauf mit einer maximalen Amplitude von \u00b12 V ensteht. Die Widerst\u00e4nde R8<\/sub> und R13<\/sub> k\u00f6nnen durch Potentiometer ersetzt werden. Damit kann man einstellen, mit welchem Anteil das jeweilige Singal zum Gesamtsignal addiert wird.<\/p>\n\n\n\n

Abb. 11 und 12 enthalten die Simulationen f\u00fcr die ADSR-Schaltung. Der erste Teil der Schaltung erzeugt die H\u00fcllkurve, der zweite Teil multipliziert diese H\u00fcllkurve mit dem Eingangssignal.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 11: ADSR-Simulation in LTSpice (Teil 1)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Abb. 12: ADSR-Simulation in LTSpice (Teil 2)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die Simulation der Verst\u00e4rkerschaltung mit angepassten Werten sieht man in Abb. 13. Der zus\u00e4tzliche Kondensator C3<\/sub> wird zur Unterdr\u00fcckung von St\u00f6rsignalen verwendet. Ein solcher Kondensator wird im realen Aufbau auch bei jedem anderen Operationsverst\u00e4rker verwendet.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 13: Simulation des Verst\u00e4rkers in LTSpice<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Steckbrettaufbau<\/span><\/strong><\/p>\n\n\n\n

Nach der Simulation werden die Schaltungen zuerst auf dem Steckbrett aufgebaut. Sind sie funktionsf\u00e4hig, dann kann man mit dem Platinenlayout anfangen.<\/p>\n\n\n\n

Der VCO und der Mixer im Steckbrettaufbau sind in Abb. 14 zu sehen. An der mit 1 gekennzeichneten Stelle kann man das Dreiecksignal, bei 2 das Rechtecksignal und bei 3 den Mixer-Ausgang abgreifen.<\/p>\n\n\n\n

Darunter ist der Mikrocontroller sowie der Steckbrett mit zun\u00e4chst nur 8 Tasten und mit dem RC-Tiefpass zu sehen.<\/p>\n\n\n\n

In Abb. 16 ist der Steckbrettaufbau des Analogmultiplizierers und in Abb. 17 der des Verst\u00e4rkers zu sehen.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 14: VCO und Mixer im Steckbrettaufbau<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Abb. 15: Mikrocontroller im Steckbrettaufbau<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Abb. 16: Steckbrettaufbau Analogmultiplizierer<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Abb. 17: Steckbrettaufbau Verst\u00e4rker und Lautsprecher<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Oszilloskopbilder der gemessenen Signale aus dem Stekbrettaufbau werden im Folgenden aufgelistet (Abb. 18: PWM-Signal und tiefpassgefiltertes Signal, Abb. 19, 20, 21: VCO und Mixer, Abb. 22: Multiplizierer-Ausgang, Abb. 23: Ein- und Ausgangssignale des Verst\u00e4rkers).<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 18: PWM-Signal und tiefpassgefiltertes Signal aus dem Mikrocontroller<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Abb. 19: Dreiecksignal (VCO)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Abb. 20: Rechtecksignal (VCO)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Abb. 21: Mixer-Ausgang (Dreieck- und Rechtecksignale addiert)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Abb. 22: Multiplizierer-Ausgang<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Abb. 23: Ein- und Ausgangssignale des Verst\u00e4rkers<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Platinenlayout<\/span><\/strong><\/p>\n\n\n\n

Das Platinenlayout wurde mit dem Simulationsprogramm EAGLE angefertigt. Dieser Teil des Projektes gestaltete sich als sehr zeitaufwendig, da man auf viele Sachen achten muss. Wir mussten das Layout mehrmals wieder von vorne anfangen.<\/p>\n\n\n\n

Die Platinen haben die Ma\u00dfe 125 mm x 40 mm. Diese Gr\u00f6\u00dfe hat am Anfang Schwierigkeiten gemacht, bei den sp\u00e4teren Versuchen mussten wir die Bauteile auf der Platine pr\u00e4ziser und platzsparender auslegen.<\/p>\n\n\n\n

Die fertigen Platinen sowie die Platinen im Geh\u00e4use werden im Folgenden gezeigt.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 23: Mikrocontroller-Platine mit Tastatur<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Abb. 24: Platine VCO und Mixer<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Abb. 25: Platinen im Geh\u00e4use<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

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Projektlabor WS 2020\/21 Grundlegender Aufbau In diesem Projekt geht es um einen Mini-Synthesizer, der Dreieck- und Rechtecksignale verschiedener Frequenzen erzeugen kann. Abb. 1 zeigt die wesentlichen Funktionseinheiten des Synthesizers als Blockschaltbild. Als Input verwenden wir 12 Tasten. Der Mikrocontroller registriert, welche Taste gedr\u00fcckt wurde und gibt eine Gleichspannung an den VCO (Voltage Controlled Oscillator bzw. […]<\/p>\n","protected":false},"author":131,"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-synth-523\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/5"}],"collection":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-synth-523\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-synth-523\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-synth-523\/wp-json\/wp\/v2\/users\/131"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-synth-523\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=5"}],"version-history":[{"count":64,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-synth-523\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/5\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":121,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-synth-523\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/5\/revisions\/121"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-synth-523\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=5"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-synth-523\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=5"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-fr-synth-523\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=5"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}