Projekt: Scratch

Bernhard Geiger, 4AIH, 2002
Projekt: Scratch-Mouse
Aufgabenstellung
Es ist eine handelsübliche PC-Mouse (Serielle Schnittstelle) so umzubauen, dass die als Musikinstrument
verwendbar ist. Da es sich hierbei um Prototypenherstellung handelt, gibt es keine weiteren Anforderungen.
Historie
LDR
4
2
Ursprünglich ging ich davon aus, dass durch die Gabellichtschranke in der Maus ein Rechteckssignal erzeugt
wird. Dieses wollte ich durch einen Tiefpass in einen (näherungsweise) Sinus umwandeln, damit ich es an einem
Lautsprecher ausgeben kann. Für die zweite Achse wollte ich die Frequenz verdoppeln, um eine höhere
Bandbreite zu erreichen. Per Tastendruck sollte die Frequenz noch mal vervielfacht werden. So lag das erste
Problem bei der Vervielfachung von variablen Frequenzen. Die Anwendung eines Multiplikators oder eines
VCOs kam aufgrund hoher Kosten nicht in Frage. Ich wollte die ganze Schaltung so diskret (=einfach) wie
möglich konstruieren. Ob die Multiplikation nun das Analog- oder das Digitalsignal veränderte, war mir egal.
Ich kam auf die Idee, dass die
Frequenz mittels eines EXORUb
U1A
1
3
Gatters verdoppelt werden
Signal
1
kann, wenn am zweiten
Eingang das Signal um T/2
Monoflop
D1
R2
verschoben angelegt werden
LED
LDR
würde. Leider war T aber nicht
C1
U1A
1
Professor Töglhofer
2
=1 3 Signal x 2 konstant.
brachte mich auf die Idee, den
R1
C
EXOR
zweiten
Eingang
einfach
C2
mittels eines RC-Gliedes um
[TAU]=RC zu verzögern. Das
würde zwar die Frequenz
verdoppeln, aber die Pulsweite
Abb. 1: Frequenzverdoppelung
wäre nicht mehr symmetrisch.
So kam mir die Idee, den Widerstand des RC-Gliedes mit der Frequenz zu ändern. Ich dachte an einen gepulsten
Widerstand. Prof. Töglhofer schlug vor, mit einem Monoflop eine Leuchtdiode zu versorgen und den
Widerstand des RC-Gliedes durch einen LDR zu ersetzen. Bei perfekter Dimensionierung wäre die Pulsweite
symmetrisch. Es musste jedoch darauf geachtet werden, dass sowohl das EXOR-Gatter als auch das Monoflop
für die entsprechende Frequenz geeignet ist.
In der Werkstätte wurden dann sämtlich Pläne sofort verworfen, weil durch die Gabellichtschranke kein
Rechtecksignal erzeugt wurde. Erstens war das Signal moduliert: Die Infrarot-LED wurde mit 5 kHz gepulst.
Zweitens war der Empfänger ein Phototransistor, d.h. das durch Lichteinstrahlung wurde lediglich die Amplitude
verändert. Ohne Plan, was in meiner Angst zu tun war, wandte ich mich an Fl. Hütter. Er schlug vor, das Signal
über einen Tiefpass zu schicken, sodass nur die Amplitudenänderung und ein Gleichspannungsanteil übrig blieb.
Gleichspannung auskoppeln und Signal verstärken. Nach mehreren fehlgeschlagenen Versuchen gab ich auf.
Doch die Idee einer Scratch-Maus ließ mir keine Ruhe. Pointner Christian wies mich an, die vorhandene
Gabellichtschranke durch eine andere zu ersetzen. Ich arbeitete die Idee aus. Was wäre wenn ich die vorhandene
Optoelektronik einfach mit Gleichspannung speisen würde? Gesagt getan. Sämtliche Leiterbahnen, die auf der
Mausplatine zur IR-LED oder zum Phototransistor hinführten wurden durchbrochen. Ein Arbeitspunkt wurde
eingestellt und erste Messungen durchgeführt. Schlussendlich konnte ich am Phototransistor die
Amplitudenänderung messen, die durch die Mausbewegung hervorgerufen wurde. Zu meiner Überraschung
handelte es sich nicht um ein Rechtecksignal sondern um ein sinusähnliches Signal. Gleichspannung wurde
ausgekoppelt, das Signal wurde mit einem invertierenden Verstärker verstärkt und über einen Lautsprecher
ausgegeben. Erstes Erfolgserlebnis. Ich entschloss mich, auf die zweite Achse, sowie auf die
Frequenzvervielfachung zu verzichten. Die Schaltung in der Maus wurde so verdrahtet, dass sämtliche Ausgänge
über den seriellen Port nach außen führten. Wie auch auf den Schaltplänen weiter hinten im Dokument zu
erkennen sein sollte, dient Pin 7 zur Versorgung der Maus, Pin 2 stellt die Masse dar und auf Pin 5 wird das
Signal von der Maus sichtbar. Abschließend entwarf ich noch eine Schaltung, die die Maus mit der
erforderlichen Betriebsspannung versorgt und das Signal auf den Line-Out - Line-In Standard bringt. Das
ermöglicht es mir unter anderem, das Signal am PC weiterzuverarbeiten, am Radio auszugeben oder an meinen
eigenen Verstärker anzuschließen (siehe Projekt: Amplifier). Doch nun zur Schaltung:
Schaltung
4
7
Um das Signal auf die standardisierten 1 dB zu bringen, muss es verstärkt werden. Für diese Zwecke sollte ein
handelsüblicher Operationsverstärker der Marke LM741 bzw. µA741 vollkommen ausreichen. Die
+Ub
Versorgungsspannung für diesen OPAmp ist
nicht kritisch, da die Gleichspannung sowohl
am Eingang als auch am Ausgang durch die
beiden
Kondensatoren
C1
und
C2
R
R2
ausgekoppelt wird, sie sollte aber zwischen 10
C1
C2
und 20 V betragen. Auch der eingestellte
2 5
6
Line-Out
Arbeitspunkt ist nicht weiter ausschlaggebend,
R1
3
Poti
+
der Einfachheit halber sollte er aber in die
U1
LM741
Mitte der Versorgungsspannung gelegt
R
werden. Die Einstellung erfolgt durch den in
der
Schaltung
eingezeichneten
Spannungsteiler R-R. Der Arbeitspunkt sollte
aber zumindest jeweils 3 V von Ub bzw.
Abb. 2: Schaltung zur Verstärkung des Signals
Masse entfernt sein, um ein Aussteuern auf
jeden Fall zu verhindern. Kommen wir nun zur eigentlichen Verstärkung: Bei einem invertierenden Verstärker
wie diesem beträgt sie bekanntlich R2/R1. Die Größen der Widerstände sind am besten iterativ zu wählen. Zu
beachten ist bei der oben angeführten Schaltung, dass sich R1 aus einer Serienschaltung von R1 und dem
Potentiometer ergibt. Der Widerstand sollte auf jeden Fall 10k<R1<100k betragen, damit die Schaltung in der
Maus nicht zu stark belastet wird. Andernfalls kann es sogar vorkommen, dass
+Ub
die Ausgangsspannung gegen 0 geht. R2 ist entsprechend größer zu wählen,
wobei auch hier der Wert durch schätzen und messen festgelegt werden soll
(genaue Angaben sind nicht möglich, da vor allem Phototransistoren eine hohe
Rv
Streuung haben. Außerdem ist auch die Optoelektronik von Maus zu Maus
unterschiedlich. Das Potentiometer ist optional und dient zum genauen
Abgleichen der Verstärkung. Es könnte also, wenn es zum Beispiel die 7
Platinenarchitektur vereinfachen würde, auch in Serie zu R2 geschaltet werden.
Unter Umständen kann auf das Poti auch verzichtet werden. Abschließend
möchte ich noch die Versorgung der Mausplatine erläutern. Die
Z1
+
C3
Betriebsspannung sollte zwischen 2 und 3 V liegen, daher muss die dafür
verwendete Z-Diode nicht für hohe Leistungen ausgerichtet sein. Auch der
2
Elekrolytkondensator (in der Schaltung mit C3 bezeichnet) kann zwischen
47µF<C3<220µF liegen. Wie zu erkennen sein sollte, reicht es, wenn er für
Spannungen bis zu 3 V dimensioniert ist. Kritisch ist jedoch der Vorwiderstand.
An ihm fällt nämlich ein Großteil der Spannung ab. Abhängig vom
Abb. 3: Versorgung
Stromverbrauch der Maus und der Z-Diode muss er eine entsprechende Leistung
aushalten.
Wenn dieses Projekt durchgeführt wird, ist es erforderlich, die Schaltungen zuerst auf sogenannten Proto-Boards
aufzubauen, bevor Platinen geätzt werden. Da über Daten wie Verlustleistung und Stromverbrauch erst nach
ausführlichen Messungen Aussagen gemacht werden können, sollte man zuerst mit überdimensionierten
Bauteilen arbeiten (Rauch ist nur ein Zeichen dafür, dass es SO nicht funktioniert). Aus diesem Grund beinhaltet
dieses Projekt auch kein Layout und kein Bestückungsplan.
Special Thanks an: Fl. Hütter, Fl. Weißensteiner, Christian Pointner, Markus Grüneis, Prof. Töglhofer, Bernhard
Gottlieb