In diesem Kapitel werden wir uns Audio-Elektronik näher ansehen sowie untersuchen, wie man Töne erzeugt und verstärkt, um sie mit einem Lautsprecher auszugeben. Wir werden außerdem einen kleinen UKW-Sender hacken, der eigentlich zum Übertragen von MP3-Dateien an ein Autoradio gedacht ist, sodass er wie eine Abhörwanze funktioniert.
Zunächst aber werde ich mich dem eher profanen Thema Audiokabel widmen, deren Verwendung beleuchten, sie reparieren und auch selber basteln.
9.1 Audiokabel
Vorgefertigte Audiokabel sind einigermaßen preiswert, wenn Sie nicht gerade solche der Extraklasse erwerben möchten. Wenn aber ein bestimmtes oder ungewöhnliches Verbindungskabel dringend benötigt wird, ist es nützlich, zu wissen, wie man aus den Teilen in der Grabbelkiste oder aus anderen vorhandenen Steckern eines zusammenbauen kann.
Bei vielen Geräten der Unterhaltungselektronik werden Kabel mitgeliefert, die oft gar nicht benötigt werden. Fügen Sie diese Ihrer Grabbelkiste hinzu, denn man weiß nie, ob man demnächst nicht eines davon gut brauchen könnte.
Abbildung 9.1 zeigt einige gebräuchliche Audiosteck er. Bei einigen sind die Kabel angelötet, bei anderen sind Stecker und Kabel in Kunststoff vergossen, sodass es nicht möglich ist, am Stecker zu löten. Nützlich sind solche Stecker dennoch, man muss nur das angeschlossene Kabel abisolieren, um etwas anzulöten.
9.1.1 Allgemeines
Audiokabel transportieren Tonsignale, oft zu einem Verstärker, und das Letzte, was Sie sich wünschen, sind die Klangqualität beeinträchtigende Störsignale. Daher sind Audiokabel normalerweise abgeschirmt (siehe Abbildung 9.2 ).
Das Audiosignal (bzw. zwei Audiosignale, wenn es sich um Stereo handelt) wird von mehreren isolierten, feinen Drähten transportiert. Die Drähte sind von einer leitenden Abschirmung ummantelt, die mit Masse verbunden ist.
Eine Ausnahme bilden hier die Zuleitungen für Lautsprecher, die nicht abgeschirmt sind, weil deren Signal in solchem Maße verstärkt ist, dass normale Störsignale unhörbar bleiben.
9.1.2 Löten an Audiosteckern
Das Abisolieren von Audiokabeln wird durch mehrere Isolierungsschichten erschwert. Es passiert leicht, dass man versehentlich die Abschirmung durchtrennt. Für gewöhnlich lässt sich dieses Problem lösen, indem man die äußere Isolierung rundherum vorsichtig einschneidet.
Abbildung 9.3 zeigt die einzelnen Schritte beim Anlöten eines abgeschirmten Kabels an einen 6,3mm-Klinkensteck er von der Art, die oft zum Anschluss von E-Gitarren an den Verstärker verwendet wird.
Entfernen Sie zunächst etwa 20mm der äußeren Isolierung am Ende des Kabels und verdrillen Sie die Abschirmungsdrähte auf einer Seite des Kabels. Entfernen Sie etwa 5mm der inneren Isolierung (Abbildung 9.3 a). Verzinnen Sie nun die beiden blanken Enden (Abbildung 9.3 b).
Der Klinkenstecker besitzt zwei Lötösen. Eine ist mit dem größeren Teil des Steckers verbunden, die andere mit dessen Spitze. Normalerweise sind die beiden Lötösen gelocht. In Abbildung 9.3 c ist erkennbar, wie die etwas gestutzte Abschirmung zum Verlöten durch die Lochung geführt worden ist. Wenn die Abschirmung verlötet ist, können Sie die innere Leitung an der Lötöse für die Spitze anlöten (Abbildung 9.3 d).
Dieses Kabel ist ziemlich empfindlich. Vergewissern Sie sich, dass die innere Leitung lang genug ist und etwas Spiel hat (wie in Abbildung 9.3 e), damit die Verbindung nicht reißt, wenn das Griffstück des Steckers etwas gebogen wird. Beachten Sie auch, dass die Zugentlastung am Ende des Steckers um die äußere Isolierung gelegt und mit einer Zange zusammengepresst wurde. Zum Klinkenstecker gehört für gewöhnlich auch eine Kunststoffabdeckung zum Schutz der Lötverbindungen. Schieben Sie diese an Ort und Stelle und schrauben Sie sie fest (Abbildung 9.3 f).
9.1.3 Stereosignal zu Mono konvertiere n
Stereoaufnahmen liefern zwei etwas unterschiedliche Audiosignale, die bei der Wiedergabe auf getrennten Lautsprechern für den Stereoeffekt sorgen. Es kommt aber auch vor, dass man ein Stereosignal einem Monoverstärker zuführen möchte.
Sie könnten einfach nur einen der beiden Kanäle verwenden, verlieren dann jedoch die Toninformationen des jeweils anderen Kanals. Besser ist es, zwei Widerstände zu verwenden und die Kanäle zusammenzumischen (Abbildung 9.4 ).
Angesichts des Schaltplans in Abbildung 9.4 kann man es Ihnen nicht übel nehmen, wenn Sie auf den Gedanken gekommen sind, die beiden Kanäle einfach direkt miteinander zu verbinden. Das ist jedoch keine besonders gute Idee, denn wenn die beiden Signale sich sehr unterscheiden, besteht potenziell die Gefahr, dass ein Strom zwischen den beiden Kanälen fließt und das Wiedergabegerät beschädigt.
Wir könnten beispielsweise aus dem 6,3mm-Klinkenstecker (an den wir vorhin Kabel angelötet haben) und zwei Widerständen ein Kabel basteln, um damit einen MP3-Spieler an einem (Mono-) Gitarrenverstärker anzuschließen.
Abbildung 9.5 zeigt die dafür erforderlichen Schritte. Um das Fotografieren zu erleichtern, habe ich besonders kurze Kabel benutzt. Sie können problemlos etwas längere verwenden, sofern diese nicht gleich mehrere Meter lang sind.
Der 3,5mm-Klinkenstecker stammt von einem nicht benötigten Anschlusskabel und ist in Kunststoff vergossen. Zunächst müssen also die beiden Kabelenden abisoliert werden (Abbildung 9.5 a). Beachten Sie, dass beide Leitungen des Stereosteckers eine eigene Abschirmung besitzen. Diese beiden Masseverbindungen des Steckers können Sie miteinander verdrillen.
Verzinnen Sie die Enden sämtlicher Kabel und löten Sie dann die beiden Widerstände wie in Abbildung 9.5 b zusammen.
Löten Sie nun die Stereo- und Mono-Leitungen an die Widerstände an (Abbildung 9.5 c) und verwenden Sie eine kurze verzinnte Drahtbrücke, um die beiden Masseleitungen zu verbinden (Abbildung 9.5 d). Wickeln Sie nun Isolierband um die Lötstellen und achten Sie dabei darauf, dass alle blanken Drähte bedeckt sind, damit es nicht zu einem Kurzschluss kommen kann (Abbildung 9.5 e).
9.2 Mikrofon-Module
Mikrofone reagieren auf Schallwellen, bei denen es sich im Grunde genommen um kleine Änderungen des Luftdrucks handelt. Es überrascht daher nicht, dass die von einem Mikrofon gelieferten Signale normalerweise sehr schwach sind. Um brauchbare Signale zu erhalten, bedarf es eines Verstärkers.
Es ist zwar ohne Weiteres möglich, einen kleinen Verstärker selbst zu bauen, es ist aber einfacher, ein Mikrofon mit eingebautem Verstärker zu erwerben (Abbildung 9.6 ).
Das Mikrofon-Modul benötigt eine Versorgungsspannung von 2,7V bis 5,5V und ist damit bestens zum Anschluss an den Arduino geeignet.
In Kapitel 11 werden Sie noch einiges über Oszilloskope erfahren. Fürs Erste soll eine kleine Vorschau auf die Anzeige eines Oszilloskops genügen, an dem ein mit 5V versorgtes Mikrofon-Modul angeschlossen ist, das einen Ton gleichbleibender Höhe aufnimmt (Abbildung 9.7 ).
Das Oszilloskop stellt diesen Ton dar. Hier handelt es sich um einer eher lästigen Ton von 7,4kHz. Die horizontale Achse zeigt die Zeit, wobei jedes der blauen Quadrate 100 Mikrosekunden repräsentiert. Die vertikale Achse zeigt die Spannung und jedes Quadrat entspricht 1V. Die Spannung am Ausgang des Mikrofon-Moduls wechselt also sehr schnell zwischen etwa 1,8V und 3,5V. Die Grundlinie der angezeigten Sinuswelle liegt bei ca. 2,5V, also auf halbem Wege zwischen 0V und 5V. Bei Stille würde eine flache Linie auf dieser Höhe angezeigt. Wird der Ton lauter, erhöht sich die Amplitude der angezeigten Welle, die Wellenberge und -täler werden also höher bzw. tiefer. 5V und 0V werden aber nicht über- oder unterschritten, stattdessen wird das Signal abgeschnitten und verzerrt.
Der Schaltplan und die Dokumentation des abgebildeten Mikrofon-Moduls sind frei zugänglich. Abbildung 9.8 zeigt den Schaltplan eines typischen Mikrofonvorverstärke rs.
Das Schaltsymbol des Chips in der Mitte des Schaltplans ähnelt dem des Komparators aus dem Abschnitt Gasmelder am Anfang von Kapitel 8 . Es handelt sich jedoch nicht um einen Komparator, sondern um ein Verstärker-IC. ICs dieses Typs werden als Operationsverstärker bezeichnet (Abk. OP, OPV oder nach engl. Operational Amplifier auch OpAmp).
Während ein Komparator seinen Ausgang aktiviert, wenn die Spannung am »+«-Eingang höher ist als diejenige am »–«-Eingang, vervielfacht ein Operationsverstärker die Differenz der an beiden Eingängen anliegenden Spannungen. Sich selbst überlassen, verstärkt er diese Differenz millionenfach! Das würde bedeuten, dass die winzigsten Signale an den Eingängen zu einem sinnlosen »Flattern« der Ausgangspannung zwischen 0V und 5V führen würden. Um den Operationsverstärker in den Griff zu bekommen und den Vervielfachungsfaktor (der als Verstärkung bezeichnet wird) zu vermindern, verwendet man eine sogenannte Gegenkopplung .
Der Trick besteht darin, dass ein Teil der Ausgangsspannung wieder dem negativen Eingang des Operationsverstärkers zugeleitet wird. Dadurch wird die Verstärkung auf einen Faktor begrenzt, der durch das Verhältnis der Widerstandswerte von R1 und R2 in Abbildung 9.8
gegeben ist. Die Werte von R1 und R2 sind hier 1M
bzw. 10k
, die Verstärkung beträgt also 1.000.000 / 10.000 = 100.
Das Signal des Mikrofons wird also um den Faktor 100 verstärkt. Hieran ist erkennbar, wie schwach das ursprüngliche Signal tatsächlich war.
Durch den aus R3 und R4 gebildeten Spannungsteiler wird die Spannung am positiven Eingang des Operationsverstärkers auf einem mittleren Wert zwischen Masse und 5V gehalten, nämlich 2,5V. Der Kondensator C1 hilft dabei, diesen Wert zu stabilisieren.
Anhand des Schaltplans könnten Sie das Modul auch selber bauen, etwa auf der Steckplatine. Operationsverstärker wie der hier verwendete (bei dem es sich um ein SMD-Bauteil handelt), sind auch als ICs mit 8 Pins verfügbar. Ein Mikrofon-Modul wie das hier beschriebene spart Ihnen jedoch eine Menge Arbeit und ist womöglich sogar preiswerter als die Einzelteile, die zum Selbstbau benötigt werden.
Mir ist durchaus klar, dass diese Einführung in Operationsverstärker ziemlich oberflächlich ist. Es handelt sich um sehr nützliche Bauteile, und für eine angemessene Behandlung dieses Themas fehlt in diesem Buch leider der Platz. Viele Informationen über Operationsverstärker finden Sie auf der Wikipedia-Website oder in Büchern, die auch einen theoretischen Hintergrund vermitteln, wie in der dritten Auflage des Buches Practical Electronics for Inventors von Paul Scherz und Simon Monk, das ein Kapitel enthält, in dem es ausschließlich um Operationsverstärker geht.
Im nächsten Abschnitt werden wir das Mikrofon-Modul verwenden, um aus einem kleinen UKW-Sender zum Übertragen von MP3-Dateien an ein Autoradio eine Abhörwanze zu basteln.
9.3 UKW-Abhörwanz e
Der Bau eines UKW-Senders, der mit einem Mikrofon aufgenommene Töne an ein in der Nähe befindliches Radio überträgt, wäre mit einigem Aufwand verbunden. Aber als Elektronikhacker werden wir ein wenig schummeln und einen UKW-Sender auseinandernehmen, um ein Mikrofon-Modul daran anzuschließen. In Abbildung 9.9 können Sie das Endergebnis dieses Hacks bewundern.
9.3.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
Versuchen Sie, auf eBay einen passenden UKW-Sender zu finden, falls Sie keinen besitzen. Suchen Sie nach den Begriffen »MP3 Sender UKW Auto«. Rechnen Sie bei den einfachsten Modellen mit einem Preis von 5 oder 10 Euro. Eine Fernbedienung oder ein SD-Kartensteckplatz sind überflüssig. Das Gerät muss nur einen Audioeingang besitzen und möglichst mit zwei AA- oder AAA-Batterien (3V) betrieben werden.
|
Anzahl |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|
|
1 |
Mikrofon-Modul |
M5 |
|
1 |
UKW-Sender für MP3-Spieler |
|
|
1 |
UKW-Radioempfänger |
9.3.2 Schaltungsaufbau
Dieses Projekt lässt sich sehr leicht nachbauen. Abbildung 9.10 zeigt den Schaltplan für die Abhörwanze.
Zur Stromversorgung des Mikrofon-Moduls dient die 3V-Spannung des UKW-Senders. Der einzige Ausgang des Mikrofon-Moduls wird sowohl an den linken als auch an den rechten Kanal des Stereo-UKW-Senders angeschlossen.
Abbildung 9.11 zeigt, wie der UKW-Sender modifiziert werden muss, um das Mikrofon-Modul anzuschließen.
Entfernen Sie zunächst sämtliche Schrauben, die das Gehäuse zusammenhalten, und nehmen Sie es auseinander. Schneiden Sie dann den Stecker am Anschlusskabel ab, aber lassen Sie möglichst viel von diesem Kabel übrig, da es bei Geräten dieser Art oftmals auch als Antenne dient. Nun können Sie die drei Drähte abisolieren und verzinnen (Abbildung 9.11 a).
Das rote Kabel in Abbildung 9.11 a ist der rechte Kanal, das weiße (vor dem hellen Hintergrund kaum erkennbare) der linke Kanal und das schwarze ist die Masseleitung. Das ist jedenfalls die übliche Konvention, aber wenn Sie sich nicht sicher sind, ob das für Ihren Sender ebenfalls stimmt, können Sie den abgeschnittenen Stecker verwenden, um die Belegung herauszufinden. Entfernen Sie die Isolierung an den Kabelenden und verwenden Sie den Durchgangsprüfer-Modus Ihres Multimeters, um festzustellen, welches Kabel mit welchem Kontakt des Steckers verbunden ist. Die äußerste Spitze und der folgende Ring sind für den linken bzw. rechten Kanal zuständig, der verbleibende Teil in Richtung Griff ist die Masseleitung.
Masseleitung (schwarz) und das Kabel für den linken Kanal (weiß) belassen wir an Ort und Stelle, löten aber das Kabel für den rechten Kanal (rot) ab und verbinden es mit dem 3V-Anschluss (Abbildung 9.11 b). Bei diesem Sender ist der positive Anschluss des unterhalb der Leiterplatte befindlichen Batteriefachs mit der Oberseite der Leiterplatte verlötet.
Sehen Sie sich das Batteriefach genau an, um den positiven Anschluss zu finden. In Abbildung 9.11 c ist erkennbar, dass das Metallstück auf der linken Seite den negativen Anschluss der oberen Batterie mit dem positiven Anschluss der unteren Batterie verbindet. Der 3V-Anschluss ist also der obere rechte Anschluss des Batteriefachs. Machen Sie diesen Anschluss auf der Leiterplatte ausfindig. Falls das Batteriefach Ihres Geräts nicht mit der Leiterplatte verlötet, sondern mit Kabeln angeschlossen ist, müssen Sie eine geeignete Stelle zum Anlöten des roten Drahtes des Audioeingangs finden. Gemäß dem Schaltplan in Abbildung 9.10 müssen wir mit einer kleinen Drahtbrücke eine Verbindung zwischen dem linken und dem rechten Kanal herstellen (Abbildung 9.11 d). Wenn alles erledigt ist, sollte es wie in Abbildung 9.11 e aussehen.
9.3.3 Testen
Beachten Sie, dass der Ein-/Ausschalter des Geräts keinen Einfluss auf die Stromversorgung des Mikrofon-Moduls hat. Um die Wanze vollständig auszuschalten, müssen Sie die Batterien entnehmen.
Zum Testen müssen Sie beim UKW-Sender eine nicht durch eine Rundfunkstation belegte Frequenz einstellen. Stellen Sie bei Ihrem Radioempfänger dieselbe Frequenz ein. Möglicherweise hören Sie nun das Fiepen einer Rückkopplung mit dem Radio. Deponieren Sie die Wanze in einem anderen Zimmer, um das zu verhindern. Sie sollten nun ziemlich deutlich hören können, was in dem anderen Zimmer vor sich geht.
9.4 Auswahl von Lautsprechern
Die Bauweise von Lautsprechern hat sich seit den Anfangstagen des Radios kaum geändert. Abbildung 9.12 zeigt den Aufbau eines Lautspreche rs.
Die Lautsprechermembran (die oft noch immer aus Papier besteht) besitzt an ihrem Ende, das sich in einem mit dem Lautsprecherrahmen verbundenen Festmagneten befindet, eine leichte Schwingspule. Wenn ein verstärktes Audiosignal durch die Spule transportiert wird, bewegt sie sich simultan zur Tonwiedergabe im Magnetfeld hin und her. Die mit der Schwingspule verbundene Membran erzeugt dadurch Druckwellen in der Luft, die wir als Töne wahrnehmen.
Aus Sichtweise der Elektronik ist ein Lautsprecher einfach nur eine Spule. Für jeden Lautsprecher wird eine sogenannte Impedanz
angegeben, die wie der Widerstand in Ohm gemessen wird. Die meisten Lautsprecher besitzen eine Impedanz von 8
, manchmal auch 4
oder sogar 60
. Wenn Sie den Widerstand der Spule eines 8
-Lautsprechers messen, werden Sie feststellen, dass er tatsächlich rund 8
beträgt.
Eine weitere bei Lautsprechern normalerweise zu findende Angabe ist die Nennbelastbarkeit . Sie gibt an, wie laut Sie die Musik »aufdrehen« können, bevor die Spule des Lautsprechers zu heiß wird und durchbrennt. Kleine Lautsprecher, wie man sie etwa in einem Radiowecker findet, besitzen eine Nennbelastbarkeit in der Größenordnung von 250mW oder etwas mehr. Wenn Sie sich Lautsprecher ansehen, die für die Musikwiedergabe über Stereoanlagen ausgelegt sind, finden Sie Werte von einigen Dutzend oder sogar mehreren Hundert Watt.
Es ist äußerst schwierig, Lautsprecher zu bauen, die das gesamte für Menschen hörbare Frequenzspektrum von 20Hz bis 20kHz wiedergeben können. Daher findet man oft mehrere Lautsprecher wie Tieftöner (für niedrige Frequenzen) oder Hochtöner (für hohe Frequenzen) in einem Gehäuse. Da Tieftöner die hohen Frequenzen nicht wiedergeben können, kommen sogenannte Frequenzweichen zum Einsatz, um die hohen und tiefen Frequenzen voneinander zu trennen und die unterschiedlichen Lautsprechertypen separat anzusteuern. Manchmal geht man sogar noch einen Schritt weiter und unterteilt das Frequenzspektrum in drei Bereiche für Tief-, Mittel- und Hochtöner .
Das menschliche Ohr kann Schallquellen hoher Frequenz sehr leicht orten. Wenn Sie einen Vogel, der auf einem Baum sitzt, zwitschern hören, können Sie ihn vermutlich ohne weiter darüber nachzudenken sofort lokalisieren. Bei tiefen Tönen ist das anders. Aus diesem Grund bestehen Mehrkanal-Tonsysteme (»Surround-Sound«) meist nur aus einem Tieftöner, aber mehreren Mittel- und Hochtönern zur Wiedergabe mittlerer und hoher Frequenzen. Das erleichtert die Sache sehr, denn aus physikalischen Gründen müssen Tieftöner erheblich größer sein als Lautsprecher höherer Frequenz, da große Mengen Luft relativ langsam hin und her bewegt werden müssen, um Basstöne zu erzeugen.
9.5 1-Watt-Audioverstärker
Der Bau eines kleinen Verstärkers ist dank eines ICs wie dem TDA7052 , das nahezu alle benötigten Komponenten mitbringt und weniger als ein Euro kostet, ziemlich einfach. In diesem Abschnitt werden wir einen solches Verstärker-Modul auf einer kleinen Lötstreifenrasterplatine aufbauen (Abbildung 9.13 ).
Alternativ können Sie sich auch ein vorgefertigtes Verstärker-Modul beschaffen. Es gibt sie für einen weiten Leistungsbereich sowohl in Mono- als auch in Stereoausführung. Sie sind bei den einschlägigen Händlern oder über eBay erhältlich. Bei Verstärker-Modulen ist oft eine erweiterte Bauweise anzutreffen, die als »Klasse D« bezeichnet wird und hinsichtlich des Energieverbrauchs deutlich effizienter als das selbst gebaute Modul ist.
Abbildung 9.14 zeigt einen typischen Schaltplan für einen auf dem TDA7052 beruhenden Verstärker.
R1 dient als Lautstärkeregler und vermindert das Signal, bevor es verstärkt wird.
C1 leitet das Audiosignal an den Eingang des Verstärker-ICs ohne die Vorspannung weiter, die das signalliefernde Audiogerät möglicherweise besitzt. Ein auf diese Weise eingesetzter Kondensator wird daher auch als Kopplungskondensator bezeichnet.
C2 wird als Ladungsreserve verwendet, die schnell durch den Verstärker abrufbar ist, wenn er aufgrund plötzlicher Lautstärkeschwankungen den Lautsprechern mehr Leistung bereitstellen muss. Dieser Kondensator sollte sich möglichst in der Nähe des ICs befinden.
9.5.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
|
Anzahl |
Name |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|---|
|
1 |
IC1 |
TDA7052 |
K1 |
|
1 |
R1 |
Trimmpoti 10k |
K1, R1 |
|
1 |
C1 |
Kondensator 470nF |
C3 |
|
1 |
C2 |
Kondensator 100 |
K1, C2 |
|
1 |
Lautsprecher 8 |
H14 |
|
|
1 |
Lötstreifenrasterplatine |
H3 |
F9.5.2 Schaltungsaufbau
Abbildung 9.15 zeigt den schematischen Aufbau des Verstärker-Moduls auf der Lötstreifenrasterplatine. Falls Sie noch nie eine solche Platine verwendet haben, sollten Sie sich den Abschnitt Verwenden einer Lötstreifenrasterplatine zum Aufbau des LED-Blinkers in Kapitel 4 durchlesen.
Folgen Sie beim Bau des Moduls den Schritten in Abbildung 9.16
Schneiden Sie zunächst die Platine für das Verstärker-Modul zurecht und entfernen Sie mit einem Bohrer an den in Abbildung 9.15 mit einem »X« gekennzeichneten Stellen den Lötstreifen (Abbildung 9.16 a).
Löten Sie nun die Drahtbrücke, das IC, Kondensator C1, Kondensator C2 und den Widerstand R1 in der genannten Reihenfolge ein (Abbildung 9.16 b). Es ist am einfachsten, die flachsten Bauteile zuerst zu verlöten.
Schließen Sie am Lautsprecher Kabel an (Abbildung 9.16 c) und stellen Sie die Verbindung zum Batterieclip und dem 3,5mm-Klinkenstecker her (Abbildung 9.16 d). Beachten Sie, dass nur eine der Leitungen des Audiokabels verwendet wird. Wenn Sie beide Kanäle verwenden möchten, sollten Sie wie im Abschnitt 9.1.3 am Anfang dieses Kapitels zwei Widerstände hinzufügen.
9.5.3 Testen
Sie können den Verstärker durch Anschließen eines MP3-Spielers testen. Wenn Sie ein Smartphone besitzen, können Sie sich stattdessen auch eine App zur Signalerzeugung herunterladen (Abbildung 9.17 ). Es gibt mehrere solcher Apps, die teilweise sogar kostenlos sind, wie die abgebildete iOS-App AudioSigG en .
Mit einer solchen App können Sie einen Ton mit einer bestimmten Frequenz wiedergeben. Wenn Sie überprüfen, bei welcher Frequenz die Lautstärke des verwendeten Lautsprechers plötzlich abfällt, können Sie feststellen, für welchen Frequenzbereich Ihr Verstärker-Modul geeignet ist.
9.6 Tonerzeugung mit dem Timer-Baustein 555
In Kapitel 4 haben wir den Timer-Baustein 555 dazu verwendet, zwei LEDs abwechselnd blinken zu lassen. In diesem Abschnitt werden wir ihn als Oszillator einsetzen, um hörbare Töne zu erzeugen.
Zum Steuern der Tonhöhe verwenden wir einen Fotowiderstand . Sie können diese dann durch Handbewegungen über dem Fotowiderstand steuern, ähnlich wie bei dem nach seinem russischen Erfinder Theremin benannten elektronischen Musikinstrument, das ohne Berührung, nur durch Handbewegungen zwischen zwei Antennen gespielt wird. Abbildung 9.18 zeigt die Schaltung des Tongenerators auf der Steckplatine und Abbildung 9.19 den Schaltplan.
Der Aufbau ist dem des LED-Blinkers aus Kapitel 4
ganz ähnlich. Die Frequenz ist aber nicht durch zwei feste Widerstände und einen Kondensator vorgegeben. R1 ist der Fotowiderstand, dessen Widerstandswert, je nach Lichteinfall, zwischen 1k
und 4k
beträgt. Wir möchten eine sehr viel höhere Frequenz als beim LED-Blinker erzielen. Tatsächlich muss diese rund tausendmal höher sein, um Töne im Bereich von 1kHz zu erzeugen.
Der 555 schwingt mit einer Frequenz, die sich gemäß der Formel
Frequenz = 1,44 / ((R1 + 2 × R2) × C)
ergibt, wobei R1, R2 und C die Einheiten
bzw. F besitzen.
Wenn wir für C1 einen 100nF-Kondensator verwenden, der Widerstandswert von R2 10k
beträgt und der Fotowiderstand einen Widerstandswert von mindestens 1k
besitzt, ist eine Frequenz von
1,44 / ((1.000 + 20.000) × 0,0000001) 
686Hz
zu erwarten.
Steigt der Widerstandswert des Fotowiderstands auf 4k
, sinkt die Frequenz auf
1,44 / ((4.000 + 20.000) × 0,0000001)
600Hz
Bei der Auswahl der Werte für R1, R2 und C1 können Sie zur Berechnung der Frequenz einen Online-Rechner verwenden, wie z.B. http://www.dieelektronikerseite.de/Tools/NE555.htm .
9.6.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
|
Anzahl |
Name |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|---|
|
1 |
IC1 |
Timer-Baustein 555 |
K1, S10 |
|
1 |
R1 |
Fotowiderstand |
K1, R2 |
|
1 |
R2 |
Widerstand 10k |
K2 |
|
1 |
C1 |
Kondensator 100nF |
K1, C4 |
|
1 |
C2 |
Kondensator 10 |
K1, C5 |
|
1 |
Lautsprecher 8 |
H14 |
9.6.2 Schaltungsaufbau
Abbildung 9.20 zeigt den schematischen Aufbau der Schaltung, die sich unkompliziert auf eine Lötstreifenrasterplatine übertragen ließe. Der Abschnitt Verwenden einer Lötstreifenrasterplatine zum Aufbau des LED-Blinkers in Kapitel 4 wäre dafür ein guter Ausgangspunkt.
9.7 Steuerung elektronischer Musikinstrumente via USB
Musiksoftware wie z.B. Ableton Live™ ist dafür ausgelegt, von geeigneten USB-Geräten, die eine Tastatur emulieren, Signale zur Steuerung virtueller elektronischer Musikinstrumente zu empfangen.
Sie können die Fähigkeit des Arduino Leonardo, eine USB-Tastatur zu emulieren, mit einem Beschleunigungsmesser-Modul kombinieren, sodass ein Kippen des Arduino-Boards Tastatureingaben auslöst. Beispielsweise könnte man die Zifferntasten von 0 bis 8 verwenden, wobei eine 4 »gedrückt« wird, wenn das Board sich in horizontaler Lage befindet, eine 8, wenn es fast senkrecht nach rechts gekippt ist, und eine 0, wenn es nahezu vertikal nach links geneigt wird.
Die einzige benötigte Hardware ist – neben dem Arduino Leonardo – ein Beschleunigungsmesser-Modul (Abbildung 9.21 ).
9.7.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
|
Anzahl |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|
|
1 |
Arduino Leonardo |
M21 |
|
1 |
Micro-USB-Kabel |
|
|
1 |
Beschleunigungsmesser-Modul |
M15 |
9.7.2 Schaltungsaufbau
Bei diesem Projekt gibt es nicht viel aufzubauen. Der schematische Aufbau ist mit dem des Abschnitts Beschleunigungsmessung in Kapitel 8 identisch. Wenn Sie ein anderes Beschleunigungsmesser-Modul verwenden, müssen Sie die Zuweisung der Pinbelegung im Sketch anpassen, bevor Sie das Modul anschließen.
9.7.3 Software
Die Software für die USB-Steuerung kombiniert den Code zum Messen des Neigungswinkels der X-Achse mit der Simulation von Tastatureingaben.
Zunächst werden die Pins definiert. Wie im Abschnitt Beschleunigungsmessung in Kapitel 8 wird das Modul an den Ausgabeeingängen betrieben.
// music_controller int gndPin = A2; int xPin = 5; int yPin = 4; int zPin = 3; int plusPin = A0;
Die Variable levelX
wird bei der Kalibrierung verwendet und speichert den analogen Messwert für die horizontale Lage des Beschleunigungsmesser-Moduls. oldTilt
enthält den vorhergehenden Wert für die Neigung des Moduls, der zwischen 0 und 8 liegt, wobei 4 die horizontale Lage kennzeichnet. Der Wert wird gespeichert, damit nur dann ein Tastendruck gesendet wird, wenn sich die Neigung ändert.
int levelX = 0; int oldTilt = 4;
Die setup
-Funktion konfiguriert die Ausgabepins zur Stromversorgung des Beschleunigungsmesser-Moduls, ruft calibrate
auf und startet die Tastaturemulation
des Leonardos.
void setup() {
pinMode(gndPin, OUTPUT);
digitalWrite(gndPin, LOW);
pinMode(plusPin, OUTPUT);
digitalWrite(plusPin, HIGH);
calibrate();
Keyboard.begin();
}
In der Hauptschleife wird die gemessene Neigung in einen Wert zwischen 0 und 8 umgewandelt. Hat er sich seit der letzten Messung geändert, wird ein Tastendruck erzeugt.
void loop() {
int x = analogRead(xPin);
// levelX-70 levelX levelX + 70
int tilt = (x - levelX) / 14 + 4;
if (tilt < 0) tilt = 0;
if (tilt > 8) tilt = 8;
// 0 left, 4 is level, 8 is right
if (tilt != oldTilt) {
Keyboard.print(tilt);
oldTilt = tilt;
}
}
Die calibrate
-Funktion schließlich nimmt eingangs eine Beschleunigungsmessung für die X-Achse vor, wartet aber zunächst 200 Millisekunden, damit das Modul Zeit hat, sich zu initialisieren.
void calibrate() {
delay(200); // give accelerometer time to turn on
levelX = analogRead(xPin);
}
9.8 Aussteuerungsmessung per Software
Das im Abschnitt 9.3 verwendete Mikrofon-Modul ist bestens für den Einsatz mit Mikrocontrollern wie dem Arduino geeignet. Abbildung 9.22 zeigt das mit einer Stiftleiste versehene in den Arduino eingesteckte Modul.
Das Mikrofon-Modul soll den Lautstärkepegel messen, damit wir eine entsprechende Anzahl von Sternchen »*« auf dem seriellen Monitor ausgeben können, um die Lautstärke anzuzeigen (Abbildung 9.23 ).
9.8.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
|
Anzahl |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|
|
1 |
Arduino Uno oder Arduino Leonardo |
M2 oder M21 |
|
1 |
USB-Kabel; Typ B für Uno, Micro-USB für Leonardo |
|
|
1 |
Mikrofon-Modul |
M14 |
|
1 |
Stiftleiste (3-polig) |
H4 |
9.8.2 Schaltungsaufbau
Übertragen Sie den Sketch »vu_meter« auf den Arduino, bevor Sie das Modul einstecken.
Löten Sie die Stiftleiste an das Mikrofon-Modul, damit Sie es in die Buchsen A0 bis A2 am Arduino einstecken können. Das Mikrofon selbst weist dabei wie in Abbildung 9.22 nach außen.
9.8.3 Software
Das Mikrofon-Modul benötigt nur einen sehr geringen Strom und kann daher der Bequemlichkeit halber an den Anschlüssen A0 und A1 betrieben werden.
Der Sketch definiert zunächst die Pins und konfiguriert diese in der setup
-Funktion, wo auch der serielle Port geöffnet wird.
// vu_meter
int gndPin = A1;
int plusPin = A0;
int soundPin = 2;
void setup() {
pinMode(gndPin, OUTPUT);
digitalWrite(gndPin, LOW);
pinMode(plusPin, OUTPUT);
digitalWrite(plusPin, HIGH);
Serial.begin(9600);
}
Die loop
-Funktion liest den Messwert am analogen Eingang A2. Das Mikrofon-Modul liefert bei Stille eine Spannung von 2,5V, die entsprechend der Wellenform der aufgenommenen Töne moduliert wird und dabei sinkt oder steigt. Wir müssen daher vom Messwert, der Werte zwischen 0 und 1023 annehmen kann, 511 (entspricht 2,5V) abziehen, um einen Wert für die Lautstärke zu ermitteln.
Die abs
-Funktion
wandelt ein negatives Resultat in eine positive Zahl um, die dann durch 10 geteilt wird, sodass sich ein Wert zwischen 0 und 51 ergibt, der dann der Variablen topLED
zugewiesen wird. Wir verwenden zwar gar keine LEDs, aber stellen Sie sich die Sternchen »*« doch einfach als kleine LEDs vor, die ein leuchtendes Balkendiagramm bilden.
Die for
-Schleife gibt dann die in topLED
gespeicherte Anzahl Sternchen aus. Schließlich wird ein Zeilenvorschub ausgegeben und eine Zehntelsekunde gewartet.
void loop() {
int value = analogRead(soundPin);
int topLED = 1 + abs(value - 511) / 10;
for (int i = 0; i < topLED; i++) {
Serial.print("*");
}
Serial.println();
delay(100);
}
9.9 Zusammenfassung
Neben den in den Anleitungen verwendeten Modulen gibt es eine Vielzahl weiterer Audio-Module, die Sie bei Ihren Projekten einsetzen können, wie etwa preiswerte Stereo-Audioverstärker. Auch die oft besonders preisgünstigen Computerlautsprecher mit eingebautem Verstärker lassen sich sehr gut wiederverwenden.