{"id":2411,"date":"2013-05-01T12:32:11","date_gmt":"2013-05-01T10:32:11","guid":{"rendered":"http:\/\/www.brennecke.org\/?page_id=2411"},"modified":"2013-05-01T13:59:44","modified_gmt":"2013-05-01T11:59:44","slug":"6-kanal-lichtorgel","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.brennecke.org\/?page_id=2411","title":{"rendered":"6-Kanal-Lichtorgel"},"content":{"rendered":"

Die folgende Schaltung stellt f\u00fcr mich einen weiteren Schritt zum geplanten Frequenzanalyzer dar – eine Idee, die w\u00e4hrend der Entwicklung der Ansteuerung der Bildr\u00f6hreneinheit<\/a> enstanden ist und inzwischen sehr konkrete Formen angenommen hat. Sie ist aber f\u00fcr sich genommen so nett, dass ich sie hier gerne vorstellen m\u00f6chte.<\/p>\n

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Es handelt sich dabei um eine Lichtorgel – ein Ger\u00e4t, das mich vor 35 Jahren bereits beim EE2006 fasziniert hat, weil man dort der Musik einmal etwas entlocken konnte, was nicht blo\u00df ein weiterer Verst\u00e4rker war. Dort werden die Kan\u00e4le noch auf sehr konventionelle Weise getrennt – Hoch- und Tiefp\u00e4sse sorgen daf\u00fcr, dass drei Lampen in unterschiedlichem Takt flackern. Will man mehr Kan\u00e4le – wie beispielsweise bei einem Analyzer mit seinen sich bewegenden Balken – dann ist die konventionelle Methode schnell am Ende, weil sie nur sehr aufw\u00e4ndig zu mehr Trennsch\u00e4rfe zu bewegen ist.<\/p>\n

Im Studium lernte ich dann einen anderen Weg kennen: durch eine Fouriertransformation konnte man aus einem Signal die einzelnen Frequenzanteile herausrechnen. Ganz grob funktioniert das ungef\u00e4hr so: Man berechnet, welche Sinusschwingungen mit welchen Amplituden n\u00f6tig sind, damit man daraus das gegebene Signal zusammenmischen kann. In der technischen Umsetzung arbeitet man dann mit einzelnen, diskreten Abtastwerten, die dann ihrerseits zu einzelnen Frequenzwerten f\u00fchren. Die zugeh\u00f6rige Rechenoperation hei\u00dft daher diskrete Fouriertransformation. In ihrer Umsetzung als Algorithmus auf einem Computer setzt man verschiedene Optimierungen ein, damit das ganze m\u00f6glichst schnell ablaufen kann. Das Ergebnis nennt sich daher „Fast Fourier Transformation“, kurz FFT.<\/p>\n

Fr\u00fcher ben\u00f6tigte man f\u00fcr so etwas spezielle Signalprozessoren, heutzutage existieren Algorithmen f\u00fcr alle m\u00f6glichen Prozessoren; die sind inzwischen schnell genug, um FFTs zumindest im Audiobereich durchzuf\u00fchren. Auf eine sehr \u00e4hnliche Weise f\u00fchrt man \u00fcbrigens auch Bildvergleiche durch – f\u00fcr deren Echtzeitanalyse bedarf es allerdings auch heute noch hochwertiger Technik.<\/p>\n

Wie bereits gesagt, stellt eine FFT heutzutage kein allzu gro\u00dfes Problem mehr dar. Auch f\u00fcr die Mikrocontroller der Atmel-ATMega-Serie existieren inzwischen verschiedene fertige Algorithmen. Die Lichtorgel stellt von dieser Warte aus sogar noch eine niedrigere Erfindungsh\u00f6he dar – es handelt sich n\u00e4mlich in weiten Teilen um einen Nachbau einer Schaltung aus dem Mikrocontrollerforum<\/a>. Ich habe Anpassungen an der Software vorgenommen, damit sie mit dem von mir benutzten Mikrocontroller zusammenarbeitet. Au\u00dferdem habe ich ein paar Transistoren eingespart und sie gegen ein Darlington-Array ersetzt, das noch in der Bastelkiste lag.<\/p>\n

\"Schaltbild<\/a><\/p>\n

Zur Schaltung: die beiden OpAmp vom Typ LM358 (der kommt gut mit einfachen Betriebsspannungen klar – OpAmps haben ja \u00fcblicherweise gerne duale Spannungen) stellen einen Verst\u00e4rker mit nachgeschaltetem Tiefpass dar. Der Tiefpass ist erforderlich, damit die FFT korrekt arbeitet – es d\u00fcrfen keine Frequenzen zum Mikrocontroller gelangen, die h\u00f6her sind als die halbe Abtastfrequenz. Der Mikrocontroller selbst tastet das Eingangssignal ab („digitalisieren“ mit 10 Bit pro Wert) und f\u00fchrt mit den gemessenen Werten die FFT durch (die aus Geschwindigkeitsgr\u00fcnden in Assembler, also Maschinensprache geschrieben ist).<\/p>\n

Um nun die LEDs zum Flackern zu bringen, nutzt die Software eine weitere Funktion des Mikrocontrollers – die Pulsweitensteuerung (Pulse Wide Modulation – PWM). Damit variiert man das Verh\u00e4ltnis von Ein- zu Ausschaltphasen. Bei 100% Einschaltphase leuchtet die LED dauerhaft, bei 50% mit halber Energie, bei 0% ist sie komplett aus. Wenn man diese PWM mit einer ausreichend hohen Frequenz durchf\u00fchrt, wirkt es, als w\u00fcrde die Helligkeit der LED variiert. Dabei leuchtet sie in den Einschaltphasen immer mit voller Leistung. Dieses Verfahren wird auch bei allen modernen LED-Monitoren und LED-TVs eingesetzt, denn es besitzt einen weiteren Vorteil: die Lichtfarbe der LED bleibt konstant, egal, ob sie heller oder dunkler erscheint. Regelt man bei einer wei\u00dfen LED hingegen per Stromdurchfluss, dann wird sie im dunklen Bereich eher gelblich.<\/p>\n

Je nach H\u00f6he des gemessenen Frequenzwerts wird die zugeh\u00f6rige LED also st\u00e4rker oder weniger stark flackern. Um nun die LEDs nicht direkt an den Mikrocontroller anschlie\u00dfen zu m\u00fcssen, w\u00fcrde ein Open-Collector-Darlington-Array vom Typ ULN2803 benutzt. Solche Array werden gerne f\u00fcr Relais- oder Motorschaltungen genutzt, weil sie kleine Eingangsleistungen in relativ gro\u00dfe Ausgangsleistungen verwandeln k\u00f6nnen. Der Mikrocontroller w\u00e4re grunds\u00e4tzlich in der Lage, die LEDs auch von sich aus zu betreiben, aber der erforderliche Spannungsregler 78L05 mit einem maximalen Ausgangsstrom von 100mA kommt dann ganz sch\u00f6n ins Schwitzen. Daher entkoppelt das Darlington-Array die LEDs, die dann mit ihrer Anode an der Hauptversorgungsspannung angeschlossen sind.<\/p>\n

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Zum Einsatz kommt dabei der ATMega88-Mikrocontroller auf der bereits\u00a0 dokumentierten AVR-Universalplatine<\/a>. Der Anschluss C5 ist der Eingang f\u00fcr das Tonsignal, die Ausg\u00e4nge D2-D7 steuern die LEDs – mehr ist nicht erforderlich. Das Darlington-Array steckt auf einer anderen Universalplatine<\/a>, die den Einsatz von 8- bis 20-poligen ICs erm\u00f6glicht und dabei alle Pins einfach nach au\u00dfen f\u00fchrt. Sofern der Masseanschluss links unten und der Pluspol rechts oben zu finden ist (ist bei den OpAmps der TL-Serie, der CD4000-Serie und den TTL-ICs der Fall), bietet die Platine die Vereinfachung, diese Pins \u00fcber Jumper direkt an die vier Eckanschl\u00fcsse zu leiten. Es steckt also kein Geheimnis dahinter.<\/p>\n

Die 6 LEDs nutzen die seinerzeit im Rigert-Baukasten-Forum entstandenen Universalplatinen<\/a>, au\u00dferdem kommt noch ein auf eine klassische Transistorplatine gel\u00f6teter 78L05 und die Diodenbuchse aus dem EE2013 zum Einsatz. Diese Buchse habe ich auf den aktuellen Stand gebracht und statt der 5-poligen Rundbuchse eine 3,5mm-Stereo-Klinkenbuchse eingel\u00f6tet – damit bekommt man heute leichter Kontakt zur Musik.<\/p>\n

Nat\u00fcrlich gibt’s zum Abschluss auch ein paar Videos, damit man die Lichtorgel auch einmal im echten Einsatz sehen kann. Damit es keinen \u00c4rger mit der GEMA gibt, habe ich lizenzfreie Musik aus dem Internet benutzt.<\/p>\n

Rockmusik<\/a> – hier kann man die hohen Frequenzen der E-Gitarre gut erkennen
\nPopmusik<\/a> – recht gleichm\u00e4\u00dfiges Spektrum, das Schlagzeug sorgt f\u00fcr die hohen Frequenzen
\nFilmmusik<\/a> – die B\u00e4sse am Anfang steuern nur die beiden linken LEDs aus<\/p>\n

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