Grundton-Generator für Musiker. Konzept, Schaltbild, Aufbau und Programmierung

Inhalt

Das Konzept

Das Schaltbild

Rechteck-Dreieck-Wandler

Modulation

Verstärker

Aufbau

Das Programm des Generators

Das Programm der Spannungsüberwachung

Grundton-Generator

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1: Der fertige Prototyp des Grundton-Generators.

Als Hobby-Musiker wünschte ich mir ein Gerät mit dem ich per Fußbetätigung Grundtöne (Bass-Töne) abrufen kann. Diese sollten als Grundlage für Improvisationen und als Unterstützung beim Song-Writing dienen. Es schwebte mir ein Gerät vor, dass autark ist und bereits einen Verstärker und einen Lautsprecher beinhaltet. Am besten noch mit Batterie- bzw. Akkubetrieb. Also ein Kasten auf dem ich z.B. mit dem Fuss auf die Taste „A“-tippe und ein Basston mit 110 Hz ertönt (A'') so lange bis ich mit dem Tippen auf eine andere Taste den Ton wieder abschalte oder einen neuen Ton einschalte.

Nach zahllosen Recherchen im Internet fand ich nur Midi-Pedale, die dies ermöglichen. Damit diese funktionieren benötigt man ein midifähiges Keyboard. Also zwei Geräteteile die transportiert werden wollen und man benötigt zahlreiche Kabelverbindungen, denn jedes Gerät möchte eine Energieversorgung und mindestens ein Signalkabel. Sofern ich die Grundtöne auch auf Jam-Sessions oder bei Auftritten verwenden wollte, würde dies ein aufwändiger Ab- und Aufbau erfordern. Genau dies wollte ich vermeiden. Also blieb nur der Eigenbau. So ist dieses Projekt entstanden.

Das Konzept

Die Grundidee besteht darin, einen Generator zu bauen, der sich per Fußbedienung auf 12 unterschiedliche Frequenzen einstellen lässt. Dabei handelt es sich um die 12 Halbtonschritte der Tonleiter – so wie man sie auf einem Klavier findet. Da es sich um unterlegte Grundtöne im Bassbereich handelt sind die Töne tieffrequent. In der Tabelle 1 sind die Töne und die zugehörigen Frequenzen in der linken und mittleren Spalte vermerkt. Es sind dort 14 Töne aufgeführt. Die oberen beiden Töne C² und C#² wurden aber in meinem Aufbau aus Platzgründen nicht implementiert. Als Generator wird ein Mikrocontroller MSP430G2553 der Firma „Texas Instruments“ verwendet. Dieser erzeugt ein rechteckförmiges Signal, welches zwischen 0 V und 3,1 V wechselt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Die Basstöne um die es geht und die zugehörigen Frequenzen und Timerwerte (dazu später).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2: Die Tasten, mit denen die Grundtöne abgerufen werden.

Zum Abrufen der Töne wurden 13 ausrangierte Taster aus unserem Werkstattlager an der RWTH eingesetzt. Diese Tasten sind so groß, dass sie im Sitzen oder Stehen mit dem großen Zeh bedient werden können. Im Bild 2 sind die Taster zu sehen. Sie haben ihre Funktion entsprechend der Tabelle 1 mit zwei Ausnahmen: Die Taste für C#² ist nicht vorhanden. Die Taste ganz rechts funktioniert nicht zum Abrufen des C² sondern zum Abschalten des Tons.

Das Gerät soll mit möglichst wenig Kabelverbindungen arbeiten können. Es ist lediglich eine Kabelverbindung zum Lautsprecher vorhanden. Diese ist im Bild 1 gut zu erkennen. Unter der 4-poligen Klemme für den Lautsprecher (von denen nur zwei benutzt werden) ist der Knopf für den Lautstärkeeinsteller zu sehen.

Oben links im Gehäuse sind noch zwei Schalter mit weißer Blende zu finden (Bild 1). Mit dem linken Schalter wird die Spannungsversorgung eingeschaltet. Mit dem rechten Schalter wird die Tonausgabe um eine Oktav erhöht. Das heißt, jeder Ton ist dann doppelt so hoch. Damit stehen tatsächlich nicht 12 sondern sogar 24 Grundtöne zur Verfügung.

Das Gerät wird mit vier Babyzellen (Zellentyp C) betrieben. Sie bilden in Reihenschaltung einen Akkumulator, der eine Nennspannung von 4,8 V bereitstellt. Die Spannung der Akkumulatoren muss im Betrieb überwacht werden, ansonsten besteht die Gefahr, dass diese tiefentladen werden und Schaden nehmen. Im Bild 1 erkennt man ganz rechts im Gehäuse einen kleinen Schlitz. Darunter befinden sich drei LEDs, die den Zustand der Akkus wiedergeben.

Das Schaltbild

Die Gesamtschaltung des Gerätes ist im Bild 4 dargestellt. Es fehlen lediglich der Verstärker sowie der angeschlossene Lautsprecher.

Die zur Energieversorgung eingesetzten vier Babyzellen (NiMH-Akkumulatoren) sind im unteren Teil des Holzgehäuses mit Hilfe von Teilen aus einem Metallbaukasten fixiert (Bild 3). Sie sind in einem Batteriehalter in Reihenschaltung angeordnet und liefern eine Nennspannung von 4,8 V. Sinkt die Spannung im Betrieb unter 3,8 V ab, sind die Akkus entladen.

Der Spannungsregler IC2 generiert aus der Akkuspannung eine hochkonstante Spannung von 3,1V. Mit dieser Spannung werden die beiden Mikrocontroller U1 und IC6 versorgt. Wenn die Akkuspannung auf 3,8 V abgesunken ist bleibt für den Regler eine Spannungsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung von lediglich 700 mV übrig. Deshalb ist IC2 ein Low-Drop-Typ.

Es werden zwei Mikrocontroller eingesetzt. Ein MSP430G2553 (U1), der als der eigentliche Frequenzgenerator bzw. Tonerzeuger fungiert und ein MSP430F2013 (IC6), der zur Überwachung der Akkumulatoren eingesetzt ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3: Der Batteriehalter mit den vier Babyzellen ist mit Elementen aus einem alten Trix-Metallbaukasten am Boden des Holzgehäuses fixiert.

Im Schaltbild ganz links sind zwei Schalterreihen mit jeweils 10 Schalter zu sehen. Davon werden 14 Schalter benutzt. Auf der Platine sind diese als DIP-Schalter ausgeführt. Bei der Entwicklung des Gerätes waren sie sehr nützlich. Im praktisch aufgebauten Gerät sind die DIP-Schalter aber immer offen und funktionslos. Sie werden von den Tastern aus Bild 2 überbrückt. Die Taster sind über RC-Tiefpässe (Widerstände mit 220 Ω und Kondensatoren mit 100 nF) angeschlossen. An einer Seite liegen die Taster an Masse. An der anderen Seite sind sie an den Eingängen der Tiefpassfilter angeschlossen und damit an den Pins des Mikrocontrollers.

Vor den Tiefpassfiltern sind außerdem noch 10-kΩ-Widerstände nach +3,1 V zu erkennen. Diese waren bei der Entwicklung nützlich. Sie müssen aber im endgültigen Gerät nicht bestückt werden, da der verwendete Mikrocontroller vergleichbare Pullup-Widerstände bereits enthält.

Rechts vom Mikrocontroller U1 ist der Schalter S3 zu sehen. Dabei handelt es sich um einen Schalter – nicht um einen Taster. Es ist der rechte von den beiden weißen Tastern oben links im Bild 1. Dieser dient als Oktavschalter. Die LED D1 leuchtet, wenn der Oktavbetrieb eingeschaltet ist.

Etwas unterhalb des Oktavschalters ist der Programmieradapter zu sehen. Tatsächlich wurde dieser als drei Lötpunkte ausgeführt. Damit kann man die Programmierung sehr preiswert und sicher mit Hilfe eines Launchpads MSP-EXP430G2 von Texas Instruments durchführen (siehe dazu in [1]).

[...]