7.5.1 Dokumentation und Arbeitsentwicklung
Die Untergruppe Audio ist f¨ur die Erzeugung und Ausgabe von T¨onen passend zum Spiel zust¨andig.
Zu Beginn des Projekts wurde eine Anforderungsliste an das Audiosystem erstellt. Daraus folgen im wesentlichen die Anforderungen:
• Erzeugung von Retrosounds
• Kommunikation mit Hauptprozessor um passende Melodien abzuspielen
• Signal f¨ur die Lautsprecher verst¨arken
B
Abbildung 68: Blockschaltbild der Untergruppe Ton [10]
Die erste Idee zur Klangerzeugung war die Erzeugung von Rechtecksignalen durch einen Atme-ga32 und anschließende Tiefpassfilterung. Rechtecksignale sind mit geringem Aufwand zu erzeugen und die Grundlage vieler Retrosounds. Da der Atmega32 jedoch auch von der Untergruppe Licht verwendet wird und nur wenige Timer besitzt wurde diese Idee verworfen.
Um den Atmega zu entlasten konnte auf einen AY-3-8910 Synthesizer IC aus best¨anden des Pro-jektlabors zur¨uckgegriffen werden. Aufgrund der fr¨uheren verwendung dieses ICs in Spieleautomaten und Heimkonsolen ist der IC im Rahmen des
”8-bit“ Anspruchs des Projektes sehr gut geeignet.
Um das Klangspektrum voll ausnutzen zu k¨onnen werden die drei Audio-Kan¨ale mit einem Vor-verst¨arker summiert. Durch digital verstellbare Potentiometer kann die Lautst¨arke der Kan¨ale durch den Audio-Mikrocontroller angepasst werden und somit das Klangspektrum zus¨atzlich erweitert werden.
Im laufe des Projektes entschied sich die CPU Gruppe einen STM32 zu verwenden. Um einheitliche Treiber verwenden zu k¨onnen wird auch in der Entertainmentgruppe ein STM32 verwendet. Dieser k¨ummert sich in der Untergruppe Audio um die Ansteuerung des AY-3-8910 und den Digitalpo-tentiometern. Um die CPU-Gruppe m¨oglichst stark zu entlasten sind die m¨oglichen Melodien und Soundeffekte in den Code des STMs der Entertainmentgruppe integriert und m¨ussen lediglich durch Steuerbefehle des CPU-STMs gestartet werden. Die Kommunikation zwischen den STMs erfolgt
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uber SPI. Eine große Herausforderung ist dabei die Kommunikation des 80 MHz schnellen STM32 mit dem lediglich mit 2 MHz taktendem AY-3-8910 ¨uber ein Parallelinterface.
Als Audioverst¨arkerschaltung wurde ein Verst¨arker im AB-Gegentaktbetrieb gew¨ahlt, da dieser Be-triebspunkt einen guten Kompromiss zwischen Linearit¨at und Verlustleistung darstellt. Die Schal-tung wird auf eine AusgangsleisSchal-tung von 5 W dimensioniert. Die genaue Dimensionierung wird in Abschnitt 7.5.2 genauer beschrieben. Um Stereobetrieb zu erm¨oglichen wird die Schaltung zwei mal verwendet. Bei ersten Testaufbauten auf dem Steckbrett begann die Schaltung zu schwingen.
Um dies zu verhindern wurden kritische Stellen mit Parallelkondensatoren f¨ur hohe Frequenzen
¨uberbr¨uckt.
Maximilian M¨onikes
7.5.2 Schaltplan
Zun¨achst wurde ein Modell des Verst¨arkers in LTSpice aufgebaut und simuliert. Die Simulati-onsergebnisse zeigten, dass die Schaltung prinzipiell funktioniert. Um die SimulatiSimulati-onsergebnisse zu validieren wurde die Schaltung auf einem Steckbrett aufgebaut. Im Gegensatz zur Simulation beginnt die Schaltung im Steckbrettaufbau zu Schwingen. Dies kann unterdr¨uckt werden, indem je ein Kondensator parallel zum R¨uckkopplungspfad und zum Bias-Pfad geschaltet werden. F¨ur Frequenzen oberhalb des Audiobereichs nimmt die Verst¨arkung der Schaltung dadurch stark ab.
F¨ur den AY-3-8910 kann leider keine Simulation durchgef¨uhrt werden, da kein Simulationsmodell auffindbar war. Die Simulation komplexer Integrierter Schaltkreise ist zudem mit zunehmender komplexit¨at deutlich ungenauer.
Aas Kesten¨
Im folgenden werden die einzelnen Teilschaltungen der Tonerzeugung und Verst¨arkung beschrieben.
Ein Gesamtschaltplan findet sich im Anhang.
In Abbildung 69 ist der Schaltplan des Interfaces zwischen dem STM32 Breakout board der Enter-tainment Gruppe und dem AY-3-8910 Soundchip dargestellt:
Abbildung 69: Anschl¨usse des AY-3-8910A Soundchips [7]
Der Reset-Pin des Soundchips wird ¨uber einen Pull-Up Widerstand auf 5V gehalten um einen unge-wollten Reset zu verhindern [45]. Da Daten sowohl vom STM zum AY als auch umgekehrt ¨uber den selben Bus gesendet werden k¨onnen ist es m¨oglich, dass durch einen Fehler in der Steuersoftware Pins des STMs als Ausgang konfiguriert sind und mit Pins des AY welche die Leitung auf 5V ziehen wollen einen Kurzschluss bilden. Um beide Chips bei einem kurzzeitigen anhalten dieses Zustan-des zu sind 100Ω Widerst¨ande in Serie zwischen den Bidirektionalen Leitungen von STM und AY geschaltet. Eine weitere Funktion dieser Widerst¨ande ist die Begrenzung der Flankensteilheit bei einem Pegelwechsel eines Pins des STMs was sich positiv auf ¨Uberschwingungen des Signals und ungew¨unschte elektromagnetische Abstrahlungen auswirken kann.
Die Analogen Ausg¨ange Channel A,B und C werden jeweils weiter an ein Digitalpotentiometer geleitet. Der Schaltplan eines dieser drei Digitalpotentiometers ist im folgenden dargestellt:
Abbildung 70: Digitalpoti [7]
Das Digitalpotentiometer besitzt einen Signaleingang P0B an welchen das Eingangssignal ange-schlossen ist. Der Ausgang des Potentiometers P0A ist mit dem ¨uber eine SPI Schnittstelle ver-stellbaren Schleifer P0W verbunden, wodurch das Potentiometer einen ¨uber den STM verstellbaren Widerstand darstellt. Der Sinn dieses einstellbaren Widerstandes wird bei Betrachtung der n¨achsten Stufe deutlich:
Abbildung 71: Summierverst¨arker f¨ur die drei Audiokan¨ale [7]
Um die Signale der Audiokan¨ale zu kombinieren wird ein Summierer [46] verwendet (Abbildung 71). Durch den Serienwiderstand des Kanals kann seine Gewichtung bei der Addition eingestellt werden. Durch die Vorgeschalteten Digipotis ist es somit m¨oglich die Gewichtung der einzelnen Kan¨ale durch den STM weiter anzupassen. Das Ausgangssignal wird ¨uber einen Koppelkondensator in eine der beiden Endstufen geleitet.
Soll nur ein Lautsprecher verwendet werden, so kann der Lautsprecher zwischen die Ausg¨ange der beiden verst¨arker geschaltet werden. Dies kann eine vervierfachung der Leistung bringen und wird Br¨uckenverst¨arker [47] genannt. Voraussetzung daf¨ur ist jedoch, dass beide Endstufen um 180◦ Phasenverschoben auf ein Eingangssignal reagieren. Dies kann sichergestellt werden, indem das Ausgangssignal des Summierers in einer zus¨atzlichen Stufe f¨ur eine der beiden Verst¨arker invertiert wird. Der Schaltplan dieser Stufe ist in Abbildung 72 dargestellt.
Abbildung 72: Invertierverst¨arker mit Verst¨arkung 1 [7]
Bei der Inverter-Stufe [48] handelt es sich um einen einfachen invertierenden Verst¨arker mit einer Verst¨arkung von 1. Das Phasenverschobene Signal wird nun auf den Eingang der zweiten Endstufe geleitet. Der Schaltplan einer Endstufe ist in folgender Abbildung 73 dargestellt und orientiert sich an den in [49], [50] und [51] beschriebenen Schaltungen:
Abbildung 73: Gegentaktendstufe [7]
Herz der verbauten Endstufen ist ein Operationsverst¨arker welcher als Nicht-invertierender Verst¨arker beschaltet ist. Das R¨uckkopplungssignal wird dabei jedoch nicht direkt hinter dem Operations-verst¨arker sonder am Ausgang der Endstufe zur¨uckgef¨uhrt. Dadurch kann einerseits eine feste Spannungsverst¨arkung eingestellt werden und andererseits eine Linearisierung des Ausgangssignals erreicht werden. Da die Schaltung mit einer unipolaren Spannungsversorgung betrieben wird, muss dem Eingangssignal mit R1 und R2 eine Gleichspannung aufgepr¨agt werden. Da es sich bei Ope-rationsverst¨arkern um gleichspannungsgekoppelte Verst¨arker handelt muss diese Eingangsgleich-spannung so gew¨ahlt werden, dass die Spannung im Ruhezustand am Punkt V1FB zwischen den Endstufentransistoren T2 und T3 den gew¨unschten wert (in unserem Fall VCC2 =6 V) annimmt. Um auf Bauteiltoleranzen reagieren zu k¨onnen wurde der R¨uckkopplungswiderstand R5 als verstellbarer Widerstand ausgelegt. F¨ur die abgebildete Endstufe ergibt sich damit eine Spannungsverst¨arkung von 11.
Da der Operationsverst¨arker nur kleine St¨orme treiben kann, die Endstufentransistoren jedoch nur kleine Stromverst¨arkungsfaktoren aufweisen wird das Ausgangssignal des Operationsverst¨arkers mit einer Treiberstufe bestehend aus einem PNP Transistor Q1 in Kollektorschaltung verst¨arkt.
Um einen m¨oglichst geringen Ruhestrom mit einer guten Verst¨arkung bei geringen Verzerrun-gen zu kombinieren wurde die Ausgangsstufe der Endstufe als Push-Pull Endstufe im AB Ar-beitspunkt ausgelegt. Eine Push-Pull Konfiguration liegt vor, wenn jeweils ein Transistor f¨ur die Verst¨arkung der positiven und der jeweils andere f¨ur die Verst¨arkung der negativen Halbwelle des Eingangssignals zust¨andig ist. In diesem Fall ¨ubernehmen T2 und T3 jeweils eine Halbwelle. Um Ubernahmeverzerrungen klein zu halten wird f¨¨ ur die Transistoren ein AB Arbeitspunkt gew¨ahlt.
Dies bedeutet, dass die Transistoren ohne angelegtes Eingangssignal gerade anfangen zu leiten.
Dies ist bei Bipolartransistoren aus Silizium hier der Fall, wenn die Spannungsdifferenz zwischen den Basen von T2 und T3 etwa 1.4 V betr¨agt. Um auch hier auf Toleranzen bei den verbauten Bau-teilen reagieren zu k¨onnen wird zur Erzeugung der Spannungsdifferenz die Kombination aus einem Transistor T1 und einem Potentiometer R6 verwendet. Dabei wird ausgenutzt, dass sich ¨uber die Basis von T1 eine Spannung von etwa 0.7 V einstellt. Da die Spannung ¨uber den Gesamtwiderstand von R6 jedoch auchUCE entsprechen muss stellt sich eine regelbare Spannungsdifferenz zwischen Kollektor und Emitter von T1 ein.
Damit der Lautsprecher keiner Gleichspannung ausgesetzt wird, wird das Ausgangssignal ¨uber einen Kondensator ausgekoppelt. Da der Lautsprecher zusammen mit dem Kondensator einen Hochpass bildet, muss ein ausreichend großer Kondensator gew¨ahlt werden um auch tiefe Frequenzen sauber
¨ubertragen zu k¨onnen. Da es sich um eine Schaltung mit unipolarer Spannungsversorgung handelt erf¨ullt der Kondensator daneben auch die Funktion Energie f¨ur die negative Halbwelle zur verf¨ugung zu stellen. Aufgrund dieser ¨Uberlegungen wurde ein Koppelkondensator von 1 mF gew¨ahlt. Bei einer Lautsprecherlast von 8Ω ergibt sich damit f¨ur den Hochpass eine Grenzfrequenz von etwa 20 Hz wodurch fast der gesamte h¨orbare Bassbereich abgedeckt wird.
Ein großes Problem r¨uckgekoppelter Systeme ist die Neigung zur Schwingung. Damit die End-stufe stabil bleibt wird ein Kondensator C2 parallel zum R¨uckkopplungswiderstand R5 geschaltet.
F¨ur hohe Frequenzen wird R5 daher zunehmend ¨uberbr¨uckt und aus dem Verst¨arker wird ein Span-nungsfolger. Der Kondensator sorgt damit also f¨ur ein verst¨arktes Tiefpassverhalten der gesamten Stufe.
Die maximale Ausgangsleistung betr¨agt etwa 5 W pro Endstufe. Die maximal erreichbare effektive Sinusleistung ergibt sich aus der maximalen Spannung und dem Lastwiderstand nach der Formel:
Pmax = u2ss
2PLast (1)
wobei uss die erreichbare Spitze-Spitze Spannung und PLast die Impedanz des angeschlossenen Lautsprechers ist. Mit einer maximalen Spitze-Spitze Spannung der Endstufe von etwa 9 V und einer Lautsprecherimpedanz von 8Ω ergibt sich eine Leistung von etwa 5 W.
Da die Endstufentransistoren mit dem Lastwiderstand eine Form eines Spannungsteilers bilden, muss auf die entstehenden W¨armeverluste geachtet werden. Um die notewendige K¨uhlung auch bei niedrigen Wirkungsgeraden sicherzustellen wird ein worst-case von 5 W Verlustleistung f¨ur ei-ne Endstufe angenommen und ein K¨uhlk¨orper entsprechend dimensioniert. F¨ur den thermischen Widerstand zwischen Geh¨ause und K¨uhlk¨orper wird ein Wert von 3WK [52] angenommen. Die
maxi-male Temperatur des Transistors darf 150◦C nicht ¨uberschreiten. Bei einer Umgebungstemperatur von 30◦C darf der Thermische Widerstand des K¨uhlk¨orpers also 21WK nicht ¨uberschreiten. Die gew¨ahlten K¨uhlk¨orper des Typs FK212CB [53] erf¨ullen diese Anforderung mit einem Thermischen Widerstand von 18WK.
Maximilian M¨onikes
7.5.3 Layout
Beim Layout der Platine wird prinzipiell darauf geachtet die einzelnen logischen Bl¨ocke aus dem Schaltplan so kompakt wie m¨oglich aufzubauen. Besonders im Teil des analogen Verst¨arkers sollen die Signalleitungen m¨oglichst kurz gehalten werden, um Interferenzen und Verzerrungen des Signals zu vermeiden.
Das umfasst dabei den Invertierverst¨arker (Abb. 72), den Summierverst¨arker (Abb. 71), die Digi-talpotentiometer (Abb. 70) und besonders die Gegentaktendstufe (Abb. 73) mit ihren Feedback-Leitungen.
Zum K¨uhlen der Transistoren der Gegentaktendstufe werden Keepout-Zonen eingerichtet, in denen sp¨ater K¨uhlk¨orper eingebaut werden k¨onnen. Dies erschwert das Design erheblich, da die K¨uhlk¨orper aus geh¨ausetechnischen Gr¨unden nicht ¨uber das PCB hinausragen d¨urfen und somit einen großen Teil der Platine unbaurchbar machen, um Bauteile zu platzieren.
Beim Umsetzen des digitalen Datenpfades der Platine, bestehend aus dem AY-Chip (Abb. 69), den Digitalpotentiometern (Abb. 70) und des STMs, wird darauf geachtet die Bauteile m¨oglichst kompakt unterzubringen, um lange Laufzeiten der Signale und Laufzeitunterscheide zu vermeiden.
Dadurch ist der parallele Datenbus zum AY-Chip mit sehr kurzen Leitungsl¨angen realisiert. Dies f¨uhrt jedoch dazu, dass die Taktung des AY-Chips einen l¨angeren Weg zur¨ucklegen muss, da diese von nur einem bestimmten Pin des STMs ausgegeben wird. Die Digitalpotentiometer werden ¨uber SPI direkt an den STM angeschlossen, aber da diese auch im analogen Datenpfad eine signifikate Rolle tragen, war die Wahl ihrer Position auf dem PCB eine gr¨oßere H¨urde.
Da der STM unserer Gruppe noch eine zentrale Rolle in der Verbindung zu anderen Gruppen dar-stellt, werden weitere Pins des STMs nach außen ¨uber den Hauptbus gef¨uhrt oder an einen f¨ur die Entertainment-Gruppe entwickelten Bus angelegt.
Zusammenfassend entsteht dabei die Platine aus Abbildung 74, welche auf der linken Seite großteils den analogen Pfad aufweist und auf der rechten Seite die digitale Steuerung dessen umsetzt.
Abbildung 74: EAGLE Layout der Audio Gruppe [7]
Aas Kesten¨
7.5.4 Platine
Abbildung 75: Platine der Audio Gruppe (Vorderseite)
Abbildung 76: Platine der Audio Gruppe (R¨uckseite)
Probleme und L¨osungen
Summierer
Da der Summierer in Abbildung 71 mit einer unipolaren Versorgungsspannung arbeitet, muss der invertierende Eingang des Summierers im Ruhezustand eine Spannung von 6 V aufweisen. Da der AY eine Ausgangsamplitude zwischen etwa 0 V und 1 V aufweist, welche zudem Wechselspan-nungsgekoppelt sind, ist die Ausgangsspannung im Ruhezustand an der Begrenzung des Operati-onsverst¨arkers was zu starken Verzerrungen f¨uhrt.
Eine L¨osung des Problems 7.5.4 ist durch das einf¨ugen eines Widerstandes zwischen der 12 V Ver-sorgungsleitung, welcher doppelt so groß wie der R¨uckkopplungswiderstand des Summierers ist.
Dadurch wird der ben¨otigte 6 V offset addiert.
Gleichspannungskopplung der Digipotalpotentiometers
Um einen sauberen Betrieb des Summierverst¨arkers zu gew¨ahrleisten muss der Gleichanteil des Ausgangssignals des AY-Soundchips entfernt werden. Dieses Problem ist erst nach Fertigstellung der Leiterplatte aufgefallen.
Das Problem konnte gel¨ost werden, indem die Testpins durch welche jedes Digitalpotentiometer vom Summierer getrennt werden konnte, durch Keramikkondensatoren ersetzt wurden.
Aas Kesten¨
7.5.5 Zusammenfassung
Zusammenfassend werden die Anforderung an die Entertainment-Audio-Platine erf¨ullt.
Durch die Verwendung des AY-Synthesizer-Chips gelingt die Erzeugung von Retrosound, welche durch die Gegentaktendstufe und weiteren analogen Bl¨ocken verst¨arkt an Lautsprecher ausgegeben werden kann. Auch durch die Verwendung des AY-Chips und der Digitalpotentiometer, welche beide von einem STM-Chip angesteuert werden, ist eine rein digitale Kommunikation mit der Audio-Platine m¨oglich.
Aas Kesten¨
8 Gruppe 4: Energieversorgung
8.1 Aufgabenstellung
Um das ganze Projekt mit Energie versorgen zu k¨onnen, wird die Gruppe Energieversorgung ge-gr¨undet, welche die anderen Gruppen auf zwei verschiedenen Wegen mit Energie versorgen soll.
Hierzu wird die Gruppe nochmal in zwei Untergruppen aufgeteilt. Die eine besch¨aftigt sich mit der Umsetzung eines Netzteils, welches drei verschiedene Gleichspannungen ausgeben kann. Dazu soll die 15 V Spannung eines kommerziellen Netzteils in 3.3 V, 5 V und 12 V umgewandelt wer-den. F¨ur die Batterie, die nachfolgend genauer beschrieben wird, wird zudem ein CCCV-Ladeger¨at (constant-current-constant-voltage-Ladung) entworfen.
Fabio Buchwald
Um das 8-Bit-Waffeleisen nicht nur station¨ar mit Netzspannung betreiben, sondern auch bei Strom-ausfall oder Unterwegs verwenden zu k¨onnen, soll eine Batterie verwendet werden. Diese soll al-le Baugruppen f¨ur eine ad¨aquate Zeit mit Energie versorgen k¨onnen. Aus didaktischen Gr¨unden wurde sich f¨ur eine Batterie aus mehreren LiFePO4 Rundzellen entschieden. Um diese sicher zu betreiben ist ein Batteriemanagementsystem (BMS) n¨otig, welches von uns entwickelt werden soll.
Bei dem Design des BMSs wird sich auf auf die wesentlichen Schutzschaltungen konzentriert, die n¨otig sind um die Batterie sicher betreiben zu k¨onnen. Dazu geh¨oren vor allem Tiefentladeschutz, Uberladeschutz und Balancer. Außerdem soll bei Netzausfall automatisch auf Batteriebetrieb ge-¨ wechselt werden.
Florian Pages
8.2 Blockschaltbild
Die nachfolgende Abbildung 77 beinhaltet das Blockschaltbild f¨ur die gesamte Energieversorgungs-gruppe.
Abbildung 77: Blockschaltbild der gesamten Energieversorgung
Am Eingang werden die vom Energieversorger bereitgestellten 230 V mithilfe eines gekauften Gleich-richters in 15 V Gleichspannung umgerichtet. Diese werden im Normalfall durch das Wechselrelais (15 V sind am ”normally closed”Kontakt des Relais’) an das 3-Kanal-DCDC Wandler (Teilgruppe Netzteil) durchkontaktiert. Die nachfolgenden Platinen werden also durch das Energieversorgungs-netz mit Energie versorgt. Außerdem versorgt das EnergieversorgungsEnergieversorgungs-netz den IU-Lader mit Energie (Teilgruppe Ladeger¨at) um die Batterie im CCCV (constant current constant voltage) Modus zu laden. Dieser Ladestrom kann durch ein Laderelais vom Battery-Managment-System unterbunden werden. Der ”normally open”Kontakt des Wechselrelais ist an der Batterie angeschlossen und sorgt beim Fehlen des Energieversorgungsnetzes f¨ur eine unterbrechungsfreie Stromversorgung der nach-geschalteten Schaltungen.
Zum Abschluss wird ein Informationsbit an eine der anderen Gruppen geliefert, damit diese wissen, aus welcher Energiequelle die Schaltungen versorgt werden (Netz oder Batterie). Wird das
Veros-rungsnetz wieder angeschlossen erkennt eine Logikschaltung dies und l¨asst das Wechselrelais wieder in den Ursprungsort zur¨uckfallen.
Marc Friedland