Arduino-Sequenzer
Funktionsprinzip
Der Arduino besitzt 12 unabhängige, digitale Ausgänge, an denen entweder der Logikpegel 1 (5 Volt) oder der Logikpegel 0 (0 Volt) erscheinen kann. Diese Ausgänge lassen sich über ein Visual-Basic-Programm unabhängig voneinander steuern, wobei der Arduino über ein USB-Kabel mit dem PC verbunden sein muss.
Die Ansteuerung kann manuell oder voreingestellt erfolgen. Im manuellen Modus können die 12 Arduino-Ausgänge per Mausklick auf ein bestimmtes Symbol oder einen Button unabhängig voneinander aktiviert werden. Damit könnte man zum Beispiel über Treibertransistoren, Thyristoren oder Relais verschiedene Verbraucher über den Bildschirm ein- und ausschalten.
In dieser Schaltung werden die digitalen Arduino-Ausgänge jedoch mit einzelnen Trimmpotis verbunden. Je nach Einstellung der Potis und je nachdem, welcher Ausgang gerade aktiv ist, lassen sich somit 12 verschiedene, analoge Spannungen in jeder beliebigen, zeitlichen Reihenfolge abrufen.
Im hier vorgestellten Beispiel werden die Poti-Spannungen über einen Op-Amp-Addierer einem spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt (siehe Kapitel "Synthesizer"), der die Spannungen in Töne verwandelt. Bei entsprechender Einstellung der Potis und entsprechender Programmierung (welches Poti wird wann aktiviert), lassen sich auf diese Weise auch komplexe Tonfolgen programmieren, die so schnell abgespielt werden können, dass selbst ein guter Pianist nicht mehr mithalten kann. Wichtig ist, dass zu jedem Zeitpunkt immer nur ein einziger Arduino-Ausgang aktiv ist, da ansonsten undefinierte Misch-Spannungen erzeugt würden (was technisch betrachtet natürlich keinen Schaden anrichten kann ist, aber nicht viel Sinn macht).
Verdrahtungsplan
Das obige Bild zeigt den Verdrahtungsplan. Verfolgen wir ihn von rechts nach links: Der Masse-Anschluss sowie der Anschluss, an dem eine Spannung von 5 Volt zur Verfügung stehen, werden mit dem Versorgungseingang der Sequencer-Platine verbunden.Die Ausgänge 2 bis 13 des Arduino sind mit den entsprechenden Eingängen (1 bis 12) des Sequenzers verbunden.
Über einen Schalter kann der Oszillator auf ELF-Betrieb gesetzt werden: Das heißt: Seine Schwingungen liegen nun im nicht mehr hörbaren Bereich und können über einen 1:1 Entkopplungstrafo zu Forschungszwecken über Elektroden in die Erde eingespeist werden (Anschluss Output). Der Oszillator erzeugt ein oberwellenarmes Dreiecksignal. Mit einem speziellen Poti kann die Symmetrie des Dreiecksignals verändert werden, wodurch die Anzahl und Intensität der Harmonischen zunimmt.
Die Schaltung
Die Arduino-Ausgänge sind, wie obige Schaltung zeigt, über Vorwiderstände mit LEDs verbunden. Dies ist zwar nicht unbedingt notwendig, aber es ermöglicht eine Kontrolle der Funktion der Schaltung und sieht dazu auch noch sehr eindrucksvoll aus. Die mit den Arduino-Ausgängen verbundenen Trimmpotis (rechts unten) werden nach der Tonleiter eines Instrumentes oder eines Gitarrenstimmgerätes gestimmt. Natürlich sind auch andere Intervalle möglich. IC1 A arbeitet als Mischstufe. IC1 B hebt die invertierende Wirkung der Mischstufe auf. Mit dem mit plus-minus 12 V verbundenen Poti P13 kann eine Leerlaufspannung eingestellt werden. Damit wird der Ton bestimmt, der zu hören ist, wenn an keinem Arduino-Ausgang eine Spannung anliegt. Mit dem Trimmpoti P14 wird die maximale Amplitude der Steuerspannungen eingestellt.
Wichtig: P 13 und P 14 müssen fest abgeglichen sein, bevor die Trimmer P1 bis P 12 eingestellt werden. IC 2 und IC 3 bilden den spannungsgesteuerten Oszillator, der mit den angegebenen ICs am besten funktioniert. Es handelt sich hierbei um einen über einen Trigger rückgekoppelten Integrator, dessen Ladespannung mit dem elektronischen Schalter IC4 (CD 4066) permanent umgepolt wird, wenn eine bestimmte Triggerschwelle überschritten wird. Dadurch wird Kondensator C1 linear aufgeladen und wieder entladen, so dass bei einer ganz bestimmten Einstellung von P 15 ein Dreiecksignal entsteht. Durch verändern von P 15 kann das Dreiecksignal in eine Art Sägezahn verwandelt werden, was die Anzahl der Harmonischen vermehrt und den Ton lauter und aggressiver erscheinen lässt.
Beim Schließen von S2 erhöht sich die Kapazität des Integrationskondensators so weit, dass der Oszillator in Frequenzbereichen von einigen Hertz schwingt und somit für ELF-Experimente zum Test eines ELF-Empfängers geeignet ist. Passen Sie den genauen Wert durch Experimente an ihre Erfordernisse an. Die Intervalle, das heißt, die Quotienten der Frequenzen, bleiben dabei unverändert. Über IC1 C werden die Signale rückwirkungsfrei ausgekoppelt. Der vierte Op-Amp im Gehäuse des TL084 (es kann auch ein pin-kompatibler LM 324 verwendet werden) bleibt unbenutzt.
Achten Sie auf die Versorgung der einzelnen ICs (oben im Bild); Während IC1 mit einer Spannung von plus-minus 12 V versorgt wird, sind IC2, 3 und 4 an +12 V und Masse angeschlossen.
Die Spannungsversorgung erfolgt aus dem Arduino: Mit IC5, einem DC-DC-Konverter, werden die 5 V des Arduino in Spannungen von plus- und minus 12 V verwandelt, wobei jeder der beiden Spannungsausgänge mit einem Strom von 125 mA belastet werden kann. Die Massepotenziale von Arduino, dem Eingang und dem Ausgang des Spannungswandlers liegen auf gleichem Niveau.