Dokumentation TA fertig - zgk-konstanz.de · Ein Ton im Sinn von Klang ist akustisch betrachtet ein komplexes Gemisch aus einem Grundton bzw. Grundfrequenz, der für die Tonhöhenwahrnehmung

2009/2011

Dokumentation,

GITARRENSTIMMGERÄT Technikerarbeit 2009/2011

Simon

Dokumentation, GITARRENSTIMMGERÄT Technikerarbeit 2009/2011

Daniel Simon

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Eidesstattliche Erklärung:

Ich erkläre an Eides statt, dass ich die Technikerarbeit mit dem Titel: „Gitarrenstimmgerät“

selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst, andere als die angegebenen Quellen und

Hilfsmittel nicht benutzt und alle den benutzten Quellen wörtlich oder sinngemäß entnom-

menen Stellen als solche kenntlich gemacht habe.

Konstanz, den 02.05.2011 Unterschrift:______________________________


Daniel Simon

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Copyright:

Hiermit wird allen Interessenten des Projektes „Gitarrenstimmgerät“ gestattet, sämtliche

Auszüge dieses Skriptes zum privaten Nachbau, sowie zur Weiterentwicklung oder In-

formationsbeschaffung zu nutzen. Der Autor übernimmt keine Verantwortung für etwaige

Schäden, Datenverluste und Ausfälle, die durch die Verwendung entstehen. Die Ma-

terialien dürfen keinesfalls auf eine Weise verwendet werden, die den Autor oder seine

Angaben abwerten.


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Danksagung:

Ich möchte mich ganz herzlich bei meiner Freundin Franziska Zapf bedanken, die mich

während meiner stressigen Zeit begleitet und tatkräftig neben mir gestanden hat.

Außerdem möchte ich mich ganz herzlich bei Herrn Groß für seine Unterstützung be-

danken. Weiterhin geht mein Dank an Herrn Eisenmann, der mir bei Softwareproblemen

geholfen hat und an meine Familie, die mich in schwierigen Zeiten ermutigte.


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Inhalt

1.Einleitung ....................................................................................................................................................... 7

1.1 Projektentstehung ................................................................................................................................. 7

1.2 Grundüberlegung .................................................................................................................................. 7

1.3 Informationsbeschaffung...................................................................................................................... 9

1.4 Zeitlicher Aufwand .............................................................................................................................. 10

2. Grundlagen zum Technikerprojekt ......................................................................................................... 11

2.1 Was ist ein Gitarrenstimmgerät ........................................................................................................ 11

2.2 Das Signal einer Gitarre ..................................................................................................................... 12

2.3 Das Centmaß zur Intervallbestimmung ........................................................................................... 13

3. Persönlicher Arbeitsprozessbericht ........................................................................................................ 14

4. Hardwareentwicklung ............................................................................................................................... 19

4.1 Blockschalbild ...................................................................................................................................... 20

4.2 Schaltplan ............................................................................................................................................. 21

4.3 Hardwarekomponenten ...................................................................................................................... 22

4.4 Kurze, zusammenfassende Funktionsbeschreibung der Hardware .......................................... 22

4.5 Beschreibung der einzelnen Komponenten .................................................................................... 24

4.5.1 Elektretmikrofonverstärker ......................................................................................................... 24

4.5.2 UB/2 (Mittebezug für Single Supply der Filter) ........................................................................ 25

4.5.3 Tschebyscheff-Filter (TP1 und TP2) ......................................................................................... 25

4.5.4 Präzisionsgleichrichter ................................................................................................................ 28

4.5.5 Dämpfung des TP1 Akustiksignals ........................................................................................... 29

4.5.6 Auswahlkomparator für Analogmultiplexer .............................................................................. 30

4.5.7 Komparator als Rechteckgenerator .......................................................................................... 31

4.5.8 Analog-Multiplexer ....................................................................................................................... 31

4.5.9 Klinkenbuchse .............................................................................................................................. 32

4.5.10 Festspannungsregler ................................................................................................................ 33


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4.5.11 LED Anzeige .............................................................................................................................. 33

4.6 Genauigkeit .......................................................................................................................................... 34

4.7 Technische Eigenschaften ................................................................................................................ 35

5. Softwareentwicklung ................................................................................................................................. 36

5.1 Pinbelegung des Mikrocontrollers .................................................................................................... 36

5.2 Die Einheit States ............................................................................................................................... 37

5.3 Frequenzmessung .............................................................................................................................. 37

5.4 Ausgabe des Instrumentensignals ................................................................................................... 39

5.5 Anordnung der LED-Anzeigen .......................................................................................................... 39

5.6 Genauigkeitsbestimmung des Gitarrentons .................................................................................... 40

5.7 Struktogramme der Software ............................................................................................................ 42

6. Bedienungsanleitung: ............................................................................................................................... 45

7. Fazit ............................................................................................................................................................. 46

8. Quellangaben ............................................................................................................................................. 46

8.1 Linkliste der Informationen ................................................................................................................ 46

8.2 Verweise auf Bücher .......................................................................................................................... 47

10. Inhalte der CD ......................................................................................................................................... 47


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1.Einleitung

1.1 Projektentstehung

Bereits im ersten Jahr meiner Zeit als Schüler an der Zeppelin Gewerbe Schule mit der

Fachrichtung Elektrotechnik wurden wir von unseren Lehrkräften auf die Heraus-

forderungen der praktischen Technikerarbeit hingewiesen mit dem Ratschlag uns mit

dieser Thematik auseinanderzusetzen und uns frühzeitig für ein Thema zu entscheiden.

In meiner Freizeit spiele ich leidenschaftlich gerne Gitarre. Seit meiner Kindheit begleitet

mich das Gitarrenspielen und nun hatte ich die Gelegenheit meine Technikerarbeit mit

diesem Interessengebiet zu verknüpfen.

Ich habe sehr lange überlegt, welches Technikerprojekt für mich in Frage kommt und

dachte immer wieder, was ich tun könnte, um Hobby und Beruf miteinander zu kombi-

nieren, um somit auch gleichzeitig eine hohe Motivation zu schöpfen. Somit entstand die

Idee ein Gitarrenstimmgerät mit einem Mikrocontroller zu entwickeln.

1.2 Grundüberlegung

Folgende Kriterien sollte mein Technikerprojekt erfüllen:

Es sollte ein Gerät sein, welches nach dem Einschalten durch eine einfache Handhabung

ein beliebiges Gitarreninstrument stimmt. Geeignet dafür sollten E-Gitarren, Konzert-

gitarren und Westerngitarren sein. Die Instrumente können für die Standartstimmung E A

D G H(B) E gestimmt werden. Das Gitarrenstimmgerät ist eine Apparatur, welche die

Frequenz von akustischen, sowie elektrischen Gitarren ermittelt und dessen Ton und


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Tonhöhe durch eine LED-Anzeige wiedergibt. Um die Töne des Musikinstrumentes zu

ermitteln steht für elektrische Gitarren ein Klinkenbuchseneingang und für akustische

Gitarren ein integriertes Mikrofon zur Ver-fügung. Je nach Möglichkeit sollte eine Klinken-

buchse mit integriertem Schalter benutzt werden, sodass generell das Mikrofon verwendet

und beim Anschließen einer E-Gitarre der Klinkenstecker abgegriffen wird. Das Ein-

gangssignal muss über eine spezielle Filterschaltung dem Mikrocontroller angepasst wer-

den. Dieser oberwellenbehaftete Ton sollte soweit gefiltert und verstärkt werden, sodass

ein möglichst sauberes Sinussignal entsteht, welches mit einem Komparator in eine

Rechteckspannung umgeformt wird, sodass Digitale Signale dem Mikrocontroller

zugeführt werden. Über eine Timerfunktion kann nun der Mikrocontroller jede fallende

Flanke der Rechteckspannung erfassen und zählen. Rechnerisch soll dadurch die

Frequenz ermittelt werden können. Über die Taktfrequenz des Quarzes wird die

sogenannte Referenzfrequenz erzeugt. Diese beiden Frequenzen werden nun miteinander

verglichen und dementsprechend ausgewertet. Da es Toleranzen und Abweichungen vom

Instrument zur Referenzfrequenz gibt, muss darauf geachtet werden, dass diese sich um

weniger als 10 Cent des Grundtones unterscheiden. Mit dieser ausgerechneten Frequenz

wird der Ton und dessen Genauigkeit bestimmt und über eine LED-Anzeige wieder-

gegeben. Die LEDs der zwei LED-Anzeigen sind jeweils in Reihe angeordnet. Eine An-

zeige (6 LEDs) bestimmt den zu stimmenden Ton, die andere bestimmt dessen Genau-

igkeitsbereich. Bei der Genauigkeitsanzeige (7 LEDs) befindet sich in der Mitte eine grüne

LED, die nur dann aufleuchten soll wenn ein Ton exakt wiedergegeben wird. Die LED links

bzw. rechts davon soll erst ab einem kleinen Frequenzgang unterhalb bzw. oberhalb der

Sollfrequenz leuchten. Bei den „Nachbar“-LEDs gilt das gleiche Prinzip. Indem man die

Gitarrensaite spannt bzw. lockert soll dieser Vorgang beobachtet werden können, d.h.

beim Anspannen der Saiten sollen die Dioden nach rechts und beim Lockern nach links

wandern. Während dieses Vorgangs soll die Tonanzeige den Ton der Saite durchgehend

anzeigen. Um die Ansteuerung der LEDs umzusetzen ist eine Decoderschaltung von

Vorteil, somit können Portpins des Controllers eingespart werden.Das batteriebetriebene

Handstimmgerät kann mit einem Schalter EIN und AUS geschaltet werden.

Für die praktische Umsetzung der Filterschaltungen kamen zwei Versionen in Betracht:


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Version1:

Jeder Gitarrensaite wird ein bestimmter Frequenzbereich zugeteilt. Jedem dieser Fre-

quenzbereiche ist ein Bandpass zugeordnet. Der Bandpassfilter, der nun aktuell ein Signal

trägt, signalisiert dies dem Mikrocontroller. Dieser kann nun rückwirkend über einen Di-

gitalen Demultiplexer diesen Bandpass gezielt ansteuern, um den Tonbereich nun auf Ge-

nauigkeit zu prüfen.

Bandpassproblem:

Um zu vermeiden, dass die Töne zwischen den Bandpassfiltern nicht untergehen, sollten

sich diese Filter überlappen. Da dann aber nun zwei Bandpassfilter Signal tragen, müssen

auch zwei Leuchtdioden leuchten. Sobald sich aber der Ton ändert und aus diesem

Zwischenbereich austritt, so leuchtet wieder nur noch eine LED.

Version 2:

Es soll nur ein einziger Bandpassfilter zur kompletten Signalerfassung verwendet werden,

der alle Frequenzen oberhalb 400 Hz und unterhalb 60 Hz herausfiltert. Wenn dieses

Signal saubere Nulldurchgänge hat, sind die restlichen Bandpassfilter aus Version1 hin-

fällig. Des Weiteren stehen auch ausreichend Portpins zur Verfügung, sodass auf

Decoderschaltungen ebenfalls verzichtet werden kann. Außerdem hat sich das

Bandpassproblem erübrigt, da nun gezielt die LEDs angesteuert werden können.

1.3 Informationsbeschaffung

Zu Beginn meines Projektes nahm ich Kontakt zu verschiedenen Herstellern von Gitarren-

stimmgeräten auf, mit der Bitte um Informationen über die Vorgehensweise der Ton-


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bestimmung. Daraufhin wurde mir ein batteriebetriebenes Gerät der Firma Marshall zuge-

sandt, an denen ich mich orientieren konnte. Eine hilfreiche Informationsquelle stellte für

mich das Internet mit seinen zahlreichen Plattformen dar. Durch das Studieren von

Datenblättern, technischen Seiten, sowie anderen externen Bezugsquellen verschaffte ich

mir einen tieferen Einblick in die Materie. Eine große Hilfe in der Thematik der Dimen-

sionierung von Filterschaltungen war mir das Buch „Halbleiterschaltungstechnik“ von

Tietze/Schenk und „Das große Werkbuch Elektronik“ von Dieter Nührmann. Zur

Softwareentwicklung orientierte ich mich hauptsächlich am Datenblatt des P89LPC936

und ebenfalls am Buch Keil C51 von Michael Baldischweiler. Weitere theoretische Inhalte

und Informationen zur Gestaltung meines Technikerprojekts bezog ich durch den

Unterricht.

1.4 Zeitlicher Aufwand

Informationsbeschaffung: 40 Stunden

Hardware: 140 Stunden

Software: 60 Stunden

Fehlersuchen: 30 Stunden

Versuchsaufbauten: 120 Stunden

Dokumentation: 50 Stunden

In der folgenden Skizze ist ein Überblick zum Verhältnis der Arbeitsteilbereiche dargestellt:


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Abbildung 1: Zeitverhältnis der Arbeitsbereiche

2. Grundlagen zum Technikerprojekt

Der folgende Text beschreibt die grundlegenden Informationen zum Technikerprojekt:

2.1 Was ist ein Gitarrenstimmgerät

Ein Gitarrenstimmgerät ist ein elektronisches Gerät zum Stimmen von Gitarren. Es zeigt

die Genauigkeit der zu stimmenden Saiten einer Gitarre an.

Informationsbeschaffung

Hardware

Software

Dokumentation


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2.2 Das Signal einer Gitarre

• Der Ton als Klang

Ein Ton im Sinn von Klang ist akustisch betrachtet ein komplexes Gemisch aus einem

Grundton bzw. Grundfrequenz, der für die Tonhöhenwahrnehmung verantwortlich ist und

(in der Regel) mehreren gleichzeitig erklingenden Obertönen. Im zeitlichen Verlauf des

Klangs ändert sich dabei meist die Amplitude des Grundtons und der Obertöne. Diese

Lautstärkenverhältnisse bestimmen die Klangfarbe der Töne.

• Harmonische/Oberwellen

Mit der Fourieranalyse kann man beliebige periodische Signalverläufe, die z. B. mit einem

Musikinstrument als Ton oder einem Oszillator als elektrisches oder sonstiges Signal er-

zeugt werden, in ihr Frequenzspektrum zerlegen. Dabei zeigt sich, dass diese Signale sich

neben dem sinusförmigen Signal mit der Grundfrequenz f meistens noch aus vielen wei-

teren sinusförmigen Signalen mit den Frequenzen 2 f, 3 f, 4 f usw. zusammensetzen. Be-

liebige periodische Signalverläufe erweisen sich so als Summe unendlich vieler sinus-

förmiger Signale. Technisch kann diese Analyse mit einem Spektrumanalysator durch-

geführt werden. Diese harmonischen Frequenzen stehen untereinander und zur Grundfre-

quenz in ganzzahligem Verhältnis. In der Musik werden gleichzeitig erklingende Töne mit

solchen Frequenzverhältnissen als harmonischer Klang empfunden. Daher rührt die Be-

zeichnung im hier beschriebenen allgemeineren Zusammenhang.

Fazit:

Das Signal bzw. der Ton als Klang einer Gitarre liegt also in Form einer Sinuskurve vor,

welcher mit Oberwellen behaftet ist.


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2.3 Das Centmaß zur Intervallbestimmung

Das Cent dient als logarithmische Maßeinheit für musikalische Intervalle. Ein gleichstufiger

Halbton wird demnach in 100 Schritte geteilt. Da eine Oktave zwölf Halbtöne umfasst, ent-

spricht sie 1200 Cent. Zwei Oktaven entsprechen somit 2400 Cent.

Die Einheit Cent entspricht einem Frequenz-Verhältnis von

√2 = 2

≈ 1,0005777895

Die Centangabe wird vorteilhaft bei Verstimmungen verwendet.

Erläuterung:

• Abweichung bis 10 Cent, wenn nur C-Dur nahe Akkorde verwendet werden, bring-

en im Vergleich zur reinen Stimmung „Farbe“ in die Musik.

• Man hat sich mit einer Abweichung von 15 Cent abgefunden, da anders nicht alle

Tonleitern auf Tasteninstrumenten gespielt werden können.

• Bei 40 Cent Abweichung sind starke Verstimmungen zu vernehmen (ein Fünftel ei-

nes Ganztones).

Mittels Angaben in Cent können verschiedene Tonsysteme und Stimmungen einfach ver-

glichen werden. Der Tonhöhenvergleich mittels dieser Einheit hat den Vorteil, dass er dem

additiven Intervall-Empfinden des Gehörs entspricht. Er ist damit praxisnäher als eine Be-

schreibung in den Frequenz-Verhältnissen, bei denen ein Größenvergleich nicht unmittel-

bar möglich ist.

Frequenzberechnungen mit der Einheit Cent:

Beispiel zur Erhöhung einer Frequenz von 82Hz um 2 Cent:


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82 ∗ 2

= 82,0948

Beispiel zur Verringerung einer Frequenz von 82Hz um 2 Cent:

82 ∗ 2

= 81,90532

3. Persönlicher Arbeitsprozessbericht

Im folgenden Teil der persönlichen Arbeitsprozessgestaltung werde ich näher auf die Ent-

wicklungsphasen des Technikerprojekts eingehen.

Zu Anfang betrachtete ich die Signale meiner E-Gitarre mit einem Oszilloskop. Mit Hilfe ei-

ner Frequenztabelle ermittelte ich die Frequenzgänge der einzelnen Gitarrensaiten. Da-

rüber hinaus wurden meine Erkenntnisse durch andere Quellen wie das Internet mehrfach

bestätigt.

Die Frequenzen der 6 Gitarrensaiten zur Standartstimmung lauten wie folgt:

Tiefes E: 82 Hz

A: 110 Hz

D: 147 Hz

G: 196 Hz

H (B): 247 Hz

Hoch E: 330 Hz

Abbildung 2: Frequenztabelle der Gitarrensaiten


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Außerdem kann sehr gut festgestellt werden, dass die einzelnen Töne mit Oberwellen

behaftet sind. Mit dem Ziel, aus einem Sinussignal ein Rechtecksignal zu erzeugen, ist

eine unverfälschte Messung nur dann möglich, wenn das Signal nur einen Nulldurchgang

pro Periode hat. In Abbildung 3 ist dies beispielsweise nicht der Fall.

Abbildung 3: Ton D der E-Gitarre

Um dieses Ziel zu erreichen muss eine Filterschaltung angewendet werden. Da ich jedoch

zu diesem Zeitpunkt noch keine Kenntnisse und Erfahrungen auf diesem Gebiet hatte,

erhielt ich von Herrn Groß Vorlagen zur Dimensionierung eines Bandpassfilters mit Ein-

fachmitkopplung 2. Ordnung. Darüber hinaus informierte ich mich präzise über die Di-

mensionierung dieser Schaltung im Tietze/Schenk Buch, so dass ich diesen Bandpass für

jeden beliebigen Frequenzbereich berechnen konnte. Leider war es mir in keinster Weise

möglich dieses Signal so zu filtern, dass nur ein Nulldurchgang pro Periode entsteht. Nach

einer erneuten Rücksprache mit Herrn Groß und groben Planungskorrekturen konnte ich

also die Dimensionierung eines Tiefpasses mit Tschebyscheffverhalten vornehmen. Hier-

bei habe ich mich ebenso an Tietze/Schenk orientiert. Tschebyscheffiltern haben den Vor-

teil einer erhöhten Flankensteilheit, jedoch ist ein besonderes Augenmerk auf die Wellig-

keit, die den Filtertyp bestimmt, zu legen. Mit einem Frequenzgenerator konnte ich eine

Kennlinie aufnehmen, in der der Filter nach wenigen Hertz zügig schließt. Die Grenz-

frequenz des Filters dimensionierte ich auf fg=335 Hz, mit dem Ziel, für alle 6 Saiten des

Instrumentes nur einen ausreichenden Tiefpassfilter zu verwenden. Somit besteht die

maximale Möglichkeit, die hohen 4 Saiten (D,G,H,E) von den Oberwellen soweit zu

bereinigen, sodass diese wie gewünscht einen Nulldurchgang pro Periode haben. Die


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Saiten Tief_E und A unterliegen leider den Oberwellen dieser 4 höheren Saiten. Also di-

mensionierte ich einen zweiten Tiefpass (TP2) mit einer Grenzfrequenz von fg= 150 Hz.

Die Saiten Tief_E, A und zusätzlich D wurden somit erfolgreich gefiltert.

Die Abbildungen 4 und 5 zeigen den deutlichen Unterschied zwischen dem reinen

Instrumentensignal der E-Gitarre und des Signals nach dem Filtervorgang:

Abbildung 4: Ton G ungefiltert

Abbildung 5: Ton G gefiltert


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Da es mir nun gelungen ist das Signal zu filtern, begann ich damit das Mikrofon in Betrieb

zu nehmen. Um einen größeren Zeitaufwand zu ersparen und gezielt eine gut dimen-

sionierte Elektretmikrofonverstärkerschaltung aufzubauen verwendete ich Ideen aus dem

Internet (siehe Hardware).

In Verbindung des Mikrofons und der Filterschaltungen ist es ebenso gelungen das akus-

tische Gitarrensignal mitzufiltern. Das Problem hierbei war nur, dass die G-Saite ziemlich

stark oberwellenbehaftet ist (siehe Abbildung 6) und es mir nicht möglich war ein länger

anhaltendes Signal, selbst durch starkes Anzupfen der Saite, zu bekommen. Auch das

reine ungefilterte und gut durch den Mikrofonverstärker verstärkte Signal der G-Saite hat

nur eine sehr kurze Amplitude. Anschließend ist auf dem Oszilloskop ein unreines Sinus-

signal mit kleinen Amplituden zu sehen. Vermutlich kann dies durch noch stärkere Filter

hervorgehoben werden, doch dies war mir zeitlich nicht mehr möglich.

Abbildung 6: G-Saite gefiltert

Im nächsten Schritt begann ich mich mit der Software zu befassen. Dabei strebte ich

Überlegungen an wie ich eine Frequenz aus einem Rechtecksignal mit dem Mikrocon-

troller erfolgreich messen kann. Ich wusste ansatzweise durch Herrn Eisenmann, dass

dies mit den Timermodes am wahrscheinlichsten realisiert werden kann. Also setzte ich

mich damit umgehend auseinander, um den Timermodes zu verstehen und anwenden zu

können. Mein Konzept zur Bestimmung der Frequenz lag darin, dass ich jede fallende

Flanke meiner Rechteckspannung mittels externem Interrupt erfasse. Somit kann jeder


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Periodenbeginn erfasst werden. Da ich aber die Länge einer Periode bestimmen wollte,

bestand die effektivste Möglichkeit darin, einen Timer mit hoher Taktfrequenz für eine

Periodendauer mitzählen zu lassen und dessen Zählwert umgehend in die Zeit um-

zurechnen. Um es praktisch zu verwirklichen wird jede zweite Periode mittels Timer0 er-

fasst und jede andere zweite Periode wird dieser mitgezählte Wert in die Periodendauer

umgerechnet. Mit dieser Periodendauer soll die Genauigkeit des Musikinstrumentes be-

stimmt werden. Dazu sind Zeitfenster vorgesehen. Nachdem die Periode berechnet wurde

soll nun überprüft werden, in welches Zeitfenster diese Periode passt. Demnach wird ent-

sprechend die LED-Anzeige angesteuert. Damit diese Zeitfenster möglichst genau dimen-

sioniert werden, habe ich dessen Größen mit dem Centmaß bestimmt. Auch die Frequen-

zen der 6 Saiten wurden in Bezug zum Kammerton A von 440Hz nochmals genau berech-

net. Da die LED-Anzeige bei der Ansteuerung sehr flackert und ein genaues Einstellen der

Gitarrensaite unmöglich ist, bekam ich von Herrn Groß den Hinweis eine Mittel-

wertberechnung durchzuführen. Somit war das Problem behoben.

Nachdem die Frequenzmessung mit einem Frequenzgenerator einwandfrei funktioniert,

musste ich mir überlegen wie ich eine geeignete Lösung für die automatische Auswahl der

Tiefpässe finde. Da bei niedrigeren Frequenzen der Gleichspannungsanteil des TP1

größer ist, als der des TP2, dimensionierte ich einen Präzisionsgleichrichter, der nur den

Gleichspannungsanteil des TP1 erfasst. Damit das Signal nicht sofort verloren geht wird

an den Ausgang dieser Schaltung ein Kondensator angebunden, der das Signal länger

aufrecht erhält. Nach längerem Betrachten der Gleichspannungsanteile beider Tiefpässe

mit dem Oszilloskop konnte ich eine Gleichspannung ermitteln, bei der der Anteil des TP1

deutlich über dem des TP2 liegt. Dieser wurde anhand der A-Saite festgestellt, da der TP2

ab der D-Saite für ein reines Signal sorgt. Der Gleichspanungswert für bis zu ca.130 Hz

(Bereich Ton A) liegt bei ca. 1V. Dies stellt meinen Umschaltpunkt dar, für den ich einen

Komparator dimensionierte, welcher direkt an das Ausgangssignal des Präzisionsgleich-

richters angebunden wird. Für die Saiten Tief_E und A wird der Komparator angesteuert,

bei höheren Frequenzen an TP1 liegt die Schaltschwelle des Komparators unter 1V. So-

bald der Komparator seinen Schwellwert erreicht liegt am Ausgang des OPs eine Span-

nung von 5 Volt an. Eine zusätzliche Leuchtdiode bestätigt wenn der Komparator aktiv ist.

Zur Auswahl der Tiefpässe verwende ich einen Analogmultiplexer. Die Ausgangs-Signale

der beiden Tiefpässe sind direkt an der Weiche des Analogmultiplexers angeschlossen.


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Wird nun bei niedrigen Frequenzen der Schwellwert des Komparators überschritten, so

wird mit diesem Ausgangssignal der Analogmultiplexer angesteuert und das Signal des

TP1 abgegriffen. Generell wird das Signal des TP2 durchgeschleift. Am Ausgang des

Multiplexers ist ein weiterer Komparator angebunden, der aus dem Sinussignal ein Recht-

ecksignal erzeugt, welches direkt zum Port 1.3 des Mikrocontrollers führt. Mit diesem digi-

talen Rechtecksignal von High = 5V und Low = 0V kann der Mikrocontroller die Frequenz

des Signals berechnen. Bis zu diesem Schritt kann das Eingangssignal des Mus-k-

instrumentes komplett gefiltert und in eine Rechteckspannung umgeformt werden. Da das

Gitarrenstimmgerät für Akustik- und E-Gitarren konzipiert ist, muss für eine automatische

Umschaltung zwischen Mikrofon und Klinkenbuchsenabgriff gesorgt werden. Dazu

verwendete ich eine Klinkenbuchse, die zusätzlich mit 2 integrierten Wechseschaltern ver-

sehen ist. Solange sich kein Klinkenstecker in der Klinkenbuchse befindet, wird das Aus-

gangssignal des Mikrofons zu den Tiefpässen geführt. Gleichzeitig wird das Aus-

gangssignal des TP1 zum Präzisionsgleichrichter geleitet, sodass der Analogmultiplexer

immer das richtige Signal abgreifen kann. Dieses musste ich zusätzlich dämpfen, da sich

der Schwellwert auf das E-Gitarrensignal bezieht. Ansonsten würde für den kompletten

Stimmvorgang immer TP1 angesteuert werden, da das Ausgangssignal des Mikrofons um

einiges größer ist, als das der E-Gitarre. Wird nun ein Klinkenstecker der E-Gitarre in die

Klinkenbuchse eingeführt, so schließen sich die integrierten Wechselschalter. Jetzt wird

das Signal der E-Gitarre zu den Tiefpässen geführt und das Ausgangssignal des TP1 wird

direkt zum Präzisionsgleichrichter geleitet.

4. Hardwareentwicklung


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4.1 Blockschalbild


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4.2 Schaltplan


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4.3 Hardwarekomponenten

Die Hardware des Technikerprojektes setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:

• Elektretmikrofon mit zugehörigem Mikrofonverstärker

• Klinkenbuchse mit jeweils zwei Integrierten Wechselschaltern

• 2 Tiefpässe (fg=335Hz, fg=150Hz)

• Analogmultiplexer

• Komparator zur Erzeugung einer Rechteckspannung

• Komparator zur Analogmultiplexeransteuerung mit Kontroll-LED

• Präzisionsgleichrichter

• Dämpfung des Akustiksignals

• 2 Festspannungsregler (+5V, +3,3V)

• LED-Anzeige zur Tonbestimmung

• LED-Anzeige zur Frequenzbestimmung

• EIN/AUS-Schalter

• 9V- Blockbatterie

• Mikrocontroller P89LPC936

• UB/2 (50% der Betriebsspannung)

4.4 Kurze, zusammenfassende Funktionsbeschreibung d er Hardware

o Die integrierten Schalter der Klinkenbuchse sorgen dafür, dass das Eingangssignal

direkt vom Mikrofon zu den Tiefpassfiltern geleitet wird. Gleichzeitig wird das Aus-

gangssignal des TP1 über die Dämpfung zum Präzisionsgleichrichter geführt. S-

bald ein Instrumentenkabel in die Klinkenbuchse eingesteckt wird, schließen sich

entsprechend die integrierten Schalter, sodass das Mikrofon überbrückt, das Ein--

gangssignal von der Klinke direkt abgegriffen und zu den Tiefpassfiltern TP1 und

TP2 geführt wird. Außerdem wird das Ausgangssignal des TP1 ohne Dämpfung

zum Präzisionsgleichrichter geführt. Die Dämpfung dient zur Anpassung des


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Gitarrensignals an den Präzisionsgleichrichter, da das Akustiksignal größer als das

der E-Gitarre ist.

o Der Präzisionsgleichrichter ermittelt den Gleichspannungsgehalt des TP1. Da die

Grenzfrequenz des TP1 deutlich kleiner der des TP2 ist, ist somit auch der Gleich-

spannungsgehalt bei niedrigeren Frequenzen größer als der des TP2. Wird nun

also die fest vorgegebene Schaltschwelle des Komparators, vom Gleichspannungs-

gehalt des Präzisionsgleichrichters überschritten, so wird durch Ansteuern eines

Analogmultiplexers das Ausgangssignal des TP1 abgegriffen.

o Die Kontroll-LED bestätigt diesen Vorgang, d.h. das Signal des TP1 wird nur so-

lange abgegriffen, solange die LED leuchtet. (Schwellwert des Komparators ist

überschritten). Ansonsten wird generell das Signal des TP2 automatisch abge-

griffen.

o Der Analogmultiplexer schleift das Ausgangssignal des jeweils angesteuerten

Tiefpasses (TP) direkt weiter zum Komparator, welcher zum P1.3 des Mikro-

controllers führt. Dieser erzeugt aus dem gefilterten Sinussignal ein digitales Recht-

ecksignal mit einem Spannungshub von 0 – 5V.

o Der Mikrocontroller berechnet die Frequenz des erzeugten Rechtecksignals und

steuert direkt die Leuchtdioden der LED-Anzeigen an.

o Der Quarz erzeugt die Taktfrequenz des Mikrocontrollers von 16 MHz.

o Die Versorgungsspannung von 9V wird ausschließlich von einer 9V-Blockbatterie

entnommen.

o Der Festspannungsregler 3.3V dient einzig der Versorgungsspannung des Mikro-

controllers

o Der Festspannungsregler 5V liefert die Versorgungsspannung der beiden Kom-

paratoren, des Analogmultiplexers und der Leuchtdioden.

Siehe Blockschaltbild


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4.5 Beschreibung der einzelnen Komponenten

4.5.1 Elektretmikrofonverstärker

Zur Aufnahme von akustischen Tönen wird eine Elektretmikrofonkapsel verwendet, welche

mit einer Verstärkerschaltung betrieben wird.

Meine Informationen zur Beschaltung und Dimensionierung entnehme ich folgenden

Internetseiten:

http://www.ferromel.de/tronic_1906.htm, http://www.elexs.de/kap7_5.htm

Zur allgemeinen Verstärkung wählte ich das Widerstandsverhältnis 51k zu 1k. Somit ist

eine 50- fache Verstärkung des Eingangssignals gewährleistet. Der ELKO 10µF sorgt da-

für, dass die überlagerte Gleichspannung von 4,5V (Spannungsteiler R2+R3) am nicht-

invertierenden Eingang nicht mitverstärkt wird, sondern nur Wechselspannungsanteile mit-

verstärkt werden. Der Vorwiderstand R1 des Mikrofons dient zur Strombegrenzung der

Spannungsversorgung. Über den Koppelkondensator (2,2µF) wird der Wechselspan-

nungsanteil entnommen.

Abbildung 7: Elektretmikrofonverstärker


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4.5.2 UB/2 (Mittebezug für Single Supply der Filter)

Als Massebezug der Filterschaltungen dient UB/2 (Halbe Betriebsspannung), da diese in

Single-Supply betrieben werden. UB/2 besteht aus Spannungsteiler R6, R7, C4 und einem

Impedanzwandler, der für die nötige Stabilität sorgt. Der ELKO C11 beseitigt Störspan-

nungen.

Abbildung 8: UB/2

4.5.3 Tschebyscheff-Filter (TP1 und TP2)

Zur Filterung des Gitarrensignals werden zwei aktive Tiefpassfilter 2. Ordnung mit Einfach-

mitkopplung verwendet. Die innere Verstärkung α bestimmt den Charaktertyp des Filters.

Um einen 3dB-Tschebyscheff Filtertyp realisieren zu können, muss man in diesem Fall die

innere Verstärkung α = 2,234 wählen. Diese Verstärkung muss sehr sorgfältig bestimmt

werden, da bei einer inneren Verstärkung von α = 3 die Schaltung selbstständig auf der

Frequenz f= 1/2πRC schwingt.

TP1:


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Die Kondensatoren C5 = C6 = C = 100nF wurden frei gewählt. Die Grenzfrequenz bei die-

sem Filter lässt sich sehr einfach bestimmen mit R8 = R9 = R. Für TP1 mit 150 Hz Grenz-

frequenz gilt also R = 15KΩ.

Abbildung 9: TP1

TP2:

Die Kondensatoren C5 = C6 = C = 100nF wurden ebenfalls frei gewählt. Die Grenzfre-

quenz von Fg = 335Hz wird mit den Widerständen R12 = R13 = R = 6,6KΩ bestimmt.

Abbildung 10: TP2


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Mit dem Tschebyscheffverhalten lässt sich eine deutlich höhe Flankensteilheit erzielen,

weshalb dieser auch verwendet wird. Da die Filter in Single Supply betrieben werden, ist

der Massebezug UB/2. Die Widerstände für die jeweilige Grenzfrequenz wurden mit Hilfe

der Formeln aus Tietze/schenk S. 407/ Auflage8 berechnet.

Die folgenden Kennlinien zeigen den Verlauf der Spannung in Abhängigkeit zur Frequenz

der Tschebyschefftiefpassfilter 2. Ordnung mit einer Flankensteilheit 12dB/Oktave bzw.

40dB/Dekade mit einer Welligkeit von 3dB. Die Kennlinien wurden mit einem Frequenz-

generator aufgenommen, dessen Eingangssignal eine sinusförmige Spannung mit einer

Amplitude von 500mV hat:

Abbildung 11: Kennlinie Tiefpass1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

Û [V]

Frequenz [f]

Amplitudenverlauf TP1

TP1


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Abbildung 12: Kennlinie Tiefpass2

4.5.4 Präzisionsgleichrichter

Ob das ungedämpfte E-Gitarrensignal oder das gedämpfte Akustikgitarrensignal nun zum

Präzisionsgleichrichter geführt wird, hängt davon ab, ob die Klinkenbuchse angeschlossen

wurde. Der Präzisionsgleichrichter ist dafür zuständig, dass der Gleichspannungsgehalt

des gefilterten Signals aus TP1 erfasst wird. Der Spannungsanteil ist entscheidend für die

Tiefpassauswahl. Es würde bei jedem Abklingen des Tones ein Hin- und Herschalten der

TP-Auswahl erfolgen würde man dieses Problem nicht mit C10, R18 und R16 lösen. Nach

dem Aufladevorgang über R18 und C10 wird der Gleichspannungsanteil ermittelt. R18

dämpft lediglich die Empfindlichkeit des Kondensators. Erlischt der Ton des Instrumentes,

so bleibt aber der TP1 für eine kurze Zeit aktiv, denn C10 entlädt sich langsam über R16

und sonstige Leckströme. Es muss also möglichst bald wieder eine Saite angespielt wer-

den, sodass TP1 aktiv bleibt (gilt nur für tiefe Saiten).

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

Û [V]

Frequenz [f]

Amplitudenverlauf TP2

TP2


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Abbildung 13: Präzisionsgleichrichter mit zusätzlichem RC-Glied am Ausgang

4.5.5 Dämpfung des TP1 Akustiksignals

Damit der Gleichspannungsanteil der Akustikgitarre äquivalent zur E-Gitarre ist, muss das

Ausgangssignal des TP1 direkt vor dem Präzisionsgleichrichter angepasst werden.

Dafür ist folgende Dämpfung erforderlich:

Der Verstärkungsfaktor V ist 0,14

Abbildung 14: Dämpfungsschaltung


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4.5.6 Auswahlkomparator für Analogmultiplexer

Der Auswahlkomparator dient zur Ansteuerung des Analogmultiplexers, welcher zur

Auswahl der Tiefpässe dient. Sobald der Gleichspannungsanteil des Präzisionsverstärkers

die Schaltschwelle von 1,16 Volt überschreitet, liegt am Ausgang ein Highpegel von 5Volt

an. Eine zusätzliche Kontroll-LED bestätigt, wenn der Komparator aktiv ist. Zum erfolg-

reichen Stimmen der beiden tiefen Saiten E und A ist darauf zu achten, dass die Kontroll-

LED leuchtet. Ansonsten ist eine genaue Messung nicht gewährleistet. Ebenfalls sollte

zum Stimmen der höheren Saiten (G, H und E) darauf geachtet werden, dass diese LED

aus ist. Die D Saite wird von beiden Tiefpässen ordnungsgemäß gefiltert. Hier ist der Zu-

stand der Kontroll-LED unwichtig.

Abbildung 15: Komparator zur Filterauswahl


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4.5.7 Komparator als Rechteckgenerator

Dieser Komparator erzeugt aus dem gefilterten Gitarrensignal eine Rechteckspannung mit

einem Spannungshub von 0 bis 5V. Das Ausgangsignal wird direkt zum Port 1^3 des

Mikrocontrollers geführt. Jede fallende Flanke der Ausgangsspannung löst einen Interrupt

im Mikrocontroller aus, der damit die Frequenz des Instrumentensignals berechnet.

Abbildung 16: Komparator zur Erzeugung einer Rechteckspannung

4.5.8 Analog-Multiplexer

Da zum Filtern der Gitarrensignale zwei Tiefpässe verwendet werden müssen, wird mit

diesem Analogmultiplexer dafür gesorgt, dass nur eines der beiden Tiefpassausgangs-

signale zum Mikrocontroller geführt wird. Mit dem EN (enable) Eingang wird das Gerät

freigegeben. Da die Ansteuerung binär erfolgt, kann der Eingang A1 auf Masse gelegt

werden. Somit wird bei A0 = Low der Eingang S1A zum Ausgang DA geführt. Bei A0 =

High wird S2A zu DA geführt. A0 wird vom Auswahlkomparator angesteuert.


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Abbildung 17: Analogmultiplexer ADG609BN Abbildung 18: Blockschaltbild des ADG609BN

4.5.9 Klinkenbuchse

Mit der Klinkenbuchse wird in erster Linie das Ausgangs-

signal der E-Gitarre abgegriffen. Des Weiteren verfügt sie

über zwei Wechselschalter, die bei Einstecken eines Klin-

kensteckers betätigt werden.

Diese Wechselschalter werden dazu verwendet, um die

Signale der Instrumente automatisch zu den Tiefpässen

zu führen.

Außerdem wird das Ausgangssignal des TP1 direkt oder

gedämpft zum Präzisionsgleichrichter geführt.

Abbildung 19: Klinkenbuchse mit

integrierten Wechselschaltern


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4.5.10 Festspannungsregler

Der Festspannungsregler LF33CV dient zur

Versorgungsspannung des P89LPC936

Mikrocontrollers.

Abbildung 20: Festspannungsregler LF33CV

Mit dem Festspannungsregler

LM2940_CT5 werden die LED-Anzei-

gen, der Analogmultiplexer, der

Auswahlkomparator und der Komparator

als Rechteckgenerator mit einer Be-

triebsspannung von +5V versorgt.

Außerdem kann jedes benötigte

Highsignal hier abgegriffen werden.

Abbildung 21: Festspannungsregler LM2940 CT5

4.5.11 LED Anzeige

Die Leuchtdioden der LED-Anzeigen sind direkt am Mikrocontroller angeschlossen. Die

Ansteuerung der LEDs erfolgt lowaktiv.


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Die Tonanzeige zeigt während des Stimm-

vorgangs die jeweilige Saite an, während die

Genauigkeitsanzeige die Abweichungen zur

genauen Tonbestimmung wiedergibt.

Es ist darauf zu achten, dass die Leistungs-

aufnahme von Ptot = 1,5W nicht überschritten

wird.

Abbildung 22: LED-Anzeige

4.6 Genauigkeit

Bei einer Frequenz von 329,63Hz des Tones Hoch_E entspricht ein Cent Abweichung 14

States. 1 State entspricht 0,07 Cent. Wird bei 25 Messungen jeweils ein States nicht mit

angerechnet, da die Messung schon zuvor beendet wurde, so entsteht eine Abweichung

von maximal +/- 1,79 Cent.

Rechnung:

329,63Hz entsprechen 24269,636 States

1 Cent Abweichung: 329,63 ∗ 2 ⁄ = 329,82

329,82Hz entsprechen 24255,621 States

24269,636 − 24255,621 = 14,015 = 1 !"

1 State = 0,07 Cent


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0,07 Cent * 25 = 1,79 Cent

Bei einem Quarz von 16MHz und einer Toleranz von +/-30ppm wäre die Maximalfrequenz:

16000480Hz, und die Minimalfrequenz: 15999520Hz. Laut Berechnung käme hier eine

Abweichung von +/-1,28 Cent dazu.

Rechnung:

PLCK_max = 8000240 Hz

PCLK_min = 7999760 Hz Periodendauer wäre dann: 125,0037501ns

Bei PCLK_min: Hier wären 329,63Hz nun 24268,90758 States.

Die Abweichung der States:

24269,636 States – 24268,90758 States = 0,73 States = 0,0511 Cent

0,0511 Cent * 25 = 1,28 Cent

Da das Programm ein Genauigkeitsfenster von +/- 2 Cent einbezieht, wäre die absolute

Genauigkeitstoleranz bei +/- 5,07 Cent.

4.7 Technische Eigenschaften

Stromverbrauch: max. 63 mA

Durchschnittlicher Stromverbrauch: 60mA

Lebensdauer mit einem 9V Block von etwa 600mAh beträgt etwa 10 Stunden und mehr

Operating Voltage: 7,5V ~ 10V

Toleranz der Messgenauigkeit: +/- 5,07 Cent


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5. Softwareentwicklung

Das Programm wurde in C ent-

wickelt und programmiert. Für

diese Applikation wird ein

P89LPC936 Mikrocontroller von

NXP-Phillips verwendet, da mit

diesem IC eine Taktfrequenz

von 16MHz möglich ist, was eine

saubere Frequenzmessung er-

möglicht.

Abbildung 23: Mikrocontroller im PLCC28 Gehäuse

5.1 Pinbelegung des Mikrocontrollers

Pin Port Betriebsart Anbindung

1 P2^0 Open Drain LED_TE

2 P2^1 Open Drain LED_A

13 P2^2 Open Drain LED_D

14 P2^3 Open Drain LED_G

20 P0^6 Open Drain LED_H

16 P2^5 Open Drain LED_HE

27 P2^6 Open Drain LED_min3



26 P0^1 Open Drain LED_gruen

25 P0^2 Open Drain LED_plus1



9 XTAL2 - Quartz (16MHz)


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8 XTAL1 - Quartz (16MHz)

6 Enable ab 12 MHz Input Only +5V

11 INT0 Input Only SIG_IN

7 VSS - V+

21 VDD - GND

Abbildung 24: Pinbelegungsplan

In den folgenden Punkten wird der Vorgang zur Frequenzmessung ausführlich erklärt:

5.2 Die Einheit States

Um genau zu sein, wird keine Frequenz, sondern die Periodendauer des Eingangssignals

gemessen. Die Angabe erfolgt in sogenannten „States“. Dieser Name ist mir als erstes in

den Sinn bekommen, da er aus dem Englischen übersetzt States = Beschaffenheit / Zu-

stand bedeutet. Zudem hat mir der Name auch ganz gut gefallen.

1 State ist in diesem Falle die Einheit einer Periode bei einer Frequenz von 8MHz (PCLK).

Somit hat ein State eine Periodendauer von 125 Nanosekunden.

5.3 Frequenzmessung

Durch das anliegende Rechtecksignal an Port 1.3 für den externen Interrupt kann jede

fallende Flanke des Instrumentensignals erfasst werden. Das heißt, mit jeder fallenden

Flanke wird eine Interrupt-Service-Routine kurz ISR (Interrupt 0) aufgerufen. In dieser ISR

wird entweder die Periodendauer des Gitarrensignals gemessen ( Zeit zwischen 2 fal-

lenden Flanken) oder die erfasste Periodendauer ausgewertet. Das Messen dieser Perio-

dendauer erfolgt mit Hilfe des Timer0. Direkt nach dem eine fallende Flanke den externen


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Interrupt am Mikrocontroller auslöst wird entschieden, ob der Timer gestartet wird oder ob

nun die Auswertung beginnt. Geht man davon aus, dass der Timer nun gestartet wird

beginnt sofort ein internes Zählregister des Mikrocontrollers an zu zählen. Da bei jedem

Überlauf dieses Zählregisters ebenfalls ein Interrupt ausgelöst wird, so wird die Interrupt-

Service-Routine des Timer0 aufgerufen. Hier wird lediglich gezählt wie oft diese ISR

aufgerufen wurde bzw. wie viele Überläufe stattgefunden haben. Es wird so lange ge-zählt

bis eine erneute fallende Flanke des Gitarrensignals kommt. Sobald dies geschieht wird

überprüft, ob gezählt wurde. Ist dies der Fall, so wird der Timer0 gestoppt und die

Auswertung beginnt:

Zuerst werden die States aus den Zählregistern TH0 und TL0 berechnet. Da ein Überlauf

genau aus 65536 States besteht wird die Anzahl dieser mitgezählten Überläufe mit ange-

rechnet. Die Anzahl der States bestimmt somit die Länge einer Periodendauer.

Beispiel:

Ton A = 110 Hz T = 9,0909ms

d.h. für Ton A werden $,$$%&

'(& = 72727,27 States angerechnet!

Da nach jedem Zählvorgang eine Berechnung statt findet, kann somit nur jede zweite Pe-

riode ausgewertet werden. Es ist möglich, eine Frequenz sehr genau zu erfassen. Um

sicherzugehen, dass die gemessene Frequenz nun auch wirklich stimmt, habe ich im

Maschinencode überprüft, ob Sprungbefehle etc. innerhalb der Frequenzerfassung zu

Genauigkeitsabweichungen führen. Ich konnte genau so viele Pushbefehle vor dem

Unterprogrammaufruf, sowie Popbefehle zum Rücksprung feststellen. Somit habe ich

keine Abweichung der Frequenz durch die Programmierung. Die Genauigkeit der ge-

messenen Frequenz hängt nun einzig von der Genauigkeit der Taktfrequenz des Quarzes

ab.


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5.4 Ausgabe des Instrumentensignals

Bevor das berechnete Signal ausgegeben wird, müssen 25 Berechnungen durchgeführt

werden. Dies verhindert ein späteres Flackern der LEDs. Aus diesen 25 Rechnungen wird

ein Mittelwert berechnet. Nun wird abgefragt, welche Unterfunktion aufgerufen werden

soll. Hierfür sind die 6 Bereiche der 6 Gitarrensaiten vorgegeben. Je nach Anzahl der

States von der berechneten Periodendauer des Instrumentensignals wird dementsprech-

end das jeweilige Unterprogramm aufgerufen. In diesen Unterfunktionen werden die LEDs

der Ton –und Genauigkeitsanzeige angesteuert. Im jeweiligen Unterprogramm werden zu-

erst die LEDs der Tonanzeige ausgegeben. Es wird gezeigt, welche Gitarrensaite ge-

stimmt wird. Direkt danach findet eine erneute Abfrage zur LED- Ansteuerung der Ge-

nauigkeitsanzeige statt. Hierfür sind jeweils weitere 7 Fenster vorgesehen (siehe Abb. 29).

Entsprechend der Statesanzahl gibt die Genauigkeitsanzeige die Genauigkeit des Tones

wider.

Die LED_gruen leuchtet bei einer Abweichung von +/-2Cent des Referenztones.

Die LEDs LED_min1 und LED_plus1 leuchten bei einer Abweichung von +/-10 Cent

Die LEDs LED_min2 und LED_plus2 leuchten bei einer Abweichung von +/-100 Cent

Die LEDs LED_min3 und LED_plus3 leuchten bei einer Abweichung von größer +/-100

Cent.

5.5 Anordnung der LED-Anzeigen

LED-Anordnung der Tonanzeige:

Hardware-

Bezeichnung

D9 D8 D7 D6 D5 D4

Software-

Bezeichnung

LED_TE LED_A LED_D LED_G LED_H LED_HE

Abbildung 25: LED-Anordnung der Tonanzeige


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LED-Anordnung der Genauigkeitsanzeige:

Abbildung 26: LED-Anordnung der Genauigkeitsanzeige

5.6 Genauigkeitsbestimmung des Gitarrentons

Die genauen Frequenzen der 6 Gitarrensaiten für die Töne E, A, D, G, H, E beziehen sich

auf den fest vorgegeben Kammerton A von 440Hz.

Die temperierten Tonhöhen der Gitarre lauten folgendermaßen:

Tief E: 82,41 Hz (97075,598 States)

A: 110 Hz (72727,273 States)

D: 146,83 Hz (54484,778 States)

G: 196 Hz (40816,327 States)

H: 246,94 Hz (32396,534 States)

Hoch E: 329,63 Hz 24269,636 States)

Abbildung 27: Frequenzzuordnung der temperierten Gitarrentöne

Da die Anzahl der ausgewerteten States die Tonhöhe bestimmt, wurde jeder Ton einem

Frequenzbereich und somit einer LED der LED-Anzeige zugeteilt:

Hardware-

Bezeichnung

D16 D15 D14 D13 D12 D11 D10

Software-

Bezeichnung

LED_

min3

LED_

min2

LED_

min1

LED_

gruen

LED_

plus1

LED_

plus2

LED_

plus3


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Ton: Unterer

Frequenzbereich:

Oberer

Frequenzbereich:

LED:

Tief E: 68 Hz

(117647,06 States)

96Hz

(83333,33 States)

LED_TE

A: 96 Hz

(83333,33 States)

129 Hz

(62015,50 States)

LED_A

D: 129 Hz

(62015,50 States)

172Hz

(46511,628 States)

LED_D

G: 172Hz

(46511,628 States)

222 Hz

(36036,036 States)

LED_G

H: 222 Hz

(36036,036 States)

289 Hz

(27681,661 States)

LED_H

Hoch E: 289 Hz

(27681,661 States)

372 Hz

(21505,376 States)

LED_HE

Abbildung 28: Frequenzbereichszuordnung der Tonanzeige

Im Unterprogramm wird gefragt, in welchem Genauigkeitsbereich sich der berechnete

Wert befinden. Demnach wird eine entsprechende LED angesteuert.

Für die Tongenauigkeit wurden folgende Bereiche gewählt:


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Abbildung 29: Zuordnung der Genauigkeitsbereiche

5.7 Struktogramme der Software

Abbildung 30: Struktogramm der Funktion Main

LED:

LED_

min3

LED_

min2

LED_

min1

LED_

gruen

LED_

plus1

LED_

plus2

LED_

plus3

Bereich: Oberer

bereich

-100 Cent -20 Cent -2 Cent +2 Cent +20 Cent +100 Cent Unterer

bereich

Ton TE:

(in States)

117647,059 102564,1 98203,56 97187,81 96963,52 95960,59 91954,02 83333,3

Ton A :

(in States)

83333,3 76923,077 73572 72811 72643 71891,9 68376,068 62015,50

4

Ton D:

(in States)

62015,504 57553,957 55117,86 54547,76 54420,99 53858,97 51282,05 46511,62

8

Ton G:

(in States)

46511,628 43243,2 41290,59 40863,51 40769,2 40347,51 38461,54 36036,04

Ton H:

(in States)

36036,04 34334,76 32772,96 32433,98 32359,1 32024,4 30534,35 27681,66

Ton HE:

(in States)

27681,66 25723,5 24551,64 24297,69 24241,6 23990,88 22922,64 21505,38


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Abbildung 31: Struktogramm der ISR Timer0

Hier wird als Beispiel

nur das Struktogramm

der Funktion ton_te ge-

geben, da die anderen

Funktionen die gleiche

Struktur besitzen ledig-

lich die Werte der

States verändert sind.

Diese können oben aus

der Tabelle entnommen

werden.

Abbildung 32: Struktogramm der Funktion ton_te


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Abbildung 33: Struktogramm der ISR ext. Int0


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6. Bedienungsanleitung:

Dieses Gitarrenstimmgerät ist für alle gängigen 6-saitigen Gitarren vorgesehen. Zu Beginn

muss das Gerät an eine 9V Blockbatterie angeschlossen werden. Anschließend wird das

Gerät mit dem EIN/AUS Schalter eingeschaltet. Direkt nach dem Einschalten kann mit

dem Stimmen der Gitarre begonnen werden. Die Geräte werden automatisch erkannt. Es

muss nichts weiter

vorgenommen wer-

den. Die Tonanzeige

zeigt an, welche Saite

im Augenblick ge-

stimmt wird.

Die Genauigkeits-

anzeige bestimmt die

Genauigkeit der zu

stimmenden Saite.

Abbildung 34: LED-Anzeige

Die grüne LED in der Mitte bestätigt, sobald die Saite richtig gestimmt wurde.

Links dieser LED befinden sich die tieferen Töne und rechts der grünen LED die höheren

Töne. Je weiter sich die Leuchtdiode von der Grünen entfernt, desto stärker ist die Saite

verstimmt. Zum Stimmen der Saiten Tief E und A muss darauf geachtet werden, dass die

Kontrollanzeige während des Stimmvorgangs leuchtet. Ist dies nicht der Fall, so ist ein

sicheres Gitarrenstimmen nicht gewährleistet. Zum Stimmen aller anderen Saiten muss

die Kontroll-LED nicht weiter beachtet werden.


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7. Fazit

Durch das selbstständige Arbeiten in Kombination zur tiefen Auseinandersetzung mit der

Elektronik und der Software-

programmierung konnte ich

in diesem Bereich sehr viele

praktische und theoretische

Erfahrungen sammeln.

Abbildung 35: Prototyp Gitarrenstimmgerät

8. Quellangaben

8.1 Linkliste der Informationen

URL Beschreibung

www.reichelt.de Onlineelektronikversand

http://de.wikipedia.org/wiki/Stimmgerät Gitarrenstimmgerät

http://de.wikipedia.org/wiki/Ton_(Musik) Der Ton als Klang

http://de.wikipedia.org/wiki/Harmonische Oberwellen

http://de.wikipedia.org/wiki/Cent_(Musik) Cent

http://www.ferromel.de/tronic_1906.htm Mikrofonverstärker

http://www.elexs.de/kap7_5.htm Mikrofonverstärker

http://de.wikipedia.org/wiki/Kammerton Kammerton


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8.2 Verweise auf Bücher

Titel Autor Verlag Auflagennr.

Keil C51 Michael

Baldischweiler

Electronic

Media

1

Halbleiterschaltungstechnik Tietze/Schenk Springer-

Verlag

8

Das große Werkbuch

Elektronik

Dieter Nührmann Franzis‘ 7

10. Inhalte der CD

Dokumentation

Software

Datenblätter

Struktogramme

Schaltpläne

Bilder

Zusatzinformationen

Documents

Dokumentation TA fertig - zgk-konstanz.de · Ein Ton im Sinn von Klang ist akustisch betrachtet ein komplexes Gemisch aus einem Grundton bzw. Grundfrequenz, der für die Tonhöhenwahrnehmung