WALITO - Erfassung von Stoßbewegungen mit der Soundkarte

von Klaus-Dieter Grüninger
Landesbildungsserver Baden-Württemberg

WALITO

(1) Das Problem

Obwohl der Satz von der Erhaltung des Impulses neben dem Energieerhaltungssatz zu den fundamentalsten physikalischen Grundlagen gehört, ist seine messtechnische Erarbeitung im Physik-Unterricht nicht unproblematisch.
Üblicherweise wird man Experimente zum unelastischen und elastischen Stoß auf einer Rollen- oder Luftkissenbahn durchführen. Auch wenn man sich meist auf einfache Fälle beschränkt (gestoßener Körper ruht vor dem Stoß, v2=0) so haben doch - in der Regel - nach dem Stoß beide Stoßpartner eine Geschwindigkeit u1 und u2. Diese Geschwindigkeiten ermittelt man normalerweise über die Verdunklungszeiten von Lichtschranken.
Weil sich die Fahrzeuge auch noch meist in dieselbe Richtung bewegen, wird jede Lichtschranke mehrmals durchlaufen.

Aufbau

Das Problem besteht darin, die Zeit abzulesen und zu notieren bevor das zweite Fahrzeug dieselbe Lichtschranke durchfährt. Dies ist kaum zu bewältigen. Ideal wäre zur Erfassung und Speicherung dieser Zeiten einen Computer zu nutzen.

Zunächst wird man vielleicht an die Statusleitungen der Parallelschnittstelle denken. Aus der elektrischer Sicht wären diese ideal, da sie - wie die Lichtschranken auch - mit TTL Pegel (0V und 5V) arbeiten. Jedoch erlauben die neueren Windows Versionen keinen einfachen Zugriff auf die Schnittstellen mehr. Die Schwierigkeit liegt also darin, ein geeignetes Programm zur Zeiterfassung zu schreiben.

(2) Die Idee - WALITO (Wandler-Licht-Ton)

Viele Computer haben eine Soundkarte eingebaut, die man hervorragend für physikalische Messungen nutzen kann. Sie bietet zudem eine gute Entkopplung der Computerhardware von der Elektronik des Experiments.
Mit Free- oder Shareware Programmen wie z.B. Goldwave kann man die Soundkarte einfach für genaue Zeitmessungen nutzen, so dass man sich um die Software nicht mehr zu kümmern braucht.
( vgl. Messung der Schallgeschwindigkeit bzw. Experimente zum Freien Fall mit der Soundkarte).

Allerdings sind Soundkarten für die Erfassung von Tönen, also - physikalisch gesprochen - für die Erfassung von Wechselspannungssignalen bis etwa 20 kHz ausgelegt. (a)
Lichtschranken geben aber quasistationäre Gleichspannungen aus, die sich mit Soundkarten nicht ohne weiteres erfassen lassen. (b)

Als Ausweg bietet sich nur eine "Modulationsmethode" an:

Ein Generator erzeugt ein geeignetes Wechselspannungssignal immer genau dann, wenn die Lichtschranke verdunkelt ist, sonst gibt er keine Spannung ab. (c)

Bild Oszillograph

(3) Die Konzeption

Im folgenden Bild ist der prinzipielle Aufbau des WALITO im Blockschaltbild dargestellt.

'Blockschaltbild"'

Jede der beiden Lichtschranken 1 und 2 wird über 3 Leitungen mit dem WALITO verbunden. Dies sind Masse (-Pol), die Spannungsversorgung (+5V) und die Ausgangsleitung der Lichtschranke.

Manche Lichtschranken geben 5 Volt aus, wenn der Lichtstrahl unterbrochen wird, anderenfalls 0 Volt. Bei anderen Lichtschranken ist es genau umgekehrt. Um hier möglichst alle handelsüblichen Lichtschranken aller Hersteller anschließen zu können, sollte man das Signal der Lichtschranke bei Bedarf invertieren können.
Dies ist die Aufgabe der Invertierlogik.

Danach werden die Timer gesteuert.
Lichtschranke1 steuert den Timer 1. Dessen Ausgangssignal geht auf den linken Kanal der Soundkarte. Das Ausgangssignal der Lichtschranke 2 steuert Timer 2, dessen Tonsignal dem rechten Kanal der Soundkarte zugeführt wird.
So kann man sogar die gleichzeitige Verdunklung beider Lichtschranken problemlos auswerten.

Wenn man möchte kann man die Töne mit Hilfe jeweils eines kleinen Verstärkers mit Lautsprecher auch noch hörbar machen.

Die Invertierlogik.

Am einfachsten löst man dies mit einem EXOR-Gatter 74LS86. Wie dies funktioniert, zeigt ein Blick in die Funktionstabelle des IC 74LS86, der 4 solcher EXOR-Gatter enthält.
Mehr Info gibt es z.B. bei Elektronik Kompendium.

Legt man z.B. den Eingang A auf low (0 Volt) so ergibt sich am Ausgang Y derselbe Pegel wie am Eingang B (erste zwei Zeilen).

Ist der Eingang A auf high (5 Volt) so wird das an B anliegende Signal invertiert.

74LS86
Invertierschaltung

Da die Eingänge A und B gleichwertig sind, kann man sie auch vertauschen.
Es genügt ein einfacher Schalter, mit dem man das Potential an A umschaltet.
Eine etwas unorthodox geschaltete LED zeigt die Verdunkelung an.

Die Timer.

Im Mittelpunkt der Überlegungen steht der Timer IC 555 mit dem diese Schaltungsidee einfach und preisgünstig realisiert werden kann. Er wird als Rechteckgenerator betrieben. Möchte man ein symmetrisches Signal, muß der Widerstand R4 den doppelten Wert von R3 haben. Zusammen mit der Kapazität des Kondensators C bestimmt dies die Frequenz der abgegebenen Wechselspannung.

Wenn der Reset-Eingang 4 auf Potential 0 Volt liegt, werden keine Schwingungen erzeugt, liegt dieser Eingang auf "high" Potential (5 Volt) schwingt der Timer. Hier wird man also den Ausgang der Lichtschranke anschließen. Ein Potentiometer im passt das Ausgangssignal (0 V - 5 V an Pin 3) an den Maximalpegel der Soundkarte (1 Volt Spitze-Spitze) an.

Timer 555

Die genaue Funktion des IC zu beschreiben würde hier zu weit führen.
Wer sich für dafür interessiert, kann ein Datenblatt (auf Englisch) aber z.B. bei Conrad als .pdf-Datei herunterladen.

 

Die Verstärker

Wenn man möchte, kann man das abgegebene Tonsignal auch noch hörbar machen. Es wird dann ein "Piepton" abgegeben, wenn die Lichtschranke verdunkelt wird. Dazu wird das Signal über einen Lautstärkeregler auf einen einfachen Transistorverstärker gegeben, der einen billigen Kleinlautsprecher (8 Ohm ; 0,2 Watt) steuert.

Tonverstärker

Die Qual der Wahl.

Mit welcher Frequenz soll nun der Generator schwingen?

Für die Tonausgabe wäre eine Frequenz in einem "angenehmen" Tonbereich (also 400 Hz bis 1000 Hz) vorzuziehen. Eine einfache Überlegung zeigt aber, dass dies möglicherweise auf Kosten der Auswertgenauigkeit geht:
Unterstellt man Geschwindigkeiten von etwa 1 m/s und eine Breite des Verdunklungsreiters von 1 cm, so bedeutet dies eine Verdunklungszeit von 10 ms. Bei einer Frequenz von 1 kHz ist die Periodendauer 1 ms, d.h. man würde dann 10 Perioden während der Verdunklung registrieren. Den genauen Anfang und Ende der Verdunklung festzulegen, geht sicher mit der Genauigkeit von 1 Periode, man muss also dann mit einem prinzipiellen Messfehler von 10% rechnen.
Wählt man die Schwingungsfrequenz zu 10 kHz, so registriert man in derselben Zeit 100 Perioden und der Fehler reduziert sich auf 1 %. Bei noch größerer Frequenz wird dieser Fehler noch kleiner. Mehr als 20 kHz (also 0,5% Fehler) macht jedoch die Soundkarte nicht mit.
Umgekehrt ist eine Frequenz von 10 kHz oder mehr sehr unangenehm, wenn man sie hörbar macht. Es gilt also einen guten Kompromiss zu finden. Dieser dürfte bei einer Frequenz von etwa 2 bis 10 kHz liegen. Die Fehler liegen dann im Bereich zwischen 5% und 1% und der Ton ist noch nicht zu unangenehm.
Das erreicht man z.B. mit R3=510 Ohm, R4=1 kOhm und C zwischen 68 nF und 0,2 Mikrofarad.

Wer den Ton nicht hörbar machen möchte, spart Geld und hat dieses Problem natürlich nicht. Hier könnte man eine Frequenz von bis zu 20 kHz wählen und so die Möglichkeiten der Soundkarte voll ausschöpfen.

Man könnte mit dem Transistor auch einen Summer steuern, der dann mit seiner eigenen, festen Frequenz - unabhängig von der Timerfrequenz - schwingt. Der Transistor würde in diesem Fall einfach ohne Koppelkondensator gleichspannungsmäßig angesteuert.

(4) Nachbau und Inbetriebnahme.

Für jemanden, der schon einmal eine Platine angefertigt hat, ist der Nachbau der Schaltung recht einfach:

a) Folie für die Belichtung der Platine erstellen

  • Laden Sie das Layout der Schaltung (als Bitmap-Datei) hier herunter.(150 kByte) Bitmap-Datei
  • Starten Sie Word und binden die BMP-Datei als Grafik ein.
    Bitte verändern Sie die Größe des Bildes nicht, sonst passen die Abstände der IC-Pins nicht.
  • Nun drucken Sie die Seite am besten direkt mit einem Laserdrucker auf eine Kopierfolie für den Kopierer aus.
    Das Bild solle ca. 10 cm x 8 cm groß sein.

b) Erstellen der Leiterplatte.

  • Besorgen Sie sich in einem Elektronikladen oder beim Versandhandel eine einseitig kupferkaschierte Platine mit Photobeschichtung im ½ Europaformat (10 cm x 8 cm)
  • Die Schutzfolie wird entfernt und die Platinenlayoutfolie aus a) so darauf gelegt, dass man die Beschriftung lesen kann (also nicht spiegelverkehrt!) und alle Leiterbahnen auf der Platine sind.
  • Danach wird etwa 2 Minuten mit einer Belichtungslampe (UV-Anteil!) belichtet und die Platine dann entwickelt.

Der Photolack löst sich dabei an allen Stellen, an denen Licht auf die Platine kam. An den Leiterbahnen bleibt der Lack intakt. Nun kann man die Platine mit einem der üblichen Verfahren ätzen, übrig bleiben die Leiterbahnen. Anschließend wird die Platine gebohrt (1,0 mm Bohrer auf einer kleinen Standbohrmaschine).

c) Bestückung der Platine.

Obwohl die Abstände der Leiterbahnen auf dem Layout nicht kritisch sind, sollte man dennoch einen Lötkolben mit feiner Spitze und dünnen Lötdraht benutzen. Dann kann die Arbeit auch von geübten Schülern ausgeführt werden.

Drahtbrücken

Es sind zunächst einige Drahtbrücken zu legen (vgl. Drahtbrückenplan) Danach werden die Bauelemente eingebaut. Es empfiehlt sich die ICs auf Sockeln zu montieren. Die meisten Widerstände werden aus Platzgründen stehend eingebaut. Bei den ICs, den LEDs den Transistoren und Kondensatoren auf Polung achten! (vgl. Photo)

Die "Kerben" aller ICs zeigen nach links, d.h. der Pin 1 ist jeweils unten links. Als Anschlüsse nach außen findet man die Lichtschrankeneingänge (1), den Potentiometeranschluss für die Lautstärkeregelung der Verstärker (2), den Anschluß der Lautsprecher (3) und den Kontakt für den Inverterschalter (4).

Bitte unbedingt beachten:

Die Verstärker links und rechts sind nicht symmetrisch angeordnet, die Masseleitungen liegen jeweils außen, daher zeigen die Emitter der Transistoren jeweils nach außen und die Kollektoren nach innen.
Die Basis-Emitterwiderstände (R6) liegen ebenfalls außen.

Bestückung Walito

An den Ausgängen wird eine abgeschirmte Diodenleitung angeschlossen und endet an einem 3,5 mm Klinkenstecker, der in den Line-In-Eingang der Soundkarte eingesteckt werden kann.

Zur besseren Orientierung hier noch einmal das Photo des Mustergeräts:

Photo

d) Inbetriebnahme und Test

Die ganze Schaltung wird mit 5 Volt versorgt.

Wenn Sie die Tonverstärker benutzen möchten, müssen Sie unbedingt einen Lautsprecher angeschlossen haben, bevor Sie Spannung an die Schaltung legen, sonst könnte Ihnen der Transistor kaputtgehen (offener Kollektor).

Von den Steckverbindern wird die Versorgungsspannung für die Lichtschranken mitgeliefert. An den Steckverbindern ist der + Pol links, der Ausgang der Lichtschranke in der Mitte und der - Pol rechts.
Schließen Sie eine Lichtschranke an. Wenn nun die LED leuchtet, schalten Sie den Polungsschalter des 74LS86 um. Die LED müsste dann ausgehen und wieder aufleuchten, wenn der Lichtstrahl verdunkelt wird. Testen Sie dies mit beiden Eingängen. Immer wenn die LED leuchtet, sollte der Timer IC 555 schwingen. Überprüfen Sie dies, indem Sie die Spannung zwischen dem Ausgang des IC (Pin 3) und Masse oszilloskopieren. Schließlich werden die Regel-Trimmer so eingestellt, dass sich am Abgriff etwa 1 Volt Signalhöhe gegen Masse messen lassen. Dies macht man einmalig am besten ebenfalls mit dem Oszillokop.

(5) Testaufbau und Auswertung.

Einbauvorschlag Hier wurde die Karte zusammen mit zwei kleinen Lautsprechern, dem Lautstärkeregler und dem Umschalter als Testgerät in ein kleines Pultgehäuse eingebaut.
Man erkennt links die Anschlüsse für die 5 Volt Spannungsversorgung. Oben sind die beiden Lichtschranken angeschlossen. Rechts ist das Kabel für den Anschluß an die Soundkarte zu sehen.

Um die Funktion zu testen wurden zwei Lichtschranken an das Beispielgerät angeschlossen und dieses mit dem Line-In Eingang der Soundkarte in einem Laptop verbunden. Man kann auf dem Photo gerade noch erkennen, dass die erste Lichtschranke einmal unterbrochen wurde (links - 1. Kanal oben, grün) und die zweite Lichtschranke zweimal durchfahren wurde (rechts - 2.Kanal unten, rot).

Messaufbau

Mit der Lupenfunktion des Programms kann man die einzelnen Tonpeaks für die Verdunkelung herausvergrößern.

Zoom

Hier erkennt man das letzte Schwingungsintervall rechts bei etwa 3,3061 s und das erste Schwingungsintervall links bei 3,3033s, was eine Verdunkelungszeit von 0,0028s also 2,8 ms bedeutet. Wäre diese Verdunkelung von einem Verdunkelungsreiter der Breite b=1,0 cm=0,01 m ausgelöst worden, so hätte die Geschwindigkeit des Fahrzeugs v=b / t=0,01m / 0,0028s=3,57 m/s betragen.

Ferner zählt man 26 Peaks, daraus kann man erkennen, dass die Tonfrequenz des Generators knapp 10 kHz beträgt.

Windows-Programm zur Messung von Stoßexperimenten : stoss.exe (521 kB) ausführbares Programm

Viel Spaß und gute Messungen mit WALITO wünscht

Klaus-Dieter Grüninger
Landesbildungsserver Baden-Württemberg


Bezugsquellen für Elektronikteile findet man hier