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Inhalt: Projektbeispiel mit Analogdesign und Mikroprozessorentwicklung:
Betterphaser für Audio- und Video-Geräte zur Netz-Ausphasung

Projekt-Beispiel: Betterphaser, ein Audio-Video Phasenlagen Detector (Phasendetektor für Hifi- und HighEnd-Anlagen)

Die Aufgabe war die Entwicklung eines Phasendetektors in einem sehr kostensensitiven Umfeld für den Consumer-Markt durchzuführen.

Dabei spielte jeder einzelne Widerstand und Kondensator kostentechnisch eine Rolle.
Ein Mikroprozessor zu einem etwas geringeren Preis als ein 4-fach Operationsverstärker zu verwenden, war der Ansatz und die Basis dieser Entwicklung. Zudem konnten einige zusätzliche passive Bauteile eingespart werden.

Audio-Video Phasenlagen Detectoren (Phasendetektor) werden im Bereich der Hifi-Anlage, der High-End-Audio-Technik oder auch in der Studio-Technik zum Ausphasen der Geräte zueinander verwendet.
Das grundsätzliche Problem ist, Störströme auf der Erdleitung richtig abzuleiten, um Dynamik begrenzendes Rauschen zu verringern.
Dazu werden Frequenzsignale bei ausgeschaltetem Gerät (Audio- oder Video-Gerät) in beiden Phasen des Geräte-Netzsteckers eingespeist.
Eine Messeinrichtung misst dann die Ableitung der Störströme entweder über den Erdungskontakt bei Schuko-Steckern oder über eine separate Erdungsleitung an einem Massekontakt einer Chinchbuchse bei Eurosteckern.
Wenn nun wechselseitig in den Netzstecker eingespeist wird, kann man erkennen, an welchen Netz-Kontakt der größerer Störstrom abgeleitet wird.
Werden dann alle Geräte in einer Vielfachsteckdose gleichphasig eingesteckt, so minimieren sich die Rauschprobleme.

Der wesentliche Vorteil von batteriebetriebenen Audio-Video-Phasern ist, dass der Endkunde nicht mit gefährlicher Netzspannung (230Vac) in Berührung kommen kann.
Den bei der Spannungsmessungs-Methode müssen bei Schukosteckern für den Test die Erdungsklemmen mit Klebeband isoliert werden, um eine Spannungsableitung messen zu können.
Wird dann das Klebeband vergessen abzuziehen, können tödlich Spannungen am Gehäuse auftreten!
Haftungsrisiken für den Hersteller bzw. den Vertrieb werden durch den batteriebetriebenen Betterphaser auf ein Minimum reduziert.

Designschritt: Analog-Entwicklung / Schaltplan

In diesem Designschritt werden Ideen gesammelt und auf Realisierbarkeit hin überprüft.
Ein erster Schaltplan wird gezeichnet und die verwendeten Bauteile auf Verfügbarkeit hin untersucht.
In diesem Designschritt entsteht dann auch die Stückliste mit Hersteller- und Bestellinformationen.

Schaltplan des neuen Betterphaser  Stückliste des neuen Betterphaser

Designschritt: Simulation von Funktionsblöcken

Wenn Funktionsblöcke aus dem Schaltplan unsicher sind, werden sie vorab simuliert.
Konkret bedeutet dies, dass die Schaltungsteile in ein neues Schaltplanblatt kopiert werden und simulationstypische Elemente hinzugefügt werden.
Wenn dann der Frequenzgang, die Impulsantwort oder der Signalverlauf mit den Erwartungen stimmig ist, kann das Design so übernommen werden. Ansonsten muss dann im Simulator der Funktionsblock geändert bzw. angepasst werden.

Simulations-Schaltplan des neuen Betterphasers  Simulations-Plott des neuen Betterphasers  Oszilloskop-Screenshot von Audio-Video-Phaser Testsignale

Designschritt: Layoutentwicklung und Überprüfung per 3D-View

In diesem Designschritt sind alle mechanischen Eckpunkte definiert und ein Schaltplan liegt ebenfalls vor.
Über die Netzliste wird der Schaltplan mit dem Layout verbunden. Bei diesem Transfer kann man schon sehen, ob Bauteile falsch zugeordnet oder nicht vorhanden sind.
Ist die Netzliste zu 100% fertig gestellt, sind auch alle Bauteile im Layout neben der Leiterplatte liegend vorhanden.
Nun beginnt das Placing der Komponenten nach den Gesichtspunkten EMV, Gruppierung, Steckerlage, etc.
Schon in diesem Zustand kann man im 3D-View Editor sehen, ob Bauteile zu eng aneinander liegen oder ob es andere Kollisionen gibt.
Nach dem Placing erfolgt das Routing durch verlegen von Leiterbahnen (Tracks).
Sind nun alle Bauteile platziert und verdrahtet, erfolgt abschließend ein weiterer Check im 3D-View.

Layout des neuen Betterphaser  3D-View des neuen Betterphaser

Designschritt: Softwareentwicklung

Parallel zur Hardwareentwicklung liefen auch schon die ersten Tests der Softwareentwicklung.
An einem Prototypaufbau auf Lochrasterplatine können die einzelnen Funktionsblöcke der Software getestet werden.
Mit einem 4-Kanal Oszilloskop werden die Aus- und Eingangssignale am Mikrocontroller auf Richtigkeit hin überprüft.
Sobald dann die "neue Hardware" fertig ist, geht dann natürlich die Entwicklung auf dieser Leiterplatte weiter.

Entwicklungsumgebung für Microchip PIC

realisiertes Produkt

Eine bestückte Platine unterscheidet sich nur in einem geringe Masse von dem Aussehen im 3D-View.
Mit einem entsprechenden Gehäuse bekommt dann auch die Leiterplatte einen Schutz.

Betterphaser von der Platinenseite  der neue Betterphaser V1.0 im Steckdosengehäuse

Features

Durch den Einsatz eines Mikroprozessors konnte sich die Entwicklung, gegenüber den sonst am Markt verfügbaren Modellen, durch weitere Alleinstellungsmerkmale hervorheben:

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