129 gedämpfte Trittleitern (passiver Pegelsteller, DIY, erweiterbar)

[Spatz]

Hallo allerseits,

auf der Suche nach einem Pegelsteller für Mehrkanal-Audio (in meinem Fall idealerweise acht Kanäle symmetrisch) musste ich feststellen, dass die üblichen Lösungen entweder unzureichend genau (Potentiometer), oder aber ziemlich teuer sind (PGA4311, drehbare Widerstandssteller). Und da wir hier ja gerne basteln, dachte ich mir, dass hier vielleicht auch eine Bastellösung der richtige Weg ist...

Vom Grundkonzept her möchte ich einen Pegelsteller aufbauen, der nach dem Prinzip hintereinander geschalteter Spannungsteiler arbeitet, wie bei dem hier von Holger Barske (https://holgerbarske.com/diy/the-pegelsteller/) (Weiß jemand, wo die restlichen Teile des Artikels hin sind?) . Für meinen Aufbau möchte ich aber auf die ganze aktive Elektronik verzichten, und das ganze komplett passiv aufbauen, dafür aber einfach um weitere Kanäle erweiterbar.

Die Grundidee ist dabei folgende: Auf eine Gewindestange (M6x1mm) werden in gleichmäßigen Abständen Kodierscheiben montiert (hierbei hilft die Gewindesteigung von 1mm für den mechanischen Aufbau), an die von beiden Seiten Platinen mit Pogo-Pins gepresst werden. Die Kodierscheiben sind dabei über die Gewindestange drehbar, die Platinen mit den Anschlüssen bleiben statisch. Die Kodierscheibe ist dabei so designt, dass für jeden Kanal ein Pogo-Pin immer Kontakt mit der Kodierscheibe hat, während die beiden anderen Pogo-Pins abwechselnd eine Verbindung mit dem mittleren Pogo-Pin herstellen können. Durch leichte Überlappungsbereiche lässt sich so auch gleich ein Make-before-break-Verhalten herstellen, was auch bei kritischen Pegelwechseln lauteres Ploppen verhindern dürfte.

Mit 10mm Abstandsbolzen zwischen den beiden äußeren Platinen, und einer 1mm Platine in der Mitte ergibt sich genügend Abstand, um auf beiden Seiten eine flache Mutter (3.2mm) und eine PTFE-Unterlegscheibe (1mm) unterzubringen. Die 5mm hohen Pogo-Pins werden dabei um 0.5mm eingepresst.

Da es mit 128 Schaltstellungen keine Mittelstellung gibt, und sich der Drehknopf so nicht auf exakt 12 Uhr stellen lässt (und wir ja alle wissen, was ein krummer Lautstärkewert an Zwangsneurosen auslösen kann), hatte ich entweder die Wahl, auf 127 Stellungen zu gehen, und somit auf den letzten Schritt Dämpfung zu verzichten, oder aber, und dafür habe ich mich entschieden, einen 129ten Schritt einzuführen: Auf der untersten Pegelstufe wird ein weiterer Spannungsteiler mit einer sehr sehr hohen Dämpfung (-100dB oder sowas) eingefügt, der quasi als Mute funktioniert, aber immer noch für eine konstante Eingangsimpedanz sorgt. Mit einem Drehwinkel von 2,5° pro Schritt ergibt sich so ein Drehbereich von 320°.

Als Platine sieht die Rohversion der Kodierscheibe dann so aus:



Hier mal eine Erklärung der Ringe von außen nach innen:
Der äußerste Ring besteht nur aus Löchern. Der Pogo-Pin an dieser Position stellt keinen elektrischen Kontakt her, sondern dient nur dazu, dass die Kodierscheibe an den genau definierten Positionen einrasten kann. Das Loch für die Mute-Position ist minimal größer, so dass das Gefühl des Einrastens hier noch ein bisschen stärker sein sollte.
Die sieben darauf folgenden Ringe dienen der Kodierung der Lautstärke in binärer Weise.
Der achte Ring stellt die Mute-Schaltung dar, wie man sieht, wird hier erst in der äußersten Position der Kontakt gewechselt.
Der neunte, innerste Ring dient zur einfacheren Integration zusätzlicher Elektronik: Auf der einen Seite sind Kontakte, die Anfang und Ende des erlaubten Drehbereichs anzeigen. So könnte man z. B. einen Motor an die Achse anschließen, der dann automatisch an den jeweiligen Positionen stoppt, oder man nutzt die den Kontakt für das untere Ende, um ein Relais zu steuern, das z. B. die Endstufen aktiviert.
Auf der anderen Seite des innersten Rings sind die Kontakte wie bei einem handelsüblichen Drehencoder angeordnet, so dass ein Microcontroller auch die Zwischenschritte erfassen kann.
Die "Nase" an der oberen Seite dient dabei als Anschlag und stößt an den Endpositionen an die Abstandbolzen, kann aber auch dafür genutzt werden, um bei der Montage dafür zu sorgen, dass alle Kodierscheiben gleich ausgerichtet sind.

Bisher liegen aber alle Pogo-Pins auf einer Linie, und somit zu nah beieinander. Der nächste Schritt ist also, die Ringe untereinander so lange um 2,5° zu verschieben, dass für alle Pogo-Pins genug Platz auf den äußeren Platinen ist. Infolgedessen sieht das ganze nun sehr chaotisch aus:



Hier sind die dazugehörigen äußeren Platinen:



Die Platine, die auf der anderen Seite montiert wird, ist genau spiegelbildlich aufgebaut. Die äußeren Platinen sind 50x54mm groß. Als Widerstände können SMD0805, SMD1206 oder bedrahtete Widerstände verwendet werden.

Die gesamte Konstruktion für einen Kanal (Stereo oder Mono Symmetrisch) sieht dabei dann so aus (Gesamttiefe ohne Widerstände: 12mm):



Durch passende Abstandsbolzen lassen sich dabei mehrere Module hintereinander montieren, so dass die Anzahl der geregelten Kanäle eigentlich nur durch die physischen Abmessungen begrenzt ist.

Wo könnten Probleme entstehen?

Zum einen sind Pogo-Pins natürlich nicht unbedingt als Schleifkontakte ausgelegt. Da die Kodierscheibe aber auch mit einer dickeren Goldbeschichtung gefertigt werden kann, und wir somit einen Gold-auf-Gold-Kontakt haben, denke ich, dass hier keine allzu großen Probleme entstehen sollten. Außerdem wird die Achse auch eher behutsam gedreht, für den DJ-Bereich ist das Ding natürlich nicht geeignet. Die Pogo-Pins mit der höchsten mechanischen Belastung dürften die sein, die als Raste dienen, aber diese haben absichtlich keine elektische Funktion.

Ein weiteres Problem könnte ein gewisse Wobbeligkeit der Spitzen der Pogo-Pins darstellen, aber diese sind eigentlich ausreichend eingedrückt, und hier kann man eventuell noch was über das Design der Kodierscheibe optimieren.

Ein weiteres Problem könnte das Drehgefühl sein. Vermutlich ist es sinnvoll, die Pogo-Pins für die Rast-Funktion bei einem mehrkanaligen Aufbau nicht bei allen Kanälen zu bestücken. Und vermutlich ist es auch sinnvoll, die Achse noch besser zu lagern. Eventuell ist das dann eine Aufgabe für den 3D-Drucker.

Was haltet ihr von diesem Konzept? Ist es einen Versuch wert, oder gibt es irgendetwas, dass ich übersehen habe?

MfG,

Spatz

[kboe]

Und das wird dann echt billiger als PGAs
Von der mechanischen Empfindlichkeit/Lebensdauer und Kanalgleichlauf mal ganz abgesehen?
Irgendwie hör ich in meinem inneren Ohr da gaaaanz laut VERSCHLEISS.
Aber ich schließe da wohl von meinen nicht besonders ausgeprägten Feinmechanikerfähigkeiten fälschlicherweise auf andere....

[Spatz]

Und das wird dann echt billiger als PGAs

Nunja, ein PGA4311 kostet bei Mouser 17€, wenn man 16 Kanäle steuern will, braucht man also derer vier, das sind dann 86€. Dazu kommt noch die weitere Elektronik für die Ansteuerung, insgesamt dürfte man hier also nicht unter 100€ wegkommen.
Wenn ich für einen SMD-Widerstand mal großzügig 5 Cent rechne (also je nach Anbieter 1% oder 0.1% Toleranz), und wir für 16 Kanäle 17*16=272 Stück brauchen, dann kosten uns die Widerstände 13,60€.
Dazu kommen noch die Pogo-Pins, bei LCSC kosten die in der Menge ca. 8 Cent pro Stück, und wir brauchen maximal 28*16=448 Stück, dann kommen wir auf 35,84€.
8 Kodierscheiben mit extra dicker Gold-Beschichtung kosten bei JLCPCB ca. 8 € insgesamt (bei großeren Mengen natürlich weniger).
Die 16 äußeren PCBs kommen auch auf ca. 8 € insgesamt.
Wenn ich jetzt noch mit 50 Cent für die mechanischen Teile pro zwei Kanäle rechne, also 4€, dann komme ich auf Gesamtkosten von knapp 70€, wobei das natürlich bnei größeren Mengen auch noch in Richtung 50€ gedrückt werden kann.

Von der mechanischen Empfindlichkeit/Lebensdauer und Kanalgleichlauf mal ganz abgesehen?
Irgendwie hör ich in meinem inneren Ohr da gaaaanz laut VERSCHLEISS.

Der Kanalgleichlauf dürfte nur von den Toleranzen der Widerstände abhängen, und somit sehr gut sein. Die Frage ist eben: wie hoch ist der Verschleiss?

[Jesse]

Nunja, ein PGA4311 kostet bei Mouser 17€, wenn man 16 Kanäle steuern will, braucht man also derer vier, das sind dann 86€.

Äh, nicht ganz...

:::dann komme ich auf Gesamtkosten von knapp 70€:::

Was ungefähr aufs Gleiche rauskommt.

[Oldie]

Hallo Spatz,

danke für die ausführliche Beschreibung deines Vorhabens.
Das entspricht doch dem DIY Gedanken .

Probieren geht über studieren und Versuch macht kluch.
Weitermachen.

Übrigens...

jegliche guten Alpspotis haben bei uns im ultra verqualmten Übungsraum den Dienst versagt.

Verschleiss ?
Wieviele Umdrehungen sind denn Standard ?

Grüsse Michi

[_Nico_]

Hi Spatz,

ich glaube auch die PGA-Lösung wäre in Summe effizienter und zuverlässiger umzusetzen, aber ich finde Deinen Ansatz das Encoding in der Form mechanisch zu realisieren interessant und spannend.

Eine dickere Vergoldung scheint im ersten Moment sinnvoll, kann durch grooving aber zum Problem werden.
Hier ein Paper zu schleifenden Kontakten Gold auf Gold; da sind ein paar interessante Infos drin.
https://www.osti.gov/servlets/purl/1264302

Bei schleifenden Kontakten ist die korrekte Einstellung der Reibpaarung entscheidend. Scheint mir in diesem Fall jedoch nicht so ohne weiteres möglich, da allein PCB-seitig schon variabel/wechselnd durch Basismaterial, Lötstoppmaske, Kupfer und Goldauflage.

Sofern Du in der Richtung weitermachst schau Dir vielleicht einmal abrollende Pins an.
https://www.ccpcontactprobes.com/sit...ODUCTION_2.pdf

Bei den Haltbarkeitsangaben gehen die in Bezug auf die Strecke meines Wissens von einer durchgehenden Oberfläche aus.
Bei den Encoderscheiben wechseln sich die Oberflächen jedoch regelmäßig (mit kleiner Stufe / Unebenheit) ab; dieser Anwendungsfall wäre noch einmal eine Rückfrage beim Hersteller wert.
Ich vermute hier ist die Haltbarkeit daher eher über die „Stufen“ (Compression/Decompression) pro Umdrehung abzuleiten.

Gruß

Nico

[JFA]

(Fast) mechanikfreier und ganz softwarefreier Alternativvorschlag:
- Inkrementalgeber
- Richtungserkennung basteln (Kanal A bei steigender Flanke Kanal B auswerten, geht mit einem flankengesteuertem D-Flipflop)
- bidirektionales Schieberegister
- Jeder Ausgang des Schieberegisters schaltet einen FET und damit die Pegelstufen

[Yogibär]

Sehr guter Vorschlag. Ich schau mal, wie die Hardware dazu aussehen müßte.

Viele Grüße

Thomas

[capslock]

(Fast) mechanikfreier und ganz softwarefreier Alternativvorschlag:
- Inkrementalgeber
- Richtungserkennung basteln (Kanal A bei steigender Flanke Kanal B auswerten, geht mit einem flankengesteuertem D-Flipflop)
- bidirektionales Schieberegister
- Jeder Ausgang des Schieberegisters schaltet einen FET und damit die Pegelstufen

Oder ein Relais. Diskrete FETs müssten gehen, insbesondere, wenn sie auf hohen Eingangsimpedanz arbeiten. Bei integrierten wie 4053 hat man die nichtlineare Kapazität gegen Substrat.

[Yogibär]

Hallo zusammen,

Die Schaltung steht gedanklich.

Als Drehgeber ist ein Alps STEC12E08 mit 2 Taktspuren und einem Taster vorgesehen.
Ein CD4013BE Flipflop macht die Richtungsauswertung.
Das Flipflop steuert eine Kaskade aus 2 Binärzählern CD4516BE. Dieses IC kann vorwärts und rückwärts zählen und 4 Bit parallel ausgeben. Mit 2 hintereinander geschalteten Zählern erhält man 8 Bit, genügend für einen Einstellbereich bis 255 Schritte.
Der Taster des Drehgebers dient als Mute. Mit Hilfe des zweiten Flipflop wird er zum Toggle-Schalter, der das Signal stumm schaltet.
Der Audio-Signalpegel wird dann durch geschaltete Widerstände eingestellt. Als Schalter fungieren Signalrelais mit vergoldeten Kontakten. Die Komponenten für einen Testaufbau sind bestellt.

Sehr schön wäre es, wenn jemand noch Platinen von Holger Barskes Pegelsteller Projekt hat, das Spatz zu Anfang dieses Threads verlinkt hat. Vielleicht hat Holger selbst noch einige oder das Layout dafür.

Viele Grüße

Thomas

[JFA]

Moin,

schön, dass mein Vorschlag aufgefriffen wird. Manchmal habe ich doch gute Ideen Der Binärzähler statt Schieberegister aber auch.

Oder ein Relais. Diskrete FETs müssten gehen, insbesondere, wenn sie auf hohen Eingangsimpedanz arbeiten. Bei integrierten wie 4053 hat man die nichtlineare Kapazität gegen Substrat.

Du meinst, wenn die Ausgänge des Schieberegisters direkt die einzelnen Widerstandszweige schalten? Ist das denn dann relevant, geht ja nur nach Masse?
Aber das wäre natürlich nochmal eine Vereinfachung der Schaltung.

Relais statt FETs gehen natürlich auch, brauchen halt mehr Strom, dafür macht es schön klick-klack.

[Kleinhorn]

Könnte man nicht CD4066/16 oder ähnlich nehmen anstelle der Relais ? Dann wäre es komplett Verschleißfrei und ohne Klick-Klack...
Ich hab nicht so viel Ahnung, erinner mich aber an den C-Mos Preamp...

Pedda

[saddevil]

dann könnte man auch den wust weglassen und digitale potis einsetzen

https://www.analog.com/en/parametricsearch/12980


https://www.mouser.de/c/semiconducto...ntiometer-ics/

[capslock]

JFA, das mit FET-Schalter auf Masse verstehe ich nicht.

Kleinhorn, der CMOS-Preamp war zu Zeiten von LP ok. Ein FET, auch ein integrierter, hat einen Übergangswiderstand im Bereich von ein paar 10 Ohm, der sicher auch nicht ganz konstant ist. Wenn der auf einen Op-Amp-Eingang arbeitet, mag das ok sein. Blöd ist aber, dass die Kapazität auch mit der Signalspannung schwanken dürfte. Da der Spannungsteiler auch eine Ausgangsimpedanz von ein paar kOhm, d.h. es wird einen pegelabhängigen Tiefpass geben. Möchte man nicht, wenn man besser sein als ein Poti sein will.

Was ginge: den CMOS-Multiplexer bootstrappen, d.h. auf der gepufferten Signalspannung reiten lassen. Das geht mit PGA & Co. nicht.

[JFA]

JFA, das mit FET-Schalter auf Masse verstehe ich nicht.

Mein Fehler, hatte die Schaltung falsch im Kopf.

[Yogibär]

dann könnte man auch den wust weglassen und digitale potis einsetzen

https://www.analog.com/en/parametricsearch/12980


https://www.mouser.de/c/semiconducto...ntiometer-ics/

Man benötigt aber eine Steuereinheit mit Software, was gerade nicht gewünscht ist.

Dann ist eine Schaltung mit guten Relais die signaltechnisch beste Lösung.

VG Thomas

[JFA]

Gibt es ja vielleicht schon, quasi ein PGA mit Inkrementalgebereingang. Wäre ja kein Hexenwerk, da ein wenig einfachste Logik reinzubasteln, zumindest leichter als irgendwas mit I2C- oder SPI-Halbintelligenz.

Der hier zB: https://www.analog.com/en/products/a...oduct-overview
Ganz einfaches Up/Down-Interface mit CLK-Pin. Müsste gehen.

Aber Relais sind fetziger.

[Yogibär]

Nicht schlecht das Digital-Poti AD5111. Die Application Note zeigt als Beispiel die Ansteuerung mit einem mechanischen 2-Spur Drehgeber. Aber mit meinen "alten Augen und Fingern" bekomme ich den Winzling von 2 x 2 mm nicht mehr gelötet. Schade.

VG Thomas

[Yogibär]

Hallo zusammen,

Ich begeistere mich ganz schnell für eine Sache und lege sofort los, ohne groß nachzudenken.

So auch bei diesem Thema. Erst der Hinweis von JFA auf die Digitalpotentiometer-IC’s hat mich veranlasst, etwas systematischer an die Aufgabe heranzugehen. Meine Überlegungen fasse ich wie folgt zusammen:
Die Widerstandskaskade von Holger Barske ist sehr interessant, da sie rein passiv arbeitet und in jeder Stellung der Schalter einen konstanten Innenwiderstand aufweist. Relais als Schalter einzusetzen, ist sicherlich die sauberste, sprich verzerrungsärmste Lösung. Also für High-End prädestiniert. Allerdings ist der Aufwand zur Realisierung der Schaltfunktion hoch, insbesondere wenn mehrere Kanäle angesteuert werden sollen. Eine Volume Anzeige müßte separat aufgebaut werden. Entweder man nutzt die Ausgänge des Zählers oder die analoge Ausgangsspannung.
Bei den Digitalpotentiometer-IC gibt es eine relativ große Vielfalt. Sie unterscheiden sich in der Ansteuerung, der Auflösung, im Poti-Widerstand und der Anzahl der Potis.

Auf die ICs mit Datenschnittstelle (I²C und SPI) gehe ich nicht ein, da mein Ziel eine nachbausichere Hardware Variante mit Inkrementaldrehgeber oder Tastern ist.
Hierfür eignen sich folgende Typen:

1. AD5222: Vorwärts/Rückwärts Zähler, 2 Kanäle, 128 lineare Schritte, Widerstand: 10KOhm, 50kOhm, 100kOhm, 1MOHm, Balance Einstellung, Mittelposition bei Power ON, Mute, kaskadierbar, Bauform SO-14

2. AD5220: Vorwärts/Rückwärts Zähler, 1 Kanal, 128 lineare Schritte, Widerstand: 10KOhm, 50kOhm, 100kOhm, Mittelposition bei Power ON, Mute, Bauform DIP-8

3. DS1804: Vorwärts/Rückwärts Zähler, 1 Kanal, 100 lineare Schritte, Widerstand: 10KOhm, 50kOhm, 100kOhm, parametrierbare Poti-Position bei Power ON, Bauform DIP-8

4. DS1809: Vorwärts/Rückwärts mit 2 Tastern, 1 Kanal, 64 lineare Schritte, Widerstand: 10KOhm, 50kOhm, 100kOhm, letzte Poti-Position bei Power ON, Bauform DIP-8

Bei diesen Typen kann nur die analoge Ausgangsspannung für eine Volume Anzeige genutzt werden.

5. MAX5440: Vorwärts/Rückwärts Zähler, 2 Kanäle, 31 logarithmische 2 dB Schritte, Mute, Widerstand: 40KOhm, Balance Einstellung, -12 dB bei Power ON, Mute, Integrierte Volume Anzeige mit 5 LED , Bauform 24 SSOP

Bei Reichelt gibt es die Typen AD5220, DS1804-10 und DS1809-10 jeweils in 10kOhm Ausführung.
Den MAX5440 habe ich nur bei Mouser gefunden.

Im ersten Schritt werde ich mal versuchen, eine Schaltung mit den Typen AD5220-10 und DS1804-10 zum Laufen zu bringen.

Viele Grüße
Thomas

[saddevil]

Um die Nachbausicherheit würde ich mir keine Gedanken machen.


Die high Ender würden das eh nicht nehmen...
Da ist Digitalzeug drin ...
Und die Widerstände aus Silizium...


Und die anderen suchen was effizientes mit mehr Features.
Da ist der PGA oder der muses viel eleganter
Zumal man viele Bausätze findet mit schickem OLED