Inkrementale Drehgeber -
Realisierung mit dem Innenleben einer Computermaus

Die Änderung der Frequenz erfolgt bei prozessorgesteuerten VFO mit inkrementalen Gebern. Die Kosten industrieller Geber können hierbei Kosten für den Prozessor bei weitem überschreiten. Im folgenden wird die kostengünstige Realisierung mit einer PC-Maus beschrieben.

Veröffentlicht im Funkamateur (Heft 4/2002 S. 362)

1.Ausgangslage
Im Funkamateur wurde eine Schaltung für einen DDS -VFO veröffentlicht [1]. Die Steuerung und Anzeige übernahm ein Einchipmikroprozessor. Die Frequenzabstimmung erfolgte, wie bei modernen Transceivern üblich, mittels Drehgeber.

Die Kosten für den Geber (ca. 30 Euro) haben mich ursprünglich davor abgeschreckt, das Projekt in Angriff zu nähmen. Etwas Später kam mir die Idee, mit dem Innenleben einer Computermaus diesen Geber zu realisieren. Bei der Maus wird die Drehbewegung der Kugel auf zwei Rollen übertragen. Aus diese beiden Drehbewegungen werden Impulse erzeugt, die der Computer in die entsprechende Zeigerbewegung auf dem Bildschirm umsetzt.

Doch nicht nur bei dem oben erwähnten Projekt sind Drehgeber erforderlich. Auch wenn ein VFO mittels PLL und Prozessor gesteuert wird, ist eine Frequenzeinstellung über Drehgeber erforderlich. Die direkte Eingabe über Tastatur hat sich beim Absuchen eines Frequenzbereiches nicht bewährt.


2. Grundprinzip

Diese Drehbewegung wird einerseits in Impulse für den Drehwinkel und andererseits in eine Richtungsbewegung gewandelt. Für die Impulse genügt eine Scheibe, auf der Hell-Dunkel-Sektoren (z.B. Schlitze) angeordnet sind und die über eine Lichtschranke ausgewertet werden.

Am Ausgang der Lichtschranke stehen nun nach einer entsprechenden Signalwandlung Impulse proportional dem Drehwinkel zur Verfügung. Je mehr Sektoren auf dem Kreisumfang angeordnet sind, um so kleiner ist der erfassbare Drehwinkel.

Nun ist zur Steuerung von Schaltungen nicht nur der Drehwinkel von Interesse, sondern auch die Drehrichtung (z.B. Frequenzänderung auf/ab).
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Hierzu wird eine zweite Lichtschranke so angeordnet, dass diese Lichtschranken kurz vor oder hinter der Ersten schaltet (Impulse um ca. 90° versetzt). Aus den Impulsen der beiden Lichtschranken kann nun die zusätzliche Richtungsinformation generiert werden.


Wer weitere Informationen zu Aufbau und Wirkungsweise von diesen inkrementalen Drehgebern erfahren möchte, erfährt hierzu in [2] mehr.

Nun befinden sich in (fast) jeder Maus zwei dieser Gebermechaniken und je zwei (=vier) Lichtschranken. Zwar gab es auch in älteren Typen entsprechende mechanische Realisierungen, diese dürften aber zwischenzeitlich völlig verschwunden sein.

3. Mechanische Umsetzung
Aus meiner Sicht hängt die Verwendbarkeit des Mausinnenlebens maßgeblich davon ab, ob die Gebermechanik so umgebaut werden kann, dass die Mechanik in der Frontplatte einen vernünftigen Halt findet.

Die meisten Mäuse können mittels eines kleinen Kreuzschraubendrehers zerstörungsfrei geöffnet werden. Sollte man sich nach Begutachtung des Innenlebens nicht zu einem Umbau entschließen, kann die Maus wieder ihrer alte Bestimmung zugeführt werden (Rollen gleich mit reinigen!).

Das Mausinnenleben ist verwendbar:

1. Die Leiterplatte mit der Lichtschranke muss mit der Aufnahme der Geberscheibe, insbesondere der Lagerung, verbunden sein. Bei neueren Produkten ist dies häufig nicht mehr der Fall. Ersatzweise kann man sich überlegen, ob sich Mausboden mit der Lagerung der Lichtschranke und Leiterplatte verkleben lässt.

2. Der Achsenkopf (meist 4 mm Plast oder Metallrolle für die Mauskugel) muss einen Drehknopf aufnehmen können.

3. Zwischen Achsenkopf und vorderer Lagerung der Geberscheibe muss ausreichend Platz für die Befestigung in der Frontplatte vorhanden sein. Bitte nicht bei dem ersten Blick entmutigen lassen. 15 mm vom Achskopf bis zur Lichtschranke reichen für viele Anwendungen aus.

Wenig geeignet ist eine Mechanik, bei der nur die beiden Achsen-Enden gelagert sind. Da das eine Ende der Achse den Drehknopf aufnehmen soll, hat man hier ein Lagerproblem.

Sollte die Gebermechanik geeignet erscheinen, wird als nächstes eine geeignete Halterung in der Frontplatte gesucht. Hier entdeckte ich in der Bastelkiste ein altes Potentiometer. Bis auf dem Aluminiumgusskörper mit dem Gewindeteil M10 x 1 wurden alle weiteren Bestandteile entfernt. Das Gewinde wird so weit gekürzt, wie maximal für die Befestigung in der Frontplatte notwendig ist. Vor dem absägen oder abfeilen der überschüssigen Gewindegänge sollte man eine Flachmutter auf dem Körper aufschrauben. Abschließend wird noch die Rückseite des Gusskörpers mit einer Feile geglättet.

Mit diesem Teil wird geprüft, ob der Achsenkopf noch eine ausreichende Aufnahme zulässt. Die Rückseite der Halterung darf nicht in das erste Achsenlager hineinreichen, der Achsenkopf muss ausreichend aus der Halterung herausragen. Schnell wird man feststellen, dass der Drehknopf nicht sonderlich viel Platz auf der Achse hat. Es ist deshalb sinnvoll einen Drehknopf mit Spannbacken zu verwenden. Drehknöpfe mit Madenschraube benötigen eine Achsenlänge, die eine Realisierung meist unmöglich machen. Auch ein aufkleben auf dem Achsenkopf ist möglich. Da das Impulsrad der Maus auf die 1,5 mm Achse nur aufgesteckt ist, lässt sich der Knopf später samt Achse problemlos von der Frontpatte abziehen.

Das Heraustrennen der beiden Gabellichtschranken und der Achshalterung aus der Leiterplatte erfordert etwas Fingerspitzengefühl. Maßgeblich ist hier die spätere mechanische Funktionsfähigkeit. Auf die elektronische Beschaltung der Bauelemente braucht keine Rücksicht genommen werden, diese werden Neu beschalten.

Ob man die Teile mit einer Fein- oder Laubsäge heraustrennt oder mit einem Miniaturschleifer (z.B. Drehmel) herausfräst hängt von den persönlichen Gegebenheiten ab.

Bevor die Mechanik und Halterung (Potentiometerteil) mit Sekundenkleber verbunden wird, ist nochmals der freie Lauf zu kontrollieren. Da in den meisten Fällen die Leiterplatte stumpf die auf die Halterung geklebt werden muss, kann mit Epoxydharz oder einer Heißklebepistole die Stabilität der beiden Teile zueinander vergrößert werden.
 

4. Elektronik

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Von der Mauselektronik werden nur die beiden Gabellichtschranken verwendet. Die beiden LED der Lichtschranke sind daran zu erkennen, dass diese in der Regel in Reihe geschalten sind. Der Vorwiderstand sollte den Strom auf maximal 5 mA begrenzen. Ein guter Richtwert für R1 ist 1kOhm.

Mit einem Ohmmeter (Messbereich 100 kOhm) an den Anschlüssen der Fototransistoren müssten nun deutlich die Hell-Dunkel-Impulse beim langsamen durchdrehen des Geberrades festzustellen sein. Wenn sich der Anzeigewert nicht ändert ist entweder die Polarität des Messgerätes zu ändern, die Leiterplatte nach Verbindungen abzusuchen oder die Umgebungshelligkeit zu verringern!

Die Emitter der beiden Fototransistoren werden mit der Katode von LED2 zusammengeschalten. Außerdem werden die Kollektoren der Fototransistoren zur Impulsformung herausgeführt.

Die Impulse werden mit den Schmidt-Trigger-Gattern eines CMOS Schaltkreises 4093 zu Rechtecksignalen gewandelt. Mit einem der zwei D-Flip-Flops eines CMOS Schaltkreises 4013 wird die Richtungsinformation erzeugt. Dazu wird ein Signal auf den Takteingang C, das zweite Signal auf den Dateneingang D gelegt. Sowohl der Setzeingang S wie der Rücksetzeingang R (bzw. Cl) werden deaktiviert. Mit steigender Taktflanke am Takteingang wird der aktuelle Zustand des Dateneinganges an den Ausgang Q übernommen. Somit liegt am Dateneingang, in Abhängigkeit von der Drehrichtung vor oder nach dem Taktsignal, ein Signal an, welches bis zum nächsten Takt in Q gespeichert wird.

Zum ändern der Richtungsinformation sind die beiden Eingänge zu tauschen oder es wird die Information von Q\ statt von Q abgegriffen.

Ob die beiden Schaltkreise, wie auf dem Foto dargestellt, an dem Geber geklebt oder in die Anwenderschaltung eingefügt wird, bleibt dem Anwender überlassen.

Wie bereits oben erwähnt, kann die Umgebungshelligkeit die Funktion der Lichtschranken beeinträchtigen. Wer also die Schaltung bei Sonneneinstrahlung testet, braucht sich über merkwürdige Ergebnisse nicht zu wundern.

5. Zusammenfassung

Der Geber ist eine preiswerte Eingabe für prozessorgesteuerte PLL oder DSS- Oszillatorschaltungen. Die Auflösung (Impulse pro Umdrehung) des vorgestellten Aufbaues liegt meist unterhalb des von industriellen Drehgebern. Wird der Geber ohne Anpassung an eine Schnittstelle betrieben, sind, beispielsweise für die gleiche Frequenzänderung, mehr Umdrehungen notwendig.

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6. Anmerkung: 

Die primitive Auswerteelektronik funktioniert nicht zuverlässig, wenn das das Rad in "Ruhestellung" z.B. durch Schwingungen sich um einen Punkt vor und zurück bewegt. (Suchbegriff : "drehgeber gray code", Januar 2014).

 [1] A. Lindenau, VFO mit DDS, LC-Display und Mikroprozessorsteuerung, Funkamateur S. 1319 Heft 11/94 [2] M. Perner, Inkrementale Geber - Aufbau und Wirkungsweise, Funkamateur S. 1022, Heft 9/98