Bandzählwerk

Echtzeitanzeige für Kassettenrekorder

elektronisches Zählwerk mit 7-Segmentanzeige für Tapedecks

Bedienung Funktionsbeschreibung Aufbau Schaltplan Platine Software

Telefunken TC 650 M

Ende 2013 hatte ich vergeblich versucht in dem seit vielen Jahren ungenutzten Kassettendeck eine Kassette abzuspielen. Das Telefunken TC 650 M mit HIGHCOM™ Rauschunterdrückung stammt aus dem Jahr 1982 und die Mechanik hatte im Lauf der Zeit gelitten. Die Zwischenzahnräder hatten sich aufgelöst und die Gummiriemen lagen zerbröselt auf dem Chassisboden.
Nachdem ich das Gerät wieder in einen funktionstüchtigen Zustand versetzt hatte wurde es auch elektrisch neu kalibriert.
Ab Werk ist das Gerät auf das BASF Chromdioxid Referenzband eingemessen. Aufnahmepegel und Vormagnetisierung für die übrigen Bandsorten leiten sich von dieser Grundeinstellung ab. Bei der Verwendung von Chromsubstitutbändern wie z.B. TDK SA-X ergeben sich jedoch Schwierigkeiten. Weil diese Bänder einen höheren Wiedergabepegel als das Bezugsband aufweisen, konnte ich sie nie mit HIGHCOM™ bespielen.
Weil hier noch ein Stapel unbenutzter japanischer High-Bias-Bänder liegt, ich aber nie mehr Ferrochrombänder neu bespielen werde, habe ich das Gerät in Stellung FeCr (Typ III / IEC III) auf das BASF Bezugsband U 564 W von 1987 eingemessen. Dafür musste die Bandsortenumschaltung nur geringfügig erweitert werden. Am Ende wurden alle Sollwerte laut Serviceanleitung erreicht bzw. übertroffen.
Mehr Informationen zu den verschiedenen Bandsorten hält Wikipedia bereit.
Die HIGHCOM™-Module hatte ich in den 80ern bereits mit "Soft-Switching" aufgerüstet und nach dem Einpegeln ist das Kompandersystem nicht mehr wiederzuerkennen.
Es sind keinerlei Pumpen, Atmen oder sonstigen Artefakte mehr hörbar.
Eine Aufnahme des auch vom Telefunken Entwicklungsteam als Kompandertest verwendeten Stücks "Tom´s Diner" von Suzanne Vega kann ich nicht von der parallelen CD-Wiedergabe unterscheiden. Eine Überprüfung mit "Brothers in Arms" von den Dire Straits brachte das gleiche Ergebnis.
Zufrieden mit diesem Erfolg hätte ich das Gerät jetzt eigentlich wieder zuschrauben und im Rack verkabeln können.
Dann wäre die Geschichte hier zu Ende.

mechanisches und elektronisches Zählwerk

Aber ich war angefixt von der Idee das mechanische Zählwerk noch irgendwie durch eine Digitalanzeige zu ersetzen. Und wenn ich das schon mache, dann doch bitte auch mit sekundengenauer Echtzeitanzeige. Das würde dem Gerät sicher gut zu Gesicht stehen und mir noch viele Jahre Freude daran bereiten.
Bei der Umsetzung der Aufgabenstellung hat mir eine Patentanmeldung der Robert Bosch GmbH aus dem Jahr 2002 nützliche Anregungen gegeben.
Die von mir gebaute Schaltung leistet Folgendes:

Anzeige der absoluten Bandposition in Minuten und Sekunden im Aufnahme-/Wiedergabe- und Spulmodus
Umdrehungszähler des Wickeltellers mit Ausgabe eines Stoppsignals bei Zählwerkstellung 0000
Anzeige der Kopfbetriebsstunden im Aufnahme- oder Wiedergabemodus
Anzeige vieler weiterer Daten möglich (welche vorwiegend zum Debuggen dienten) möglich

Bedienung

Video herunterladen: mp4 | ogg

Wird nach dem Einlegen einer Kassette in den Aufnahme- oder Wiedergabemodus geschaltet beginnt der Controller mit einer initialen Messphase.
Währenddessen zeigt das Display blinkend "CALC" und der Bedientaster ist gesperrt.
Ist die Messung beendet erscheint im Display die abgelaufene absolute Spielzeit "T" 5-stellig in H:MM:SS oder 4-stellig in MM:SS.
Es ist egal an welcher Bandposition sich die Kassette befindet, es ist kein Rückspulen und Nullen erforderlich!
Solange das Kassettenfach nicht geöffnet und der Rekorder nicht ausgeschaltet wird bleibt das Rechenwerk auf die eingelegte Kassette "gelockt".
Durch Einschalten des Gerätes mit gedrückt gehaltener Bedientaste kann der Anzeigemodus für die initiale Messphase gewechselt werden: der Taster kann bedient werden und statt "CALC" werden die bisher berechenbaren Daten gezeigt, nach erfolgter Synchronisation leuchtet als Indikator der Dezimalpunkt der letzten Anzeigestelle permanent.

Mit einem kurzen Tastendruck können weitere Werte rotierend in die Anzeige geholt werden.
Umdrehungen "U" oder die Kopfstunden "h".
Der letzte Tastendruck führt wieder zur Zeitanzeige.

Die Anzeige "U" für Umdrehungen gibt die Anzahl der Tellerumdrehungen an. Die Funktion entspricht der eines herkömmlichen mechanischen Zählwerks. Der Zähler ist an jeder Stelle mit einem langen Tastendruck rücksetzbar und steuert bei Erreichen der Zählwerkstellung "0000" den Nullstoppausgang für 0,5s an. Wenn der Kassettenrekorder über eine entsprechende Funktion verfügt, kann diese hierdurch ausgelöst werden.

Die Anzeige "h" zeigt die vollen Kopfstunden im Aufnahme- oder Wiedergabemodus an.
Ein Ausschalten des Rekorders mit gedrückt gehaltener Bedientaste setzt den Betriebsstundenzähler auf 0.
Man kann die Software bequem so anpassen, dass noch weitere Daten in selbst festzulegender Reihenfolge angezeigt werden zum Beispiel Banddicke, Bandlagen, Zeitfehler uvm.
Der Programmcode ist ausreichend kommentiert um die dazu erforderlichen Änderungen durchzuführen.
Beim Öffnen des Kassettenfaches wird "CASS" angezeigt und der Werte für die abgelaufene Zeit "T" wird auf 0 gesetzt.
Der Status "synchron" wird gelöscht und bei der nächsten Wiedergabe erfolgt erneut eine Initialmessung.

Funktionsbeschreibung

Ich komme nun zu etwas Mathematik, denn sie ist der Kern der Anwendung.
Die Herleitung der Formeln hier ausführlich zu erläutern ist mir allerdings zu mühsam.
Das Studium der o.a. Patentschrift und etwas Gehirnschmalz erlauben es dem Interessierten dies selbst nachzuvollziehen.
Der Lerneffekt dadurch ist nicht zu unterschätzen.

Die abgelaufene Spielzeit eines auf Spulen gewickelten Bandes ergibt sich nach folgender

Formel 1:

Pi, Wickelkernradius und Bandgeschwindigkeit sind bekannte Konstanten, so dass noch Banddicke und Zahl der Bandlagen auf dem Aufwickelteller ermittelt werden müssen um die Gleichung zu lösen. Die Zahl der aufgewickelten Bandlagen ergibt sich nach

Formel 2:

Der Wickelkernradius ist wieder eine bekannte Konstante und ich benötige nun weiterhin die Banddicke und den aktuellen Wickelradius, der umgekehrt proportional zur aktuellen Tellerdrehzahl ist und sich errechnen läßt nach

Formel 3:

Mit dieser Formel sind wir jetzt schon sehr nah an der Hardware dran.
Die Werte für Zählerstand, VorteilerZähler und Controllertakt beziehen sich auf den die Umdrehungen des Aufwickeltellers messenden Timer im Controllerbaustein. Die Zahl der Weißfelder auf der Welle des Wickeltellers, siehe weiter unten, geht natürlich auch in die Berechnung ein.
Um die gesuchte Spielzeit abschließend berechnen zu können muss jetzt nur noch die Banddicke bekannt sein.

Bei dieser TDK MA-G 90 wurde eine Banddicke von 12,0 µm ermittelt

Aber wie soll man an den Wert rankommen? Die Mikrometerschraube kann man ja nicht vor jedem Kassettenwechsel ansetzen.
Nach meinen Informationen sind in die Gehäuse von C120, C90 und C60 Kassetten Bänder mit 9µm, 12µm und 17µm eingespult. Eine C120er Kassette oder andere Zwischengrößen standen mir während der Entwicklung nicht zur Verfügung.
Die hier vorgestellte Schaltung hat allerdings bei C90 und C60 Kassetten Banddicken ermittelt, die auch mal bis zu 2µm von den 12µm oder 17µm abweichen.
Weil an meinem Rekorder keine Eingabemöglichkeit für einen Banddickenwert besteht und auch nicht angebaut werden soll und ich darüberhinaus nicht jede Kassette vor der Benutzung vermessen kann und möchte wurde ein Weg beschritten, die Dicke des Magnetbandes vom Rekorder selbst bestimmen zu lassen.
Dazu führt das Gerät im Wiedergabe- oder Aufnahmemodus nach einem Kassettenwechsel eine initiale Messphase durch. Der Controller ermittelt die momentane Winkelgeschwindigkeit des Aufwickeltellers über eine Sensoreinheit und berechnet daraus den Wickelradius. Mit dem Wert des Wickelradius der einige Umdrehungen vorher gemessen wurde kann nun mittels nach der Banddicke aufgelöster Formel 2 der gesuchte Wert errechnet werden. Dieser schwankt wegen der mechanischen Unzulänglichkeit des Compact-Cassetten-Systems und muss durch Filterung beruhigt werden. Die Anwendung nutzt verschiedene Filtertiefen um während der Synchronisierphase möglichst schnell zu einem gültigen Wert zu kommen und dann im weiteren Betrieb einen möglichst stabilen Wert sicherzustellen.

eine Kassette mit Messschieber und elektronischen Bauteilen liegen vor einem Kassettendeck

Digitaltechnik kann präziser als Mechanik sein

Wenn alle relevanten Werte innerhalb ihrer Grenzen und ausreichend stabil sind, nicht aber vor Beginn des Synchronisierfensters von 20 Umdrehungen wird die errechnete abgelaufene Zeit in die Anzeige übernommen, das Flag "Synchron" gesetzt und die Zeit im Display quarzgenau weitergezählt.
Am Ende des Synchronisierfensters von 50 Umdrehungen wird die Synchronisierung mit der bis dahin ermittelten Banddicke in jedem Fall erzwungen, auch wenn diese noch nicht stabil und korrekt sein sollte. Im laufenden Aufnahme- oder Wiedergabebetrieb wird die Banddicke im Hintergrund permanent weiter ermittelt und geht in die laufenden Berechnungen ein.
Nach der Synchronisierung läuft die Zeit in der Anzeige quarzstabil weiter. Die Spielzeit wird anhand der einlaufenden Daten im Hintergrund weiter berechnet. Diese läuft aber besonders zum Bandende hin oder wenn die Banddickenermittlung stark schwankende Werte liefert etwas ungleichmäßig oder zieht langsam weg. Die quarzgeführte Zeit wird bei Abweichungen gewichtet an den Wert der errechneten Zeit herangeführt.
Da die Spielzeit beim Umspulen nicht mehr aus der Quarzzeit abgeleitet werden kann muss sie in dieser Betriebsart aus den Bandlagen errechnet werden.
Die errechnete Spielzeit unterscheidet sich aber gelegentlich um einige Sekunden von der Zeit in der Anzeige. Das würde zum Beginn des Umspulens zu einem Sprung in der Zeitanzeige führen. Damit dies nicht geschieht wird beim Stoppkommando der Bandlagenzähler auf dejenigen Wert gezwungen, für den errechnete Zeit und Zeit im Display identisch sind.
Die Umsetzung der entsprechenden Rechenanweisung in Assemblercode war etwas mühsam und erfolgt nach folgender

Formel 4:

Im Aufnahme- und Wiedergabebetrieb wird alle 10 Sekunden der Kopfstundenzähler bedient.
Seine Tiefe von 24 Bit reicht für 2²⁴/360 Sekunden = 46603 Stunden.
Beim Ausschalten des Kassettendecks werden die letzten Werte für Zählwerksstand, Banddicke und Kopfstunden sowie die Betriebsart ins EEPROM gerettet.
Nach dem Einschalten wird der Controller mit diesen Werten initialisiert.
Der in dieser Anwendung minimale erreichbare Anzeigefehler beträgt ca. 2 Sekunden, was bei einer C90 Kassette ca. 0,1% Abweichung von der realen Bandposition bedeutet. Über viele Kassetten ermittelt liegt der mittlere Fehler bei unter 0,6% oder 15 Sekunden.
Wie wurden die Abweichung ermittelt?
Eine C90 Kassette wurde mit SMPTE Timecode bespielt und ein Timecodeleser an den Kassettenrekorder angeschlossen. So lassen sich die Anzeigen von Timecode und Echtzeitanzeige an jeder Bandposition direkt vergleichen. Wenn die Startzeit verschiedener Lieder auf einer Kassette exakt vermessen ist lassen sich Abweichungen ebenfalls genau ermitteln. Man kann auch ab Bandanfang eine Stoppuhr mitlaufen lassen oder prüft wie weit die Zeitanzeige nach dem Rückspulen von Null abweicht.

Aufbau

Wickelteller eines Kassettenrekorders mit Schwarz-weiß-Muster und Abtasteinheit aus 2 Lichtschranken

Abtasteinheit am Aufwickelteller

Da jeder Kassettenrekorder anders aufgebaut ist kann die nachfolgende Beschreibung lediglich als Beispiel für einen Umbau dienen. Man muss sehen wie sich die Möglichkeiten der vorhandene Rekorder mit den eigenen mechanischen Fähigkeiten vereinbaren lassen.

Der Aufwickelteller ist bei meinem Gerät mit einem Streifenmuster mit 8 weißen und 8 schwarzen Feldern versehen, welche von 2 Reflexlichtschranken abgetastet werden. Dazu wurde eine entsprechende Vorlage im Rechner angefertigt und auf Papier ausgedruckt. Der Streifen ist dann mit dünnem doppelseitigem Klebeband auf der Walze fixiert.
Die Lichtschranken A und B werden so angeordnet, dass eine auf die Mitte eines Weißfeldes gerichtet ist und die andere genau auf den Übergang zwischen einem Weiß- und einem Schwarzfeld zeigt.
Auf dem Foto links erkennt man bläulich die Infrarot-Leuchtflecken, die die LEDs erzeugen. Das menschliche Auge nimmt hier in Wirklichkeit nichts wahr, der Fotoapparat "sieht" das IR-Licht jedoch.
Ein Verblassen des Drucks, ein Verschmutzen des "Zebrastreifens" oder geringe mechanische Ungenauigkeiten sollten keine nennenswerten Auswirkungen haben, da der Controller die Drehzahl des Wickeltellers immer über ganze volle Umdrehungen ermittelt und sich so Schwankungen innerhalb einer Umdrehung ausgleichen.
Bei anderen Rekordern sind je nach mechanischem Aufbau segmentierte oder geschlitzte Scheiben oder Trommeln möglicherweise besser geeignet um die Tellerbewegungen zu detektieren.
Je nach verwendeten Sensoren können Anpassungen an den dazugehörigen Komparatorschaltungen nötig werden um den richtigen Arbeitspunkt für die Phototransistoren einzustellen.
Wenn der Umdrehungszähler vorwärts und rückwärts unterschiedlich zählt oder irgendwie hakelig läuft ist das ein sicheres Zeichen für eine notwendige elektrische oder mechanische Justage der Lichtschranken.
Läuft das elektronische Zählwerk später in der falschen Richtung gibt es verschiedene Möglichkeiten zur Korrektur:
- die Tabelle zur Drehgeberdekodierung in der Datei "daten.inc" ändern
- die Signalausgänge Geber A und Geber B vertauschen
- den Blickwinkel eines Gebers auf dem Radumfang um ein Feld in oder gegen die Drehrichtung versetzen

Auschnitt aus dem Innenleben des Kassettendecks

vom Sensor
Wickelteller

Sensor
Kassettenfach

Anzeige und
Tasterblock

Kabel von Anzeige- und Tasterblock, Lichtschranke C und Abtasteinheit

Eine dritte Lichtschranke C ist nach eigenen Möglichkeiten so in die Mechanik des Rekorders zu integrieren, dass ein geschlossenes Kassettenfach oder eine eingelegte Kassette detektiert wird.
Am Platz des ehemaligen mechanischen Zählwerks befindet sich jetzt die Einheit mit LED-Anzeige und Bedientaster.
Das ist eigentlich das Schwierigste überhaupt an dem ganzen Umbau. Schließlich soll sich die Anzeige so in die Front einfügen, als wäre sie schon immer da gewesen. Der ehemalige Rücksetztaster für das Zählwerk wirkt nun auf einen elektrischen Schließkontakt mit dem das elektronische Zählwerk bedient wird.

auf der Hauptplatine laufen alle Leitungen zusammen

Im Chassis des TC 650 M ist Platz frei um genau eine Platine nachzurüsten. Welche Option da ursprünglich mal vorgesehen sein könnte ist mir leider nicht bekannt. Ich kann mich aber freuen, denn meine Zählwerkplatine passt dort so gut hin als ob sie dafür gebaut wäre.

Schaltplan

Gesamtschaltplan mit Stückliste

Die Schaltung besteht im wesentlichen aus der 5V Versorgung, einer Versorgungsspannungsüberwachung, einem Controller ATMEGA 8 mit 4 MHz Quarz, 3 Lichtschranken mit einem LM339 4-fach Komparator und der Anzeige mit Treibern.
Die Anzeige kann 4- oder 5-stellig aufgebaut werden; bei 4-stelliger Nutzung wird einfach LED 1 nicht bestückt/angeschlossen. Damit der Controller die Anzeigedaten später richtig aufbereitet ausgibt muss die Software mit der entsprechenden Anweisung assembliert werden.
Ich habe bewußt darauf verzichtet elektrische Verbindungen zur Laufwerkssteuerung herzustellen weil so die Schaltung universell einsatzbar bleibt. Damit ist der Besitz der Schaltungsunterlagen des Rekorders nicht zwingend für den Einbau in das eigene Gerät erforderlich. Der momentane Betriebszustand (Wiedergabe, Spulen Stopp) wird nur anhand der Drehzahl erkannt.
Die Schaltung erwartet 12 Volt WECHSELSPANNUNG an ihrem Eingang, die direkt dem Trafo des Rekorders entnommen werden kann oder von einem separaten Trafo bereitzustellen ist. Die Stromaufnahme beträgt maximal 190mA und verringert sich bei 25% Displayhelligkeit auf 90mA.
Das Abschalten der Versorgungsspannung erkennt der Controller über Pin B4 worauf das Display und die IR-LEDs der Lichtschranken sofort deaktiviert werden, damit die Ladung im Speicherkondesnator C1 noch sicher für das Retten von Daten in das EEPROM ausreicht.
Bei Anschluss an die Gleichspannungsversorgung des Rekorders funktioniert dies nicht!
Wenn das Laufwerk über eine Möglichkeit verfügt es durch einen Schließkontakt in den Stoppmodus zu versetzen, kann der entsprechende Ausgang der Steuerplatine dazu benutzt werden.

Platine

Bestückungsplan als PDF zum Download

Die Schaltung wird auf einer einseitigen Platine mit bedrahteten Bauteilen herkömmlich aufgebaut. Es sind 5 Drahtbrücken erforderlich.
Platinenlayout und Software sind für Anzeigen mit gemeinsamer Anode oder Kathode ausgelegt.
Bei Verwendung einer Anzeige mit gemeinsamer Kathode werden als Transisoren T1 bis T5 NPN-Typen eingelötet und eine Lötbrücke von der gemeinsamen Emitterleitung nach Masse hergestellt. Um Anzeigen mit gemeinsamer Anode anzusteuern bitte PNP Transistoren einsetzen und die Lötbrücke von der Emitterschiene nach +5 Volt herstellen.
Im Betrieb bleibt St7 unbelegt, da er nur zur Programmierung des Controllers über die ISP-Schnittstelle dient.
Da die unterschiedlichsten Anzeigen angeschlossen werden können gibt es dafür kein Platinenlayout: die Verdrahtung zum Display, dem Taster und der Nullstoppsteuerung ist nach eigenem Ermessen auszuführen. Die Anschlussreihenfolge der 8 Anzeigesegmente A bis G und dp kann frei gewählt werden.
Wenn im Bereich "Verdrahtung Port C" der Datei "tapetimer.asm" die reale Verdrahtung der Anzeigesegmente abgebildet wird leuchten die Zeichen später sinnrichtig.
Die grüne LED liegt parallel zum Nullstoppausgang das Controllers und hat keine weitere Funktion, sie kann zu Debugzwecken genutzt werden oder bleibt zusammen mit R16 unbestückt.

Platinenlayout der Steuerplatine als PDF

Software

Die Software kann vor der Assemblierung in das hex-File an die eigenen Bedürfnisse angepasst werden.
Im Bereich "Definition fester Werte" wird z.B. die Anzeigehelligkeit, die Anzahl der gewünschten Digits, der verwendete Anzeigentyp uvm. festgelegt. Mit vielen anderen Parameter kann bei Bedarf experimentiert werden.
Der Code ist entsprechend ausführlich kommentiert.

Tapetimersoftware V1.5 (Quellcode in Assembler) als zip-File

Bei Fragen oder Anregungen kann gerne Kontakt mit mir aufgenommen werden.
Die Daten dafür befinden sich auf der Startseite.
Es muss jedoch auch mal mit längeren Antwortzeiten gerechnet werden.