Nostalgie-Projekt #16 - Messungen mittels Oszilloskop

11.10.2023

Um die weitere Vorgehensweise in diesem Projekt genauer spezifizieren zu können, war es notwendig, einige Messwerte aufzunehmen und Vergleiche anzustellen. (Achtung, es wird ein wenig wissenschaftlich. )

(1) Auf diesem Foto seht ihr das eingesetzte Messgerät, ein Oszilloskop. Dabei handelt es sich um ein Laborgerät zum Erfassen, Verarbeiten, Anzeigen und Analysieren der Signalform und Bandbreite elektronischer Signale – in unserem Fall die Spannung. Das Gerät kann diese Kurven als zeitliche Verläufe darstellen und man kann sie sich entsprechend skalieren und anschauen. Auch eine Übertragung der Daten auf Rechner ist möglich, war in unserem Fall aber nicht so einfach umzusetzen, da das Gerät schon ziemlich alt ist (am Ende klappte es aber doch noch).

(2) Hier seht ihr eine selbstgebastelte (etwas wild zusammengeklatschte) Laborplatine, die mein Mann auf die Schnelle für Probemessungen angefertigt hat. Sie bildet die Elektronik der Spannungsüberwachung (für die Akku-/Batterieanzeige) sowie einer Einschaltverzögerung ab. Die Idee hinter der integrierten Einschaltverzögerung ist Folgende: Der gemoddete Game Boy Color (GBC) weist das Problem auf, dass er manchmal nicht auf Anhieb startet. Bei vollen Batterien oder Akkus tritt dies seltener auf, bei verbrauchten Akkus wesentlich häufiger. Man betätigt dann den Netzschalter und hört nur einen leisen „Fietsch-Ton“. Manchmal startet er dann nach einige Sekunden, oftmals muss man ihn aber ausschalten und erneut anschalten. Nach einigen Versuchen klappt es dann und der GBC startet. Wir möchten den Anschaltvorgang natürlich stabilisieren, damit er zuverlässig startet. Die Ursache dieser Problematik haben wir darin vermutet, dass die aufladbaren Batterien (in Gegensatz zu normalen Batterien) nicht in der Lage sind, den hohen Einschaltstrom zu liefern bzw. ihn nur grenzwertig liefern. Dadurch schaltet der Spannungsregler ab und der GBC startet in der Folge nicht, da die Spannungsversorgung nicht ihren intern hinterlegten Sollwert erreicht. Mit der Einschaltverzögerung soll dieses Problem behoben werden (mehr dazu weiter unten).

(3) Hier ist der Messaufbau am GBC zur Messung der Einschaltverzögerung und dem Spannungsabfall der Batterien abgebildet.

(4) Im Vergleich dazu ist dies der Messaufbau am GBC zur Erfassung des Einschaltvorgangs OHNE Einschaltverzögerung.

(5) Dies sind die Ergebnisse einer Referenzmessung des Betriebs des GBCs bei normaler Spielegeschwindigkeit (8 MHz Quarz). Bei der gelben Kurve handelt es sich um den Spannungsverlauf des originalen Schwingquarzes. Die türkise Kurve dagegen zeigt die Versorgungsspannung des GBCs (VDD5, laut Stromlaufplan-Schema, siehe auch Beschreibungstext von Bild #10 aus diesem Album).

(6) Dies sind die Ergebnisse der Vergleichsmessung des Betriebs des GBCs bei doppelter Spielegeschwindigkeit (16 MHz). Hier wurden für testzwecke weitere 8 MHz am GBC dazugeschaltet. Achtung: Das Bild ist anders skaliert, da die Amplituden kleiner sind. Es wurde hineingezoomt. Die Verringerung der Amplituden geht mit der höheren Schwingfrequenz einher. Auch die Versorgungsspannung variiert in einer größeren Range.

Am Rande: Hier fühle ich mich Zuhause. Mein Spezialgebiet in der Arbeit ist nämlich auch die Analyse dynamischer Vorgänge (mit digitalen Zwillingen), nur eben auf mechatronische Systeme, wie beispielsweise geregelte Stirnzahnradgetriebe, bezogen und nicht auf rein elektronische.

(7) Hier sind die Messergebnisse eines fehlgeschlagenen Einschaltvorgangs (ohne Einschaltverzögerung) abgebildet. Dieses Mal handelt es sich bei der gelben Kurve um die Versorgungsspannung und bei der Violetten um die Batteriespannung (türkis war nicht angeschlossen, daher Nullkurve). Es ist eindeutig zu erkennen, dass die Versorgungsspannung den Sollwert zwar versucht zu erreichen, es aber auch nach längerer Zeit nicht schafft (wie bereits zuvor unter (2) vermutet).

(8) Im Vergleich dazu ist in den Messergebnissen des Einschaltvorgangs mit Einschaltverzögerung zu erkennen, dass der Einschaltvorgang gelungen ist. Die gelbe Kurve zeigt die Versorgungsspannung vor der Einschaltverzögerung. Die violette Kurve umfasst wieder die Batteriespannung und die türkise Kurve ist der Spannungsverlauf nach der Einschaltverzögerung. Man sieht, dass die türkise Kurve sofort auf ihren Sollwert springt und der GBC dadurch startet. (Das vorherige Bild zeigt sozusagen die ersten paar Sekunden dieses Bildes als „breitgezogenen“ Ausschnitt.) Hintergrund: Da die Last des GBCs nicht angeschlossen ist, schafft es der Spannungsregler die Pufferkondensatoren zu laden, obwohl auch hier die Batterien den vollen Strom nicht liefern können und der Spannungsregler auch immer wieder abschaltet. Der Einschaltvorgang findet erst dann statt, wenn die Versorgungsspannung sich stabilisiert hat. Die Batterie kann ausreichend Strom zur Verfügung stellen und der Spannungsregler schaltet sich nun nicht mehr ab.

Yay, damit ist der Versuch offiziell geglückt und die Testplatine wurde ordentlich im gemoddeten GBC integriert. Seitdem gab es keine Startschwierigkeiten mehr, egal ob die aufladbaren Batterien voll oder nahezu leer waren. Wir warten hier aber nach wie vor auf die Lieferung der online designten, ordentlichen Platine, um die „zusammengeklatschte“ nochmals damit ersetzen zu können. Hier wurden auch direkt mehr bestellt (auch aufgrund von Mindestbestellwert und Versandkosten), sodass direkt welche für zukünftige Modding-Projekte bereit liegen. Auch die Geschichte mit dem Overclocken durch Austausch des Schwingquarzes wird noch weiter erprobt – das waren wirklich nur erste Probemessungen, damit man ein paar Referenzwerte hat. Dazu wird es irgendwann noch einmal einen extra Beitrag geben.