Bouw: Een kwantumfluctuatie display

Vandaag, 14 april is het wereld kwantum dag en dat sluit mooi aan op de bouw van een kwantumfluctuatie display. De basis voor dit bouwpakket, ook bekend als de "Random Retro Blinker" of de "Really Random Blinker" is een transistor die op een verkeerde (onbedoelde) manier is aangesloten.

De emitter van de transistor is omgekeerd aangesloten op een 12-18V gelijkspanning. Aangezien de elektronen zich een weg proberen te banen door de silicium N-P overgang ontstaat een volkomen onvoorspelbaar gedrag en worden op die manier willekeurige pulsen gecreëerd die bepaald worden door kwantummechanica. Deze methode zorgt voor een echte willekeurigheid (true random) in tegenstelling tot b.v. willekeurige getallen die via een computer algoritme worden gegenereerd (Pseudo random).

De willekeurige pulsen worden geleid door een 64 bits schuifregister waarop leds zijn aangesloten in een 8 x 8 matrix. op die manier kunnen 2 tot de macht 64 oftewel 18446744073709551615 combinaties worden weergegeven. Dat getal is groter dan het aantal zandkorrels tezamen op deze aarde. Het effect wat ontstaat is te vergelijken met de knipperende lichtjes op oude computers, zogenaamde "Blinkenlights".
Op de printplaat zijn twee potmeters aanwezig, Een voor de snelheid van de afwisseling van de patronen en een voor instelling van de waarschijnlijkheid van het oplichten. Er zijn dan gemiddeld meer of minder leds tegelijk aan.

Het bouwpakket is te koop bij Budgetronics.eu exclusief de leds die in een kleur of kleuren naar keuze kunnen worden bijbesteld en exclusief de benodigde voeding van 12-18V.

Wat heb je aan een kwantumfluctuatie display? Helemaal niets, maar het betoverende effect van de knipperende leds en de herinnering aan oude computers met hun vele "blinkenlights" maken het leuk om er naar te kijken.

De Bouw

Bij het pakket zitten bouwinstructies die eenvoudig zijn te volgen. Op de ene kant van de print worden alle componenten gesoldeerd en op de andere kant de 64 leds.

De twee geleverde potmeters hebben verschillende waarden (10k en 100k). Aangezien de waarde niet op de potmeter zelf is aangegeven dient deze eerst gemeten te worden tussen de pootjes met de kortste afstand voor dat deze op de juiste plaats kunnen worden gesoldeerd.
De componenten opdruk op de printplaat is niet helemaal foutloos. Zo ontbreekt de waarde voor R79 (1k) en worden er diverse waarden voor de keramische condensatoren op de printplaat aangegeven, terwijl deze allemaal 100nF blijken te zijn. Maar de grootste valkuil is de fout aangegeven oriëntatie van de leds. Zo wordt in de handleiding aangegeven dat de vlakke kant van de led uitgericht moet worden met de vlakke kant zoals op de printplaat staat afgedrukt. Het gevolg is dat de leds dan precies verkeerd om worden gesoldeerd. En het is een heel karwei om dit achteraf te corrigeren. Beter is om te zorgen dat het kortste pootje van de led (kathode) wordt gestoken in het vierkant gemarkeerde gaatje, dan gaat het altijd goed.

Verbetering van het ontwerp.

Het gebruik van de schuifregisters komt zichtbaar terug in de led patronen waarbij deze steeds per klokpuls opschuiven. Persoonlijk vind ik dat minder mooi. Ik zou er zelf voor kiezen om het willekeurige patroon 64x in te klokken en dan pas zichtbaar te maken. Aangezien de gebruikte 74HC164 schuifregisters niet over een latch beschikken, zou dit gerealiseerd kunnen worden door het patroon heel snel in te klokken (b.v. op de maximale frequentie van 3 Mhz) en daarna met de gewenste wisselsnelheid (oorspronkelijke kloksnelheid) te wachten op de volgende serie. Dit is mogelijk met een aangepast klokgenerator ontwerp met behulp van een CD4060 IC. In een van de volgend blogs kom ik hier zeker nog op terug en zal ik het ontwerp en verschil demonstreren.

Midjourney interpretatie van een quantum computer op basis van buitenaardse technologie. (Dec. 2022)

Bouw: Retroball, een vierpersoons led spel

In 2017 is een crowdfunding actie gestart op kickstarter voor de productie van het zelfbouw spel Retroball. Dit spel is gebaseerd op het spel pong (een van de eerste videospellen) maar dan voor maximaal 4 spelers. Elke speler beschikt over een draaiknop en kan daarmee het "batje" besturen om "de bal" terug te kaatsen. Dit kunnen ook meerdere ballen zijn, naar gelang de ingestelde moeilijkheidsgraad. Bij elke misser gaat er een punt af en de speler die als laatste overblijft wint.

Retroball © Bradley Slattery, Bradsprojects

Helaas is de kit inmiddels uitverkocht, maar ik heb er nog een kunnen bemachtigen op eBay van iemand die er niet aan toe was gekomen om deze te bouwen en hem kwijt wilde. Aangezien Retroball opensource hardware betreft is ook het mogelijk om de PCB te laten maken bij b.v. PCBWay en de onderdelen los te bestellen. Alle benodigde informatie hiervoor is onderaan op de Bradsprojects pagina te downloaden.

Het led display

Het display is een kant en klaar 32x32 RGB led matrix paneel. Op dit paneel zijn 1024 smd leds gemonteerd (type 3528) met een onderlinge afstand van 5mm. Ze zijn op o.a. Aliexpress te verkrijgen voor ruim 10 Euro. Het paneel wordt voor de afwerking in een gebogen donker gekleurde Plexiglas plaat geschoven.

Aan de onderkant van de RGB led matrix zijn drie connectoren aanwezig, een voor de aansturing via een HUB75B interface, een voor de 5V voeding en een derde is voor het doorlussen naar een volgend led paneel. Omdat we maar een paneel gebruiken, wordt de rechtse connector in deze toepassing niet gebruikt.

De HUB75 interface

De HUB75 interface bestaat uit een gestandaardiseerde IDC connector van 2x8 pinnen en een data protocol.

Pin layout van de connector

Het data protocol is als volgt:

1. Klok de data in voor de 16 kolommen (bij 1 paneel) in de volgorde R1,G1,B1,R2,G2,B2 m.b.v. CLK.

2. Maak OE hoog (1)

3. Selecteer het rij adres via A,B,C,D (0-15)

4. Maak LAT hoog (1)

5. Maak LAT laag (0)

6. Maak OE laag (0)

7. Herhaal dit totdat alle 16 rijen zijn ingesteld.

De kit en het ontwerp

De diverse onderdelen van de kit uitgestald op de werktafel.

De afmetingen van de zwarte printplaat zijn 24x24 cm. De aansturing is naar keuze door middel van een voorgeprogrammeerde PIC 18F46K22 microcontroller of een Arduino Uno.

Later is aan het ontwerp ook de mogelijkheid toegevoegd om een Teensy microcontroller te plaatsen omdat de Arduino Uno een beperking heeft dat er maar maximaal twee van de vier potentiometers kunnen worden gebruikt.

Bij gebruik van de Arduino of Teensy moet de PIC controller worden verwijderd en daarom word de PIC controller in een IC voet geplaatst. Er kan ook een batterijhouder worden toegevoegd voor de Teensy om de Real Time Clock (RTC) van een continue spanning te voorzien. Daarnaast is een selectie mogelijk om de 5V voor de potentiometers te verlagen naar 3.3V ter bescherming van de Teensy.

De bouw

De PIC microcontroller voet, potentiometers en connectoren zijn gesoldeerd.
De ruimte boven is voor een Arduino Uno of Teensy controller.

Een leuk detail is dat aan de onderkant van de potentiometers siliconen plakvoetjes worden bevestigd zodat het geheel krasvrij op tafel kan worden geplaatst.

Ik plaats ook vast male pin headers voor een Arduino Uno om later te kunnen experimenteren met zelfgemaakte spellen en andere display toepassingen. De Teensy female pin headers laat ik weg omdat ze de Arduino Uno in de weg zitten. Mocht ik later over willen stappen dan kan ik ze alsnog plaatsen, daarmee vervalt dan de Arduino Uno mogelijkheid.

Een Arduino Uno geplaatst i.p.v. de PIC microcontroller

Na het plaatsen van de PIC controller in de IC voet is het alleen nog een kwestie van het aansluiten van de voedingskabel en interface kabel aan de printplaat en het led paneel.

Daarna bevestig ik het led paneel met 4 bouten en afstandsbussen op het moederbord.
Aan de rechter zijkant is een USB-B connector aanwezig voor de 5V voedingsspanning. Het gemeten stroomverbruik is maximaal 0.25A.

Naast het Pong spel is er nog een "Secret menu" aanwezig met 7 andere mogelijkheden, zoals een race spel en een dobbelsteen. Deze is op te roepen door de potentiometer rechtsonder eerst volledig naar rechts te draaien en daarna volledig naar links.

Deze zelfbouw kit voor beginners is eenvoudig te maken waarbij met name de aansturing via een Arduino Uno of Teensy interessante mogelijkheden biedt om verder te experimenteren en de toepassingen uit te breiden.