Flip-Flop microfonico LX329

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1 Istituto Professionale di Stato per l'industria e l'artigianato MORETTO Via Luigi Apollonio, 21 BRESCIA Flip-Flop microfonico LX329 Realizzazione DANIELE BOGLIONI MAURIZIO ZANARDELLI della classe 5AI a.s corso per Tecnici delle Industrie Elettriche ed Elettroniche 1

2 SCHEMA A BLOCCHI Segnale Acustico MICROFONO Vu AMPLIFICATORE In bassa Frequenza MEMORIA AMPLIFICATORE Di corrente RELE' Uscita SCHEMA ELETTRICO Vcc C1 10uF R3 C4 RELE' R6 470nF DS1 R1 R2 10KA C3 100nF 2 1 A C R8 1K TR2 BC208C C2 1uF TR1 BC109B R4 A D B R5 R7 C5 470nF MICROFONO Con questo circuito è possibile, grazie al suo particolare compartamento tramite dei suoni ad una certa frequenza e intensità, comandare il relè d uscita. Lo scopo della nostra prova è quello di realizzare il flip-flop microfonico, di verificarne il comportamento e di studiarne il funzionamento. Il circuito è schematizzabile in 5 blocchi, riducibili ai 3 essenziali.il primo comprende il microfono, che capta il segnale acustico e il transistor TR1 che amplifica il segnale d ingresso. Il secondo comprende la configurazione flip-flop delle quattro porte nand che costituiscono la memoria del nostro circuito. Il terzo ed ultimo blocco è costituito dall amplificatore TR2, che amplifica il segnale del circuito flip-flop da inviare al relè che costituisce l uscita del nostro circuito. Il microfono capta il segnale di bassa frequenza, che dovrà risultare di ampiezza sufficiente per riuscire a modificare lo stato logico presente sull ingresso dell integrato.l ampiezza del segnale che viene inviato all integrato è regolata tramite i trimmer R2 e R4, che determinano la sensibilità del circuito. R2 determina la porzione di segnale di BF da applicare sull ingresso dell integrato e quindi la reale sensibilità del circuito, in quanto è quello che realmente agisce sul segnale acustico mentre R4 fissa la tensione di polarizzazione a riposo di tali ingressi. Per capire il funzionamento del secondo blocco, della memoria, bisogna analizzare i quattro nand contenuti nell integrato IC1, due dei quali sono collegati in modo da realizzare un flip-flop set-reset 2

3 mentre gli altri due agiscono tramite le loro uscite sull ingresso di set e su quello di reset del flipflop. S R C B 10 4 S R NOTE OPERAZIONE DI SET OPERAZIONE DI RESET SITUAZIONE ANOMALA MEMORIZZAZIONE Analizzando lo schema e la relativa tavola della verità sopra riportate possiamo affermare che il flip-flop ha il seguente funzionamento: uando le uscite delle porte logiche A e D sono rispettivamente al livello logico zero e uno e viceversa, il circuito flip-flop si trova rispettivamente in situazione di set e di reset. uando, invece, le uscite set e reset sono entrambe a livello logico uno il circuito lavora in zona di memorizzazione. La situazione con ambedue le uscite a zero non si potrà mai realizzare, questo grazie ai particolari collegamenti realizzati appunto per le porte logiche A e D che possiamo vedere nell ulteriore schema. ui il circuito del flip-flop viene completato tramite le porte nand A e D e le reti a resistenza e capacità formate da R6-C4 e da R7-C5. Le porte nand servono per il set e il reset, mentre le resistenze e le capacità realizzano dei ritardi necessari per eliminare quei disturbi che potrebbero alterare il funzionamento del circuito. C4 R A 3 S 9 8 D 5 11 R 6 C B 10 4 VC5 VCC 12V C5 scarico D chiusa C4 carico A aperta R7 D aperta C5 Tempo di carica = R7 * C5 = 0.47 Sec VC /3 2/3 VDD VDD 4V 8V VDD 12V A chiusa Il grafico riportato invece si occupa di rappresentare, quando il segnale viene captato dal microfono, il comportamento della tensione ai capi dei due condensatori (C4 e C5 con rispettive tensioni VC4, VC5 ). La prima parte del grafico si riferisce allo stato logico della porta C la cui uscita si trova a zero ; questo porta ad alcune condizioni e cioè che C5 sia scarico, C4 carico, la porta D chiusa e la porta A aperta. Non appena il microfono capta il segnale di bassa frequenza l uscita della porta logica C passa a livello logico 1 determinando così l eccitazione del relè; contemporaneamente C5 comincia a caricarsi e C4 a scaricarsi con la stessa costante di tempo τ che vale 0,47 secondi, questo tempo è quello necessario al condensatore per raggiungere gli 8 volt (2/3 di Vdd) in modo che l ingresso 12 della porta D sia sicuramente a 1 mentre l ingresso 2 della porta A sia sicuramente a 0. In questa condizione la porta A è chiusa mentre la D è pronta per ricevere il segnale successivo che funzionerà da reset, diseccitando il relè. 3

4 Il terzo blocco preleva il segnale in uscita dal flip-flop e attraverso la resistenza R8 lo invia alla base del TR2 che comincia a condurre facendo attrarre i contatti del relè collegato al suo collettore. Grazie ai particolari collegamenti adottati, il primo suono captato dal microfono eccita il relè, mentre, il secondo suono provoca la reazione inversa cioè la diseccitazione preparando così il circuito a captare un nuovo comando sotto forma di suono. Molto importante in questo circuito, una volta realizzato, è la regolazione dei due trimmer del primo blocco, in modo da trovare una sensibilità adeguata al suono che vogliamo usare per comandare il circuito. R2, infatti, si occupa di prelevare, a seconda della posizione del cursore del potenziometro, una maggiore o minore caduta di tensione ai suoi capi; da come è posizionato il trimmer nel circuito elettrico si vede che ruotando il cursore verso il basso avremo un aumento della tensione prelevata, mentre se lo si sposta verso l alto otterremo una diminuzione della tensione prelevata. R4 si occupa di fissare la tensione di polarizzazione a riposo degli ingressi dell integrato; questa operazione di fissaggio della tensione è importante perchè, essendo l integrato CD.4011 alimentato a 12V interpreta come livello logico 1 tutte le tensioni superiori agli 8V e come livello logico 0 tutte le tensioni inferiori ai 4V circa, quindi ammesso di regolare il trimmer R4 in modo da fornire agli ingressi delle porte logiche A e D una tensione di polarizzazione fissa di 6V, sarà sufficiente un segnale di bassa frequenza di soli 2V (6 + 2 = 8V) per portare l ingresso dell integrato in condizione logica 1 e far quindi commutare il flip-flop. Se regolassimo R4 invece in modo da ottenere una tensione di polarizzazione di 4V, occorrerebbe un segnale di bassa frequenza anch esso di 4V (4 + 4 = 8V) per ottenere lo stesso risultato. uesto significa che ruotando R4 tutto verso la resistenza R5, cioè applicando agli ingressi dell integrato la minima tensione di polarizzazione, ridurremo al minimo la sensibilità del circuito, mentre ruotandolo tutto verso R3 otterremo la condizione opposta, cioè la massima sensibilità. In aggiunta, per una migliore spiegazione del funzionamento, sono state eseguite tre prove di rilevazione del segnale con l oscilloscopio in altrettanti punti del circuito per accertarsi che tutto funzioni regolarmente. In ingresso al circuito è stato sconnesso il microfono, al suo posto è stato collegato un generatore di frequenza regolato in modo tale da ottenere la frequenza più bassa possibile. Per fare in modo che i segnali forniti dal generatore siano di ampiezza adeguata è stato inserito un partitore resistivo. uest ultimo ha il compito di ridurre l ampiezza dei segnali emessi dal generatore così che non ci siano problemi d interpretazione da parte del circuito. ui di seguito sono riportati i grafici riferiti al cuore del circuito che altro non è che il collegamento flip-flop; ciascuna curva fa riferimento ad un preciso punto del circuito e nei grafici si possono notare le dipendenze tra i segnali applicati sui canali 1 e 2 dell oscilloscopio in un preciso momento. I punti, da noi individuati nel circuito, ai quali sono collegati i canali dell oscilloscopio sono quelli dai quali abbiamo ricavato i segnali dei grafici riportati successivamente: punto N 1 all uscita della porta logica A ( piedino 3 dell integrato ). punto N 2 all entrata della porta logica A ( piedino 1 dell integrato ). punto N 3 all uscita della porta logica C ( piedino 10 dell integrato ). 4

5 Il primo grafico fa riferimento al prelievo del segnale, con i canali 1 e 2 dell oscilloscopio, tra i punti 1 ( canale 2 ) e 2 (canale 1 ). Il primo impulso positivo produce uno zero in uscita; tre impulsi non vengono sentiti perchè la porta A è chiusa per effetto del ritardo causato dal gruppo RC formato da R6 e da C4. Il secondo grafico fa riferimento al prelievo del segnale, con i canali 1 e 2 dell oscilloscopio, tra i punti 1 ( canale 1 ) e 3 (canale 2). La forma d onda superiore rappresenta il segnale nel punto 3, mentre quella sottostante rappresenta l eccitazione del relè e la sua durata allo stato alto, cioè quanto tempo resta eccitato. L attimo in cui il relè viene diseccitato è dovuto all impulso di reset inviato alla porta D; L impulso di reset altro non è che un altro segnale acustico captato dal microfono, naturalmente tutto questo procedimento di diseccitazione del relè è fattibile solo quando la porta A è chiusa e la porta D è aperta. 5

6 Il terzo grafico fa riferimento al prelievo del segnale, con i canali 1 e 2 dell oscilloscopio, tra i punti 2 ( canale 1 ) e 3 ( canale 2 ). La prima forma d onda mi rappresenta tutti gli impulsi, simulati con un generatore di frequenza a frequenza fissa di 7HZ, che arrivano all ingresso delle porte A e D; Essendo, però quest ultime, aperte e chiuse alternativamente ( A aperta, impulso di set, eccitazione relè, contemporaneamente D chiusa, non lascia passare nessun segnale, e viceversa, A chiusa, non lascia passare nessun segnale, D aperta, impulso di reset, diseccitazione relè ) alcuni impulsi non vengono sentiti per un certo tempo, sia quando il relè è eccitato sia quando è diseccitato. La forma d onda sottostante, come si può vedere, sembra che abbia un duty cycle del 50%; uesto comportamento è dovuto alla continua presenza del segnale acustico in ingresso (generatore di frequenza) che mi permette di ottenere, visto che i ritardi alternati dati dai gruppi R6-C4 e R7-C5 sono uguali, un set e un reset e quindi l eccitazione e la diseccitazione del relè in tempi di durata uguale. Nella realtà il circuito in questione, con il suo funzionamento particolarmente adatto al comando di apertura chiusura, per esempio, di una porta basculante di un box per auto, avremo bisogno di un impulso acustico per l apertura e un successivo impulso per la chiusura a condizione che quest ultimo sia effettuato a distanza di 0,47 secondi dal precedente impulso, altrimenti ci si trova nella condizione in cui la porta D è ancora CHIUSA e di conseguenza non sentirebbe il segnale di reset dato appunto dal secondo segnale acustico che prevedeva la chiusura della porta del box. Se il secondo segnale non dovesse essere colto dalla porta D perchè ancora chiusa, basterebbe aspettare qualche altro attimo e ridare un altro segnale acustico dopo di che otterremo la chiusura della porta del box. uest ultima spiegazione, riguardante il funzionamento nella realtà del circuito, è stata fatta per far notare come cambierebbe il terzo grafico sia nella prima che nella seconda forma d onda; infatti nella prima forma d onda vedremmo solo due impulsi cioè quello per l eccitazione e quello per la diseccitazione del relè. In quella sottostante, vedremmo il relè che si eccita e si diseccita dopo un certo tempo ( tempo che come è stato detto sarà sicuramente superiore a 0,47 secondi ) e poi nient altro fino a che colui che ha parcheggiato l auto nel box non voglia usarla di nuovo facendo riaprire la porta con un ulteriore segnale acustico. Con questo voglio dire che da un diseccitazione alla successiva eccitazione del relè possono passare anche delle ore e non alcuni decimi di secondo come nel grafico. La situazione del grafico è quindi difficile che nella realtà si verifichi. La particolarità del grafico e l importanza di questo per capire se il funzionamento del circuito è corretto sta nella possibilità di vedere sia l azione del set sia del reset e di vedere così il circuito che resta insensibile agli impulsi per un dato tempo; uesto è stato possibile 6

7 perchè abbiamo collegato l oscilloscopio tra l entrata e l uscita del flip-flop e quindi vediamo le varie condizioni più nello specifico. Inoltre per poter realizzare queste due forme d onda e per poterle leggere e vedere chiaramente è stato necessario scollegare l ultimo blocco del circuito ( TR2 e relè ), a causa dei disturbi che il relè immetteva nell oscilloscopio dovuti ai forti assorbimenti di corrennte qunndo c è il passaggio dalla diseccitazione all eccitazione, questo è stato realizzato sconnettendo la resistenza R8. 7

8 ELENCO COMPONENTI Partlist V May-89 (C) Copyright 1985,1986,1987 OrCAD Systems Corporation ALL RIGHTS RESERVED. Opening "A:\LX329.SCH" Opening "A:\LX329.SCH" Opening "A:\LX329.SCH" Revised: March 14, 1996 Revision: ELENCO COMPONENTI March 14, :48:20 Page 1 Item uantity Reference Part 1 1 C1 10uF,,,, 2 1 C2 1uF,,,, 3 1 C3 100nF,,,, 4 2 C4,C5 470nF,,,, 5 1 DS1 1N4148,,,, 6 1 IC1-4011,,,, 7 1 M1 PIEZOELETTRICO,,,, 8 5 R1,R3,R5,R6,R7,,,, 9 1 R2 10KA,,,, 10 1 R4 A,,,, 11 1 R8 1K,,,, 12 1 RELE' 12V 1 SCAMBIO,,,, 13 2 TR1,TR2 BC109C,,,, 8