Arpa Laser. Progetto per il corso di Progettazione Elettronica. Realizzato da Caracciolo Etienne, Piccoli Riccardo, Porro Gabriele

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1 Arpa Laser Progetto per il corso di Progettazione Elettronica Realizzato da Caracciolo Etienne, Piccoli Riccardo, Porro Gabriele 09/04/2009

2 DESCRIZIONE DELLO STRUMENTO Il progetto consiste nella costruzione di un arpa che al posto delle corde abbia dei raggi laser. Quando l esecutore con le dita interrompe i fasci l arpa emette un suono. L uscita in digitale consente la sua applicazione in un enorme quantità di applicazioni. L uscita del segnale in digitale permette l elaborazione musicale tramite software. Ad esempio è possibile memorizzare più loop eseguito con l arpa e riassegnarli alle singole corde in modo tale che l arpa non si limiti più a eseguire singole note ma possa generare interi brani polifonici. A loro volta questi potranno essere memorizzati in cluster (raggruppamenti di loop) e di nuovo riassegnati alle singole corde. In questo modo sarà possibile realizzare qualunque composizione musicale. Loop e cluster, di vario livello, possono anche essere scaricati/caricati da internet insieme ad un infinità di suoni. L arpa prevede inoltre una corda di servizio ovvero una corda predisposta all attivazione di particolari funzioni e non legata direttamente all emissione di un suono. E inoltre prevista l installazione di led per ogni corda in modo tale che si accendano ad ogni interruzione dei relativi fasci laser. Questo sistema sarà determinante nell apprendimento del funzionamento stesso dell arpa in quanto oltre a vedere direttamente sullo strumento quali note si stiano eseguendo, lei stessa potrà tramite i led indicare la successione di note opportuna rendendo quindi estremamente intuitiva, semplice, efficace l esecuzione di qualunque brano per qualunque persona. L enorme potenzialità e versatilità dello strumento legate alle sua economicità e semplicità la rendono dunque il metodo più efficace e adatto a tutti, per la produzione musicale. Infine l affascinante versione realizzata in plexiglass permette di ottenere coinvolgenti effetti luminosi (relativi all accensione dei led che illuminano il plexiglass) perfettamente adatti per una suggestiva serata. Suoni base Loop Loop Cluster Cluster Super - Cluster Figura 1: A sinistra, esempio di realizzazione dell arpa laser; a sinistra, gerarchia dei suoni.

3 DESCRIZIONE DEL FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO Quando si accende l arpa i laser puntano su dei fotodiodi posti fra i due morsetti di un operazionale tenendo alta la tensione in uscita. Gli inverter successivi vedendo tensione alta (1 logico) pongono la loro uscita bassa (0 logico) determinando il non funzionamento dell oscillatore che genera i suoni. Quando si interrompe un raggio laser il fotodiodo si spegne ponendo a zero l uscita del corrispondente operazionale. L inverter successivo pone a 1 la sua uscita che attraverso un sommatore binario genera la corrispondente tensione. Il VCO (Voltage Controlled Oscillator) genera la corrispondente frequenza in base alla tensione pervenutagli e la invia ad un altoparlante che la riproduce come suono. PARTI DEL CIRCUITO 1. Stadio d ingresso Lo stadio d ingresso permette l acquisizione dell informazione luminosa tramite fotodiodo e la sua conversione in tensione all uscita di un operazionale. Componenti utilizzati: 1. R1, R2 = 47kΩ 2. Fotodiodo VTB8440B 3. Operazionale ua741 nell integrato TL081 La caratteristica del fotodiodo I/V è: Figura 2: Schema a cancellazione della corrente di buio 1

4 Poiché è posto fra i morsetti + e dell operazionale la sua V è uguale a zero, da cui La corrente che scorre nelle resistenze è quindi esclusivamente quella fotogenerata, si ha cioè la cancellazione della corrente di buio (circa 2nA). La tensione all uscita dell operazionale risulta essere: 2 2 dove σ e P sono rispettivamente la sensibilità spettrale e la potenza luminosa incidente sul fotodiodo. I laser utilizzati emettono alla lunghezza d onda compresa fra nm (rosso) con una potenza intorno ai 3 mw. A quella lunghezza d onda la sensibilità spettrale del fotodiodo vale circa 0.1. Quindi la tensione in uscita risulta essere: 2 0, ,2 L operazionale è alimentato fra -10 e +10 volt, quindi l uscita non potrà mai portarsi ad un valore superiore a questi due valori, tipicamente l uscita saturerà a -8 e +8 volt.

5 2. Digitalizzazione La tensione in uscita dall operazionale viene posta in ingresso ad un inverter il quale impone in uscita un 1 o uno 0 logico cioè 10 o 0 volt. Componenti utilizzati: 1. HCF4049UB: integrato contenente sei inverter. Figura 3: inverter Quanto il raggio laser è interrotto l operazionale pone sul nodo 1 dell inverter una tensione prossima a zero quindi il nodo 2 sale a 1 logico ( cioè 10 volt ). Al contrario quando il raggio non è interrotto all uscita dell inverter vediamo uno 0 logico (cioè 0 volt) in quanto la tensione all uscita dell operazionale è prossima a 10 volt. In questo modo è anche possibile filtrare i disturbi dovuti all illuminazione dell ambiente stesso. Infatti questa diventa irrilevante allorché la sua potenza luminosa, nello spettro di sensibilità del fotodiodo, non generi una tensione all uscita dell operazionale superiore a 5 volt, soglia per l inverter. 3. Decodifica L arpa che abbiamo realizzato consta di tre corde quindi i passi precedenti vanno ripetuti per ogni corda che si desideri realizzare. Se utilizzassimo direttamente un sommatore binario per convertire gli 1 o 0 che escono dai relativi tre inverter in una certa tensione avremmo degli stati inutilizzati poiché potremmo determinare solo quattro delle sette possibili combinazioni con una evidente perdita d efficienza. Si rende quindi opportuna una decodifica binario decimale tramite appunto un decodificatore. Componenti utilizzati: 1. MC14028B decodificatore integrato. Figura 4: decodificatore

6 A B C Genera 1 su Q Q Q Q Q Q Q Q7 Figura 5: tabella con le uscite In base alle corde interrotte dall utente all ingresso del decodificatore si presenta una certa configurazione di bit e pone un 1 (cioè 10 volt) su una delle otto uscite. 4. Selezione della tensione In questo stadio, tramite un sommatore binario si preleva la tensione digitale all uscita del decodificatore e la trasforma in analogica. Dal sommatore esce una tensione negativa quindi si rende necessario porre un amplificatore con guadagno -1 che la riporti positiva. Poiché l integrato contiene complessivamente quattro operazionali si è deciso di usare i restanti due per creare due buffer per disaccoppiare il sommatore dallo stadio a guadagno -1 e da quest ultimo all ingresso del VCO (Voltage Controlled Oscillator) affinché questo non risenta di tutta la rete precedente. Lo stato 000 corrispondente a Q0 è stato tralasciato in quanto corrisponde a quando l utente non interrompe nessun raggio e quindi al circuito è richiesto di non fare nulla. Componenti utilizzati 1. R9 e R8 da 180kΩ 2. 4 OpAmp ua741, nell integrato TL R0 da 10kΩ 4. R1,R2,, R7 dai valori indicati in tabella

7 Ingresso R calcolata kω R reale kω Nota Frequenza Hz Tensione V Q La Q Mi Q Si Q Fa Q Do Q Re Q Sol Figura 6: rete di selezione della tensione La tensione all uscita del primo operazionale risulta essere: Quindi la tensione all uscita dell ultimo buffer è: 10 10

8 5. VCO (Voltage Controlled Oscillator) Questo stadio permette di generare un onda quadra ad una determinata frequenza imponendo in ingresso un opportuna tensione. Le tensioni sono quelle calcolate al punto precedente e determineranno la nota che verrà successivamente emessa dall altoparlante schematizzato in figura 6 come la resistenza di 8 Ω. Componenti utilizzati: 1. 3 OpAmp ua JFET 2N4416/PLP 3. 1 diodo 1N condensatore da 1nF 5. 9 resistenze (valori in figura 6) Figura 7: VCO e stadio d uscita di classe B Il circuito in figura 6 può essere visto come la composizione di tre blocchi circuitali elementari: 1. Buffer iniziale comandato che moltiplica la tensione d ingresso per 1 2. Integratore di Miller generatore di onda triangolare 3. Trigger di Schimdt Il cuore del circuito risulta essere l integratore di Miller realizzato al centro del circuito con un OpAmp ua741, un condensatore da 1n e una resistenza da 100kΩ. La tensione in uscita da questo secondo blocco sarà data da:

9 Questa tensione viene presentata all ingresso del trigger di Schimdt che a sua volta imporrà in uscita due valori, L + e L - ( i limiti di tensione continua a cui satura l OpAmp, tipicamente qualche volt meno delle alimentazioni ) relativi all attraversamento da parte di questa delle due corrispondenti soglie β L + e β L -. Nel nostro caso, per come abbiamo scelto di realizzare il trigger le due soglie valgono: La tensione però che viene presentata all integratore non è quella uscente dal trigger. La tensione uscente dal trigger viene infatti posta in ingresso ad un JFET che quando vede sul suo gate una tensione positiva si apre ponendo a massa il morsetto + del primo OpAmp, determinando così una reazione unitaria negativa; mentre quando vede una tensione negativa si spegne, impedendo così il fluire della corrente nella retroazione dell OpAmp. In questo caso, si avrà quindi, una tensione uguale a quella d ingresso in uscita, cioè in ingresso all integratore. La frequenza a cui oscilla il circuito è data dalla: 4 Se il segnale vin è nell ordine della tensione di off-set del primo operazionale si avrà una variazione del duty-cycle pari all incremento/decremento che l off-set procura sull uscita rispetto a vin.

10 6. Stadio d uscita di classe B L altoparlante ha un impedenza di 8 Ω (molto bassa) e supponiamo di volere imporre su di esso un segnale d ampiezza 8 volt, la corrente che scorre sarà nell ordine dell ampere. L operazionale del VCO da quale preleviamo il segnale non è in grado di fornire una corrente così elevata sul carico. Per essere in grado di erogare o assorbire una tale corrente è necessario aggiungere in uscita dell operazionale uno stadio d uscita che nel nostro caso è di classe B. E però necessario utilizzare dei BJT di potenza al fine di erogare tali correnti senza che essi stessi ne siano danneggiati. Componenti utilizzati: 1. 1 BJT di potenza NPN: BD BJT di potenza PNP: BD Altoparlante con impedenza 8 Ω Figura 8: Stadio d uscita di classe B Q1 spinge la corrente nel carico quando Vin è positiva mentre Q2 tira corrente dal carico quando Vin è negativa (modalità push-pull ). Vo quindi insegue la tensione d uscita dall operazionale ( Vin ) senza alterare il funzionamento complessivo dell oscillatore. Inoltre poiché il segnale prelevato è rettangolare non vi è alcun problema riguardo l eventuale correzione della distorsione da attraversamento (crossover).