Задание 7. "Светодинамическое устройство и звук".

[ZuykovAV MEPhI]

В предыдущих заданиях темп “бегущего огня” не зависел от звука. Скорость переключений определялась сигналом простого генератора, собранного на микросхеме К155ЛА3. В этом задании собираются схемы, связывающие светодинамическое устройство (пятое-шестое задание) со звуком - добавляется индикация уровня громкости звука (отдельный режим цифрового автомата) и скорость “бегущего огня” также будет зависеть от звука. В задании собираются: индикатор уровня (схема 7-01); микрофонный усилитель с выпрямителем (схема 7-02) и управляемый генератор (схемы 7-03; 7-04).

Схемы и их описание :



Звук в помещении с помощью микрофона преобразовывается в слабый электрический сигнал. Усилитель сигнала микрофона выполнен на операционном усилителе D13 (первая половина микросхемы LM358). Сигнал микрофона поступает через разделительный конденсатор C3 и сопротивление R48 на инвертирующий вход ОУ (вывод 2). Коэффициент усиления сигнала определяется значениями сопротивлений R51, R48 по формуле: Ku=-R51/R48. Он показывает, во сколько раз напряжение выходного сигнала больше входного. Знак минус обозначает, что фаза выходного сигнала противоположна входному сигналу (т.е. усилитель инвертирующий). В данной схеме коэффициент усиления равен 1000. Это необходимо для значительного усиления слабого сигнала, который выдает микрофон.

Сопротивление R52 и конденсатором C4 образуют фильтр, который подавляет помехи, приходящие по цепи питания VCC. Фильтр нужен для того, чтобы помехи не проникли на вход усилителя и не смешались с полезным сигналом микрофона.

Сопротивление R47 задает рабочий ток через микрофон, его величина определяется типом применяемого микрофона.

Разделительный конденсатор C3 разделяет точки с разными потенциалами (выход микрофона и вход усилителя) не давая им смешиваться. Но зато конденсатор легко пропускает переменный ток, который и является полезным сигналом.

Для нормальной работы ОУ при однополярном питании на его вход 3 подаётся постоянное напряжение равное половине питания. Сопротивления R49 и R50 образуют делитель напряжения питания пополам.

Элементы C5, C6, VD13, VD14 образуют амплитудный детектор (выпрямитель), который преобразует переменное напряжение в постоянное. Сопротивление R53 является нагрузкой амплитудного детектора. Оно нужно для того, чтобы при отсутствии полезного сигнала (переменного напряжения) на входе, конденсатор C6 мог разрядиться через сопротивление R53, и выходное напряжение амплитудного детектора также стало равно нулю. Сигнал IN с амплитудного детектора подается через сопротивление R54 на вход индикатора уровня.



Индикатор уровня сигнала микрофонного усилителя собран на специализированной микросхеме LM3915 (D12). Она представляет собой своеобразный электронный вольтметр. Выходы от LED1 до LED10 подключаются к светодиодной шкале или к линейке из 10-ти светодиодов, устанавливаемых друг за другом. В зависимости от величины напряжения на входе 5 включаются один или несколько светодиодов сразу, тем самым, образуя светящуюся “линейку”.

Диапазон светящейся “линейки” задаётся напряжениями на выводе 4 (нижний уровень) и выводе 6 (верхний уровень). Верхний уровень должен быть не более 3.5 вольт (на 1.5 вольта меньше напряжения питания микросхемы, 5-1.5=3.5). По схеме 7-01 вывод 4 (нижний уровень) подключён к земле (нулевое напряжение), а вывод 6 подключён к выводу 7 – это выход опорного напряжения 1.25 вольта.

Режим светодиодов светящейся “линейки” работает при подключении сигнала MODE (вывод 9) к напряжению источника питания. Если сигнал MODE оставить неподключенным, то в “линейке” будут гореть только светодиоды, показывающие верхний уровень.

Сопротивления R46 определяет величину тока, протекающего через светодиоды. Конденсатор C2 в цепи питания нужен для уменьшения помех при переключении светодиодов. Сопротивления R45 (2.2К) и RP (от 4.7К до 10К) служат для проверки индикатора уровня (они после сборки временно включаются в схему и при проверке задают величину напряжения на входе 5).



Мультивибратор – генератор колебаний прямоугольной формы. В схеме 7-04 он реализуется на операционном усилителе D13 (вторая половинка LM358). Для возникновения прямоугольных колебаний операционный усилитель должен иметь цепь из сопротивления и конденсатора в цепи инвертирующего входа, как показано по схеме (R57 и C7). Эта цепь, главным образом влияет на частоту генерации. Чем больше резистор и чем больше конденсатор, тем меньше частота колебаний.

На не инвертирующий вход операционного усилителя подаются:
1. сигнал с выхода генератора (через R58) и
2. сигнал от источника постоянного потенциала (делитель напряжения питания на сопротивлениях R55, R56, они равны, поэтому - деление напряжения пополам).
Сигналы складываются между собой, и их суммарный сигнал также влияет на частоту генерации. Если дополнительный сигнал 2 постоянный во времени (как в этой схеме – он всегда равен половине напряжения питания), то частота генератора также будет постоянной. При определенных значениях потенциала на делителе напряжения (близких к напряжению питания или к 0) мультивибратор будет отключаться.

На транзисторе VT17 собран усилитель, который преобразует переменное напряжение с выхода операционного усилителя в напряжение делителя для подачи на неинвертирующий вход (вывод 5) мультивибратора. Усиление зависит, в основном, от соотношения (R55+R56+R60)/R62. При этом, положение движка переменного сопротивления R60 подбирается так, чтобы при отсутствии сигнала на выходе операционного усилителя (отсутствие звука) потенциал на движке переменного сопротивления отключал работу мультивибратора (см. описание мультивибратора).

Задание может выполняться:

- на большой макетке WBU-208 (WBU-206, BX-4135N) - как продолжение сборки шестого задания (предпочтительно);
- или на маленькой макетке WBU-102 (BX-4112N) - отдельно от основной схемы (без пункта 5 сборки).

[VVZ]

Порядок сборки (кратко) :

1. Индикатор уровня напряжения и его проверка (7-01):

Соединения схемы 7-01 устанавливают рабочий режим мс LM3915. Вывод информации об уровне измеряемого напряжения осуществляется через подключённую к микросхеме светодиодную шкалу. Проверка осуществляется подачей тестового напряжения на вход измерения 5 мс LM3915.

2. Микрофонный усилитель с выпрямителем (7-02):

Собирается схема 7-02 и её выходной сигнал IN подаётся на вход измерения 5 мс LM3915 (7-01) вместо тестового напряжения.

3. Тактовый генератор на операционном усилителе (ОУ, 7-04).
4. Управляемый генератор на ОУ и его настройка (7-03 и 7-04):

В начале собирается простой генератор на ОУ (пункт 3), затем он превращается в генератор, управляемый от звукового сигнала. Выполняется его настройка.

5. Работа цифрового автомата от управляемого звуком генератора :

Вместо генератора на ЛА3 (левое изображение) к схеме цифрового автомата через схему согласования (правое изображение) подключается управляемый генератор.

[KovalchukDV 1523]

Собрал схемы 7-01 и 7-02. Выставил уровень чувствительности при нулевом шуме. Проверил сборку на отходящие контакты. Однако индикатор начинает показывать изменение уровня шума только если подуть на микрофон с достаточно близкого расстояния. На голос реакция не происходит. Так должно быть или индикатор должен реагировать на любой шум?

[VVZ]

На голос реакция не происходит. Так должно быть или индикатор должен реагировать на любой шум?

Индикатор должен показывать уровень громкости звука, в том числе реагировать на шум в помещении, на голос и так далее.

В схеме 7-01 обрати внимание на подключение вывода 6 микросхемы LM3915.
А причины неправильной работы звуковой части могут быть разные: проблема с одной из деталей (например, микрофона) или просто с не внимательностью при сборке схемы. Подожди до завтрашнего занятия, на нём и разберёмся.

[VVZ]

1. Сборка индикатора уровня напряжения и его проверка с помощью сопротивлений R45 и RP.

Соберите схему 7-01:



При сборке схемы устанавливаются пределы (пороги): нижний (вывод 4) – 0v и верхний (вывод 6) – 1.25v. То есть, при подаче напряжения на вход измерения (5) микросхемы от 0 до 1.25 v будет меняться количество включённых светодиодов.



При проверке на вывод 5 следует подавать различные величины напряжений и смотреть на количество включённых светодиодов :

- перемычкой подключите вывод 5 к GND – все светодиоды не светятся (GND = 0v).
- подключите вывод 5 к VCC – все светодиоды светятся, так как VCC = 5v, а величина 5v больше верхнего предела 1.25 v.
- временно на макетке, согласно схеме 7-01, установите переменное сопротивление R45=2.2K и постоянное сопротивление RP=10К. Средний вывод переменного сопротивления подключите к выводу 5 микросхемы.

У движка переменного сопротивления есть два крайних положения. Выполните вращение движка из одного крайнего положения к другому. В одном из крайних положений (по схеме нижнее) вывод 5 подсоединяется к линии GND = 0v и поэтому все светодиоды не должны светиться. При медленном вращении движка от этого края к другому последовательно будут загораться светодиоды (от одного до девяти). Во втором крайнем положении (по схеме верхнее) засветятся только первые девять светодиодов, а десятый светодиод в линейке не светится.

Какое напряжение на выводе 5 и почему не светится 10-ый светодиод ?

Схему (для удобства) при втором крайнем положении движка сопротивления можно привести к виду :



и подсчитать величину напряжения :

Uvcc = Urp + Ur45 = I * Rp + I * R45 = I * (Rp+R45);
5 = I * (10000+2200); значит, I = 5/12200,

Следовательно, Ur45=I*R45=(5/12200)*2200=0.9v.

Почему не светится 10-ый светодиод ?

Микросхема LM3915 имеет не линейную зависимость между входом и выходом; в ней каждый предел меньше предыдущего в 1.4125 раза (или меньше на 3дБ).

Например, если U10=Uref =1.25v, то :
U9=1.25/1.4125=0.885v,
U8=0.885/1.4125=0.627v,
U7=0.627/1.4125=0.444v,
U6=0.444/1.4125=0.314v,
U5=0.314/1.4125=0.222v и так далее.

Так как 0.9 < 1.25, но больше 0.885, то десятый светодиод светиться не должен.

Установите сопротивлений Rp с другими номиналами и посмотрите на количество включённых светодиодов:

При Rp = 4.7K; Ur45=(5/(4700+2200))*2200 = 1.59 – светятся все светодиоды;
При Rp = 20K; Ur45=(5/(20000+2200))*2200 = 0.495 – светятся семь светодиодов.

[VVZ]

2. Сборка микрофонного усилителя с выпрямителем (7-02).

Проверив микросхему LM3915, далее на её вход 5 (сигнал IN) вместо тестового напряжения следует подать полезный сигнал со схемы 7-02 и светодиоды индикатора будут показывать уровень громкости звука.



Схему можно разделить на две части: микрофонный усилитель и амплитудный детектор (выпрямитель). Между собой их связывает конденсатор С5. Хотя в схеме немного элементов, но её сборка требует особой внимательности.



Порядок сборки:

- установите элементы амплитудного детектора VD13, VD14, R53, R54 и С6 (схема 7-02). Обратите внимание на полярность включения диодов (обычно жирный ободок чёрного цвета присутствует со стороны катода) и конденсатора;
- установите оставшиеся элементы схемы. Обратите внимание на полярность включения микрофона;
- проверьте правильность соединений и установите конденсатор C5.

Проверка:

- подайте на макетку питающее напряжение. Индикатор должен реагировать на звук в помещении (на светодиодной шкале должно меняться количество включённых светодиодов).

[VVZ]

3. Сборка тактового генератора на операционном усилителе (ОУ, 7-04).

В схеме 7-02 микрофонного усилителя используется микросхема LM358. В её составе два операционных усилителя. На одном из них был собранный микрофонный усилитель, а на второй половинке микросхемы собирается тактовый генератор по схеме 7-04 :



Порядок сборки (проверки):

- для контроля генерации на выходе ОУ установите сопротивление R59 и светодиод VD15;
- установите элементы R57, С7 и R58. После подачи питания на макетку светодиод VD15 должен мигать с периодом около 1с.
- после установки сопротивлений R55, R56 частота генерации должна заметно увеличиться.

[VVZ]

4. Управляемый генератор на ОУ и его настройка (7-03 вместе с 7-04).

Обратите внимание ! При сборке на макетке меняется положение сопротивлений R56 и R55, при этом, сопротивление R55 = 4.7К.

Порядок сборки :

- удалите элементы R56, R55;
- установите элементы схемы 7-03 (элементы R56, R55 на новое место). Сигнал G подключите к выходу 1 ОУ (D13, смотрите схему 7-02), а средний вывод потенциометра (переменное сопротивление R60) - к выводу 5 ОУ (D13, смотрите схему 7-04).



Настройка:

Она выполняется переменным сопротивлением R60; с его помощью устанавливается порог, когда при отсутствии звукового сигнала светодиод не мигает, а при его наличии - мигает.
Переменное сопротивление R60 имеет два крайних положения. В одном из них светодиод VD15 будет постоянно мигать, а в другом – нет (и не светится) и это не зависит от звука; в первом случае частота мигания будет только увеличиваться, а в другом – никакой реакции на звук (тут оба положения крайние).
Установите в помещении тишину и переместите движок сопротивления в крайнее положение отсутствия мигания. Из этого крайнего положения (в состоянии тишины) движок сопротивления перемещайте в сторону другого крайнего положения (ближе к середине) до появления редкого мигания. Как только оно появится, возвратите движок чуть назад (не в крайнее положение, а чуть назад), чтобы опять при отсутствии звука не было мигания. Всё.
При появлении слабого звука светодиод должен редко мигать, а при сильном звуке - светодиод будет мигать чаще. Этим средним положением движка сопротивления можно несколько изменять реакцию генератора на звук. Также на частоту генерации влияют элементы R57 и C7.

Итого:

Уровень громкости звука в помещении показывается на индикаторе и от него (звука) зависит частота мигания светодиода.

[VVZ]

5. Работа цифрового автомата от управляемого звуком генератора.

Чтобы управляемый генератор работал в схеме цифрового автомата вместо генератора (схема 4, задание 2), осталось собрать только узел согласования на транзисторе VT18. Светодиод VD-C временно устанавливается для контроля работы собираемой схемы.

Порядок сборки (проверка):

- удалите с макетке ранее установленные элементы : сопротивление R59 и светодиод VD15;
- соберите схему:



- после подачи питания светодиод VD-C должен мигать при появлении звука;
- отключите питание;
- удалите элементы R1, C1 и отключите вывод 3 микросхемы К155ЛА3 (схема 4)
- установите перемычку (сигнал TTL):





- после подачи питания “бегущий огонь” схемы цифрового автомата должен работать от звука;
- удалите из схемы светодиод VD-C и выполните (проверьте) повторно настройку генератора (R60).