AVT740 - Dotykowy generator dźwięku syreny
Układ jest pełnowartościowym generatorem VCO (generator przestrajany napięciem) i może być wykorzystany do najrozmaitszych celów praktycznych. Obecność dodatkowego dzielnika częstotliwości i możliwość dołączenia szeregu różnokolorowych diod LED jeszcze bardziej zwiększają jego atrakcyjność.
Opis układu
Serce urządzenia stanowi układ scalony CMOS 4046, który zawiera w sobie generator przestrajany napięciem (VCO - Voltage Controlled Oscillator). O chwilowej częstotliwości pracy decyduje napięcie na nóżce 9 (wejście VCIN). Napięcie bliskie zeru daje minimalną częstotliwość, napięcie bliskie dodatniej szyny zasilania - maksymalną. Częstotliwość maksymalną wyznacza rezystor R16, natomiast minimalną - rezystor R17.
Zakres częstotliwości pracy jest wyznaczony przez pojemność dołączoną do nóżek 6, 7, czyli przez kondensator C3, ewentualnie też C2. Bez jumpera, gdy dołączony jest tylko kondensator C3, częstotliwość maksymalna wynosi kilka kiloherców (podstawowo ponad 5 kHz), a po dołączeniu C2 maksymalna częstotliwość spada do ok. 1 kHz. W praktyce może tu wystąpić spory rozrzut, ponieważ producenci układu CMOS 4046 nie gwarantują jednakowych właściwości swoich kostek.
Na pokazanym schemacie (1) elementy S1, S2 są narysowane jako czujniki dotykowe, mające po dwie elektrody. Dotknięcie palcem elektrod oznacza, że przez rezystancję skóry zaczyna płynąć prąd. Rezystancja skóry może wynosić od kilkudziesięciu kiloomów do kilku megaomów, zależnie od stopnia wilgotności skóry. Przy dotknięciu czujnika S1 kondensator C6 będzie się ładował i częstotliwość (wysokość) dźwięku będzie rosła. Przy dotknięciu S2 kondensator C6 zacznie się rozładowywać i częstotliwość będzie malała. Obecność rezystorów R1, R2 o dużych wartościach gwarantuje, że kondensator C6 nawet przy zwarciu S1 czy S2 nie zostanie przeładowany gwałtownie, tylko na tyle płynnie, że da to efekt stopniowej zmiany częstotliwości dźwięku.
W układzie sygnał z wyjścia generatora VCO (z nóżki 4) jest podawany wprost na wejście licznika CMOS 4040. Dodatkowo podany jest też na wejście bramki EXOR (na nóżkę 3). Dopiero z wyjścia tej bramki (z nóżki 2) sygnał jest podawany na bufor z dwóch tranzystorów T1, T2. Przetwornik (membranę) piezo należy dołączyć do punktów B i GND. W zasadzie przy wykorzystaniu membrany piezo z rodziny PCA-1xx można byłoby zrezygnować zarówno z C4 (zastąpić zworą), jak i obu tranzystorów, czyli podłączyć membranę piezo wprost do nóżki 2 kostki U1.
W buforze przewidziano jednak kondensator separujący C4 oraz tranzystory BC338/BC328, które są znacznie "mocniejsze" niż popularne BC548/BC558 i pozwalają wprost wysterować głośnik 8 Ω/1 W dołączony do punktów B i GND. Miniaturowy głośnik 8 Ω/0,25 W powinien być dołączony przez rezystor R3 do punktów A i GND. Obecność rezystora R3 ogranicza wprawdzie głośność dźwięku, ale też zmniejsza pobór prądu do wartości rzędu 20...30 mA, co pozwala zasilać układ nawet z małej 9-woltowej baterii. W modelu występuje rezystor R3 o wartości aż 100 Ω - przy współpracy z głośnikiem dołączonym do punktów A i GND wydzieli się w nim ok. 0,25 W mocy strat.
W module przewidziano dodatkowy dzielnik częstotliwości US2 - CMOS 4040. Dzięki temu oprócz przebiegu wprost z generatora dostępne są też przebiegi o częstotliwościach 2, 4, 8, 16, ... 2048, 4192 razy mniejszych. Testy modelu pokazały, że warto dołączyć diodę LED do wyprowadzenia Q8 - wtedy maksymalna częstotliwość migotania diody jest rzędu 20 Hz, co jest wyraźnie widoczne, ponieważ nie wchodzi jeszcze w grę bezwładność oka ludzkiego. Układ modelowy z membraną piezo i jedną niebieską diodą LED pobiera przy zasilaniu 9 V od 7,5 do 12 mA prądu, zależnie od częstotliwości pracy.
Przy napięciu zasilania 12 V pobór prądu nie przekracza 15 mA. Pobór prądu można zmniejszyć, usuwając diodę LED.
Montaż i uruchomienie
Elementy należy wlutować w płytkę w kolejności - gabarytowo - od najmniejszej do największej. W miejsce S1, S2 trzeba wlutować kątowe szpilki goldpin, jak pokazują fotografie modelu. Podczas montowania układu należy zwracać szczególną uwagę na sposób wlutowania elementów biegunowych: kondensatorów elektrolitycznych, tranzystorów, diody oraz układów scalonych, których wycięcia w obudowie muszą odpowiadać rysunkowi na płytce drukowanej.
Po zmontowaniu układu trzeba bardzo starannie skontrolować, czy aby elementy nie zostały wlutowane w niewłaściwym kierunku lub w niewłaściwe miejsca oraz czy podczas lutowania nie powstały zwarcia punktów lutowniczych. Po skontrolowaniu poprawności montażu można dołączyć źródło zasilania: baterię 9-woltową lub inne źródło napięcia (3 V…12 V). Układ zmontowany prawidłowo, ze sprawnych elementów, nie wymaga żadnej regulacji i od razu będzie poprawnie pracował.
Po włączeniu zasilania należy dotykać na przemian czujników S1, S2, co zaowocuje zmianami wysokości dźwięku. Gdyby zmiany były powolne, trzeba zwilżyć (np. poślinić) palce. Częstotliwość migotania niebieskiej diody LED będzie proporcjonalna do wysokości dźwięku. W wersji podstawowej z membraną piezo na początek nie należy zwierać kołków J1 (ewentualnie założyć jumper na jeden kołek, żeby się nie zawieruszył). Warto też przeprowadzić próby przy założonym jumperku, gdy częstotliwości pracy będą niższe - ten tryb pracy przewidziany jest głównie do współpracy z głośnikiem.
Bardzo interesujące efekty modulacji dźwięku uzyskuje się, dotykając jednym palcem któregoś z sensorów S1, S2, a drugim - wyjścia Q9 lub Q10 scalonego dzielnika U2. W tym celu przewidziano dodatkowe czujniki w postaci "wysokich" zwór wlutowanych w miejsce na rezystory R12, R13 (3). Warto też poeksperymentować z jeszcze innymi sposobami modulacji, co da różne niesamowite sygnały dźwiękowe.
