FLIP-FLOP MICROFONICO Uberti Michele - Ipsia Moretto
FLIP-FLOP MICROFONICO Uberti Michele - Ipsia Moretto
FLIP-FLOP MICROFONICO Uberti Michele - Ipsia Moretto
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INTRODUZIONE ........................................................................................................................................................ 2<br />
IL MICROFONO PIEZOELETTRICO ....................................................................................................................... 2<br />
AMPLIFICATORE ...................................................................................................................................................... 3<br />
<strong>FLIP</strong>-<strong>FLOP</strong> SR............................................................................................................................................................. 3<br />
RETI RITARDATRICI ............................................................................................................................................... 3<br />
DIODO VOLANO ....................................................................................................................................................... 3<br />
TRIMMER.................................................................................................................................................................... 3<br />
FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO....................................................................................................................... 4<br />
RILEVAZIONI ALL'OSCILLOSCOPIO .................................................................................................................... 4<br />
<strong>FLIP</strong>-<strong>FLOP</strong> <strong>MICROFONICO</strong><br />
<strong>Uberti</strong> <strong>Michele</strong><br />
classe 5BI a.s. 94-95<br />
corso TIEE Tecnico Industrie Elettriche ed Elettroniche<br />
docenti:<br />
prof. Cleto Azzani<br />
prof. Vitonofrio de Trizio<br />
IPSIA MORETTO BRESCIA
INTRODUZIONE<br />
Il <strong>FLIP</strong>-<strong>FLOP</strong> <strong>MICROFONICO</strong>,è un circuito elettronico che viene realizzato per il fine di fare interscambiare il<br />
contatto di un relè quando questo riceve in ingresso un segnale acustico in BF. Lo schema elettrico in FIG.1 è<br />
abbastanza elementare in quanto presenta al suo interno un integrato di tipo CD.4011 e due transistor (TR1,TR2).<br />
C1<br />
10uF<br />
25V<br />
C2<br />
1uF<br />
25V<br />
CP1<br />
MICRO<br />
+<br />
-<br />
+<br />
-<br />
R1<br />
1M<br />
R2<br />
10K<br />
TR1<br />
BC109B<br />
R3<br />
1M<br />
R4<br />
1M<br />
R5<br />
1M<br />
C3<br />
100nF<br />
8<br />
9<br />
1<br />
2<br />
U1C<br />
CD4011<br />
U1A<br />
CD4011<br />
10<br />
3<br />
R6<br />
1M<br />
R7<br />
1M<br />
12<br />
13<br />
5<br />
6<br />
C4<br />
470nF<br />
U1D<br />
CD4011<br />
U1B<br />
CD4011<br />
C5<br />
470nF<br />
11<br />
4<br />
R8<br />
1K<br />
D1<br />
1N4148<br />
RELAY<br />
TR2<br />
BC208C<br />
La globalità del sistema è riassumibile in 5 blocchi nei quali vengono esaminate le parti fondamentali del circuito<br />
(FIG.2).<br />
MICROFONO<br />
PIEZOELETTRICO<br />
AMPLIFICATORE<br />
DI<br />
TENSIONE<br />
IL MICROFONO PIEZOELETTRICO<br />
<strong>FLIP</strong>-<strong>FLOP</strong><br />
AMPLIFICATORE<br />
DI CORRENTE<br />
INTERRUTTORE<br />
ELETTRONICO<br />
Il microfono piezoelettrico è un trasduttore in grado di trasformare l’energia di una certa forma in energia di altra<br />
orma. Basa il suo funzionamento sul fenomeno della piezoelettricità,per cui alcuni corpi cristallini chiamati<br />
generalmente cristalli piezoelettrici si possono polarizzare elettricamente a causa di una deformazione meccanica di<br />
natura elastica (effetto piezoelettrico diretto). Viceversa si deformano elasticamente se vengono sottoposti all’azione di<br />
un campo elettrico (effetto piezoelettrico inverso). A causa della particolare struttura cristallografica,le deformazioni<br />
prodotte dall’azione maccanica (che può essere di pressione o di forza) provocano una deformazione all’interno del<br />
reticolo cristallino che provoca una separazione del baricentro delle cariche positivo dal baricentro delle cariche<br />
negative. Si viene in questo modo ad avere all’interno del cristallo una polarizzazione elettrica che dipende dalla<br />
pressione o dalla forza applicata;in questo modo si assiste al fenomeno della distribuzione della cariche positive su una<br />
faccia del cristallo enegative sull’altra con una uguale densità di carica data da G=K*P dove K viene definita costante<br />
piezoelettrica e dipende dalle caratteristiche del cristallo mentre P è la pressione applicata. La DDP (differenza di<br />
potenziale) che viene a crearsi tra le due facce fornisce solamente un segnale di tensione privo di potenza.Questo<br />
segnale percui necessita di un amplificatore di carica cioè di un amplificatore ad elevata impedenza di ingresso;nel<br />
circuito invece,è stato utilizzato un amplificatore composto da un semplice BJT.<br />
La polarizzazione elettrica del segnale segue l’azione maccanica e viceversa con un ritardo di 10E-8 sec;tale risposta<br />
rende i cristalli piezoelettrici particolarmente adatti come trasduttori elettromeccanici ed elettroacustici ad alta fedeltà.<br />
S1<br />
12V<br />
RELE'<br />
12V<br />
2
AMPLIFICATORE<br />
Un amplificatore in genere è un dispositivo che contiene al suo interno dei componenti non lineari a tre o più morsetti.<br />
Con l’ausilio dell’amplificatore è possibile ottenere l’amplificazione cioè la manipolazione di un segnale che viene<br />
modificato aumentandone l’ampiezza del segnale di ingresso che nel caso del flip-flop microfonico è un segnale di<br />
tensione privo di potenza.<br />
In altri termini un amplificatore incrementa una grandezza elettrica variabile mantenendola proporzionale a se<br />
stessa.Per cui l’importanza dei componenti non lineari a più di due morsetti nell’assolvimento di questa funzione è<br />
dovuta al fatto che in ogniuno di tali dispositivi è presente un ingresso tale che applicandovi una grandezza elettrica di<br />
debole intensità è in grado di far variare proporzionalmente la corrente posta in circolazione tra gli altri due morsetti<br />
mediante un generatore esterno. Gli elementi fondamentali all’interno del blocco amplificatore sono i componenti non<br />
lineari TR1 e TR2 (transistor NPN tipo BC 109B/208C). I TR dispongono di tre morsetti di cui uno questi è connesso<br />
a massa (emettitore). Tale connessione gli permettono di funzionare da amplificatori con i segnali da amplificare<br />
connessi alla base.<br />
<strong>FLIP</strong>-<strong>FLOP</strong> SR<br />
I flip-flop sono elementi di memoria costituiti in genere da Latch in combinazione con altre porte logiche. Nel circuito<br />
del flip-flop microfonico si possono individuare 4 porte nand che costituiscono il circuito logico rappresentato<br />
dall’integrato IC1 che lavora in tecnoloogia Cmos cioè con tensioni di lavoro che rientrano nei valori tra 3 e 18V e con<br />
potenze dissipate dell’ordine di 600mW per porta. Questi dati se confrontati con integrati della famiglia TTL risultano<br />
elevati perchè questi ultimi dissipano delle potenze intorno ai 10mW per porta e con una tensione fissa di lavoro di 5V.<br />
Da questo confronto risulta ovvio che la dissipazione di calore nei Cmos è nettamente maggiore che nei TTL.<br />
Le due porte logiche nand collegate all’uscita in quella particolare configurazione realizzano un flip-flop (set reset)<br />
mentre le altre due collegate agli ingressi pilotano con le loro uscite gli ingressi di set e reset del flip-flop.<br />
RETI RITARDATRICI<br />
Le reti a resistenza e capacità costituite da R6-C4 e da R7-C5 realizzano dei ritardi nel circuito logico necessari per<br />
eliminare dei disturbi che potrebbero alterare il funzionamento del sistema,infatti nelle porte U1C e U1A gli ingressi 1 e<br />
9 quando sono a livello 0 eseguono uno controllo di memoria percui lo stato d’uscita non varia,mantenendo in uscita<br />
(11) lo stato precedente,mentre quando raggiungono il livello logico 1 cambiano lo stato di memoria e di conseguenza<br />
anche lo stato delle uscite . In pratica quando viene inviato un segnale agli ingressi del flip-flop (1-9) si assiste<br />
all’abilitazione di una delle due porte logiche alla volta (dipende dallo stato di memoria precedente); questa operazione<br />
viene eseguita dall’integrato grazie a particolari collegamenti fatti,percui quando una porta è abilita l’altra non permette<br />
al segnale di influenzare l’uscita. Vale adire che se è abilitato l’ingresso 9 (comando di set del flip-flop) l’ingresso 1 è<br />
interdetto e viceversa se l’ingresso 1 (comando di reset del flip-flop) viene abilitato l’ ingresso 9 è inibito.<br />
Le reti RC dell’IC1 hanno una costante si tempo teorica da considerare,che differisce da quella realmente presente e<br />
misurata in sede sperimentale:il tempo che realmente impiegano a fornire un livello logico alto sugli ingressi 5 e 13<br />
delle porte U1D e U1B è pari a 708mS,in quanto in corrispondenza di questo tempo il valore di tensione presente sulle<br />
porte è circa 1/3 della Vcc cioè 3-4V.<br />
Questo valore differisce da quello sperimentale calcolato con i dati dei componenti perchè la costante di tempo<br />
calcolata,tramite la formula T=RC,è pari a 500mS. Nel grafico di FIG.3 è rappresentato un diagramma che evidenzia il<br />
comportamento ed il funzionamento delle uscite del flip-flop in relazione alle reti ritardatrici ed agli ingressi.Infatti<br />
quando C4 è in fase di scarica e C5 in fase di carica e viceversa si nota che a qualsiasi variazione degli ingressi l’uscita<br />
non varia il suo stato precedente,mentre quando la carica o la scarica sono a regime si può osservare il cambiamento<br />
dello stato d’uscita alla nuova rilevazione di un segnale d’ingresso.<br />
DIODO VOLANO<br />
Il relè presenta,a causa della bobina di eccitazione,un carico induttivo che, dal passaggio del BJT dallo stato ON allo<br />
stato OFF,produce una ddp tra il collettore e l’emettitore che supera la tensione di breakdown dello stesso BJT. Il<br />
diodo volano svolge la funzione di smaltire dell’energia magnetica prodotta dalla bobina in modo da non produrre delle<br />
sovratensioni ai capi del BJT che altrimenti si distruggerebbe.<br />
TRIMMER<br />
I due trimmer R2 ed R4 svolgono la funzione di selezionare il segnale d’ingresso del <strong>FLIP</strong>-<strong>FLOP</strong>.Infatti il trimmer R2<br />
serve per la regolazione della sensibilità mentre R4 per la soglia di attivazione o disattivazione del <strong>FLIP</strong>-<strong>FLOP</strong>. Per<br />
3
avviare l’integrato CD.4011 si deve imporre sugli ingressi un segnale in BF che può variare dentro un range da 4-12V<br />
perchè questo venga interpretato come 1 logico,mentre i segnali inferiori a 4V vengono interpretati come 0 logico.<br />
Regolando i 2 trimmer ai massimi livelli loro consentiti,si aumenta la sensibilità del circuito a captare segnali in BF di<br />
bassa intensità acustica.<br />
FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO<br />
Quando il microfono piezoelettrico capta un segnale in BF di tipo acustico, emette un segnale in tensione che viene<br />
portato alla base de transistor TR1 tramite il C2;questo segnale viene amplificato e trasmesso agli ingressi dell’integrato<br />
IC1 passando per un condensatore C3.<br />
A questo punto l’integrato risponde al segnale attivando il SET oppure il RESET in base allo stato precedente<br />
dell’uscita che fino a questo momento era stato mantenuto in memoria.<br />
Una volta cambiata nuovamente l’uscita dell’IC1 attraverso una resistenza R8 il transistor TR2 amplifica il segnale<br />
d’uscita dell’integrato che,dopo aver passato lo stadio dell’amplificazione,va ad eccitare la bobina del relè<br />
interscambiando il contatto dello stesso.<br />
Per diseccitare il relè basta che venga captato nuovamente un altro segnale dal microfono tale per cui,il segnale che<br />
prima aveva agito sulla porta del SET del flip-flop,ora questo nuovo segnale attivi la porta di RESET e riporti ad un<br />
livello 0 l’uscita,percui il TR2 cambi il suo stato da quello di saturazione a quello di interdizione,per il fatto che alla<br />
base del BJT risulti presente una tensione inferiore a quella di lavoro dello stesso.In questo modo viene ripristinata la<br />
condizione di riposo del relè.<br />
RILEVAZIONI ALL'OSCILLOSCOPIO<br />
(PER VERIFICARE IL CORRETTO FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA)<br />
Per verificare ed approfondire meglio il funzionamento del circuito sono stati fatti dei rilevamenti in punti particolari<br />
del flip-flop microfonico al fine di conoscere particolari caratteristiche che questo presentava come ad esempio il<br />
comportamento del TR1,sul collettore,al quale veniva applicato sperimentalmente un segnale di tipo sinusoidale per<br />
simulare un segnale esterno che si avvicinasse a quelli possibili captabili dal microfono piezoelettrico. La forma d’onda<br />
amplificata dal BJT è rappresentata dalla FIG.4,nella quale si può vedere che il valore della tensione Vp-p (tensione<br />
picco-picco) con il transistor interdetto,era pari a 13V.<br />
L’andamento del grafico rilevato fa notare chiaramente il funzionamento alternato tra l’interdizione e la saturazione del<br />
TR1 che variava con la frequenza del segnale, che potevamo modificare a piacere perchè per simulare un rumore<br />
esterno è stato collegato ai terminali del microfono un generatore di funzione. Un’altra rilevazione è stata fatta<br />
sull’ingresso 9 della porta U1C del CD4011. Il risultato è rappresentato dalla FIG.5<br />
4
nella quale si nota i processi di carica e di scarica del condensatore C3. Il segnale che la porta riceve in ingresso ha un<br />
valore Vp-p=8V:questo valore è già eccessivo per avere un 1 logico sulla porta perchè il valore minimo per cui la porta<br />
risponde con un 1 e di circa 1/3 di Vcc e cioè 3-4V. Nel piedino 8 è stata fatta un’altra rilevazione importante e cioè è<br />
stata rilevata la carica e la scarica del C4 che corrisponde alla scarica ed alla carica del corrispettivo C5 (FIG.6)<br />
Importante e la rilevazione dei tempi che i condensatori impiegano a caricarsi e a scaricarsi perchè svolgono nelle reti<br />
ritardatrici una funzione importante.<br />
L’ultima rilevazione è stata effettuata sul piedino 11 dell’integrato e più precisamente sull’uscita collegata tramite una<br />
resistenza al TR2 (FIG.7).<br />
5
Si vede che il segnale d’uscita e rappresentato da un’onda quadra con un duty cycle,che è dato dal rapporto dalla parte<br />
del periodo in cui il segnale sta a 1 sul periodo totale (T1/T),è pari al 50%. Il valore dell’uscita Vp-p=12V circa mentre<br />
il valore minimo assunto è -156mV.<br />
6