Proyecto Final. Caja de música

(Circuito analógico)

Introducción 

Originalmente, una caja de música es un instrumento musical mecánico. Estas cajas funcionan por medio de unos remaches ubicados en un cilindro giratorio o disco que, al alzar y soltar las láminas afinadas de un cepillo o teclado de metal, producen el sonido. El circuito que se propone emula el funcionamiento de una caja musical. La cantidad de notas es limitada a 10, lo cual permite crear una melodía sencilla. 

Lista de componentes 

(Nomenclatura de la Figura 1)

• IC1=IC2: temporizador 555
• IC3: contador de décadas CD4017
• Q1: transistor bipolar NPN TIP29 o similar
• R1=R2: resistor 33K - R3=R5=R9: resistores 10K
• R4=R7=R10: resistores 15K - R6=R8: resistores 22K
• R11: resistor 470 ohmios
• C1: capacitor electrolítico de 10uF
• C2: capacitor de 10nF
• D1=D2=D3=D4=D5=D6=D7=D8: diodo 1N4148 o similar
• LS: parlante miniatura de 8 ohmios.

El proyecto consiste en un temporizador 555, el cual manda pulsos al contador de décadas a determinada frecuencia que se genera a base de las resistencias conectadas en el temporizador, lo que ocasiona que este mande un voltaje de respuesta, alternando esta señal a cada una de sus salidas, de modo que solo una de las salidas del contador de décadas tenga señal a la vez, esta señal la conectamos a unos leds, los cuales nos sirven como diodos y como testigos del funcionamiento del contador, a la salida de cada uno de los diodos ponemos una resistencia la cual determina la frecuencia lo que al ser enviado a otro temporizador y luego a una bocina genera un sonido.

Como cada vez que se envía una señal diferente y a diferentes frecuencias se genera una melodía la cual si se amplifica la señal se puede escuchar de una manera clara.

Nos basamos en un esquemático que se encontró en internet (las referencias se encuentran al final del documento) como muestra la Figura 1.

Figura 1. Esquemático del cual nos basamos para el proyecto final.

Debido a un error en los temporizadores y su conexión usamos otra configuración para estos como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Esquemático del cual nos basamos para el temporizador.

El resultado final se muestra en el siguiente esquemático realizado en el software Isis de Proteus (Fig3)

Figura 3. Esquemático en Proteus

Se diseñó en placa para reducir el ruido ocasionado por lo cables en la protoboard (fig4).

Figura 4. . Esquemático en Proteus para la placa.

El resultado final se muestra en la figura 5

Figura 5. Placa terminada.

Este proyecto es un ejemplo de como se puede realizar una melodía al estilo de las series navideñas que se venden en épocas decembrinas, solo que para estos se usa unos componentes parecidos pero que soporten la corriente alterna y mucho amperaje.

Referencias

www.unicrom.com

Hoja de datos del timer 555 

Hoja de datos del contador 4017

Tema musical

El objetivo de la práctica es escuchar por medio de unos audífonos una melodía generada a partir de diferentes frecuencias controladas por medio del PSoC 5. 

En esta práctica se usó el convertidor digital analógico el cual debía de mandar varias frecuencias de un código previamente programado para que en unos audífonos reciban la señal y generen un tono musical, dependiendo de la frecuencia es el tipo de tono que genera y se escucha en los audífonos, ajustando los tipos de frecuencia con un tiempo de espera para que no se combinen frecuencias.

El primer paso fue seleccionar el componente que se muestra en la figura, WaveDAC8, y modificar su tipo de salida a un pulso cuadrático.

Ahora se tiene que colocar un timer con un pulso de reloj, el cual va a hacer las pausas para que no se interfieran una frecuencia con otra.

El interruptor sirve para que se espere el reloj mientras acaba el ciclo de una función que se pondrá en el código.

El pin analógico de salida que se muestra puede ser cualquier pin que tenga disponible el PSoC y el otro debe ser tierra.

La Figura siguiente muestra el código usado para la práctica.

El circuito esquemático es el siguiente:

Hay que tener en cuenta que el voltaje de salida es muy bajo en comparación a los pulsos PWM por lo que necesita a la salida un tratamiento de amplificación y filtrado de ruido para que se escuche bien.

Otro detalle a tomar en cuenta es que no se puede escribir el valor de la frecuencia en el código y solo se puede mover el valor del periodo, por lo que ponemos unta tabla del periodo que tomamos con su respectiva frecuencia.

Valor del periodo	Valor de la frecuencia
5.10 ms	196 Hz
4.05 ms	247 Hz
4.55 ms	220 Hz
3.82 ms	262 Hz

El tema musical de salida es una combinación de estos cuatro tonos que en conjunto forman una melodía con ritmo, a lo que nos recuerda a la música de ocho bits de los videojuegos antiguos.

Se pueden poner más frecuencias y más combinaciones para generar un tema musical más complejo.

SERIE AD777X

La serie AD777x son dispositivos desarrollados por la empresa Analog Deices Inc, los cuales son un sistema de adquisición de datos de 24 bits en un SoC.

Estos dispositivos fueron diseñados para mejorar el rendimiento de equipos de protección, vigilancia y medición de alta calidad, usados para el manejo de la transmisión y distribución de energía eléctrica en los sistemas de redes inteligentes.

Hoy en día, existen 3 modelos disponibles en el mercado, los cuales fueron pensados para cubrir necesidades específicas:

El AD7770 permite un mayor rendimiento y relés de protección de factor de forma mas pequeño.
El AD7771 permite a los equipos de medición de la calidad de energía, proporcionar una detección temprana de fallos en la red eléctrica.
El AD7779 asegura rápido encendido en equipos cortacircuitos.

Los tres dispositivos de la serie AD777x ofrecen a la industria una gran combinación de herramientas además de la mejor combinacón de rango dinámico y un alto rendimiento de datos. Además de eso, cuentan con ocho canales de toma de muestras simultáneas que miden la salida de los sensores de corriente y tensión en aplicaciones de potencia trifásicos.

Cada canal SoC logra 112-dB de rango dinámico en 8 kSPS, lo que permite la consolidación de las funciones de protección y medida en un solo canal convertidor A / D. La serie AD777x también incluye un convertidor de frecuencia de muestreo integrado, lo que simplifica el desafío de diseño asociados con la fabricación de los equipos de calidad de energía compatible con el estándar IEC61000-4-30 Clase A.

La serie AD777x incorpora un amplificador de ganancia programable (PGA) para escalar varias salidas de los sensores, lo que permite a los diseñadores de sistemas utilizar una plataforma común para las aplicaciones con diferentes requisitos de precisión y tipos de sensores de entrada, incluyendo transformadores de corriente, transformadores de potencial y cadenas resistivas.

Además, la serie AD777x reduce el costo total del sistema al eliminar la necesidad de componentes externos, como amplificadores de acondicionamiento de señal y bucles de enganche de fase (PLL).

Toda la serie AD777x incorpora convertidores de frecuencia de muestreo que permiten el ajuste fino de la frecuencia de muestreo y mantienen la coherencia a un cambio de 0,01 Hz en frecuencia de la línea durante un 50Hz (-15%) a 60 Hz (+ 15%) Rango. Este es un requisito para la IEC61000-4-30 Clase A estándar de calidad de la energía. 

Los nuevos dispositivos también incorporan una serie de características en el chip de diagnóstico que facilitan el proceso de diseño para equipo de extremo nivel de integridad de seguridad (SIL) de certificación. Un canal convertidor de baja resolución SAR/AD adicional, que funciona a partir de una fuente de alimentación independiente, proporciona datos para el diagnóstico del sistema y de chips, mejorando la confianza en la integridad de datos y aumenta la fiabilidad general del sistema. 

El alto rango dinámico del AD7771, junto con una velocidad de muestreo alta, permite a la reducción del ruido de fondo de la transformada rápida de Fourier (FFT). Esto mejora la detección de los picos de frecuencia anormales, que pueden indicar un fallo eléctrico en desarrollo, y permite la detección de alerta temprana y el mantenimiento preventivo de los equipos de medición de calidad de energía.

Las hojas de datos de los componentes se encuentran en los siguientes links.

http://www.analog.com/AD7770
http://www.analog.com/AD7771
http://www.analog.com/AD7779

AMPLIFICADOR TRANSIMPEDANCIA. PARTE II

El objetivo de la práctica es desarrollar un amplificador transimpedancia, cuya función es convertir una corriente de entrada a voltaje.

Anteriormente, se presentó un circuito analógico con componentes externos al PSoC, el cual se propuso para manipular la corriente de entrada al PSoC, sin embargo, al final se optó por usar componentes y configuraciones internas de la tarjeta.

A continuación se describe el desarrollo final de la práctica.

Para comprobar el funcionamiento del amplificador transimpedancia, utilizamos el IDAC8, que es una fuente de corriente que tiene integrado el PSoC 5. Este tipo de fuente interna se puede usar como fuente o como consumidor de corriente dependiendo el uso que se necesite.

       

                                  Fuente de corriente                 Consumidor de corriente

                            

Debido a ciertos problemas obtenido por el IDAC8 como consumidor de corriente (corriente negativa) lo utilizamos como fuente de corriente en positivo por lo cual el voltaje de salida del amplificador transimpedancia resulta negativo por la fórmula:

Vout = Vref - RI.

En donde Vref, al inicio lo conectamos a tierra.

Para corregir este detalle de la corriente negativa se colocó un VDAC8 que como el IDAC8 es una fuente de voltaje,  el cual conectamos a la terminal no inversora del amplificador operacional(Vref).

Así nos aseguramos que la salida del operacional siempre va a ser positivo, debido a que será la suma entre nuestro voltaje de referencia y nuestra conversión de corriente a voltaje, pero como éste es negativo, se restan los dos valores, esta resta entra a un convertidor digital SAR_ADC el cual se integra a la pantalla LCD 16*2 y obtenemos así el voltaje de referencia menos el voltaje que nos da la conversión de corriente a voltaje.

(nota: se colocó un pin de salida y de entrada debido a que así se nos permitiría medir la corriente que suministraba el IDAC8, pero también se puede conectar internamente)

Las siguientes imágenes son las cofiguraciones de nuestros componentes usados:

A continuación los pines usados como analógicas o digitales.

Y por último el código de nuestro proyecto

Para que funcione el IDAC8, el VDAC8 y el TIA, es necesario inicializarlos con el star(); y en caso del IDAC8 y VDAC8 es necesario poner un el número binario que más convenga en el SetValue(número); para el VDAC8 fue el 255 y el valor que se va a cambiar es el amp, que podría ser de 0 a 255.

Esto sirve para definir la cantidad de corriente que queremos tener que nuestro caso es 1/8 µA del número de bit. Ejemplo: 80 bits = 10 µA, esto multiplicado por la resistencia de 20 KΩ nos da 0.2 volts. Si se lo restamos al voltaje de referencia 4.31 volts, nos da 4.11 volts; el cual es el resultado que mostrará la pantalla LCD 16*2.

A continuación dos ejemplos del PSoC funcionando, en donde se puede observar la salida de voltaje en la pantalla LCD.

Variable amp = 35 (variable del código, la cual regula los amperes de entrada)

Variable amp = 255 (variable del código, la cual regula los amperes de entrada)

.

Referencias

Hoja de datos Amplificador transimpedancia

Hoja de datos IDAC8

Hoja de datos VDAC8

AMPLIFICADOR TRANSIMPEDANCIA

Objetivo: Demostrar el funcionamiento de un amplificador operacional con la configuración de "transimpedancia", para lo cual se hará uso del PSoC 5LP CY8CKIT-059.

El amplificador transimpedancia es un circuito cuyo objetivo es convertir corriente a voltaje, la configuración se muestra en la Figura 1

Figura 1. Configuración amplificador transimpedancia.

A continuación se muestra un circuito esquemático en la Figura 2, el cual es la primera propuesta para realizar la demostración descrita en el objetivo. Dicho circuito se encuentra sujeto a los cambios necesarios durante el desarrollo de la práctica.

Figura 2. Circuito esquemático a realizar.

El circuito consta de dos amplificadores, el primero es un convertidor de voltaje a corriente, éste nos servirá como entrada para el segundo amplificador, que convierte la corriente a voltaje. 

Esto es con el objetivo de probar diferentes datos en la entrada y evaluar la respuesta del circuito.

La primera configuración presentada en el amplificador uno se llama "amplificador transconductancia", el potenciómetro que se encuentra a la salida  se utilizará para variar los niveles de corriente obtenidos.

Como se puede notar en la figura 2, el segundo amplificador se implementará por medio de la tarjeta PSoC, el cual ya cuenta con el componente necesario para la configuración aquí requerida. Dicho componente se ilustra en la Figura 3.

Figura 3. Amplificador TIA del PSoC

A continuación se presenta la Tabla 1, la cual contiene las especificaciones obtenidas de la hoja de datos del componente de la Figura 3. 

Tabla 1. Especificaciones amplificador PSoC 5

.

ECUALIZADOR ACTIVO 3 BANDAS

Un ecualizador es un dispositivo que modifica el volumen del contenido en frecuencias de la señal que procesa. Para ello modifica las amplitudes de sus coeficientes de Fourier, lo que se traduce en diferentes volúmenes para cada frecuencia. Con esto se puede variar de forma independiente la intensidad de los tonos básicos.

Para implementar el circuito de la Figura 1, se requieren los siguientes materiales:

1 amplificador TL082

2 potenciómetros 100K

1 potenciómetro 500K

1 capacitor electrolítico 4.7 microF

1 capacitor electrolítico 1 microF

3 resistencias 10K

4 capacitores de lenteja 0.047, 0.0047, 0.0047, 0.022 micro F  

1 resistencia 1.8K

3 resistencias 3.3K

A continucación se presenta el esquemático

Figura 1. Circuito esquemático del cualizador 3 bandas

Implementación

Figura 2. Implementación del circuito

Para la implementación se usó como entrada un celular el cual iba a conectado por medio de un plug a un jack, solo se conectó un canal del jack para transmitir la señal del jack.

La salida se logró por medio de otro jack, al cual conectamos un audífono para poder apreciar la salida.

Referencias

Hoja de datos del amplificador TL082 (Texas Instrument)

PANTALLA LCD CON POTENCIÓMETRO

La práctica consiste en conectar un potenciómetro al PSoC y a la pantalla LCD con el fin de que en la pantalla podamos apreciar el voltaje que nos envía el potenciómetro.

Software: PSoC Creator 3.2

Componentes:

• Tarjeta PSoc CY8CKIT-059 PSoC 5LP
• Pantalla LCD
• 2 Potenciómetros

SOFTWARE

A continuación se presenta el esquemático que fue creado en el PSoC creator

Figura1. Esquemático de la práctica

Se puede observar en la Figura 1 que el esquemático consta de 2 partes, un ADC Delta-Sigma y un LCD.

El ADC nos sirve para convertir la señal analógica que nos entrega el potenciómetro a una señal digital que pueda leer el LCD.

El modelo de LCD que se usó en esta práctica no se encuentra disponible en el programa por default, por lo que es necesario instalar la siguiente librería en el projecto:

http://www.mediafire.com/download/yrrmxwh5uyhzf6h/CharLCDmp_Demo3.zip

Una vez que el esquemático esta listo, es necesario indicarle al programa que pin de la tarjeta se quiere utilizar para cada salida o entrada de información.

Figura 2. Pines de la tarjeta

En la figura 2, podemos observar en la tabla de la derecha la asignación del pin que usaremos para cada señal de salida.

Una vez que hemos terminado con la parte gráfica del programa, escribimos el código que le indicará a la pantalla lo que debe escribir.

Figura3. Código de la práctica

En la figura 3, observamos el código que se programó, y con eso terminamos la parte de la programación.

CIRCUITO

Para el cricuito conectamos un potenciómetro al LCD para regular el contraste, y el otro al  ADC de la tarjeta PSoC.

Éste último es el que nos servirá para regular el voltaje que lee el LCD.

Figura 4. Pines del LCD

La Figura 4, nos servirá de apoyo para saber como conectar la pantalla, a continuación, una breve explicación de que significa cada pin:

• VSS que es el pin de negativo o masa o 0 volts o GND.
• VDD es la alimentación principal de la pantalla y el chip, lleva 5 voltios (recomendable ponerle en serie una resistencia para evitar daños, con una de 220 ohmnios es suficiente).
• VO es el contraste de la pantalla, debe conectarse con un potenciometro de unos 10k ohms o una resistencia fija una vez que encontremos el valor deseado de contraste. Tengan en cuenta que si no conectan esto, no verán nada.
• RS es el selector de registro (el microcontrolador le comunica a la LCD si quiere mostrar caracteres o si lo que quiere es enviar comandos de control, como cambiar posición del cursor o borrar la pantalla, por ejemplo).
• RW es el pin que comanda la lectura/escritura. En nuestro caso siempre estará en 0 (conectado a GND) para que escriba en todo momento.
• E es enable, habilita la pantalla para recibir información.
• D0~D3 no los vamos a utilizar. Como pueden ver la pantalla tiene un bus de datos de 8 bits, de D0 a D7. Nosotros solamente utilizaremos 4 bits, de D4 a D7, que nos servirán para establecer las líneas de comunicación por donde se transfieren los datos.
• A y K son los pines del led de la luz de fondo de la pantalla. A se conectará a 4 o 5 volts y K a gnd.

En el caso del potenciómetro que se conecta al ADC digital, es simplemente conectar la salida de voltaje de nuestro potenciómetro a la entrada análoga del ADC

Figura 5. ADC programado en la tarjeta.

La salida del potenciómetro se conecta al pin que tenga asignado la entrada analógica del ADC.

A continuación, la Figura 6 nos muestra como queda el circuito final una vez armado.

Figura 6. Circuito completo

IMPLEMENTACIÓN

Figura 7. Circuito funcionando

La figura 7 muestra el circuito completo, con el programa cargado y funcionando.

A continuación un vídeo de la práctica que muestra los resultados obtenidos.

REFERENCIAS

http://digitalprojectsudistrital.blogspot.mx/2015/06/solucion-sprintf-y-adc-delsig-20-bit.html#more

http://elcajondeardu.blogspot.mx/2013/12/tutorial-conectando-una-pantalla-lcd.html