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Un pò di tempo fa, alla ricerca di nuovi circuiti da sperimentare, lessi questo interessante articolo. Ho pensato di riproporne una parte in italiano, così ho contattato Sebastian Tomczak (Lttle-Scale), autore originale, che ha acconsentito con piacere.

Raccomando a tutti il blog di Sebastian, è una miniera di informazioni e spunti creativi.

Ora però tirate fuori la breadboard, si comincia!

Indice

Logica Digitale

Gli schemi presentati si basano sull’utilizzo di circuiti basati sulla logica digitale, cioè il ricorso a due singoli stati logici (zero e uno) utilizzati per rappresentare le tutte le informazioni.

Numeri Binari

Stati multipli possono essere codificati come informazioni utilizzando un set di 1 e 0. Pensate al numero quattro. Il numero quattro non puo’ essere rappresentato da un 1 o uno 0 solo. Tuttavia, se si considerano tre o più 1 e 0 in combinazione tra loro, il numero quattro può essere codificato.

Per esempio:

0 0 0 = 0
0 0 1 = 1
0 1 0 = 2
0 1 1 = 3
1 0 0 = 4

Zero, uno e elettricità

L’elettricità è in grado di rappresentare l’idea di un 1 e uno 0 abbastanza facilmente. Il numero 1 può essere rappresentato, ad esempio, dalla linea di tensione positiva (per esempio 5 Volt) di un circuito in corrente continua. Il numero zero può essere rappresentato dalla tensione zero di un circuito in corrente continua.

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Integrati Logici

Ci sono tre tipi di circuiti integrati utilizzati in questi mini progetti. Tutti gli integrati operano con segnali allo stato logico alto (1) e basso (0).
Combinando le funzioni di questi integrati è possibile creare vari tipi di congegni e sequencers.
Appartengono tutti alla famiglia degli integrati 40XX. La buona notizia è che possono operare con tensione tra 3 Volt e 15 Volt e usano poca corrente.
Sono facilmente reperibili in qualsiasi negozio di componenti elettronici.

4010640404051

40106

40106
Pin   Description       Pin   Description      
1 Input 1 14 Power (+V)
2 Output 1 13 Input 6
3 Input 2 12 Output 6
4 Output 2 11 Input 5
5 Input 3 10 Output 5
6 Output 3 9 Input 4
7 Ground (0V) 8 Output 4

Il 40106 e’ un hex inverter. Ha sei stadi separati. Ogni stadio ha un input e un output. Quando un segnale allo stato logico alto (1) viene presentato all’ingresso, l’output si porta allo stato logico basso (0). Quando un segnale allo stato logico basso (0) viene presentato all’input, l’uscita si porta allo stato logico alto (1).

Funzione

Nel contesto degli schemi elettrici presentati in questo post, il 40106 viene utilizzato per la creazione di un numero massimo di sei oscillatori.

Questo si puo’ ottenere collegando l’uscita di uno stadio di inverter all’ingresso.

4040

4040
Piedino
Descrizione
Piedino Descrizione     
1 Q12 16 Power (V+)
2 Q6 15 Q11
3 Q5 14 Q10
4 Q7 13 Q8
5 Q4 12 Q9
6 Q3 11 Reset
7 Q2 10 Clock In
8 Ground (0V) 9 Q1

Il 4040 è un contatore binario. Anche se questo può sembrare scoraggiantequello che fà, in realtà, è molto semplice. Ha un singolo ingresso, Clock In.
Se un’onda quadra viene applicata a questo ingresso, le uscite (da Q1 a Q12) oscilleranno a una velocità relativa alla frequenza di ingresso.

Il piedino di Reset deve essere mantenuto al livello logico basso.

Q1 oscilla ad una frequenza che è la metà della frequenza di ingresso. Q2 a un quarto. Q3 a un ottavo e così via.

Se le frequenze di uscita sono all’interno della gamma dell’udito umano, suoneranno a un’ottava piu’ in basso. La frequenza di Q12 sarà undici ottave sotto quella di Q1.

Questa relazione e’ rappresentata dal seguente diagramma.:

CK -_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_
Q1 --__--__--__--__--__--__--__--__--__--__--__--__--__--__--__--__
Q2 ----____----____----____----____----____----____----____----____
Q3 --------________--------________--------________--------________
Q4 ----------------________________----------------________________
Q5 --------------------------------________________________________

4051

4051
Piedino
Descrizione      Piedino  Descrizione     
1 Channel 4 16 Power (+V)
2 Channel 6 15 Channel 2
3 Common Connection 14 Channel 1
4 Channel 7 13 Channel 0
5 Channel 5 12 Channel 3
6 Inhibit 11 Address A
7 Low Input 10 Address B
8 Ground (0V) 9 Address C

Il 4051 è un multiplexer/demultiplexer analogico a otto canali. Anche questa descrizione potrebbe sembrare un pò misteriosa. E ancora una volta ciò che fa, in realtà, è abbastanza semplice.

Il 4051 ha otto canali (numerati da 0-7) e un piedino di connessione comune (Common Connection, piedino 3). Lo stato dei tre pin di indirizzo A, B e C  determina quale degli otto canali collegare al pin di connessione comune. Si può pensare agli otto pin dei canali come otto porte, di cui solo una puòessere aperta (cioè collegata al pin connesione comune) in qualsiasi momento.

Il piedino inhibit deve essere tenuto a stato logico basso.

Il rapporto tra pin di indirizzo A,B e C e la selezione del canale da connettere dipende dalla tabella di verità seguente:
Piedino C Piedino  B Piedino  A Canale selezionato
high (1) high (1) high (1) 7
high (1) high (1) low (0) 6
high (1) low (0) high (1) 5
high (1) low (0) low (0) 4
low (0) high (1) high (1) 3
low (0) high (1) low (0) 2
low (0) low (0) high (1) 1
low (0) low (0) low (0) 0

Funzione

Nel contesto delle schemi che qui presentiamo, il 4051 genererà valoridifferenti di tensione o di resistenza nel tempo (a seconda dello stato dei pin di indirizzo).

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Sound Devices

I marchingegni sonori qui descritti non esauriscono in alcun modo la possibilità di utilizzare gli integrati logici descritti in altre modalità.

La sperimentazione è molto incoraggiata.

Materiale necessario

Ecco il materiale necessario per costruire i dispositivi sonori descritti in questa pagina.

  • Breadboard
  • Fili sottili per ponticelli su breadboard
  • Batteria da 9V
  • Porta batteria da 9V
  • Altoparlante
  • Amplificatore/ Mixer o simile

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Oscillatore

Schema e realizzazione sulla breadboard01_oscillator breadboard_01

Componenti necessari

  • Circuito integrato 40106
  • Condensatore da 0.1uF
  • Condensatore da 0.47uF
  • Resistenza da 10KΩ
  • Potenziometro 10KΩ

Dallo schema, sembra che il 40106 abbia solo due piedini. Questo perchè stiamo utilizzando solo uno dei sei inverter.

Il triangolo che rappresenta l’inverter mostra la direzione del segnale; la lineache esce dal vertice è l’uscita mentre la linea che entra nella base è l’ingresso. I numeri  corrispondono ai piedini fisici dell’integrato.

L’idea di base è piuttosto semplice. Quando l’ingresso dell’inverter è basso, l’uscita passa allo stato logico alto e viceversa.

Mettendo in feedback l’uscita con l’ingresso, l’inverter cambierà costantemente stato logico e emetterà un’onda quadra.
La frequenza dell’onda quadra è determinata dai valori di condensatore eresistenza. Iniziate con l’utilizzo di un condensatore da 0.1uF e una resistenza da 10kOhm.

Provate a sostituire il condensatore con un valore più alto. Sostituite la resistenza con un potenziometro da 10k.

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Arpeggiatore

Schema e realizzazione sulla breadboard

02_arp

breadboard_02_arp_small-300x189

Componenti necessari

  • Circuito integrato 40106
  • Circuito integrato 4051
  • Condensatore da 0.1uF
  • 3 condensatori da 0.22uF
  • 3 potenziometri da 1MΩ
  • 8 resistenze da 22KΩ

Lo stato dei tre oscillatori collegati ai piedini di indirizzamanto determina quale porta del 4051 è selezionata.

Una rete di resistenze genera l’intonazione del quarto oscillatore a seconda di quale porta è attualmente attiva.

Le resistenze in serie si sommano. Quando è attivo il gate 7, la resistenza è al massimo (es. 8 x 22KΩ). Quando il gate 0 è attivo, la resistenza è minima (es. 1 x 22KΩ).

Cambiando le frequenze dei tre oscillatori di controllo realizzati con il 40106 , le cui uscite sono collegate ai piedini di indirizzo A,B e C, si ottengono interessanti arpeggi.

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Sequencer

Schema e realizzazione sulla breadboard04_seq breadboard_03_seq-300x168

Componenti necessari

  • Circuito integrato 40106
  • Circuito integrato 4040
  • Circuito integrato 4051
  • Condensatore da 0.1uF
  • Condensatore da 0.22uF
  • Potenziometro da 1MΩ
  • 8 Resistenze da 22KΩ

Il 40106 viene usato per creare due oscillatori. Il primo oscillatore è collegato al piedino di clock del 4040. Le prime tre uscite del 4040 sono collegate ai piedini di indirizzo A,B e C del 4051. Questo fa sì che vengano selezionati in sequenza gli otto canali del 4051. Una rete di resistenze crea differenti altezze del secondo oscillatore, a seconda del canale attivo. Le resistenze in serie si sommano. Quando è attivo il gate 7, la resistenza è al massimo (es. 8 x 22KΩ). Quando il gate 0 è attivo, la resistenza è minima (es. 1 x 22KΩ).

E’ preferibile usare resistenze con tolleranza da 1% o 2%, in caso si vogliano creare più oscillatori che suonano contemporaneamente. Cambiando le connessioni tra il 4040 e il 4051 si possono ottenere diverse sequenze. Sostituendo la rete di resistenze con una rete di potenziometri si potrà agire sull’intonazione in tempo reale.

Per capire il funzionamento del circuito occorre consderare il diagramma temporale del 4040:

CK -_-_-_-_-_-_-_-_
Q1 --__--__--__--__
Q2 ----____----____
Q3 --------________

Il segnale di clock viene fornito dall’oscillatore di controllo ed è collegato all’ingresso dell’integrato 4040. Q1, Q2, Q3 sono le prime tre uscite dal 4040. Le uscite Q1, Q2 e Q3 del 4040 vengono collegate agli ingressi A,B e C del 4051.

4040 Q1 --__--__--__--__ A 4051
4040 Q2 ----____----____ B 4051
4040 Q3 --------________ C 4051
Tempo   1 2 3 4 5 6 7 8

Questo diagramma mostra l’andamento delle tre onde quadre a ogni impulso di clock in singoli stati. In pratica si ottengono tre onde quadre. La frequenza dell’onda generata sul pin Q3 è doppia rispetto a quella di Q2 e quadrupla rispetto a quella di Q1.

Tornando alla tabella di verità del 4051, ecco quali canali vengono selezionati a seconda dello stato dei tre ingressi:

 Piedino C  Piedino B  Piedino A Canale selezionato
high (1) high (1) high (1) 7
high (1) high (1) low (0) 6
high (1) low (0) high (1) 5
high (1) low (0) low (0) 4
low (0) high (1) high (1) 3
low (0) high (1) low (0) 2
low (0) low (0) high (1) 1
low (0) low (0) low (0) 0

Quindi, possiamo dire che al cambiare degli ingressi, che avviene a ogni impulso di clock, viene selezionato un canale diverso, nell’ordine decrescente da 7 a 0.

Tempo Q3 = C Q2 = B Q1 = A Canale selezionato
1 high (1) high (1) high (1) 7
2 high (1) high (1) low (0) 6
3 high (1) low (0) high (1) 5
4 high (1) low (0) low (0) 4
5 low (0) high (1) high (1) 3
6 low (0) high (1) low (0) 2
7 low (0) low (0) high (1) 1
8 low (0) low (0) low (0) 0

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La bellezza di questi esempi circuitali sta proprio nella loro semplicità di realizzazione. Spero che siano fonte di ispirazione per gli appassionati alla prima esperienza con l’elettronica e che siano di qualche utilità ai più navigati.

Ecco il link all’articolo originale che prosegue con altri interessanti circuiti da realizzare.

Un ringraziamento a Sebastian Tomczak per la disponibilità e per l’impegno continuo nel condividere le proprie scoperte, invenzioni e idee.