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Juega, Aprende, y Haz Ingeniería con NI myDAQ - Lab 10: Theremin ÓpticoFecha de Publicación: nov 30, 2012

Visión GeneralComo parte del contenido académico de distribución gratuita de National Instruments Juega, Aprende, y Haz Ingeniería con NI myDAQ, las prácticas demuestran la amplia gama de posibilidadesde uso de la plataforma NI myDAQ. Los 10 experimentos de laboratorio cubren un amplio rango de temas, incluyendo circuitos analógicos y digitales, sensores y procesamiento de señales debandas sonoras de audio. Ver todo el contenido del material .Juega, Aprende, y Haz Ingeniería con NI myDAQ

Contenido

ObjetivoEn los 1950s y 1960s, un nuevo sonido aterrador fue introducido a los seguidores de la ciencia ficción, películas y programas de terror. Este no era un nuevo sonido sino un renacimiento delTheremin inventado en 1928 por el profesor Leon Theremin usando electrónica de 1050s (Fig. 1). El Theremin fue el primer instrumento musical electrónico. Este tenía dos antenas, las cualeseran parte de un oscilador resonante RLC. Cuando usted ponía su mano cerca de una antena, el campo eléctrico se perturbaba, resultado de un cambio en la frecuencia resonante. Una antenacontrolaba la frecuencia o tono, mientras la otra antena modificaba la amplitud del sonido. El Theremin ahora tiene bastantes seguidores; puede ver y oír los primeros sonidos en algunas de lasreferencias.

Fig 1. Leon Theremin en Concierto

Este laboratorio usa la tarjeta NI myDAQ y dos sensores ópticos para construir un Theremin óptico con su propio sonido único. Una mano se mueve sobre el fotodiodo para cambiar el tono. Laotra mano se mueve sobre un segundo fotodiodo para cambiar la amplitud. Hay mucho espacio en este proyecto para hacer su propio sonido y dejar su creatividad volar.

Tabla de ContenidoComponentes Requeridos

Ejercicio 10-1: Inicio

Ejercicio 10-2: Calibrando Señales

Ejercicio 10-3: Circuito Software de Theremin

Enlaces Relacionados

Componentes RequeridosArchivos

lab10_theremin.pdf

mydaq_lab10_lv2011.zip

mydaq_lab10_lv2010.zip

Descargue los archivos de arriba para acceder al material didáctico relativo a esta lección que ilustra cómo la tarjeta NI myDAQ se puede usar con NI LabVIEW para cubrir una amplia gama deherramientas desde ejercicios de nivel introductorio hasta desafíos de diseño.

Equipo:

NI myDAQ

3,5 mm de cable estéreo sub-miniatura (viene con el NI myDAQ)

Juego de parlantes estéreo de computadora

Circuitos de luz a amplitud/frecuenciaTL2071 bajo ruido JFET o 741 amplificador operacional (x2)

Resistores: 1,0 MW (x2)

3,5 mm clavija de estéreo sub-miniatura

Tabla de circuitos o “ (x2)Protoboard”

Fotodiodo S15811 o equivalente (x2)

Prerequisite Reference Materials:

Historia del Theremin ( )History of Theremin

Ejercicio 10-1: InicioEl circuito de control de amplitud usa un fotodiodo de bajo costo y un amplificador operacional JFET configurado como un conversor de corriente a voltaje.

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Fig 2. Disposición de Componentes de un Circuito Fotométrico

Un fotodiodo (al ser irradiado con una fuente de luz) genera una corriente mínima (microamperios). El nivel de la señal puede variar sobre varias décadas de intensidad lumínica, haciendo alfotodiodo un sensor excelente. Para convertir esta pequeña señal en un control de voltaje útil, una ganancia de un millón es requerida. Un simple conversor de corriente a voltaje con amplificadoroperacional hace el trabajo, usando una resistencia de retroalimentación de 1,0 MW.

Ensamble los componentes del circuito (Fig. 3) en un tablero de circuitos.

Fig 3. Diagrama del Circuito para un Simple Fotómetro

La tierra análoga de la tarjeta NI myDAQ (clavija AGND) va a un amplificador operacional en el pin 3. Conecte la salida del amplificador operacional (pin 6) al AI 0+ y AI 0- al AGND. Esta será laseñal que controla la amplitud de audio.

Construya otro circuito similar en un segundo tablero de circuitos. Cablee tres alambres desde +15, -15 y GND del primer tablero de circuitos para pasar potencia al segundo tablero de circuitos.Conecte la segunda salida (pin 6) al AI 1+ y AGND al AI 1-. La segunda salida será la señal que controla la frecuencia del sonido.

Aleje ambos tableros una distancia cercana a la que hay entre sus manos cuando sus brazos están a ambos costados de su cuerpo.

Del panel frontal, seleccione y ejecute [RUN] el DMM (v) de la tarjeta NI myDAQ.

Observe el nivel de amplitud en luz ambiente. Ahora mueva su mano entre el sensor y la fuente de luz y vea el cambio de amplitud. Sienta el rango del voltaje mientras mueve su mano haciaarriba y abajo en la luz ambiente donde planea poner su Theremin. Repita este procedimiento para el segundo circuito.

Información del sensor

Un fotodiodo es un diodo semiconductor especial con una ventana que la luz llegue a la unión PN. Al caer los fotones de luz en la unión, liberan electrones y huecos en el semiconductor. Estosportadores pueden ser barridos para producir una fotocorriente. La corriente del fotodiodo puede expresarse como

Donde i es la corriente de salida (mA), L es la potencia óptica (mW) y la capacidad de respuesta R es una propiedad de los materiales semiconductores. Para convertir la fotocorriente en voltaje,se usa un conversor de corriente a voltaje. Su ecuación de respuesta es

Donde R es la resistencia de retroalimentación e i es la corriente de entrada. Al combinar estas ecuaciones, obtenemos la ecuación de transferenciaf

Al añadir un voltímetro al circuito, produce un fotómetro óptico muy simple al convertir luz en voltaje con unidades de volts por Watt (V/W).

Nota: Cualquier fotodiodo tiene una pequeña corriente oscura (mA) cuando el fotodiodo se cubre completamente. Se denomina la contra corriente del bias o, en este caso, corriente oscura. Elamplificador operacional convierte esta corriente en un voltaje de compensación, el cual es el voltaje mínimo V del circuito del fotómetro. El voltaje máximo V se determinará con lamin maxsensibilidad del fotodiodo, la resistencia de retroalimentación y la luz máxima que el sensor puede ver cuando esta descubierto.

Ejercicio 10-2: Calibrando SeñalesCalibrando la Amplitud de la Señal

La máxima amplitud de señal para la entrada de líneas de dispositivos de audio es 1 Vpp. Debemos emparejar la señal del fotómetro creada por el movimiento de la señal con los niveles de laslíneas de entrada.

Paso 1: Determine la señal de voltaje cuando su mano cubre el sensor (posición más baja) y la señal de voltaje en la posición de mano más alta (V y V respetivamente).I H

Paso 2: Convierta (V y V ) al rango de audio (0 a 1 V).I H

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Un pequeño subVI de NI LabVIEW denominado hace el trabajo. Cargue este programa y vea el panel frontal, como se muestra en la Fig. 4.Scale Amplitude.vi

En el lado izquierdo hay un control deslizante llamado “ con dos deslizadores. El deslizador de abajo (azul) puede usarse para fijar V , y el deslizador superior (amarillo) para fijar V .Limits” min maxUn solo deslizador simula la señal del fotómetro. En el programa del Theremin, este deslizador será la verdadera señal medida. La salida en escala se muestra en el grafico Amplitud contraTiempo “ . Amplitude Versus Time”

Fig 4. Panel frontal del Scale Amplitude.vi Usado para Calibrar los Niveles de Amplitud del Theremin

Ejemplo:

En el caso mostrado aquí, el voltaje de la mano más baja es 0,1 V y el voltaje de la mano superior es 0,8 V. El fotómetro cubre rangos de cerca de 0 V a 1,4 V.

Ejecute [RUN] el programa de forma continua para ver como la señal de entrada se transpone en el nivel de salida de audio. Revise el diagrama de bloques para ver el algoritmo de escala.

En el circuito Theremin, la señal de entrada viene del circuito fotométrico de la amplitud. Un segundo programa denominado demuestra como el subVI se usaCheck Amp.vi Scale Amplitude.vipara mostrar la señal real del circuito fotodiodo de amplitud.

Nota: usted tendrá que fijar los niveles en el panel frontal para su circuito fotométrico.

Calibrando una señal de frecuencia

El rango de frecuencia para el Theremin debe ser al menos dos octavos (220 a 880 Hz). Un segundo subVI de NI LabVIEW llamado , como se muestra en la Fig 5, convierte elScale Frequency.vinivel de señal del segundo fotómetro en un nivel de frecuencia. La entrada del fotómetro (0 a 6 V) se convierte en un rango de audio (0 a 1 V), que a su vez se convierte en un rango defrecuencia (220 a 880 Hz).

Fig 5. Panel frontal del Scale Frequency.vi Usado para Calibrar las Frecuencias de Theremin

Usa un algoritmo similar a la amplitud de escala para generar un rango operativo (0 a 1 V) para la frecuencia de los movimientos de la mano. Unas cuantas funciones de más convierten esterango en niveles de frecuencia, como se muestra en la Fig. 6.

Fig 6. Diagrama de Bloques del Scale Frequency.vi

Creando la Señal de Audio del Theremin

La fuente de sonido del Theremin es nuestra vieja amiga (Lab 7): la función de señales simuladas “ .Simulate Signal”

Para encontrarlo, siga la localización: Functions/Express/Input/Simulate Signal/.

Póngala en un VI en blanco configurado como:

Sine Frequency 10,1

Amplitude 1

Samples per sec [80000]

Number of samples [20000]

Nota: El teorema de Nyquist requiere una velocidad de muestreo dos veces más alto que la frecuencia más alta

Para obtener el sonido, use el DAQ Assistant configurado como:

DAQ Assistant/Generate Signals/Analog Output/Voltage/AudioOutputLeft [Finished]

Signal Output Range Max [2] Min [–2]

Generation Mode [Continuous Samples]

Samples to Write [20000]

Rate [80000]

[OK]

Para probar, solo añada un control de amplitud y frecuencia en el panel frontal : presione el botón derecho en amplitude/frequency en Simulate Signal VI/create/control.

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Para probar, solo añada un control de amplitud y frecuencia en el panel frontal : presione el botón derecho en amplitude/frequency en Simulate Signal VI/create/control.

Nota: Para obtener un sonido descendente y continuo, debe ajustar el [Samples per sec/Number of Samples] y [Rate/Samples to Write]. Asegúrese que los números sean iguales tanto enSimulate Signal como en el DAQ Assistant.

Ejercicio 10-3: Circuito Theremin SoftwareConecte el circuito Amplificador de la Amplitud del Fotodiodo “ a las entradas de la tarjeta NI myDAQ AI 0+ y AI 0-.Amplitude Photodiode Amplifier”

Conecte el circuito Amplificador de la Frecuencia Fotodiodo “Frequency Photodiode Amplifier a las entradas de la tarjeta NI myDAQ AI 1+ y AI 1-.”

Cargue el programa en LabVIEW y vea el panel frontal, el cual se muestra en la Fig. 7.Optical Theremin.vi

Fig 7. Panel Frontal del Optical Theremin.vi

El panel frontal se compone de controles e indicadores familiares. Úselos para fijar los niveles de la señal para la luz ambiente. Añadimos una representación tipo osciloscopio para que puedaobservar la onda senoidal.

Vea el diagrama de bloques en la Fig. 8.

Fig 8. El Optical Theremin.vi Usa los subVIs Scale Amplitude.vi y Scale Frequency.vi

La única adición es el DAQ Assistant al final del diagrama de bloques, programado para capturar las señales del fotómetro en los canales de amplitud y frecuencia.

Añada el DAQ Assistant de Functions/Express/Input/DAQ Assistant configurado como:

Acquire Signals/Analog Input/Voltaje/ai0 and ai1 [Finished]

Signal Input Range Max [10] Min [0]

Acquisition Mode [N Samples]

Samples to Read [2k]

Rate [80k]

[OK]

Puede reacomodar el panel frontal de cualquier manera que se ajuste a sus gustos. ¡Disfrute!

Nota: Puede haber un problema con la velocidad con la que el programa puede cambiar a una nueva frecuencia. Esto se relaciona con la velocidad de muestreo y la cantidad de procesamientoque se requiere para generar la señal. Por ejemplo, esto es mucho más fácil (más rápido) para sacar un voltaje de señal a un generador de ondas senoidales controladas y voltaje análogoexterno, que tener una computadora que genere todas las N amplitudes en una onda senoidal de 20 kHz. Una forma de resolver este problema es sacar solo las notas de una escala, como lohicimos en el Lab 7 (El Piano Digital). Esto incluye autoajustar las señales de control de frecuencia, lo cual es un excelente desafío de NI LabVIEW.

Para ver y escuchar una solución, vea el Theremin Óptico Ajustado de Barron Stone en (vea ).http://decibel.ni.com/content/groups/mydaq?view=blog Build an Optical Theremin with NI myDAQ

Enlaces RelacionadosVaya a Lab 9: Karaoke Circuits

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