Ecualizador de audio - Práctica Electrónica Analógica

OBJETIVO

Comprobar y comprender la teoría de filtros activos, usándolos para la selección de un rango de ondas; mediante un filtra pasa banda.

MARCO TEÓRICO 

La teoría de los filtros es una de las áreas mas importantes y mas usada en Electrónica desde los orígenes, esto se debe a la necesidad de poder controlar y limitar las señales eléctricas en el dominio de la frecuencia, para que un sistema responda de diferente manera para señales de una frecuencia o de otra. Los filtros electrónicos se utilizan en muchos dispositivos que trabajan con señales (generalmente de voltaje y que pueden ser análogas o digitales), ya que estas pueden tener diferentes valores de frecuencias, que pueden ser o no deseables en la aplicación a implementar. Con ellos se puede eliminar señales no deseadas que estén a determinadas frecuencias (armónicos, ruido, portadoras, etc), permitiendo manejar las señales que interesan.

Debido a las características de los op-amp, estos se utilizan mucho en el diseño de filtros activos. Actualmente una de las áreas de investigación mas importante es la de el diseño de filtros activos que características muy especiales para un gran número de aplicaciones, de aquí la importancia de empezar a introducirse en esta área.

Los filtros activos se diferencian de los filtros comunes, en que estos últimos son sólo combinación de resistencias, capacitores e inductores.En un filtro común, la salida es de menor magnitud que la entrada. En cambio los filtros activos se componen de resistores, capacitores y dispositivos activos como Amplificadores Operacionales o transistores. En un filtro activo la salida puede ser de igual o de mayor magnitud que la entrada. Existen básicamente cuatro tipos de filtros, que son: filtros pasa-bajas, pasa-altas, pasa-banda y filtros supresores de frecuencias o rechaza-banda. Los filtros pasa-bajas son aquellos que permiten el paso de las frecuencias bajas; los pasa-altas, por el contrario, sólo permiten el paso de frecuencias altas a través de ellos; a continuación están los filtros pasa-banda que solamente permiten el paso de un determinado rango de frecuencias.

Un filtro pasa-bajas sólo permite el paso de señales con frecuencias menores a f1.

 Un filtro pasa-altas sólo permite el paso de señales con frecuencias mayores a f1. 

En un filtro rechaza banda, las señales con frecuencias comprendidas entre f1 y f2 son las únicas que pasan

El rango de los filtros pasa-banda evidentemente dependerá de los elementos utilizados en su construcción y por tanto se podrán seleccionar según sea más conveniente. Por último los filtros supresores de frecuencias (rechaza banda), como su nombre indica, son capaces de atenuar o incluso eliminar frecuencias concretas. 

En un filtro rechaza-banda, las señales con frecuencias comprendidas entre f1 y f2 son las únicas que no pasan.

DESARROLLO

El ecualizador es un dispositivo que procesa señales de audio. Modifica el contenido en frecuencias de la señal que procesa. Para ello, cambia 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. Ciertos modelos de ecualizadores gráficos actúan sobre la fase de las señales que procesan, en lugar de actuar sobre la amplitud. El ecualizador gráficos nos permite dividir la señal en diferentes bandas de frecuencia, pudiendo alterar la ganancia de cada banda de forma independiente. Su nombre viene dado por la disposición de los potenciómetros deslizables, colocados de forma que permite visualizar la compensación realizada. Normalmente es utilizado en audio profesional, para adaptar el sistema de altavoces respecto a la respuesta en frecuencia deseada en cada aplicación. En nuestra aplicación se usa como modo gráfico de representar el sonido entrante, lo que se tiene como salida es el conjunto de frecuencias de entrada mostrada por dispositivos emisores de luz. En los ecualizadores gráficos profesionales se usan diferentes filtros pasa banda con ganancia y ancho de banda para variar la salida gráfica de este; mientras en el nuestro la ganancia y las frecuencias son fijas.

En un primer encuentro se hizo el calculo para filtros activos pasa-banda, pasa-alta y pasa-baja donde se muestra un generador de funciones como simulación de jack 3.5 mm que tiene un voltaje pico de 500mV y una potencia de 60mW a frecuencias de entre 20 y 20kHz. Sabiendo esto se pueden usar 4 diferentes filtros para simular 4 bandas. Se usaron un filtro pasa-alta para la primera serie de frecuencias (0-200Hz), posteriormente dos pasa-bandas (5kHz-10kHz, 10kHz-15kHz) y al último un pasa bajas de 20kHz. Se armo el circuito y se hicieron los cálculos  donde la única fórmula utilizada es:

donde la configuración de la resistencia y el capacitor es lo que nos dará si es pasa-alta o pasa-baja. Se usaron únicamente filtros de primer orden, donde la ganaría fuera mayor 10. Debido a la diferencia entre los circuitos integrados y su funcionamiento se tuvo que probar diferentes valores de resistencias y capacitores para aumentar la ganancia  cuya fórmula en el caso de un pasa-alta es 

mientras que en un pasa-baja es 

Posteriormente se armó un circuito donde se usaron solamente filtros activos pasa-alta, donde se dividieron en 200Hz-8.2kΩ, 2kHz-820Ω, 5kHz-330Ω, 10kHz-150Ω, 15kHz-100Ω, 18kHz-82Ω, 20kHz-68Ω; con su respectivo valor resistivo al usar capacitores de 100nF. Se muestra la configuración usada.

A la derecha se muestra una imagen de frecuencias y decibelios del primer circuito armado. Donde la zona rosa esta dada por un pasa-baja, la azul de la derecha por un pasa-alta y la zona media por filtros activos pasa-banda. Cambiando esta configuración por pasa-alta de diferentes frecuencias se tiene la siguiente gráfica, donde se muestra que tienen intervalos más pequeños y se usa este efecto para simular el efecto que tienen los visualizadores gráficos, donde las frecuencias bajas son las que iluminan los LED inferiores, y así consecutivamente. Se colocan los LED indicando conforme as frecuencias que estos admiten yendo de menor a mayor frecuencia. Ahora se muestra una tabla del valor resistivo de cada filtro tomando en cuenta que se usan condensadores de 100nF para todos estos.

Multiplicador 2x2 Bits, salida 4 Bits

OBJETIVO

Comprobar y comprender el funcionamiento de las compuertas lógicas, así como el diseño de circuitos lógicos utilizando las mismas.

MARCO TEÓRICO

La figura representa un circuito multiplicador que toma dos números de 2 bits, X1X0 y Y1Y0 y produce un número binario de salida Z3Z2Z1Z0 que es igual al producto aritmético de los dos números de entrada. Diseñe el circuito lógico para el multiplicador utilizando el menor número posible de compuertas lógicas.

Se tiene como marco teórico el uso de las tablas de verdad donde se muestra en una tabla la interacción de entradas y salidas en un circuito eléctrico. Donde se representan 1 y 0 para representar el estado de las variables booleanas que interactuan en el circuito. Así como las leyes de Morgan, propiedades y álgebra de Boole.

Mapas/Metodo de Karnaugh

Los Mapas de Karnaugh son una herramienta muy utilizada para la simplificación de circuitos lógicos. Cuando se tiene una función lógica con su tabla de verdad y se desea implementar esa función de la manera más económica posible se utiliza este método.

Ejemplo: Se tiene la siguiente tabla de verdad para tres variables:

Se desarrolla la función lógica basada en ella. (Primera forma canónica). Ver que en la fórmula se incluyen solamente las variables (A, B, C) cuando F cuando es igual a "1". Si A en la tabla de verdad es "0" se pone A, si B = "1" se pone B, Si C = "0" se pone C, etc.

F = A B C + A B C + A BC + A B C + A B C + A B C. Una vez obtenida la función lógica, se implementa el mapa de Karnaugh. Este mapa tiene 8 casillas que corresponden a 2n, donde n = 3 (número de variables (A, B, C)). La primera fila corresponde a A = 0La segunda fila corresponde a A = 1; La primera columna corresponde a BC = 00 (B=0 y C=0); La segunda columna corresponde a BC = 01 (B=0 y C=1); La tercera columna corresponde a BC = 11 (B=1 y C=1); La cuarta columna corresponde a BC = 10 (B=1 y C=0).

En el mapa de Karnaugh se han puesto "1" en las casillas que corresponden a los valores de F = "1" en la tabla de verdad. Tomar en cuenta la numeración de las filas de la tabla de verdad y la numeración de las casillas en el mapa de Karnaugh. Para proceder con la simplificación, se crean grupos de unos que tengan 1, 2, 4, 8, 16, etc. (sólo potencias de 2). Los unos deben estar adyacentes (no en diagonal) y mientras más unos tenga el grupo, mejor. La función mejor  simplificada es aquella que tiene el menor número de grupos con el mayor número de unos en cada grupo

Se ve del gráfico que hay dos grupos cada uno de cuatro unos, (se permite compartir casillas entre los grupos).

La nueva expresión de la función boolena simplificada se deduce del mapa de Karnaugh.

- Para el primer grupo (rojo): la simplificación da B (los uno  de la tercera y cuarta columna) corresponden a B sin negar)

- Para el segundo grupo (azul): la simplificación da A (losunos están en la fila inferior que corresponde a A sin negar)

Entonces el resultado es F = B + A ó F = A + B

Ejemplo: Una tabla de verdad como la de la derecha da la siguiente función booleana: F = ABC + AB C + A B C + A B C
Se ve claramente que la función es un reflejo del contenido de la tabla de verdad cuando F = "1". Con esta ecuación se crea el mapa de Karnaugh y se escogen los grupos. Se lograron hacer 3 grupos de dos "1"s cada uno.
Se puede ver que no es posible hacer grupos de 3, porque 3 no es potencia de 2. Se observa que hay una casilla que es compartida por los tres grupos.
La función simplificada es: F = AB + A C + B C (Grupo en azul: AB, grupo marrón: AC, grupo verde: BC)

Álgebra de Boole

1. Definición. El álgebra booleana es un sistema algebraico definido en un conjunto B, el cual contiene dos o más elementos y entre los cuales se definen dos operaciones denominadas "suma u operación OR" ( + ) y "producto o multiplicación u operación AND" ( ), las cuales cumplen con las siguientes propiedades:

2. Existencia de Neutros. Existen en B el elemento neutro de la suma, denominado O y el neutro de la multiplicación, denominado 1, tales que para cualquier elemento x de s: (a) x + O = x (b) x. 1 = x

3. Conmutatividad. Para cada x, y en B: (a) x+y = y+x (b) x y =y x

4. Asociatividad. Para cada x, y, z en B: (a) x + (y + z) = (x + y) + z (b) x (y z) = (x y) z

5. Distributividad. Para cada x, y, z en B: (a) x+(y z)=(x+y) (x+z) (b) x (y+z)=(x y)+(x z)

6. Existencia de Complementos. Para cada x en B existe un elemento único denotado x (también denotado x’), llamado complemento de x tal que (a) x+x = 1 (b) x = O.

Leyes de Morgan

1. El producto lógico negado de varias variables lógicas es igual a la suma lógica de cada una de dichas variables negadas. Si tomamos un ejemplo para 3 variables tendríamos:

 ~ (a.b.c) = ~a + ~b + ~c

2. La suma lógica negada de varias variables lógicas es igual al producto de cada una de dichas variables negadas:

 ~ (a + b + c) = ~a . ~b . ~c

DESARROLLO

En este apartado se explica el desarrollo del proyecto, así como los cambios que el mismo sufrió durante el proceso. Como primer paso tenemos la realización de las tablas de verdad; las cuales se hacen tomando los valores que tendrán las entradas siendo 1 o 0; para tener pues salidas que serán también pues 1 o 0.

Así pues, podemos diseñar la siguiente tabla de verdad, donde se nombra A, B el primer número binario; mientras que C, D es el segundo número binario. La salida seá S3, S2, S1, S0; es decir un número binario de 4 bits representados por 4 leds que indicaran si es 1 o 0.

Como vemos en la tabla se tienen varios resultados que al final serán mostrados como un conjunto de LED que indican el valor del bit que ocupa. Posteriormente se divide cada salida con el mismo conjunto de entradas para así hacer una tabla de verdad de cada número.

Utilizando el método de Karnugh para cada salida obtendremos las siguientes tablas:

Posteriormente ordenando los términos de cada mapa de Karnaugh, obtendremos una función para cada LED, que representara cada bit.
Para el bit 0 se obtiene que su función es ; quedando el diagrama de conexión; así:

Para el bit 1 se función será , siendo su conexión:

Para el bit 2 la función es , con la siguiente conexión:

Y para el bit 3 la función es con el siguiente diagrama de conexión:

Después de varias consideraciones y conexiones erróneas se decidido por cambiar las resistencias de valor, de 330 Ω a 1500 Ω. Se hizo un circuito donde simplemente se empalmaba cada función para cada bit, el cual quedo de la siguiente manera:

En este podemos notar el excesivo uso de compuertas lógicas, siendo 6 NOT (74LS04), 15 AND (74LS08) y 5 OR (74LS32); con un total de 26 de ellas. Se hizo una agrupación de términos comunes de multiplicación (BC, BD, AD, AC) y la suma (C'+B',A'+D',B'+D') (el apostrofe indica negación). Quedando el circuito:

En este circuito se utilizan 4 NOT (74LS04), 8 AND (74LS08) y 4 OR (74LS32); siendo 16 compuertas lógicas.

Después de revisar los apuntes y comprobar que el circuito aun se puede simplificar más mediante la ley de Morgan que nos dice . Por lo que podemos cambiar los términos de suma que previamente se tenía por la negación de su multiplicación. Siendo las fórmulas para cada salida . Rehaciendo el circuito:

Donde se puede constatar que se utilizan 2 NOT (74LS04), 7 AND (74LS08) y 1 OR (74LS32); dando un total de 10 compuertas lógicas.

Posteriormente se paso a considerar el diseño, dándose cuenta la salida 2 es una suma exclusiva (74LS86) entre AD y BC, haciendo el cambio:

En este último circuito se tienen 1 NOT (74LS04), 6 AND (74LS08) y 1 XOR (74LS86); dando un total de 9 compuertas lógicas. 9 compuertas lógicas parece un pequeño número después del primer diseño de 26 compuertas lógicas.

Siendo que los circuitos integrados 74LS08, 74LS32 Y 74LS86 traen 4 de compuertas AND, OR y XOR respectivamente se usaría 2 74LS08, 1 74LS04 y 1 74LS86; siendo un total de 4 circuitos integrados. Tanto en la simulación como el circuito se nota que se dio un color a cada entrada, siendo café A, azul B, verde C y amarillo D; para contar con mayor orden. En el circuito físico se tienen las salidas y conexiones intermedias con gris, mientras que la alimentación y tierra de los integrados en negro. Haciendo un circuito esquemático:

Siendo el circuito a armar el siguiente.

Este circuito fue implementado en la tablilla de experimentación, siguiendo el esquema de colores previamente implementado, usando como tierra de conexiones sin utilizar el naranja.

Se armo el circuito 2 veces con 2 diferentes errores, el primero fue conectar todas las salidas no utilizables a tierra causando un cortocircuito y un calentamiento del CI 74LS04, el siguiente error que nos causaba variación en los resultados fue la no conexión a tierra del primer integrado 74LS08, causando errores al operar 2*3, 3*3, 3*2; siendo S0 la única que causaba problemas; al resolver este problema instantáneamente todas las operaciones fueron con los resultados correctos.