Sintetizatorul Electronic Laser

Politehnica

Sintetizatorul Electronic Laser

Byadmin ianuarie 1, 2024

Sintetizator Electronic Laser

Cuprins

Listă figuri

Introducere

În lumea de astăzi, tehnologia a devenit o parte indispensabilă a vieții noastre. Fie că vorbim despre tehnologia medicală ce facilitează diagnosticarea si tratarea afecțiunilor cu o rată mult mai mare de succes decât metodele clasice, fie că vorbim despre tehnologia militară care permite spionajul prin drone automatizate sau lansarea și detonarea unei rachete ghidate prin laser, fie că ne referim la tehnologia uzuală din casele tuturor (televizoare, calculatoare și alte dispozitive electronice), ea este prezentă pretutindeni și ne influențează în mod direct sau indirect stilul nostru de viață.

Ce se întâmplă însă atunci când tehnologia și arta se combină pentru a crea un act artistic ? Poate oare tehnologia să ne ofere noi posibilități de a transmite anumite sentimente sau trăiri, de a exprima ceva nou și diferit față de arta clasică ? Răspunsul este desigur afirmativ, mai ales dacă ne referim la muzică.

Proiectul de față își propune îmbinarea acestor două domenii aparent independente unul față de altul, în scopul elaborării unui instrument muzical electronic capabil să genereze sunete muzicale prin intermediul unei sintetizări electronice.

Această temă a fost aleasă de mine deoarece combină cele două pasiuni ale mele – tehnologia și muzica – într-un mod plăcut atât din punct de vedere funcțional, cât și estetic. De asemenea, mi-a fost ușor să abordez această temă deoarece dețin un sintetizator profesional Korg pe care am învățat să prelucrez digital și să generez sunete muzicale și efecte complexe, noțiuni pe care le-am folosit și în cadrul acestui proiect. Țin să precizez faptul că toate sunetele ce vor fi redate de către sintetizatorul laser implementat în acest proiect sunt în proprietatea companiei Korg Inc., înregistrate de pe sintetizatorul Korg Triton.

Conceptul de sintetizator laser sau harpă laser nu este nici pe departe unul nou. Încă din anul 1981, Jean Michel Jarre își uimea audiența prin sunetele astrale generate de harpa sa laser și prin spectacolul impresionant de lumini ce o însoțeau. Pe vremea aceea însă, sintetizatoarele electronice erau la început de drum, fiind doar analogice și permițând redarea unui număr destul de restrâns de sunete sau efecte sonore.

Odată cu trecerea timpului, tehnologia a evoluat, realizându-se în foarte multe domenii trecerea de la analogic la digital. Prin versatilitatea și fidelitatea extrem de crescută a sunetelor generate, în prezent sintetizatoarele folosite în producțiile muzicale sau în concerte sunt aproape în totalitate digitale.

Dar care este diferența dintre analogic și digital ? De ce se preferă cea de-a doua reprezentare a semnalelor în detrimentul celei dintâi ? În continuare vor fi prezentate prin comparație caracteristicile tehnologiilor analogice și digitale și va fi justificată tendința producătorilor de instrumente muzicale electronice (în special de sintetizatoare electronice – obiectul de studiu al acestui proiect) de a implementa dispozitive digitale de prelucrare a semnalelor.

Tabelul i. Comparație între analogic și digital[15]

Tabelul de mai sus prezintă principalele avantaje ale tehnologiei digitale. Producătorii de instrumente muzicale digitale, printre care se numără si firma Korg, preferă această abordare întrucât:

Se folosesc eșantioane și nu semnale înregistrate în totalitate, acestea fiind stocate într-o memorie dedicată de tip ROM

Eșantioanele pot fi prelucrate mult mai ușor în timp real, fiind posibilă astfel implementarea mai multor funcții speciale de sintetizare a sunetelor și generarea unor efecte complexe

Semnalul de la ieșirea sintetizatorului, deși convertit din digital în analogic, are un raport semnal – zgomot insesizabil deoarece eșantioanele sunt imune la zgomot

Puterea consumată de un sintetizator digital este mult mai mică decât puterea consumată de unul de tip analogic

Sintetizatorul digital prezintă flexibilitate întrucât softul acestuia poate fi îmbunătățit prin instalarea unui alt soft mai nou

Posibilitatea de a comunica cu alte dispozitive de tip digital, cum ar fi calculatorul printr-o interfață USB sau de a stoca sau încărca eșantioane noi de pe un card SD.

Capitolul 1. Noțiuni teoretice

1.1 Introducere în tehnologia și programarea microcontrolerelor

Scopul acestui proiect este de a realiza o generare în timp real a unor sunete muzicale în funcție de întreruperea fasciculelor laser. Cum această acțiune este pur aleatoare, impredictibilă, depinzând numai de factorul uman, este nevoie de un sistem electronic capabil să analizeze în timp real apariția unor semnale generate de fototranzistori in momentul întreruperii laserelor. Mai mult, este de asemenea necesară interpretarea acestora în scopul selecției ulterioare a fișierului muzical corespunzător notei respective.

Aceste cerințe principale, precum și altele secundare – afișarea pe un ecran LCD a sunetului generat și selecția transpunerii octavei prin apăsarea a două butoane de incrementare / decrementare – sunt realizate cu ajutorul unui microcontroler de la firma Atmel.

Avantajele microcontrolerelor

Microcontrolerele sunt utilizate pe scară largă în ziua de astăzi în cazul sistemelor de control pentru următoarele motive[1]:

Design și simulare – deoarece se realizează programarea printr-un software, anumite simulări detaliate pot fi implementate în avans pentru a se asigura corectitudinea codului și rapiditatea (performanța) sistemului.

Flexibilitate – abilitatea de a reprograma utilizând Flash, EEPROM sau EPROM asigură posibilitatea unor schimbări directe a codului program.

Integrare pe scară mare – majoritatea microcontrolerelor sunt în fond computere integrate într-un singur chip, dispunând de procesare în interiorul chipului, memorie și porturi de intrare / ieșire. Unele dintre ele conțin periferice pentru comunicare serială și pentru citirea semnalelor analogice (cu un convertor analog – digital sau ADC). În fond, aceasta este principala diferență între un microcontroler și un microprocesor. Microprocesoarele au nevoie pentru a îndeplini această funcționalitate de componente adiționale.

Cost – reducerea costurilor provine din mai multe domenii. Costurile de dezvoltare sunt reduse semnificativ datorită avantajelor de design și flexibilitate menționate anterior. Numărul mare de componente incluse într-un microcontroler are drept consecință reducerea dimensiunilor plăcii de dezvoltare și a costurilor aferente componentelor suplimentare.

Utilizare facilă – în timp ce în trecut, programarea unui microcontroler implica un cod de asamblare neprietenos cu programatorul, astăzi compilatoarele C sunt disponibile pentru implementare. Microcontrolerele necesită de obicei o singură alimentare de 5V, ceea ce le conferă ușurință în utilizare.

Se observă așadar că un microcontroler poate fi privit ca un microprocesor care pe același chip mai conține memorie și o serie de interfețe. Natura și complexitatea aplicației în care este folosit microcontrolerul determină performanțele unității centrale, capacitatea de memorie și tipul interfețelor ce compun structura internă a microcontrolerului.

Scurt istoric

Microcontrolerele au apărut prima dată ca și idee de proiectare în anul 1969 când o firmă japoneză cere companiei Intel să producă circuite integrate pentru calculatoare. Marcian Huff, folosindu-se experiența sa în cazul minicomputerului PDP-8, propune o soluție alternativă – circuitul integrat programabil. Frederico Faggin transformă această idee în realitate atunci când Intel cumpără licența de la firma japoneză BUSICOM pentru a crea microprocesorul 4004 pe 4 biți capabil să efectueze 6000 de operații pe secundă. Acesta a fost în scurt timp urmat de 8008 pe 8 biți în 1972. Eforturile companiei Intel au fost urmate apoi de cele ale firmei Motorola prin dezvoltarea seriei 6800 pe 8 biți și a tehnologiei MOS implementată în cazul procesoarelor 6501 și 6502 pentru doar 25$ fiecare.[1] Bineînțeles, tehnologia a evoluat de atunci, crescând performanțele și totodată scăzând și prețul unui microcontroler. De exemplu, microcontrolerul utilizat în cadrul acestui proiect – ATmega32 produs de compania Atmel, net superior ca și performanțe microcontrolerelor enumerate mai sus, are un preț de aproximativ 10$.

Structura internă a unui microcontroler

Se va analiza microcontrolerul menționat mai sus, Atmel ATmega32. Structura sa internă include memoria, ceasul, unitatea centrală de procesare, intrările/ieșirile, timer-ele și convertorul analog – digital. Acesta poate rula până la 16 MHz, conține 32 Kocteți de memorie flash programabilă, 1024 octeți EEPROM, 2 Kocteți SRAM, dispunând de asemenea de structuri periferice cum ar fi ADC, comunicare serială, PWM, precum și depanare JTAG.

Fig. 1.1. Arhitectura ATmega32[18]

1. Memoria

Memoria unui microcontroler poate fi utilizată pentru a stoca date și/sau programul care urmează a fi rulat. Există mai multe tipuri de memorie într-un microcontroler:

Memoria cu acces aleatoriu (RAM)

Memoria ROM

Memoria ROM programabilă (PROM)

Memoria PROM care poate fi ștearsă (EPROM)

Memoria PROM care poate fi ștearsă electronic (EEPROM)

Memoria Flash – un tip de memorie EEPROM

Memoria RAM poate fi atât citită, cât și scrisă, iar aceste operații sunt efectuate de obicei foarte rapid. Datele stocate într-un microcontroler sunt de obicei stocate în RAM. Dezavantajul constă în faptul că acestea sunt volatile, ceea ce înseamnă că se pierd în momentul în care alimentarea este întreruptă. Memoria ROM este non-volatilă și rămâne stocată după întreruperea alimentării, însă nu poate fi modificată (nu permite scrierea).

Memoria PROM este un compromis între cele două tipuri de memorie menționate mai sus. Aceasta este non-volatilă, permițând totuși în același timp utilizatorului să o programeze cel puțin o singură dată și eventual să o și șteargă. Unele memorii PROM pot fi șterse prin expunere la lumină UV, însă în ziua de astăzi memoria cel mai des întâlnită este EEPROM. Memoria EEPROM permite atât scrierea, cât și citirea și de asemenea este non-volatilă. Dezavantajul acesteia se regăsește in viteza de transfer a datelor, mult mai mică decât în cazul memoriei RAM (ordin milisecunde vs. microsecunde).

Memoria flash este un tip de EEPROM. Memoria program (unde programul este încărcat) în cazul ATmega32 este flash. Este aceeași memorie integrată de exemplu în camerele digitale și telefoanele mobile. Transferul de date folosind memoria flash este mult mai rapid decât EEPROM deoarece lucrează în blocuri de octeți, spre deosebire de octeți singulari.[1]

2.Ceasul

Aplicația curentă are nevoie de o viteză de procesare ridicată pentru a reduce latențele și a putea permite o redare cât mai rapidă a fișierelor muzicale. Trebuie menționat faptul că urechea umană poate percepe latența sau întârzierea pornind de la 0,1 milisecunde. Va fi utilizat așadar oscilatorul de 16 MHz, fiind evident superior celui de 8 MHz. Totuși, nu trebuie neglijat faptul că o instrucțiune poate fi executată în mai mulți ciclii de ceas, putând astfel depăși 62,5 ns (care corespund unui singur ciclu de ceas).

3.Unitatea centrală de procesare

Reprezintă hardware-ul microcontrolerului care execută instrucțiunile aferente programului, realizând operațiile aritmetice, logice și de intrare / ieșire ale sistemului. Aceasta este compusă din unitatea aritmetică și logică (eng. ALU) și unitatea de control.

Unitatea aritmetică și logică este secțiunea responsabilă cu efectuarea operațiilor aritmetice și logice asupra operanzilor ce îi sunt furnizați.

Unitatea de control este responsabilă cu decodificarea codului operației conținut de codul unei instrucțiuni. Pe baza decodificării unitatea de control elaborează semnale pentru comanda celorlalte blocuri funcționale pentru a finaliza executarea unei instrucțiuni.[2]

4.Intrările / ieșirile

Microcontrolerul ATmega32 dispune de 32 linii de intrare / ieșire, având 4 porturi de 8 biți. Prin progra de 8 biți. Prin programarea anumitor registre, aceste linii pot fi setate ca intrare, ieșire sau ca o funcție secundară.[1]

Dispozitivele I/O implementează funcții speciale degrevând unitatea centrală de toate aspectele specifice de comandă și control în funcția respectivă. Există o varietate mare de dispozitive I/O; ele conduc operații generale de comunicație (transfer serial sau paralel de date), funcții generale de timp (numărare de evenimente, generare de impulsuri), operații de conversie analog/numerică, funcții de protecție, funcții speciale de comandă ș.a.[2]

5.Timerele

Reprezintă de fapt niște ceasuri interne – Atmega32 conține 2 timere de 8 biți și unul de 16 biți. Acestea pot fi modificate printr-un factor de scalare față de ceasul sistemului (16 MHz așa cum a fost precizat anterior), indicând durata – informație extrem de importantă în cazul sistemelor controlate digital. În majoritatea cazurilor timerele sunt folosite pentru a număra de la 0 la 255 (pentru cele pe 8 biți) sau de la 0 la 65536 (pentru cele pe 16 biți).

De asemenea, întreruperile pot fi declanșate de timere. O întrerupere este de fapt o porțiune dintr-un cod declanșată de un anumit eveniment (de exemplu depășirea sau atingerea unei anumite valori).[1]

6.Convertorul analog – digital

În majoritatea cazurilor, lumea reală (fizică) este caracterizată prin semnale analogice. Citirea nivelului de intensitate luminoasă ce este incidentă pe un fototranzistor se reduce la obținerea unei tensiuni analogice. Pentru ca valoarea tensiunii să fie prelucrată de către microcontroler, ea trebuie convertită în format digital. Acest lucru este posibil folosind convertorul analog – digital. ATmega32 dispune de un convertor pe 8 canale de 10 biți.[1]

Un aspect important al oricărui microcontroler reprezintă arhitectura sa. Prin arhitectură se înțelege felul în care sunt dispuse resursele unui microcontroler. Cu cât structura, funcționalitatea și accesul la acestea sunt mai profund standardizate și simetrizate, cu atât numărul de instrucțiuni de care dispune microcontrolerul este mai redus și viteza de execuție a programelor crește.

Conceptul CISC (Complex Instruction Set Computer) prevede existența unui număr mare de instrucțiuni (tipic >80), ceea ce face mai ușoară munca programatorului. Multe din instrucțiuni sunt specializate, adică se pot folosi doar în anumite moduri de adresare sau cu anumite registre.

Microcontrolerele RISC (Reduced Instruction Set Computer), în categoria cărora se încadrează și ATmega32, au un număr mic de instrucțiuni. Avantajele sunt un chip mai mic, cu un număr de pini mai mic, cu un consum mai redus și cu o viteză mai mare. Instrucțiunile sunt simetrice, adică pot fi folosite la fel în orice mod de adresare sau cu orice registru, nu au excepții sau restricții.[2]

Portul SPI

Portul serial SPI (eng. Serial Peripheral Interface) este utilizat pentru realizarea unei comunicații sincrone simple, folosită de regulă pentru a transfera date între circuite pe același montaj cu microcontrolerul. Astfel, acesta este folosit în aplicația curentă pentru schimbul de date dintre cardul SD și microcontroler. Implementarea acestuia necesită 3 pini, unul dintre ei fiind alocat ceasului de transmisie generat de masterul SPI. Protocolul SPI este protocolul standard, fiind setat conform indicațiilor din foaia de catalog a microcontrolerului.

Registrele care controlează transferul SPI sunt registrul de control (SPICR – SPI Control Register) și registrul de stare (SPISR – SPI Status Register). De menționat este faptul că transferul SPI poate fi inițiat doar de un master. Masterul scrie un octet în registrul de transmisie SPI (SPDR – SPI Data Register) de unde datele merg într-un registru de deplasare în care sunt serializate și de unde sunt transmise sincron cu ceasul de transmisie. În slave datele intră în registrul de deplasare cu tactul de recepție, același cu cel de transmisie.

Poziționând bitul MSTR din registrul SPICR în 1, microcontrolerul va lucra în mod master. În acest mod pinii vor avea următoarea semnificație:

SCK (eng. Serial Clock) este ieșire de tact pentru sincronizare;

MOSI (eng. Master Output Slave Input) este ieșirea serială;

MISO (eng. Master Input Slave Output) este intrarea serială;

nSS (eng. Slave Select) protejează microcontrolerul dacă două circuite sunt master.

Cu bitul MSTR=0 se validează modul slave, în care pinii au semnificația:

SCK este intrarea de tact pentru sincronizare de la master;

MOSI este intrarea serială;

MISO este ieșirea serială;

nSS validează SPI pentru modul slave.

În figura de mai jos este prezentată interfața SPI realizată între microcontrolerul ATmega32 și cardul SD, microcontrolerul având rol de master, iar cardul SD de slave.[2]

Fig. 1.2. Interfața SPI

1.2 Principiul de funcționare al diodelor laser și fototranzistorilor

Orice produs din ziua de astăzi care se dorește a fi promovat și vândut în cantități cât mai mari în scopul obținerii unui profit trebuie să fie atractiv din punct de vedere estetic. Este cunoscut faptul că partea vizuală ocupă un rol extrem de important în aprecierea unui produs, pe lângă performanțele sau utilitatea acestuia. În fond, există uneori tendința de a achiziționa un produs care impresionează din punct de vedere estetic, cu performanțe mai scăzute, în detrimentul unui produs mai puțin aspectuos, cu performanțe superioare.

Acest proiect își propune să creeze un efect vizual plăcut din punct de vedere estetic prin utilizarea unor fascicule laser paralele ce vor fi distribuite sub forma unor corzi de harpă sau de pian. Lungimea razelor va fi diferită, sugerând astfel redarea unor note muzicale grave pentru lungimi mai mari, respectiv a unor note mai înalte pentru lungimi mai mici.

Sintetizatorul laser va utiliza ca și surse laser 8 diode laser de culoare verde, ale căror fascicule de lumină vor fi incidente pe 8 fototranzistori. În continuare se vor analiza fenomenele fizice ce stau la baza acestor dispozitive semiconductoare, precum și procesele tehnologice de fabricare a acestora.

Fig. 1.3. Distribuția componentelor optoelectronice

Emisia spontană vs. stimulată

Invenția primului laser construit pe rubin în anul 1960 de către americanul Theodore Meiman a declanșat descoperirea mai multor familii de lasere. Fundamentele teoretice și practice pentru această realizare au fost oferite de americanul Charles Townes și rușii Alexander Prokhorov și Nikolay Basov, care au și partajat premiul Nobel în fizică pentru anul 1964. O îndelungă cercetare a modalităților de suprapunere a diferitelor materiale cu scopul de a produce același efect laser a determinat o mai bună înțelegere a fenomenului, mai ales corelat cu spectroscopia atomică și moleculară. Diodele laser au suferit astfel numeroase îmbunătățiri de-a lungul anilor, impunându-se în momentul de față ca tehnologie preferată de generare a efectului laser, datorită costului și mărimii reduse, a eficienței ridicate și a simplității relative de fabricare. Acestea au revoluționat mai multe domenii precum industria comunicațiilor optice, știința medicală, studii legate de biologie, chimie analitică ce include analiza elementelor, aplicații militare ș.a.

Acronimul LASER provine din limba engleză și înseamnă Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Așadar, laserul este un dispozitiv care generează lumină prin emisie stimulată de radiație. Pentru a înțelege mai bine acest fenomen, vom face o scurtă comparație între emisia spontană și cea stimulată de radiații.

Emisia spontană se referă la faptul că radiația are loc fără cauze externe. Acest lucru este valabil în cazul LED-urilor, unde electronii excitați în banda de conducție cad, fără nici un stimulent extern, în banda de valențe, producând radiație spontană.

Fig. 1.4. Emisia spontană

Proprietățile radiației spontane sunt următoarele:

Saltul electronilor între diferitele nivele energetice ale benzii de conducție și benzii de valență determină producerea radiației, ceea ce explică lățimea spectrală așa de mare a acestor surse. Din acest motiv un LED are o lățime spectrală de cca 60 nm pentru o funcționare pe lungimea de undă de 850 nm și de 170 nm pentru funcționarea pe 1300 nm.

Deoarece fotonii sunt radiați pe direcții arbitrare, foarte puțini dintre ei participă la crearea luminii pe direcția dorită, ceea ce reduce puterea de ieșire a unui LED și implicit eficiența conversiei curent – lumină.

Fotonii care contribuie la puterea de ieșire nu se mișca strict într-o singură direcție. Prin urmare, ei se propagă în interiorul unui con, ceea ce conduce la o împrăștiere spațială a radiației.

Tranziția electronilor, și prin urmare emisia fotonilor, are loc la momente aleatorii de timp, deci fotonii sunt creați independent unul de altul. Prin urmare nu există nicio corelare de fază între fotoni, motiv pentru care radiația este numită necoerentă.

Cele patru caracteristici de mai sus ale radiației unui LED fac din acest emițător o componentă inutilizabilă pentru aplicația din cadrul acestui proiect.

Un alt proces are loc atunci când un foton extern lovește un electron excitat. Interacțiunea dintre ei include o tranziție și o radiație de foton nou. În acest caz, emisia indusă este stimulată de fotonul extern. Prin urmare, această radiație este numită stimulată. Figura următoare prezintă generarea radiației spontane.

Fig. 1.5. Emisia stimulată

Radiația stimulată are următoarele proprietăți:

Un foton extern forțează emisia unui foton cu energie similară (Ep). Cu alte cuvinte, fotonul extern stimulează radiație cu aceeași lungime de undă ca a lui. Această proprietate face ca lățimea spectrală a luminii radiate să fie mai îngustă. Este obișnuit ca la un laser, lățimea spectrală să fie în jur de 1 nm, atât la 1300 nm, cât și la 1550 nm.

Deoarece toți fotonii se propagă în aceeași direcție, toți contribuie la puterea luminoasă. Prin urmare, eficiența conversiei curent – lumină este mare și drept consecință și puterea de ieșire va fi la fel. De exemplu, în comparație cu un LED pentru care o putere de ieșire de 1 mW poate necesita un curent direct de până la 150 mA, o diodă laser poate radia 1 mW la doar 10 mA.

Fotonii stimulați se propagă în aceeași direcție cu fotonii care i-au stimulat. Prin urmare, lumina stimulată va fi bine direcționată.

Deoarece un foton stimulat este radiat doar când un foton extern amorsează această acțiune, ambii fotoni se spune că sunt sincronizați. Aceasta înseamnă că ambii fotoni sunt în fază și astfel radiația stimulată este coerentă.

Reacția pozitivă

Pentru a radia lumină stimulată cu putere semnificativă, sunt necesari milioane de milioane de fotoni. O astfel de radiație poate fi stimulată prin plasarea unei oglinzi la un capăt al regiunii active, așa cum se poate observa în figura de mai jos.

Fig. 1.6. Exemplificarea reacției pozitive

Doi fotoni, unul extern și unul stimulat, sunt reflectați înapoi înspre regiunea activă. Acești doi fotoni vor funcționa ca și radiație externă și vor stimula emisia altor doi fotoni. Acești patru fotoni sunt reflectați de o a doua oglindă, poziționată la celălalt capăt al regiunii active. Când acești fotoni vor trece prin regiunea activă, ei vor stimula emisia altor patru fotoni. Și astfel procesul continuă la infinit.

Prin urmare, cele două oglinzi realizează o reacție optică pozitivă. Se numește pozitivă deoarece reacția adună ieșirea (fotonii stimulați) la intrare (fotonii externi). Aceste două oglinzi formează un rezonator.

Inversiunea de populație

Făcând referire la figura anterioară, este de notat cât de repede crește numărul de fotoni stimulați. Pentru a susține acest proces, este necesar un număr mare de electroni excitați disponibili în banda de conducție.

Se știe că folosind energie externă – curentul direct pentru un LED – este posibil să excităm un număr de electroni. Însă în laser, golirea benzii de conducție se face mult mai repede decât într-un LED. Prin urmare, este necesară excitarea electronilor la o viteză mult mai mare decât în LED. În fapt, pentru un proces laser, numărul electronilor din banda de conducție trebuie să fie mai mare decât cel al electronilor din banda de valență. Această situație se numește inversiune de populație, deoarece, în mod normal, banda de valență este mult mai populată decât banda de conducție. Pentru a crea această inversiune de populație, se trece o densitate mare de curent printr-o regiune activă îngustă.

Inversiunea de populație este o condiție necesară pentru a crea efectul laser deoarece cu cât este mai mare numărul de electroni excitați, cu atât mai mare este numărul de fotoni stimulați care pot fi radiați. Cu alte cuvinte, numărul de electroni excitați determină câștigul diodei laser. Pe de altă parte, o diodă laser introduce și anumite pierderi. Există două mecanisme principale: absorbția și transmisia fotonilor stimulați. Astfel, o parte din fotonii stimulați sunt absorbiți în semiconductor înainte de a ajunge să scape sub formă de radiație. În al doilea rând, oglinzile nu reflectă 100% fotonii incidenți. Din fericire, pierderea este constantă pentru o diodă dată, în timp ce câștigul poate fi modificat.

Creșterea câștigului este obținută prin creșterea curentului direct. La un moment dat, câștigul devine egal cu pierderile. Peste această condiție de prag, dioda începe să se comporte ca o diodă laser, întrucât numărul de fotoni emiși stimulat continuă să crească, ceea ce induce și o creștere a puterii luminoase, așa cum se poate observa și în figura de mai jos.

Din considerațiile anterioare se poate concluziona că o diodă semiconductoare funcționează ca un laser dacă sunt întrunite următoarele condiții:

Inversiunea de populație

Emisia stimulată

Reacția pozitivă

Fig. 1.7. Caracteristica unei diode laser

Combinată cu pierderile în ghidul de undă, emisia stimulată produce un câștig net pe unitatea de lungime, g. Numărul fotonilor poate fi astfel menținut constant dacă amplificarea undei reîntoarse (A) în cavitatea de lungime L, incluzând reflexia parțială pe oglinzi cu reflectivitățile R1 și R2 este egală cu 1.

Se obține astfel condiția de generare a efectului laser:

A = e2gLR1R2 = 1 (1)

Dacă amplificarea undei reîntoarse este mai mică decât 1 atunci numărul fotonilor va descrește în mod constant. În schimb, dacă amplificarea este mai mare decât 1, numărul fotonilor va crește, aceștia mișcându-se înainte și înapoi în cavitate fără a se ajunge la o stabilitate a stării curente. Câștigul necesar pentru a fi îndeplinită condiția de generare a efectului laser este așadar:

g = ln (2)

Inițial, amplificarea este negativă dacă nu este aplicat curent pe dioda laser, dominând efectul de absorbție. După creșterea curentului, absorbția scade în primă fază, iar amplificarea crește.

Curentul pentru care amplificarea satisface condiția de producere a efectului laser este curentul de prag Iprag. Sub această valoare, structura laser emite foarte puțină lumină. Pentru un curent aplicat mai mare decât curentul de prag, puterea de ieșire, Pieșire crește în mod liniar cu curentul aplicat, așa cum se observă în figura de mai sus. Puterea de ieșire va fi astfel egală cu:

Pout = η (I – Ith) (3)

unde hν este energia unui foton. Factorul η indică faptul că numai o fracțiune din fotonii generați vor contribui la puterea de ieșire a laserului, întrucât unii fotoni se pierd prin oglinda opusă sau prin ghidul de undă.

Structura de bază a unei diode laser

Fig. 1.8. Structura unei diode laser

Construcția de bază a unei diode laser este prezentată în figura de mai sus. Structura este similară cu a unui LED, cu două excepții: prima, grosimea regiunii active într-o diodă laser este foarte mică, tipic de ordinul 0.1 µm. A doua, ambele capete ale diodei laser au suprafețe clivate pentru a funcționa ca oglinzi. Deoarece indicele de refracție al GaAs din care este făcută regiunea activă este în jur de 3.6, mai mult de 30% din lumina incidentă va fi reflectată înapoi în regiunea activă la interfața dintre GaAs și aer. Acest tip de laser se numește laser de arie largă.

Pentru a confina purtătorii și mai sigur în interiorul micii regiuni active a diodei, se poate folosi și un contact metalic. Această construcție restricționează curgerea curentului în interiorul regiunii înguste definită de banda metalică. Deoarece curgerea curentului produce un câștig în regiunea activă, acest tip de laser se numește laser cu câștig ghidat.

Un alt mijloc de a defini mai precis regiunea activă este înconjurarea ei cu un material având un indice de refracție mai mic. O asemenea diodă este numită laser cu indice ghidat.

Pentru a face acțiunea laser mai eficientă, se poate folosi o tehnică de fabricare care permite realizarea unor regiuni active foarte înguste, de ordinul 4 la 30 nm grosime. Această tehnică conduce la așa numitul laser cu perete cuantic. Rezultatul este un câștig optic mult mai mare decât în cazurile precedente. Cu alte cuvinte, va fi necesar un curent mai mic pentru a susține acțiunea laser în acest tip de diode laser.

Diodele laser folosite pentru generarea celor 8 fascicule laser în proiectul curent sunt fabricate din AlGaAs, un aliaj între GaAs și AlAs. Acest material este utilizat ca și barieră de material în heterostructura GaAs pentru a confina electronii în interiorul regiunii active a diodei și a o înconjura, având totodată un indice de refracție mai mic decât GaAs, încadrând astfel diodele laser verzi (λ = 520 nm) în categoria laserilor cu indice ghidat.

În figura următoare, se observă astfel că pentru X = 0, deci pentru GaAs, indicele de refracție este mai mare decât pentru o valoare a lui X diferită de 0 (pentru o structură AlGaAs).

Fig. 1.9. Indicele de refracție al structurii AlxGa1-xAs

Generarea luminii verzi a laserului se realizează în mai multe etape, folosindu-se materiale specifice. Inițial, se folosește o diodă laser puternică (>200 mW) care produce lumină infraroșie cu lungimea de undă de 808 nm. Fasciculul luminos traversează un cristal de Nd:YVO4 (Vanadat de Yttrium, îmbogățit cu Neodium), schimbându-și lungimea de undă în urma tranziției la 1064 nm. Ulterior, fasciculul își dublează frecvența (înjumătățindu-și astfel lungimea de undă), suferind un proces optic neliniar într-un cristal KTP (KTiOPO4) și ajungând la valoarea dorită de 532 nm. Schema constructivă a unui laser verde este prezentată mai jos.

Fig. 1.10. Structura unui laser verde

Fototranzistorul – caracteristici generale

Un tranzistor a cărui joncțiune bază-colector este fotosensibilă se numește fototranzistor. Întrucât toți tranzistorii sunt sensibili la radiația luminoasă, fototranzistorii au fost special concepuți pentru a profita de acest lucru. Comparativ cu o fotodiodă, un fototranzistor elimină necesitatea alimentării la o tensiune ridicată, precum și zgomotul ridicat asociat efectului avalanșă al unei diode, furnizând totuși o amplificare rezonabilă a fotocurentului. De asemenea, fototranzistorul este mai puțin sensibil la fluxul luminos de fond, fiind astfel preferat și utilizat în cadrul acestui proiect în detrimentul fotodiodei.

Fototranzistorul pe bază de siliciu cu amplificare internă este utilizat pe scară largă în aplicații de fotodetecție datorită dimensiunilor mici și a prețului scăzut, în special implementat ca și comutator fotoelectric. Parametrul distinctiv al acestuia este timpul de răspuns, compus din timpul de creștere tr și timpul de scădere tf. Timpul de răspuns al unui fototranzistor convențional și al unui fototranzistor Darlington este de 5 µs, respectiv 20 µs.

Fig. 1.11. Simbolurile fototranzistorilor

Principiul de funcționare al unui fototranzistor

Dacă un semnal optic este incident pe un fototranzistor, se va genera un semnal electric prin conversie fotoelectrică. Timpul de întârziere al procesului tranzitoriu (creștere sau scădere) este reprezentat de tr și tf.

În figura de mai jos sunt reprezentate regiunile de operare și modurile de comutație ale unui tranzistor. Fototranzistorul funcționează în regiunea activă normală sau în regiunea de blocare.

Fig. 1.12. Caracteristica unui tranzistor

( 1 ) regiunea de saturație ( 2 ) regiunea activă ( 3 ) regiunea de blocare

( a ) modul de saturație ( b ) modul de curent

Atunci când nu se produc acumularea purtătorilor minoritari în regiunea de colector și schimbarea polară a tensiunii în zona contactelor bază-colector, tranzistorul devine un comutator nesaturat care diferă de cel de tip saturat care operează la semnale mari, având ca principal avantaj o comutație rapidă între modul de conducție și modul de blocare. Întrucât timpul de comutație este important pentru aplicația curentă, dorindu-se un răspuns cât mai rapid al fototranzistorilor pentru a se evita latența, se vor folosi așadar fototranzistori ce lucrează ca și comutatori nesaturați.

Un fototranzistor amplifică variațiile de lumină incidentă, deoarece lumina incidentă bazei va înlocui ceea ce în mod normal ar fi fost curentul aplicat bazei. Totuși, există un dezavantaj. Plasarea fototranzistorului în condiții de întuneric și aplicarea unei tensiuni între colector și emitor va duce la apariția unui curent ce străbate fototranzistorul numit curent de întuneric. Astfel, prin prezența acestui curent, fototranzistorul nu poate sa devină un comutator deschis ideal.

Fig. 1.13. Fototranzistorul cu două terminale

1.3 Prelucrarea digitală a semnalelor prin sintetizare

Procesarea semnalelor are o istorie lungă și bogată. Este o tehnologie care cuprinde un set imens de discipline, incluzând divertismentul, comunicațiile, explorarea spațială, medicina, arheologia ș.a. Algoritmii de procesare sofisticați specifici prelucrării digitale a semnalelor se regăsesc într-o gamă largă de sisteme, pornind de la sistemele militare ultrasofisticate, regăsindu-se în aplicațiile industriale și fiind incluși și în electronicele de cost scăzut. Deși în ziua de astăzi sisteme precum televiziunea sau înregistrarea și redarea audio de înaltă calitate par banale, acestea s-au bazat întotdeauna pe o procesare complexă de semnale. Această afirmație devine și mai adevărată odată cu apariția televiziunii, a aplicațiilor multimedia și a sistemelor de informație din ce în ce mai complexe. Per ansamblu, este evident faptul că rolul procesării semnalelor digitale în cadrul societății actuale este accelerat de către tehnologia în continuă dezvoltare.

Prelucrarea digitală a semnalelor se ocupă cu reprezentarea, transformarea și manipularea semnalelor și a informației ce o conțin. Acest concept se referă atât la procesarea semnalelor digitale, cât și la procesarea unor secvențe de eșantioane prin intermediul unor tehnologii dedicate. În cadrul acestui proiect, prelucrarea digitală va consta în utilizarea unui algoritm PWM („Pulse Width Modulation”) pentru redarea în timp real a unor eșantioane stocate sub formă de biți pe un mediu de stocare extern – un card SD. Aplicația este oarecum asemănătoare cu redarea unor fișiere muzicale de pe un Compact Disc.

Generarea semnalelor audio prin sintetizare

Multe aplicații de prelucrare digitală de semnale, printre care se numără și sintetizatorul muzical, se bazează pe generarea unor forme de undă periodice de tip sinusoidă, dreptunghi, dinte de fierăstrău sau forme mai complexe pentru redarea unor semnale audio. Pentru a înțelege mai bine fenomenul, se va face o paralelă cu o aplicație simplă de tip DTMF („Dual-Tone Multi-Frequency”) de generare de tonuri audio specifică terminalelor de telefonie.

Astfel, în figura de mai jos se prezintă cele două domenii de frecvențe utilizate pentru o tastatură de tip DTMF.

Fig. 1.14. Frecvențele unei tastaturi DTMF

În momentul în care este apăsată o tastă, este generat un semnal care reprezintă suma a două tonuri de tip sinusoidă. Fiecare tastă este definită în mod unic de o pereche de frecvențe {fL, fH}, o valoare aparținând grupului de frecvențe mici, cealaltă frecvențelor mari. Semnalul digital generat este din punct de vedere matematic definit ca:

y(n) = cos(ωLn) + cos(ωHn) (4)

unde: ωL = 2πfL / fs (5)

ωH = 2πfH / fs

fs este frecvența de eșantionare, iar n este indexul întreg de timp.

Modul de abordare utilizat pentru generarea unor astfel de semnale constă în memorarea eșantioanelor unei forme de undă (sau ale unui semnal mai complex) într-o memorie de sistem de tip RAM sau ROM. Eșantioanele sunt aranjate într-un buffer circular și accesate atunci când se dorește redarea audio. Perioada formei de undă poate fi controlată fie prin variația vitezei de citire, fie prin accesarea unui subset de valori la o viteză fixă. Această abordare poartă numele de sinteză a semnalelor tabelate, fiind folosită și în producțiile muzicale precum sintetizatoarele profesionale sau muzica generată pe computer.

Practic, acesta este și modul de generare a sunetelor audio produse de sintetizatorul Korg. Într-o memorie internă de tip ROM sunt stocate eșantioane aparținând diferitor instrumente muzicale sau unor efecte complexe. Acestea pot fi manipulate printr-un program de sinteză (filtrate, amplificate, adunate între ele, repetate, distanțate sau apropiate ș.a.) și convertite într-un semnal analogic ce urmează a fi trimis unei stații de amplificare sau unui mixer pentru a putea fi redate prin boxe. Semnalul de ieșire este stereofonic, fiind așadar prelucrate simultan două seturi de eșantioane. Dacă se dorește de exemplu generarea unor sunete muzicale formate din note pian și note de vioară, cele două seturi de eșantioane corespunzătoare celor două instrumente menționate anterior se adună între ele în timp real și apoi convertite cu ajutorul convertorului DAC intern în semnal analogic. Schema de sintetizare este prezentată mai jos, prezentând cele patru etape de sintetizare specifice sintetizatoarelor Korg: alegerea formei de undă inițiale și a eșantioanelor (sunetul de bază) și modificarea frecvenței oscilatorului (a înălțimii sunetului), filtrarea, amplificarea și inserarea unor efecte speciale cum ar fi de exemplu cel de ecou sau de reverberație.

Fig. 1.15. Sintetizarea unui sunet muzical

Procesul de generare a unor sunete muzicale specifice poate fi laborios și consumator de timp, însă rezultatele pot fi remarcabile. Astfel, vor fi înregistrate mai multe bancuri de sunete muzicale pentru a fi demonstrată versatilitatea și complexitatea unui astfel de instrument muzical.

Formatul WAVE

Formatul de stocare al unei înregistrări audio necomprimate și necodate este cel de tipul wave. Acesta va fi folosit în cadrul proiectului curent deoarece microcontrolerul nu este capabil să citească formate comprimate de tipul mp3 sau flac. În plus, calitatea sunetului va fi mai bună, întrucât nu se va folosi o procesare ulterioară a înregistrării care în mod inevitabil ar reduce din calitate.

Însă, principalul motiv pentru care este utilizat formatul wave ca și suport de stocare este datorat faptului că utilizatorul nu are acces la memoria internă a sintetizatorului în care sunt memorate eșantioanele sunetelor muzicale. Așadar, este nevoie de un proces suplimentar de reeșantionare a semnalului analogic de la ieșirea sintetizatorului și de memorare a eșantioanelor rezultate. Schema bloc a întregului proces este prezentată în figura următoare.

Fig. 1.16. Procesul de înregistrare a eșantioanelor

Una din primele metode dezvoltate de stocare multimedia ce se adresa segmentului audio, mai precis înregistrărilor brute, a fost containerul wave. Metoda cea mai întâlnită în aplicațiile curente de digitizare a semnalului audio este bazată pe cercetările incipiente ale dr. Harry Nyquist. Acesta a demonstrat faptul că nu este necesară captura completă a unui semnal analogic, oferind ca și alternativă eșantionarea. Astfel, eșantioane din semnalul de prelucrat pot fi extrase și memorate, în scopul regenerării ulterioare a semnalului audio.

Nyquist a mai determinat și faptul că o calitate superioară a reproducerii semnalului original presupune folosirea unei frecvențe de eșantionare care să fie dublă lățimii de bandă a semnalului original. Aceste concepte fundamentale stau la baza teoremei eșantionării sau PCM (eng. Pulse Code Modulation). Un prim rezultat al acesteia stabilește frecvența de 44,1 KHz ca fiind optimă pentru a eșantiona și reproduce semnale audio de calitate, întrucât lărgimea audio perceptibilă caracteristică urechii umane este de 22,5 KHz.

De vreme ce muzica este de obicei înregistrată stereofonic, fiecare dintre cele două canale audio fiind eșantionat la 44.100 eșantioane pe secundă, rezultă că pentru fiecare secundă de muzică stereo sunt necesare 88.200 de eșantioane digitale. Odată înregistrate, semnalul analogic poate fi reprodus (aproximativ) prin conversie digital – analogică. Aceste semnale sunt înregistrate în mod tipic ca îi valori întregi cu semn pe 16 biți, având valori de la -32.768 la + 32.767. Astfel, modificarea bitului cel mai puțin semnificativ (LSB) va produce doar mici modificări ale semnalului prelucrat față de cel original, fiind astfel metoda ideală pentru înregistrare.

Pentru proiectul dat se va folosi o frecvență de eșantionare de 44,1 KHz, cu o codare pe 8 biți, întrucât arhitectura microcontrolerului este tot pe 8 biți. Fișierele wave rezultate au un format specific și foarte bine definit care este destul de flexibil, permițând și în aplicațiile actuale folosirea acestuia pentru înregistrări digitale și transmisiuni.

În figura următoare este prezentat un fragment dintr-o înregistrare wave stereo, pe 16 biți, utilizând un program de editare în hexazecimal, explicându-se ulterior sub formă tabelată porțiunea de început (antetul) fișierului.

Fig. 1.17. Antetul unui fișier wave

Tabelul 1.1. Semnificația valorilor din antetul unui fișier wave

Formatul FAT16

Formatul de stocare FAT16 (eng. File Allocation Table), implementat pentru aplicația curentă, caracterizează organizarea memoriei de tip flash a cardului SD. Așadar, el nu este un container ca și formatul descris anterior, ci mai degrabă descrie compartimentarea sectoarelor de memorie, fiind corelat cu arhitectura internă dispozitivului detașabil de stocare.

Formatul FAT a fost inițial dezvoltat ca și un sistem simplu de organizare a fișierelor pentru dischete (eng. floppy disks) cu o capacitate mai mică de 500 KB. Ulterior, acesta a fost optimizat pentru a fi suportat de medii de stocare din ce în ce mai mari. În prezent există trei subtipuri de sisteme de tip FAT: FAT12, FAT16 și FAT32, care se diferențiază prin dimensiunea (în biți) a registrelor în structura FAT standard (12, 16, respectiv 32 biți). Aceste registre conțin fie numărul următorului sector (având posibilitatea de a indica și sfârșitul fișierului), fie adresa unor anumite zone special rezervate din memorie.

Sistemul FAT este ideal pentru dispozitivele Flash detașabile, întrucât permite un acces rapid prin intermediul sectoarelor la zona de memorie în care sunt stocate datele necesare procesului curent. Dezavantajul constă în faptul că sistemul FAT nu suportă fluxuri alternative de date, fiind limitat doar la fluxul curent, neavând astfel capacitatea de a transmite simultan date din sectoare diferite.

Modularea prin lățimea pulsului

Metoda PWM (eng. Pulse Width Modulation) reprezintă o tehnică puternică prin care se controlează circuitele analogice printr-un semnal digital provenit de la ieșirea unui procesor. Aceasta este folosită într-o varietate largă de aplicații, începând de la metode de măsură și telecomunicații și ajungând până la controlul puterii și conversie.

Prin controlul digital al circuitelor analogice, costurile aferente implementării sistemului și puterii consumate pot fi drastic reduse. Mai mult decât atât, majoritatea microcontrolerelor au deja incluse în cip controlere PWM, permițând o implementare facilă, microcontrolerul ATmega32 încadrându-se în această categorie

Altfel spus, metoda PWM reprezintă o cale de a coda nivelurile unui semnal analogic în format digital. Utilizând numărătoare de rezoluție ridicată, factorul de umplere unui semnal dreptunghiular este modulat cu scopul de a coda o valoare specifică a nivelului semnalului analogic curent. Semnalul PWM este totuși digital, deoarece la orice moment de timp, sursa de curent continuu este fie la valoarea maxima, fie la nivelul minim de 0. Tensiunea sau curentul sursei sunt furnizate unei sarcini analogice prin repetarea unor serii de pulsuri închis – deschis. Timpul de deschidere reprezintă timpul în care sursa de curent continuu este conectată la sarcină, iar timpul de închidere reprezintă perioada pe parcursul căreia sursa este închisă. Dispunând de o lărgime de bandă suficientă, orice valoare analogică poate fi codată utilizând PWM.

În figura următoare sunt prezentate trei semnale PWM diferite. Figura 1a prezintă un semnal de ieșire PWM cu un factor de umplere de 10%, ceea ce înseamnă că semnalul este sub forma unui puls deschis 10% din perioadă și 90% puls închis. Figurile 1b și 1c, semnalele au factori de umplere de 50%, respectiv 90%. Aceste trei semnale codifică trei valori analogice diferite, la 10%, 50% și 90% din valoarea totală a tensiunii. Dacă, de exemplu, sursa are valoarea de 9V, iar factorul de umplere este de 10%, va rezulta un semnal analogic de 0.9V.

Unul dintre avantajele metodei PWM constă în imunitatea crescută la zgomot a semnalului PWM de tip digital. În plus, semnalul PWM rămâne în formă digitală pe parcursul traseului său de la procesor la sistemul controlat, nefiind necesară o conversie de tip digital – analogic.

Fig. 1.18. Semnale PWM

La redare datele conținute în fișierul wave trebuie să fie redate cu aceeași rată cu care au fost înregistrate, pentru a produce o redare inteligibilă. Un fișier wave care a fost înregistrat cu o rată de 44100Hz și 8 biți pe eșantion (stereo), pentru a-l reda corect trebuie să avem un timer care să genereze o înrerupere cu frecvența de 44100Hz. În fiecare întrerupere trebuie citit un eșantion din fișier(un octet) și pus în al doilea timer care a fost configurat în modul PWM cu rezoluția de 16 biți.

Capitolul 2. Implementare fizică

2.1. Implementare hardware

Proiectul de față își propune implementarea fizică a unui sintetizator muzical laser. În acest fel se obține un instrument electronic prin care se controlează muzica cu ajutorul laserilor (a luminii), realizându-se de asemenea și un efect vizual plăcut prin utilizarea celor 8 fascicule laser verzi de 5mW cu lungimea de undă λ = 532 nm. Ochiul uman, având sensibilitatea spectrală foarte ridicată pentru această culoare, va putea distinge fasciculele laser verzi fără prea mari dificultăți.

În figura de mai jos este prezentată schema de principiu a sintetizatorului laser, alcătuită din 8 blocuri funcționale, fiecare având un rol specific și bine determinat. Prin conectarea acestora la blocul central se realizează o structură de tip embedded, obținându-se un efect unitar de sintetizare.

Fig. 2.1. Schema funcțională a sintetizatorului laser

Funcționarea acestui sistem poate fi descrisă în mod secvențial astfel:

prin închiderea comutatorului principal, se alimentează atât blocul central, cât și cel de emisie, pornind astfel întregul sistem;

este afișată pe ecranul LCD categoria din care face parte sunetul sintetizat (de exemplu „Portamento Pad”), precum și transpunerea octavei (cu valori de 0 – pentru gama originală, +1 pentru aceeași gamă transpusă însă cu o octavă mai sus și -1 pentru transpunerea cu octavă mai jos);

în acest moment, sintetizatorul este în expectativă, așteptând intervenția utilizatorului; acesta poate acționa în două moduri: fie întrerupând un fascicul laser cu ajutorul mâinii, fie apăsând pe unul din cele 4 butoane ale tastaturii;

dacă se întrerupe un fascicul laser, blocul de emisie trimite un semnal digital blocului central prin care este specificată raza laser întreruptă;

blocul central interpretează semnalul primit și comunică cu cardul SD prin portul SPI, accesând fișierul wave corespunzător razei laser întrerupte;

blocul central decodifică fișierul recepționat, convertind din digital în analogic sunetul prin metoda PWM și trimițând blocului de ieșire audio semnalul analogic astfel prelucrat;

redarea sunetului se oprește fie atunci când raza laser este incidentă din nou pe fototranzistor, trimițându-se astfel un semnal digital specific blocului central, fie când înregistrarea wave este redată în totalitate de microcontroler;

dacă se optează pentru schimbarea sunetului sintetizat sau a transpunerii octavei, utilizatorul poate apăsa pe unul din cele 4 butoane (două de incrementare, două de decrementare); acestea trimit blocului central un semnal digital pe care acesta îl prelucrează, afișând ulterior pe LCD modificarea efectuată.

În continuare vor fi prezentate pe rând blocurile constituente ale schemei de funcționare a sintetizatorului, specificându-se componentele utilizate și rolul implementat.

Blocul de emisie

Acest bloc este alcătuit din cele 8 diode laser verzi poziționate în partea de sus a sintetizatorului (vezi fig. 5). Diodele laser provin din 8 pointeri laser, fiind încapsulate în structura prezentată mai jos. Pentru o funcționare optimă se va folosi și circuitul driver integrat în dioda laser.

Fig. 2.2. Structura unui pointer laser

Pentru a păstra curentul constant și a avea un flux aproximativ asemănător pe fiecare diodă laser în parte, diodele au fost împărțite în grupuri de 4 unități și alimentate separat prin două surse cu LM317, circuit regulator la care tensiunea de referință este obținută cu ajutorul unui divizor de tensiune format din două rezistoare. Formula de calcul a divizorului realizat cu rezistoarele R3 și R4 este una foarte simplă: Vout = 1,2 * (1 + R4 / R3), unde Vout este tensiunea de referință, iar 1,2 coeficientul de liniaritate al componentei.

Fig. 2.3. Circuitul de alimentare grup diode laser

Blocul de alimentare pentru cele două grupuri de diode este situat în partea inferioară a sintetizatorului, fixat în șuruburi pe șasiu. Legătura către diode este realizată prin fire mascate introduse în interiorul structurii metalice.

Figura de mai sus prezintă circuitul ce limitează curentul la 250 mA măsurați pentru o funcționare optimă a diodelor laser la o tensiune de 2,4 V. În acest fel, puterea optică a diodelor se apropie de valoarea maximă admisibilă, creând o ambianță deosebită asupra interpretării muzicale. Prin depășirea acestei valori s-ar produce o suprasaturare a purtătorilor în interiorul regiunii active, având drept rezultat o scădere a performanțelor diodei, efectul fiind ireversibil.

Fig. 2.4. Circuitul integrat LM317

Tabelul 2.1. Denumirea și funcțiile pinilor circuitului integrat LM317

Blocul de detecție

Detecția fasciculelor laser se realizează cu ajutorul celor 8 fototranzistori și a blocului de amplificatoare operaționale, folosindu-se două circuite integrate LM339 ce conțin în structura lor 4 amplificatoare. Acestea lucrează în regim de comparator, primind de la fototranzistori semnale analogice și convertindu-le în funcție de o tensiune de prag în semnale digitale de 0 sau 1, trimise ulterior microcontrolerului pe portul A (configurat digital) pentru a putea fi interpretate. Pentru configurarea portului menționat anterior în format digital se folosește instrucțiunea DDRA = 0xFF. Schema unui comparator este prezentată în figura de mai jos:

Fig. 2.5. Circuitul implementat pentru un comparator

Practic, un comparator funcționează ca și un întrerupător. Cum fototranzistorul este comandat de fluxul luminos incident, în momentul în care fasciculul laser este întrerupt, fototranzistorul se închide, fiind străbătut doar de curentul de întuneric. Invers, atunci când fasciculul este incident pe suprafața sa, fototranzistorul se deschide, curentul de la ieșire fiind mult mai mare. Comparatorul va interpreta în funcție de tensiunea de prag valoarea tensiunii astfel obținute de la ieșirea fototranzistorilor și va genera un semnal digital.

Analizând circuitul de mai sus, se poate observa că rezistorul R4 este de tipul pull-up, conectând ieșirea comparatorului la tensiunea de alimentare de 5V. Tensiunea măsurată pe R2 va fi comparată cu cea de pe R3 pentru a se obține semnalul digital de 0 sau 1. De menționat mai este faptul că rezistoarele R1 și R2 (de aceeași valoare) formează un divizor de tensiune în punctul de referință (la intrarea + a comparatorului), determinând o tensiune de prag de 2,5V.

În figura de mai jos este reprezentată distribuția pinilor circuitului integrat LM339. Se observă că cele 4 tensiuni de intrare sunt aplicate în mod diferențial, în timp ce ieșirile sunt singulare.

Fig. 2.6. Circuitul integrat LM339

Circuitul de alimentare a celor două integrate este prezentat în figura următoare, condensatoarele fiind utilizate pentru filtrarea frecvențelor parazite.

Fig. 2.7. Circuitul de alimentare pentru LM339

Se folosesc 8 intrări și 8 ieșiri cablate, mufate corespunzător, aparținând celor două integrate. Circuitul de detecție se află integral pe placa principală pentru a fi cât mai aproape de blocul central, conferind sistemului prin această poziționare o rapiditate sporită la schimbări de stare (detecția întreruperii unui fascicul laser).

Cardul SD

Cardurile SD sunt probabil cele mai utilizate carduri de memorie în ziua de azi. Acestea sunt folosite în cadrul mai multor dispozitive portabile, cum ar fi camerele digitale, telefoanele mobile, computerele de buzunar, receptoarele GPS, consolele video ș.a. Cardurile SD de tip standard au o capacitate între 4 MB și 4 GB. Recent, un nou tip de carduri a fost dezvoltat, numit SDHC (eng. High-Capacity SD card), cu o capacitate ce variază între 4 și 32 GB. Totuși, pentru aplicația curentă, se va folosi un card standard datorită dimensiunii reduse a înregistrărilor audio.

În figura de mai jos este prezentată configurația pinilor unui card SD standard. Acesta dispune de 9 pini și de un comutator de protecție pentru a activa/dezactiva modul de scriere pe card.

Cardul SD poate opera în două moduri, fiind folosit fie protocolul standard SD, fie protocolul SPI. În modul SD (modul nativ al cardului) sunt utilizați toți cei 9 pini. Datele sunt transferate folosind pinii D0-D3, ceasul (CLK) și linia de comandă (CMD). În schimb, în modul SPI, datele sunt transferate folosindu-se doar două porturi (MOSI și MISO) în format serial, un pin de selecție a cipului (CS) și un ceas (CLK). Această metodă este mai utilizată în practică decât prima, datorită ușurinței în implementare, având însă ca și principal dezavantaj o viteză de transfer redusă. Pentru acest proiect a fost implementată cea de-a doua metodă.

Întrucât microcontrolerul și celelalte blocuri constituente (cu excepția blocului de emisie) sunt alimentate la 5V, a fost necesară implementarea unui circuit de adaptare, atât pentru cardul SD, cât și pentru magistrala de date, pentru alimentarea acestora la 3,3V. În cazul cardului SD este folosit regulatorul de tensiune L78L33, iar pentru magistrala de date este utilizat un divizor de tensiune format din două rezistoare de 3,3KΩ, respectiv 2,2KΩ. Circuitele implementate sunt prezentate în figurile următoare.

Fig. 2.9. Circuit de adaptare card SD

Pinii corespunzători magistralei de date care sunt adaptați la 3,3V sunt: pinul de selecție a cipului (CS), pinul aferent intrării datelor (MOSI), respectiv pinul corespunzător ceasului (CLK).

Fig. 2.10. Circuit de adaptare a magistralei de date

Implementarea acestor circuite a fost realizată în primul rând pentru protecție, dar și pentru o funcționare a cardului SD în parametrii optimi.

Transmisia datelor este realizată prin portul SPI, în blocuri de câte 512 octeți (reprezentând dimensiunea unui sector în formatul FAT) care sunt memorate în buffer. Ulterior, din acesta sunt trimiși către microcontroler 16 biți de înregistrare audio, 8 biți pentru stânga și 8 biți pentru dreapta, realizându-se astfel stereofonia.

Cardul SD a fost pregătit pentru aplicația curentă în felul următor:

formatarea este de tipul FAT16;

capacitatea de stocare este de 1 GB;

sunetele sunt în format wave pcm stereo 8 biți;

pentru rapiditatea căutării, fișierele sunt memorate direct pe card și numerotate de la 0 la 999, câte 8 pentru o octavă / voce;

sunetele au fost generate in modul de secvență al sintetizatorului Korg, folosindu-se înregistrarea pe pași, introducând notele și pauzele muzicale în softul dedicat sintetizatorului;

eșantionarea și înregistrarea s-au realizat cu ajutorul programului Audacity, versiunea 2.0.5, folosindu-se slicer-ul intern, precum și alte prelucrări de amplitudine, cum ar fi amplificare sau reducerea zgomotului.

Ecranul LCD

Ecranul LCD (eng. „Liquid Crystal Display”) utilizat în cadrul aplicației curente este de tipul 16×2, prezentând o dispunere a informației afișate sub forma a 16 caractere pe 2 linii (matriceal). Interfața acestuia este cea standard de 16 pini, compatibilă cu controlerul Hitachi HD44780. Acesta este cel mai comun controler folosit în practică, având o interfață simplă ce poate fi conectată la un microcontroler de uz general. Cu ajutorul combinației ecran și controler, se pot afișa caracterele ASCII.

Principalele caracteristici ale acestuia sunt:

Alimentare la 5V (realizată prin blocul special de alimentare)

Retroiluminare LED (permițând afișarea atât în condiții de lumină, cât și de întuneric)

Memorie cu 8 caractere de tip custom (CGRAM – Character Generated Random Access Memory) pentru stocarea unor caractere definite de utilizator

Magistrala de date multiplexată pe 4 biți

Portul de 8 biți DB pentru date, încărcat prin două fluxuri consecutive de câte 4 biți fiecare via magistrala de date

Utilizarea celor 3 pini enable, reset și read/write, specifici oricărei aplicații embedded.

Fig. 2.11. Dispunerea pinilor unui ecran LCD 16×2

Circuitul implementat pentru ecranul LCD este prezentat în figura de mai jos.

Fig. 2.12. Circuitul LCD 16×2

Se observă că blocul LCD este conectat în cazul aplicației curente în 4 fire (LCD_D4 … LCD_D7), celelalte 4 fiind legate la masă. Transmiterea datelor se face prin două fluxuri de date de 4 biți fiecare provenite de la magistrala de date. Se regăsesc porturile de reset – LCD_RS și pornire (eng. enable) – LCD_E pentru controlul semnalelor, plus un port special pentru reglarea contrastului, conectat la rezistorul reglabil R10.

Descrierea pinilor este prezentată în tabelul următor.

Tabelul 2.2. Denumirea și funcțiile pinilor ecranului LCD

Circuitul de adaptare audio

Acest circuit implementat pentru redarea audio este separat galvanic pentru fiecare canal audio în parte prin două condensatoare, având ca și terminal un jack stereo de 3,5mm. Amplificarea semnalului audio va fi una externă, caracteristică ce se regăsește la aproape orice instrument muzical electronic sau electric (de ex. sintetizator sau chitară electrică).

Fig. 2.13. Circuitul de adaptare audio

Condensatoarele C6 și C7 sunt folosite pentru filtrare, în scopul de a elimina frecvențele înalte și de a atenua zgomotul metalic.

Se recomandă conectarea la jackul de 3,5mm a unui set de boxe ce conțin și un difuzor dedicat pentru frecvențe joase, pentru o redare cât mai fidelă a sunetului muzical sintetizat.

Tastatura de control

Acest bloc simplu alcătuit din 4 butoane (S1, S2, S3 și S4) este folosit pentru ajustarea unor parametri, și anume a sunetului selectat, precum și a transpunerii gamei. Vor fi utilizate pentru selecție două butoane de incrementare și două de decrementare. Butoanele sunt de tipul monostabil, cu contact normal deschis, dispuse într-un mod util. Starea monostabilă a microcontrolerului este realizată de rezistoarele de tip pull-down R8, R9, R15, R17, toate având valoarea de 4,7KΩ.

Circuitul aferent tastaturii este prezentat în figura de mai jos.

Fig. 2.14. Circuitul tastaturii de control

Interfața de control și afișaj prin care utilizatorul modifică parametrii sintetizatorului și prin care este afișată starea curentă a acestuia este prezentată în figura următoare.

Fig. 2.15. Interfața sintetizatorului

Descrierea zonelor de pe ecran:

linia de sus indică numărul și numele vocii (sample-ului);

linia de jos, primele 8 caractere indică fototranzistorul în stare HighZ;

linia de jos, dreapta indică numărul octavei la care se află vocea selectată.

Microcontrolerul

Microcontrolerul reprezintă blocul care se ocupă cu procesarea și interpretarea semnalelor digitale din cadrul acestei aplicații. Acesta este inclus pe aceeași placă unde se află și celelalte componente și blocuri funcționale, unindu-le și realizând astfel principiul embedded. El asigură o integrare a componentelor VLSI (eng. Very Large Scale Integration), permițând astfel implementarea fizică a unor aplicații complexe în regim de amator.

Microcontrolerul folosit pentru proiectul curent este produs de firma Atmel, aparținând familiei Atmega32. Formatul acestuia este cel de tip DIL40 (formatul mare), reflectând astfel necesitatea utilizării unui număr mare de pini pentru realizarea mai multor funcții (interpretarea semnalelor digitale provenite de la fototranzistori, achiziția datelor de pe cardul SD, generarea prin PWM a semnalului analogic, afișarea pe ecranul LCD a sunetului și transpunerii octavei, precum și evaluarea semnalelor digitale provenite de la butoane).

În figura următoare este prezentat programatorul utilizat pentru comunicarea cu microcontrolerul și încărcarea codului sursă în memoria program de tip flash. Asemănător cardului SD, programatorul transmite date microcontrolerului prin portul SPI, utilizând cei 4 pini specifici, descriși mai pe larg în cadrul blocului aferent cardului SD: MOSI, MISO, SCK și RESET. Astfel, microcontrolerul devine dispozitiv master, iar programatorul un dispozitiv slave.

Fig. 2.16. Programatorul ICSP

Distribuția pinilor acestui microcontroler este prezentată în figura e mai jos.

Fig. 2.17. ATmega32

ATmega32 conține 4 porturi de 8 biți fiecare: Port A (PA7…PA0), Port B (PB7..PB0), Port C (PC7..PC0), Port D (PD7..PD0). Acestea sunt practic porturi bidirecționale de I/O, programabile în funcție de necesitatea aplicației. Totodată, ele pot fi implementate pentru a îndeplini anumite funcții speciale, cum ar fi de exemplu cazul porturilor A, ce pot fi setate ca și intrări ale convertorului A/D.

În plus, microcontrolerul mai dispune de 8 pini, fiecare dintre aceștia având o funcție bine stabilită, ce nu poate fi modificată.

VCC – Pinul conectat la sursa de tensiune

GND – Masa

RESET – Intrarea de resetare

XTAL1 – Intrarea în oscilator și intrarea în circuitul ceasului intern

XTAL2 – Ieșirea din oscilator

AVCC – Pinul conectat la sursa de tensiune pentru portul A si convertorul A/D

AREF – Referința de tensiune pentru convertorul A/D

Acest microcontroler lucrează într-un regim special, fiind conectat la un oscilator extern cu cristal de cuarț ce asigură o stabilitate a frecvenței, nefiind compensat termic.

Valorile FUSE BITS au fost setate în modul următor:

LOW FUSE = 0xEF HIGH FUSE = 0xD9 (Interfața JTAG dezactivată)

Blocul de alimentare

Alimentarea sintetizatorului laser este realizată cu un transformator 220V/12V, 50Hz, protejat la scurtcircuit cu o siguranță fuzibilă. Pentru o mai bună funcționare, sintetizatorul este prevăzut cu un buton general de oprire a tensiunii de alimentare ce dispune de un LED intern.

Blocul de alimentare este constituit din două părți: circuitul de alimentare de putere pentru cele două blocuri de emisie laser, cu valori de ieșire de 10V și siguranță fuzibilă de 0,5 A, respectiv circuitul de alimentare pentru placa principală PCB (eng. Printed Board Circuit), cu ieșirea de 5V. Fiecare dintre acestea are inițial prevăzută o punte redresoare formată din 4 diode și condensatori de netezire a tensiunii redresate pentru conversia curentului alternativ provenit de la transformator în curent continuu.

Fig. 2.18. Blocul de alimentare

Partea superioară a blocului de alimentare evidențiază circuitul de alimentare a plăcii PCB, ce utilizează regulatorul de tensiune LM7805. Terminalele din partea dreaptă se conectează la 12Vca proveniți de la transformator, în timp ce terminalele din stânga se conectează la placa principală pentru alimentarea acesteia cu 5Vcc.

Cele două circuite inferioare reprezintă alimentarea pentru cele 8 diode, fiecare circuit alimentând o serie de 4 diode laser, așa cum este prezentat în figura următoare.

Realizarea acestor blocuri intermediare se face cu ajutorul regulatorului de tensiune LM317, ce funcționează în regim standard. Rezistoarele R2 și R4 reprezintă limita maximă pentru a nu se crea un scurtcircuit între pinii Vout și ADJ ai circuitului integrat, iar siguranțele fuzibile F1 și F2 sunt implementate pentru protecția la scurtcircuit. Același rol de protecție îl au și cele 3 diode D1, D2 și D3.

2.2. Implementare software

Codul urmărește redarea unui fișier wave stereo, utilizând timerele oferite de către microcontrolerul ATmega32. Selectarea acestui fișier se face în două moduri, navigând cu ajutorul butoanelor Sample +/- și Octava +/-. Redarea se face la comanda întreruperii unui fascicul laser, monitorizat pe PORTA, intrările 0..7.

Primul pas constă în inițializarea perifericelor:

a ecranului LCD cu funcția Lcd4_init();

a memoriei CGRAM prin încărcarea de caractere predefinite în prin funcția init_custom_char();

a cardului de memorie, sistemul așteaptând introducerea acestuia, verificând și inițializând parametrii necesari pasului următor și totodată afișând mesaje de eroare sau validare prin funcția mmc_init().

În etapa următoare, este verificată secțiunea de boot a cardului, citind primul sector și identificând șirul de caractere FAT16 specific, fiind utilizată funcția fat16_init(). Inițializarea timerului de ciclare a datelor de pe card TCCR1B (8 biți) (prin funcția timer1_init()), precum și a celor două timere: și TCCR0 și TCCR2 (prin funcția pwm_init()), care împreună formează timerul pe 16 biți pentru generarea PWM-ului se face după confirmarea tipului de formatare a cardului.

Bucla principală while(1) scanează fișierele cu terminația „.wav” în funcție de numele selectat al vocii; dacă portul corespunzător acționat de raza laser primește semnal de întrerupere, se accesează funcția play_cluster(cluster), prin care se trimite către mecanismul PWM ceea ce a fost încărcat în bufferul de 16 biți (de tip unsigned long int). Redarea se întrerupe atunci când rezultatul operației logice „și” dintre nume și port rază laser este 0.

Pe ecranul LCD va fi afișat cu ajutorul caracterelor predefinite raza laser întreruptă prin funcția lcdrefreshswitch().

Programul recurge la o utilizare maximă a resurselor, gradul de ocupare al memoriei SRAM fiind unul de aproximativ 90%, timerele fiind utilizate în totalitate, iar redarea fișierelor wave ajungând până la o rată maximă de 1300 kb/sec.

Codul sursă al programului implementat pentru microcontroler se regăsește în totalitate atașat în anexă.

Concluzii

Prezenta lucrare de licență și-a propus implementarea fizică a unui instrument muzical electronic complex capabil să sintetizeze prin redare PWM diferite sunete muzicale electronice și să le redea sub forma unor semnale audio amplificate prin boxe. Structura lucrării a fost împărțită pe două capitole, ce delimitează într-un mod bine definit partea teoretică de partea practică.

Primul capitol al lucrării denumit generic „Noțiuni teoretice” prezintă o introducere în tehnologia și programarea microcontrolerelor, în fenomenele fizice ce stau la baza generării și detecției luminii laser, precum și în prelucrarea digitală a semnalelor, mai precis în sintetizarea, stocarea și redarea acestora.

Al doilea capitol, intitulat „Implementare fizică”, descrie funcționarea efectivă a sintetizatorului, împărțind circuitul electronic în 8 blocuri funcționale cu un rol bine definit. Sunt prezentate schemele electronice pentru fiecare bloc în parte, fiind comentate anumite caracteristici specifice. În plus, se prezintă succint codul utilizat pentru programarea microcontrolerului, evidențiind principalele funcții și blocuri constituente ale acestuia.

Contribuția personală a constat în realizarea fizică a sistemului, precum și în studiul, respectiv sistematizarea unui amplu material bibliografic referitor la funcționarea microcontrolerelor, a fizicii semiconductorilor ce generează și detectează fasciculul laser și a unor metode de sintetizare a sunetelor, de stocare a unor înregistrări audio și de conversie a unor semnale din digital în analogic prin metoda specială de modulare a lățimii pulsului.

Versiunea acestui sintetizator laser poate fi îmbunătățită prin implementarea următoarelor metode de optimizare:

Memorarea adreselor clusterelor pentru fiecare fișier în parte poate duce la creșterea vitezei de adresare a datelor de pe SD

Modularea tensiunii de alimentare a grupelor de diode laser prin metoda PWM – consumul pe diode scade

Mărirea frecvenței cuarțului extern pentru o creștere a vitezei de execuție

Utilizarea unui microcontroler mai performant, spre exemplu cele din seria AVR-ARM

Implementarea protocolului MIDI, pentru a comunica și cu alte module de tip sampler, wave-table sau majoritatea instrumentelor profesionale, obținând astfel controlul unor timbre muzicale speciale

Implementarea unui senzor de distanță pentru generarea de sunete cu velocitate diferită

Bibliografie

Anexă

Fig. a.1. Schema generală a sintetizatorului

Fig. a.2. Blocul de alimentare laser

Norme pentru protecția muncii în cazul echipamentelor laser

Art. 79. – Prezentele reglementări se aplică activităților care se desfășoară la echipamentele tehnice care constituie surse de radiații vizibile (optice) , cu referire specială la laser.

Art. 80. – Prezentele prevederi se referă la radiațiile optice periculoase, cu indicație specială pentru radiația laser* și nu reglementează aspectele referitoare la radiațiile vizibile provenite de la sursele incandescente, fluorescente, fosforescente, arcurile electrice etc., pentru care există reglementari în standardele și normele în vigoare.

Art. 81. – La evaluarea nivelului de risc laser, în scopul asigurării protecției personalului lucrător, se va lua în considerare clasificarea laserelor, conform normelor internaționale recunoscute pe plan intern și parametrii emisiei lor:

a) mediul activ

b) lungimea de undă a radiației

c) puterea și densitatea maximă de putere la ieșire

d) divergența fasciculului

e) forma și dimensiunea fascicolului la ieșire

f) existența eventuală a unor sisteme de focalizare și distanța focală

* Notă: Prezentele norme au în vedere clasificarea tehnică a laserilor în clasele I-IV, iar parametrii de emisie sunt prezentați în Normele de Medicina Muncii.

g) distanța de la sursa laser la punctul de lucru

Art. 82. – (1)Măsurile de securitate care trebuiesc adoptate la utilizarea instalațiilor laser diferă, în funcție de caracteristicile laserului, de tipul si condițiile de utilizare ale acestora.

(3)Pentru instalațiile laser din clasele 3 si 4, unde există riscurile de afectare a organului vizual, a pielii, precum și a țesuturilor interne, se prevăd cerințe specifice de securitate, în funcție de modul de utilizare și condițiile concrete în care se desfășoară activități cu laser.

Art. 89. – (1)Pentru amplasarea corectă a instalațiilor laser este necesară cunoașterea parcursului (traiectoriei) fasciculului laser deschis, a reflexiilor si difuziilor normale si accidentale ale acestuia.

Art. 90. – În zona în care se efectuează activități cu laser se interzice introducerea în fasciculul laser a unor elemente optice reflectante sau difuzante, precum și a unor materiale ușor inflamabile.

Art. 93. – (1)Mijloacele individuale pentru protecția ochilor (ochelari antilaser) trebuie să îndeplinească cerințele esențiale de securitate și să fie avizate și certificate din punctul de vedere al securității muncii pentru lucrul cu laserul, în funcție de caracteristicile acestuia.

Art. 95. – (2)Folosirea ochelarilor este obligatorie la lucrul cu laserii din clasele 3b si 4, cu excepția situațiilor în care mijloacele de protecție exclud posibilitatea depășirii expunerii maxime admise.

Art. 106. – Personalul de deservire a instalațiilor laser nu va purta in timpul lucrului obiecte care pot reflecta radiația directă: ceasuri, nasturi de metal, catarame, bijuterii etc.

Art. 107. – Reglarea instalației laser se va realiza astfel încât să se evite emisiile accidentale de radiații.

Art. 112. – Se interzice a se privi in radiația laser și a se alinia laserul cu ochiul liber, privind axial sau paraxial în cavitate.

Bibliografie

=== anexa ===