LO SBARCO IN NORMANDIA TESINA INTERDISCIPLINARE PER L’ESAME DI STATO.
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Tesina esami di stato
Anno Scolastico 2012/2013
Classe 5° art ET
Allievo Cais Nicola
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ESAMI DI STATO 2012/2013
CAIS NICOLA CLASSE 5a A art ET/M
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Analizzatore di spettro audio_________________________ pag.3
Introduzione__________________________________ pag.3
Riproduttore audio_____________________________ pag.4
Amplificatore_________________________________ pag.5
Blocco filtri_____________ ______________________ pag.6
Filtro passa basso______________________ pag.6
Filtro passa banda______________________ pag.7
Driver LED____________________________________ pag.8
Barre LED____________________________________ pag.9
Schema elettrico___________________________ pag.10-11
Datasheets________________________ pag.12-13-14-15-16
Filters (Inglese)___________________________________ pag.17
Mixer audio______________________________________ pag.18
Sitografia________________________________________ pag.25
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L'analizzatore di spettro a 8 bande ha lo scopo di creare uno spettacolare effetto a ritmo di musica, mostrando graficamente, ossia mediante 8 barre composte da 10 LED, i cosiddetti "alti" e "bassi" di un segnale audio. Il segnale audio del riproduttore musicale viene prima amplificato per poter usufruire al meglio delle caratteristiche degli integrati che pilotano le barre dei LED. Dopodiché i vari filtri svolgono una selezione, del segnale in ingresso, incentrata in frequenze diverse per ogni filtro (come possiamo vedere nello schema sotto riportato). Le frequenze sono state scelte in base alla banda udibile dall’orecchio umano (20 Hz ÷ 20 kHz), e non si è voluto superare i 14kHz poiché l'orecchio umano non è in grado di percepire le frequenze che superano di molto questo valore. Ciascuna banda di frequenza del segnale andrà dunque in ingresso a dei rispettivi Driver per LED, i quali, mediante dei comparatori integrati, sono in grado di accendere in successione i LED di una barra al variare della tensione in ingresso. Più alta è la tensione in ingresso al Driver e più LED si accendono (dal basso verso l'alto) fino al raggiungimento della tensione massima (tutta la barra di LED accesa). Schema a blocchi:
Riproduttore
audio
Amplificatore
L.P.F
0 ÷ 70 Hz
B.P.F
70 ÷ 180 Hz
B.P.F.
1 ÷ 3 kHz
B.P.F.
180 ÷ 320 Hz
B.P.F.
3 ÷ 6 kHz
B.P.F.
600 ÷ 1000 Hz
B.P.F.
6 ÷ 12 kHz
B.P.F.
320 ÷ 600 Hz
Blocco Filtri
Driver
LED
Driver
LED
Driver
LED
Driver
LED
Driver
LED
Driver
LED
Driver
LED
Driver
LED
Barra
LED
Barra
LED
Barra
LED
Barra
LED
Barra
LED
Barra
LED
Barra
LED
Barra
LED
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Riproduttore Audio:
Come riproduttore audio può essere utilizzato un qualsiasi dispositivo capace di riprodurre file
musicali, come lettori cd o mp3, importante è che siano dotati di connettori jack RCA o jack audio
mono o stereofonico necessario per il collegamento all’analizzatore di spettro.
1. Massa comune (GND); Sleeve
2. Audio stereo canale destro (Right); Ring
3. Audio stereo canale sinistro / Audio mono (Left); Tip
4. Anelli isolanti.
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Amplificatore:
Il segnale audio che riceviamo dal dispositivo necessita di un’amplificazione per permettere ai filtri e
poi ai Driver di poter lavorare facilmente sul segnale.
Avendo misurato che il segnale in uscita dalla periferica ha una tensione di circa 300 mV si è trovato
necessario dover amplificare di almeno 10 volte per sfruttare a pieno le funzioni dei Driver per LED.
(
)
VCC
- VCC
R110k
R2
100k
OUTPUT-
+
U1A
TL082
3
21
84
INPUT
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Blocco filtri:
Dopo aver amplificato il segnale in ingresso è necessario filtrare le diverse bande di frequenza, che
successivamente andranno comparate dai Driver e visualizzate nelle 8 barre LED.
Facendo riferimento ai dati presi in considerazione ad inizio progetto è stato inserito come primo
filtro un passa-basso, mente per tutti gli altri si è reso necessario inserire dei filtri passa-banda.
Filtro passa-basso:
( )
Come è possibile vedere dallo schema è stato scelto un filtro a reazione multipla negativa del 2°
ordine per avere un taglio più netto della frequenza e quindi una selezione migliore.
Nel diagramma di Bode seguente è possibile visualizzare il comportamento del filtro nel dominio
della frequenza.
-
+
U1A
TL082
3
21
84INPUT
- VCC
C11 u
C2
300 n
R3
3.3 k
OUTPUTR1
3.3 k
VCC
R2
3.3 k
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Filtro passa-banda:
( )
Come per il precedente è stata mantenuta la configurazione a retroazione negativa di 2° ordine
anche per i successivi sette filtri.
Per questi filtri è sufficiente presentarne uno poiché sono tutti analoghi variano solo i valori delle
resistenze che ne determinano la banda passante.
VCC
C6
100 n
-
+
U2BTL082
5
67
OUTPUT
R9
10 k
C4
100 n
R5
330 k- VCC
R4
15 k
R7
15 k
R8
150 k
R6
66 k
C3
12 n
C5
12 n
-
+
U1A
TL082
3
21
84INPUT
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Driver LED:
Come Driver per LED è stato utilizzato un integrato che esegue la misurazione della tensione del
segnale in ingresso, visualizzata poi attraverso i LED.
Come si può vedere dal diagramma interno del circuito integrato, presente nella sezione datasheets,
sono presenti 10 comparatori in modalità invertente: le tensioni di riferimento ai pin + dei comparatori
vengono fornite da un partitore composto da 10 resistenze di diverso valore che permettono di avere
una scala logaritmica in uscita.
Il partitore resistivo collegato ai pin 7 e 8 dell’integrato determina la tensione di riferimento dei
comparatori, che equivale a 1.25 Volt.
I comparatori portano l’uscita a livello basso ogni 0.125 V del segnale in ingresso, perciò il primo
LED si attiverà alla tensione di 0.125V e così via per gli altri 10 fino ad avere l’ultimo LED acceso con
una tensione d’ingresso misurabile massima di 1.25 V.
Il pin 9 (Mode) permette di scegliere il modo in cui i le verranno visualizzati, Dot se si desidera
l’accensione di un singolo LED per volta, cioè il più alto valore visualizzabile al momento del
funzionamento oppure la modalità Bar ,usata nel nostro caso, che accende tutti i LED dal primo a
quello che rappresenta il valore più alto misurato.
Per aumentare il range di misura e perciò misurare un segnale con tensione superiore a 1.25 V è
necessario regolare il partitore tra i pin 7,8 e 2 dell’integrato.
Conoscendo la tensione di riferimento interna (1.25V) che è applicata alla esistenza R1 del
diagramma seguente possiamo calcolare la corrente che attraversa quest’ultima:
.
Trascurando la corrente in uscita dal pin 8 (75μA) si può ritenere la tensione tra i pin 7 (Ref out) e 2
(V-) pari a :
( )
( ) (
)
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Barre LED:
Le 8 barre LED rappresentanti le diverse bande di frequenza filtrate e analizzate del segnale in
ingresso, sono composte da 10 LED ciascuna suddivisi in 5 verdi, 3 gialli e 2 rossi per evidenziare al
meglio il livello di tensione misurato.
I diodi LED sono composti da semiconduttore e vengono utilizzati sempre più nelle illuminazioni
pubbliche e private perché sono rapidi nella commutazione acceso/spento, hanno una durata molto
lunga rispetto alle comuni lampade al tungsteno, sfruttano una bassa tensione di pilotaggio ed inoltre
non emanano un calore immenso permettendo un consumo ridotto di potenza.
Questi particolari diodi sono costituiti da una giunzione p-n realizzata drogando il materiale
semiconduttore, l’anodo (A) è costituito dalla zona p, mentre il catodo (K) la zona n.
Polarizzando direttamente il diodo con la tensione Vf (tensione minima di giunzione), adatta al tipo di
led, si genera una corrente diretta dall’anodo al catodo e di conseguenza si illumina la giunzione.
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Schema elettrico del circuito pt. 1
R221.2k
Banda 3 180 - 320 Hz
+ C132.2u
VCC
R233.9k
C3
100n
VCC
-
+
U6C
TL084
10
98
R10 150k
D36 GIALLO
D20 ROSSO
D19 ROSSO
D27 GIALLO
D11 VERDE
D14 VERDE
U3
LM3915
5
32
7
9
46
8
1181716151413121110
SIGIN
V+V-
REFOUT
MODE
RLORHI
REF ADJ
LED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8LED9
LED10
R15 27k
-
+
U2D
TL084
12
1314
D18 GIALLO
R110k
+ C122.2u
R26 130k
- VCC
D35 VERDE
D41 VERDE
VCC
R29 82k
C7
12n
C20
12n
D2 VERDE
+ C182.2u
U5
LM3915
5
32
7
9
46
8
1181716151413121110
SIGIN
V+V-
REFOUT
MODE
RLORHI
REF ADJ
LED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8LED9
LED10D28 GIALLO
D49 ROSSO
C2 300n
D34 VERDE
VCC
R37 82k
D17 GIALLO
D40 ROSSO
R301.2k
Banda 1 0 - 70 Hz
C16
12n
R12 27k
R4 3.3k
-
+
U1B
TL082
5
67
C4
12n
D32 VERDE
D39 ROSSO
-
+
U2A
TL084
3
21
411
U7
LM3915
5
32
7
9
46
8
1181716151413121110
SIGIN
V+V-
REFOUT
MODE
RLORHI
REF ADJ
LED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8LED9
LED10
D45 VERDE
R258.2k
R362.7k
D6 GIALLO
D7 GIALLO
VCC
D3 VERDE
D30 ROSSO
D15 VERDE
D4 VERDE
D26 GIALLO
U8
LM3915
5
32
7
9
46
8
1181716151413121110
SIGIN
V+V-
REFOUT
MODE
RLORHI
REF ADJ
LED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8LED9
LED10
R381.2k
D48 GIALLO
D25 VERDE
VCC
-
+
U6A
TL084
3
21
411
R24 27k
C15
22n
D31 VERDE
D22 VERDE
D8 GIALLO
-
+
U2C
TL084
10
98
R201.2k
R148.2k
-
+
U1A
TL082
3
21
84
R35 33k
R27 27k
D42 VERDE
R34 120k
R32 33k
R193.9k
VCC 12V
D38 GIALLO
C17
22n
R7 330k
Banda 4 320 - 600 Hz
- VCC
VCC
D23 VERDE
-
+
U6D
TL084
12
1314
R313.9k
-
+
U6B
TL084
5
67
C21
12n
D24 VERDE
R174.7k
R284.7k
-
+
U2B
TL084
5
67
VCC
R5 3.3k
D21 VERDE
D1 VERDE
R6 15k
D43 VERDE
VCC
J1
HEADER 1
1
VCC
R9 15k
R16 150k
R2 100K
VCC
R13 220k
D37 GIALLO
C8
39n
D9 ROSSO
D44 VERDE
C19
12n
R213.9k
D12 VERDE
D29 ROSSO
D50 ROSSO
R393.9k
D33 VERDE
R181.2k
D16 GIALLO
C11u
C22
12n
D5 VERDE
Banda 2 70 - 180 Hz
VCC
D46 GIALLO
R866k
C9
12n
C10
39n
R333.9k
D47 GIALLO
Banda 5 600 - 1000 Hz
R1110k
C5
12n
U4
LM3915
5
32
7
9
46
8
1181716151413121110
SIGIN
V+V-
REFOUT
MODE
RLORHI
REF ADJ
LED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8LED9
LED10
+ C232.2u
- VCC
D10 ROSSO
D13 VERDE
C14
12n
+ C112.2u
C6
100n
R3 3.3k
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Schema elettrico del circuito pt. 2
D56 GIALLO-
+
U9ATL082
3
21
84
VCC
R58 47k
-
+U9B
TL082
5
67
C36
12n
Banda 6 1 - 3 kHz
D58 GIALLO
R491.8k
R51 22k
U7
LM3915
5
32
7
9
46
8
1181716151413121110
SIGIN
V+V-
REFOUT
MODE
RLORHI
REF ADJ
LED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8LED9
LED10
D55 VERDE
R444.7k
Banda 8 6 - 12 kHz
D52 VERDE
R45 22k
D57 GIALLO
-
+
U6C
TL084
10
98
D54 VERDE
+ C332.2u
U8
LM3915
5
32
7
9
46
8
1181716151413121110
SIGIN
V+V-
REFOUT
MODE
RLORHI
REF ADJ
LED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8LED9
LED10D68 GIALLO
D52 VERDE
U10
LM3915
5
32
7
9
46
8
1181716151413121110
SIGIN
V+V-
REFOUT
MODE
RLORHI
REF ADJ
LED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8LED9
LED10
+ C282.2u
R48 22k
D56 GIALLO
C37
1.2n
D53 VERDE
R553.9k
VCC
D54 VERDE
C32
2.2n
D66 GIALLO
D65 VERDE
C30
2.2n
D58 GIALLO
D64 VERDE
R621.2k
R541.2k
C26
12n
D51 VERDE
R59 22k
D55 VERDE
R42 120k
VCC
R43 15k-
+
U6A
TL084
3
21
411
C35
1.2nR60 27k
Banda 7 3 - 6 kHz
- VCC
-
+
U6B
TL084
5
67
D53 VERDE
R61470
D60 ROSSO
D59 ROSSO
D59 ROSSO
D67 GIALLO
D57 GIALLO
VCC
+ C382.2u
D60 ROSSO
R42 33k
VCC
R40 15k
C31
12n
R4127k
VCC
R56 22k
R633.9k
D69 ROSSO
R461.2k
D61 VERDE
R50 66k
-
+
U6D
TL084
12
1314
R531.2k
D51 VERDEC27
5.8n
D70 ROSSO
R473.9k
R57820
C24
2.2n
- VCC
C29
12n
C25
5.8n
C34
12n
D62 VERDE
D63 VERDE
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Datasheets :
TL082 package
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TL082 schematic
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TL084 PIN connections
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TL084 schematic
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LM3915
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Filter is a circuit capable of changing a signal both in amplitude and in phase.
Filters perform a selective function that varies in relation to the frequency of the input signal.
The relation between input and output is called "transfer function", while the ratio between output and
input of the filter is mitigated or amplification.
Filters are classified according to the components used:
- passive filters;
- active filters.
Passive filters
These filters consist of passive components like resistors, capacitors and inductors.
The different configurations of the components determine the type of filter and the values of the
components the different cutoff frequencies, those frequencies are the ones where the gain is
reduced by 3dB of the maximum value.
The fourth type of filters are:
- low-pass filter, which filters out frequencies above the cutoff frequency;
- high-pass filter, which filters out frequencies lower than the cutoff frequency;
- band-pass filter, wich allows the passage of frequencies between the lower cutoff frequency and
the upper cutoff freuquency;
- suppres-band filter, which excludes frequencies between the lower cutoff frequency and the upper
cutoff frequency.
Active filter
The active filters consist of passive components by integrated circuits such as operational amplifiers.
These filters are used because they allow to amplify or attenuate the signal received at the input.
It is also possible to connect several filtering cells in succession without interacting with each other
as the operational amplifiers are not affected by the load inputs.
There are the same type of passive filters in active filters like low-pass filters, high-pass filters,
band-pass filters and suppres-band filters.
The most common active filters are:
the multiple negative feedback: which has two feedback loops.
the positive feedback simple known as VCVS (Voltage Controlled Voltage Source): that uses
an operational amplifier with a positive and a negative feedback.
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Inizialmente avevo progettato di realizzare oltre all’analizzatore di spettro anche un mixer audio
stereofonico a due canali per dj.
Il mixer in questione non è stato realizzato a causa del tempo ristretto.
Il progetto prevede un mixer in grado di miscelare tre diversi ingressi audio, divisi in due canali stereo
con ingressi line e phono e un ingresso mono per il microfono, inoltre è possibile modificare le
frequenze alte, medie e basse tramite l’equalizzatore a tre bande.
Per l’uscita è stato previsto di collegare il mixer ad un amplificatore di potenza necessario per il
funzionamento corretto delle casse dell’impianto audio.
Inoltre canali e uscita sono implementati da barre LED necessarie per visualizzare il livello dl
segnale per evitare di utilizzare i circuiti integrati sempre alla massima potenza, questo limita la
durata dei componenti a causa delle eccessive temperature che raggiungono essendo inoltre chiusi
all’interno di una scatola.
Mixer Piooner DJM - 850
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INGRESSI
Ingresso audio (CH1 e CH2)
I due ingressi audio stereo sono inoltre suddivisi in altri due ingressi selezionabili tramite un
interruttore a levetta.
Questi due ingressi sono Line e Phono:
Line: questo ingresso ha risposta in frequenza piata ed è ottimale per tutti i riproduttori audio
che non richiedono equalizzazione come lettori cd, cassette o mp3.
Come è visualizzabile nello schema seguente il guadagno dell’amplificatore è stato
impostato pari a 2 per avere un livello accettabile in uscita di circa 500 mV.
I condensatori sono necessari per imitare la banda a 16 Hz, inoltre i condensatori C19, C20,
C21 e C22 (10uF) sono necessari per limitare l’amplificazione delle correnti continue che
comporterebbero disturbi nelle fasi successive.
Come connettore è stato scelto un connettore RCA poiché il mixer è progettato per un utilizzo
professionale.
Schema ingresso Line ed Equalizzazione CH1 e CH2
C4
100n
J5
Phono ch1
12
J4
HEADER 2
12
- VCC
R6
47K
R12
47K
R13 220K
-
+U1D
TL084
12
1314
C3
100n
DX 2
C6
100n
C18
22n
R8100K
R18 220K
C14
22n
C11
22n
R20 22K
-
+U1A
TL084
3
21
411
R2233K
R4100K
C12
22n
R15 22K
C7
470p
SW2
SW KEY-SPDT
J3
HEADER 2
12
+ C22CAP POL
R14 470K
C15
22n
SW1
SW KEY-SPDT
SW3
SW KEY-SPDT
R19 470K
C13
470p
+ C19CAP POL
R7100K
C5
100n
+ C20CAP POL
C8
22n
-
+U1C
TL084
10
98
R11
47K
C10
470p
VCC
R1633K
R1733K
R2133K
C9
22n
R9 47K
C17
22n
SW4
SW KEY-SPDT
+ C21CAP POL
R10 47K
R1100K
R2 47K
SX 1
J2
HEADER 3 LINE IN 2
123
C2
100n
R5 47K
R3 47K
SX 2
DX 1
J1
HEADER 3 LINE IN 1
123
-
+U1B
TL084
5
67
C1
100n
C16
470p
J6
Phono ch2
12
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Phono: l’ingresso Phono è utilizzato esclusivamente per i giradischi poiché la testina
magnetica del giradischi necessita di una equalizzazione.
Come per l’ingresso line i condensatori sono necessari per limitare la banda passante e i
condensatori C6/C10 per eliminare le correnti continue.
Come per l’ingresso precedente sono utilizzati i connettori RCA.
Ingresso Phono
- VCC
R147K
C2100n
C4
22n
R5820
C3
220n
R3 15K
R7 15K R8 180K
R647K
-
+U1A
TL084
3
21
411
C7
220n-
+U1B
TL084
5
67
C1100n
C5
33n
R4 180K
VCC
+ C10100u
C8
22n
R2820
J1
HEADER 2
12
+ C6100u
C9
33n
J1
HEADER 2
12
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Ingresso microfonico
L’ingresso microfonico è dato dal connettore XLR femmina, il classico connettore microfonico.
Il microfono viene alimentato e poi amplificato di circa 101 volte perché il segnale in ingresso è molto
basso con picchi massimi di 20 mV.
Ingresso microfonico
+
C3 1u
R3100K
R5
1K
C1 100p
C5100n
- VCC
R4
100K
JP1
CIRDIN_3-P
1
2
3
VCC
-
+U1A
TL082
3
21
84
R110K
R2100K
C4100n
VCC
+ C210u
out
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EQUALIZZAZIONE
Lo stadio di equalizzazione è realizzato con una rete passiva che, tramite tre potenziometri,
permette di regolare le tre bande di frequenze alte, medie e basse.
I potenziometri sono stati scelti lineari per facile reperibilità, anche se per un corretto funzionamento
devono essere inseriti potenziometri logaritmici poiché la metà della regolazione è al 50% del giro e
non al 10% come nei lineari.
Equalizzazione CH1
R13 220K
C11
22n
C12
22n
R15 22K
C7
470p
SW2
SW KEY-SPDT
J3
HEADER 2
12
R14 470K
SW1
SW KEY-SPDT C8
22n
C10
470p
R1633K
R1733K
C9
22n
SX 1DX 1
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VOLUME e MISCELAZIONE
Regolazione volume
Lo stadio di regolazione del volume dei canali è composto da un operazionale non invertente di
guadagno 2 che riceve il segnale in uscita dal blocco di equalizzazione, è necessario utilizzare
l’amplificatore operazionale per evitare che il carico derivato dall’equalizzatore passivo influisca sul
segnale fonico.
Il potenziometro per regolare il volume è a slitta di tipo logaritmico perché in questo modo il 50% del
segnale lo avremo quando il potenziometro è a metà corsa.
Miscelazione
Lo stadio di miscelazione che contraddistingue i mixer audio è composto da un sommatore
invertente, regolando il volume dei singoli canali è possibile aumentare o diminuire il livello del
singolo canale in uscita.
In questo stadio non avviene amplificazione poiché il rapporto tra le resistenze è pari a 1, ma avviene
un’inversione di fase dovuta agli amplificatori in configurazione invertente.
Regolazione volume e miscelazione
VCC
R3 10K LOG
-
+U1D
TL084
12
1314
J3
HEADER 2
12
R12 82K
R1
82K
C3100n
J1
HEADER 2
12
R7 82K
R14
POT DUAL
R10
82K
C4100n
R16 82K
-
+U2B
TL082
5
67
C2100n
R8
82K
J2
HEADER 2
12
- VCC
R13 82K
C5 47p
-
+U2A
TL082
3
21
84
-
+U1A
TL084
3
21
411
R6 82K
R5 82K
C6 47p
R11 82K
C1100n
R4
82K
-
+U1B
TL084
5
67
R2 82K
- VCC
-
+U1C
TL084
10
98
VCC
R15 82K
R9 82K
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VOLUME FINALE e USCITA
In uscita dalla miscelazione il segnale viene portato in ingresso ad un operazionale invertente con
guadagno unitario, questo per riportare il segnale alla fase originale.
Successivamente con il potenziometro a slitta logaritmico si può regolare il volume del segnale in
uscita.
L’ultimo stadio, quello di uscita, è composto da un amplificatore operazionale in configurazione non
invertente con guadagno 2, per avere in uscita la tensione ottimale per immettere il segnale negli
amplificatori di potenza.
Il connettore di uscita come quelli d’ingresso è stato scelto di tipo RCA per l’utilizzo finale del mixer e
poiché deve essere collegato ad un amplificatore di potenza per la diffusione dotato a sua volta di
connettori RCA.
C3 150n
J1
HEADER 2
12
R9
10K
R4100K R7
100K-
+U1A
TL084
3
21
411
-
+U1C
TL084
10
98
J2
HEADER 2
12
R210K
C1100n
C6
150nR10
100k
+ C74.7u
VCC
+
C5 22u
-
+U1B
TL084
5
67
R3 10K LOG
R6 82KC2100n
R12
82K
R582K
R13
R
- VCC
R8 10K
+
C8
47u
+ C44.7u
R1
10K
R11
82K
-
+U1D
TL084
12
1314
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Sitografia
Immagini jack audio: http://www.johnloomis.org/digitallab/audio/audio1/jack_plug.html
Datasheets: http://www.ti.com/lit/ds/snosbw5c/snosbw5c.pdf
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm3915.pdf
Mixer: http://www.studison.it/formazione/Scheda%206%20mixer.pdf
http://www2.units.it/marsi/elettronica2/tesine_elettro/mixer/mixer.pdf
http://www.electroyou.it/forum/viewtopic.php?f=1&t=17352
Italiano: http://balbruno.altervista.org/index-665.html