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発振回路で音だし

 
　人間の可聴帯域は、20Hzから20kHzと言われています。

　発振回路で可聴帯域の音をだしてみます。

　ブロック図を描いて、回路を検討。




　スピーカを鳴らすだけの駆動能力がOPアンプには
　ないので、音声帯域のアンプを入れます。

　ブロック図から、発振回路とバッファを組み合わせると以下。



　音声帯域アンプは、既に半田付けしてある基板を利用。



　スピーカは、￥１００ショップで入手したもの。




　発振回路から出力される波形は、矩形波なので
　フィルタを使って、正弦波に近づけてみます。

　フィルタは、Passiveタイプとして、次の基板を利用。




　Passiveタイプのフィルタは、信号の振幅を小さくするので
　倍率器とバッファを通して、音声帯域アンプに接続します。




　ブレッドボードに、発振回路、フィルタ回路を組上げます。



　下側に発振回路を置きました。

　ワイヤーは、色ごとに次のように接続。

　100kΩの抵抗１本に、0.1uFの積層セラミックキャパシタを
　接続。これで発振周波数は451Hzに。

　上の左側には、100kΩの抵抗と並列接続できる抵抗とダイオード
　を置いて、発振周波数を変化させるられるようにしています。

　並列接続する抵抗とダイオードにより、次のように発振周波数が
　変わりました。



　ダイオードは、小信号シリコンダイオードで、ごくありふれたデバイス。

　ワイヤーは、色ごとに並列に接続できます。

　フィルタは、10kΩの抵抗１本に、0.1uFの積層セラミックキャパシタを
　接続。キャパシタからバッファを介して、スピーカに接続。
　ワイヤーは、色ごとに次のように接続。


　ブロック図では、次のように接続して、音を出せました。



　アナログコンピュータ基板と接続すると、以下。




　OPアンプ出力は、大電力を扱えないと考えていましたが
　電圧フォロワのバッファを入れてスピーカに接続すると
　静かな部屋では、うるさいほどの音量でした。

　エンクロージャに入れていないスピーカでも、静かな
　部屋では、うるさいくらいの音量で聞こえていました。

　フィルタありとなしでは、フィルタなしの場合、濁った音で
　聞こえ、フィルタが入っていると、澄んだ音になりました。

　抵抗とキャパシタによるフィルタでは、接続の仕方で
　Low Pass Filter(LPF)かHigh Pass Filter(HPF)に変身
　します。



　今回はLPFを使っています。

　音声周波数の場合、抵抗とキャパシタを利用しますが
　高周波になるとインダクタとキャパシタでフィルタを
　構成します。

　フィルタとして見た場合、キャパシタは次の性質をもちます。

　LPFはキャパシタが高い周波数成分をGNDに落とす。
　HPFはキャパシタが高い周波数成分を次段に伝達。

　抵抗とキャパシタの組み合わせは、時定数をもとに考えます。

　抵抗とキャパシタを以下のようにして、LPFの音を
　出して聞いてみます。

　LPFとするのは、OPアンプの周波数特性で必ずBPF(Band Pass Filter)と
　なるので、HPFとしての特性を調べるのは無駄と判断しました。


　発振器が２つあるとき、踏切の警報音、アメパトサイレンの音を
　出せそうなので、実験してみます。

　発振器の出力を加算してみたら、どんな音が出てくるのかを
　実験してみます。

　ブロック図で回路の接続を考えると、以下。




　発振器と加算器の間に、アッティネータを挟んで
　振幅を半分以下に抑えます。

　電圧振幅で加算すると、飽和することがあります。
　加算の結果が飽和しないように、発振器の電圧振幅を
　下げるため、アッティネータを入れます。

　数式でみると vout = Va + Vb で Va=Vb=Vin の条件が
　あると vout = 2Vin となり、電源電圧を上回る可能性
　があると判断できます。

　ブロック図から回路を組みます。



　発振回路のフィードバック抵抗値を変えて、２つの
　周波数をつくり、出力振幅を下げてから加算器に入力。

　そのままの振幅で加算するとオーバーフローするので
　減衰させてから加算するのが基本。

　加算を減算にすると、どうなるかを実験します。
　ブロック図は、以下。



　ブロック図から、回路図に変換。



　音を出す回路で、身近な存在を２つ選んで
　実現してみます。

　踏切の警報音

　　踏切の警報は、カーン、カーンという高い周波数の
　　音を出して、減衰させるようにすれば実現できます。

　　高い周波数と低い周波数を切り替えるためのセレクタが
　　必要になるので、CMOSの4052を使います。

　　ブロック図では、以下。




　　セレクタを制御するための発振器が必要ですが
　　周期は２秒から５秒程度にします。

　アメパトサイレン

　　アメパトサイレンは、高い周波数を低い周波数で
　　変調することで実現します。

　　ブロック図では、以下。
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