Лазерные струны
6 сентября 1997 года вечернее небо над Москвой прорезало звено «Витязей» и оно озарилось небывалыми красками. Московский университет, словно повинуясь воле неведомого волшебника, вдруг превратился в Собор Христа Спасителя, а затем с ним стали происходить и иные, не менее удивительные метаморфозы. Воробьевы горы зазвучали, как невиданный орган. Это было шоу под открытым небом под названием «Москва: дорога в XXI век», посвященное 850-летию города. В празднике участвовало около трети жителей столицы (более 3,5 млн. человек).
Шоу было организовано знаменитым французским музыкантом и композитором Жан-Мишель Жаром. Жан с детских лет жил в мире музыки, ведь его дед — изобретатель одного из первых звукоснимателей для проигрывателей виниловых дисков, так что он как бы генетически был предрасположен к электронно-музыкальному новаторству.
Несмотря на всю грандиозность и эффектность описанного действа основную его «изюминку», несомненно, составляло исполнение Жаром собственной музыки на специальном светомузыкальном инструменте — Harpe laser — «Лазерной арфе».
Этот сказочный и даже поэтический инструмент являлся вполне конкретным техническим воплощением современной электроники. Пучок света от мощного аргонового лазера оптоволоконным кабелем подводился к середине основания треугольника, составляющего как бы каркас арфы. Отсюда (внутри плоскости треугольника) пучок разделялся на 12 своеобразных лучей-струн, направленных на фотоэлектрические приемники, расположенные на боковых сторонах. Сигнал с фотоприемников поступал на микроконтроллер и далее подвергался стандартной обработке по генерации звуков и их огибающих, принятой в те годы в электронных синтезаторах известной французской фирмы «RSF».
Восемь первых лучей использовались для воспроизведения нот, как в обычной арфе, а остальные четыре — для ряда вспомогательных функций. Так что, когда маэстро, сияя, как ангел в облаках, правда, в берете и черных очках, делал руками, одетыми в белые перчатки, свои пассы среди лучей-струн, модулируя световые потоки, умная электроника оглашала горы музыкой, о которой не мечтал и Орфей.
Конечно, было бы интересно создать что-либо подобное, хотя и не в таких грандиозных масштабах. Пусть первые шаги будут более скромными, но все-таки можно что-то попробовать и, как говориться, войти в курс дела… А там, «чем черт не шутит» ведь творчество границ не имеет. Для начала познакомимся с автоматом световых эффектов, основу которого составляют перемещаемые в пространстве лучи лазера.
Лазерный эффект Мастер КИТ NK300
Устройство (рис. 140, а) монтируется на печатной плате размером 100x74 мм. Здесь располагаются два микроэлектродвигателя (М), лазер и электронный блок управления.
На валах двигателей закреплены небольшие зеркальца. Плоскость зеркал составляет небольшой угол с плоскостью перпендикулярной осям двигателей. Луч лазера попадает на первое зеркальце под определенным углом к оси двигателя, на некотором расстоянии от центра вращения, и, отражаясь от него, аналогично попадает на второе зеркальце. При вращении двигателей выходящий из устройства луч регулярно описывает в пространстве достаточно причудливую траекторию. Вид узоров, возникающих на стенах, потолке и в окружающем воздухе (при наличии в нем рассеивателей, например, пыли или дыма), зависит от настройки системы (рис. 140, б).
Рис. 140. Лазерный эффект Мастер КИТ NK300:
а — схематический вид устройства; б — лазерные узоры
Еще в прошлом веке в самых разнообразных устройствах широко использовалось перемещение луча света зеркалами. Достаточно вспомнить зеркальный гальванометр, шлейфовые осциллографы и самописцы, первые системы «механического» телевидения. Сейчас все это выглядит анахронизмом, хотя и в современных видеопроекторах используется специальная матрица из микрозеркал.
Но как же все-таки образуется конкретный световой узор и как им управлять? Для того чтобы разобраться в этом, можно начертить на листе бумаги, как ведет себя луч света, отраженный вначале только от первого вращающегося как бы с угловым биением, зеркальца. Достаточно лишь вспомнить элементарные законы геометрической оптики: «угол падения равен углу отражения, и лучи, падающий и отраженный, а также перпендикуляр, восстановленный из точки падения, лежат в одной плоскости». Вот только в нашем случае эта плоскость будет вращаться с угловым биением по отношению к плоскости, перпендикулярной оси двигателя.
Можно провести и нехитрый эксперимент, если сохранился старый электропроигрыватель. На его диске под небольшим углом следует закрепить (скотчем или пластилином) зеркальце, которое надо осветить (не обязательно лазером). Приведя диск во вращение, увидим на потолке световой «зайчик», бегающий по кругу. Теория, использующая геометрическую оптику, даст тот же результат.
Теперь необходимо сделать второй шаг: эту светящуюся окружность надо направить под некоторым углом на второе, вращающееся также с биением зеркальце. Не знаю, удастся ли вам сделать соответствующие пространственные построения или провести натурный опыт, добавив еще один (перевернутый вверх тормашками) проигрыватель или вентилятор. Значительно целесообразнее смоделировать работу этого устройства на компьютере.
Задача, по сути, делится на две части: 1) моделирование работы системы управления в виде виртуальной схемы; 2) моделирование картины развертки луча.
Первая часть стандартно, как и ранее, решается средствами EWB. На рис. 141 показана полная модель, содержащая компоненты, используемые в наборе Мастер КИТ NK300, с максимальным сохранением их позиционных обозначений и номиналов; изменения и добавленные элементы будут откомментированы ниже.
Рис. 141. Виртуальная модель в EWB лазерного эффекта Мастер КИТ NK300
Для управления частотой вращения двигателей в схеме использована транзисторная сборка (VT1-VT4), помещенная в стандартный DIP-корпус. Выводы в этой сборке на рис. 141 имеют, соответственно, номера узлов 1-14. На транзисторах VT1, VT2, включенных по схеме с общим эмиттером, собрана балансная схема, к которой подключен двигатель М2, аналогично — на транзисторах VT3, VT4 — двигатель М1. В комплекте используются двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. В модели мы применили подобные двигатели, но цепи их возбуждения «запитали» от отдельных источников ЕМ1 и ЕМ2, которых, конечно, на самом деле нет в реальном устройстве.
Выбор параметров двигателей (рис. 142) выполнен в соответствии с примером для электродрели (см. рис. 100, в), но, естественно, величины отличаются.
Рис. 142. Выбор параметров двигателей виртуальной модели в EWB лазерного эффекта Мастер КИТ NK300
Вольтметры, условно подключенные к валу, как и прежде в модели дрели, играют роль тахометров: одному вольту на их шкале соответствует один оборот вала в минуту. Потенциометры Р1 и Р2, управляемые соответственно клавишами X и Y, изменяют в балансных схемах напряжение на якоре двигателей, что позволяет регулировать частоту их вращения независимо друг от друга. Это легко пронаблюдать на вольтметрах-тахометрах, включив моделирование и нажимая на клавиатуре X и Y, для уменьшения скорости или совместно с клавишей Shift — для ее увеличения.
Решение второй части задачи может быть проведено аналитически с использованием законов геометрической оптики и кинематики, а картина в виде графиков выведена на дисплей в любом математическом пакете. Возможно, кого-то это и заинтересует, но мы поступим по-иному.
Используем то обстоятельство, что проекция на вертикальный экран светящейся точки, вращающейся по окружности в другой плоскости, перпендикулярной первой, совершает колебания по отрезку прямой. При равномерном вращении с некоторой угловой скоростью это будут гармонические колебания с такой же угловой частотой и амплитудой, равной радиусу (при плоскопараллельном проектировании). Если плоскость колебаний вертикальна, то и светящаяся линия на экране — вертикальна. Если же плоскость колебаний горизонтальна, то и линия на экране — горизонтальна. Наконец, если точка будет участвовать одновременно в этих двух движениях, то колебания на экране будут при равных частотах иметь вид окружности, эллипса или прямой линии с разными наклонами, зависящими от начальных фаз.
Этот случай сложения взаимно перпендикулярных колебаний обычно используется в радиолюбительской практике для определения разности фаз электрических колебаний, подаваемых на вертикальные и горизонтальные отклоняющие пластины осциллографа. Если частоты складываемых колебаний не равны, но кратны друг другу, то получаются известные фигуры Лиссажу. В рассматриваемом лазерном устройстве происходит именно подобное сложение колебаний, хотя за счет дополнительной пространственно-угловой модуляции общий вид несколько отличается от классических фигур Лиссажу.
Поскольку нас интересует качественная картина, то модель (см. рис. 141), дополнена двумя преобразователями частоты F1 и F2. Входы преобразователей подключены к тахометрам, а выходы, соответственно, к входам А и В двухканального осциллоскопа, чем и завершается построение модели. Преобразователи частоты находятся в основной группе компонентов Basic и по-английски называются Voltage-Controlled Sine Wave Oscillator, т. е. управляемый напряжением генератор синусоидальных колебаний. В качестве параметров этих приборов примем те, которые стоят в меню их свойств по умолчанию. Необходимые установки осциллоскопа и получающаяся картина показаны на рис. 143, а.
Эта картина соответствует развертке двух независимо колеблющихся точек. Для сложения колебаний перейдем от временной развертки Y/T к развертке одного луча относительно другого, например, В/А. Это и будут искомые колебания (рис. 143, б).
Изменяя значения частоты вращения двигателей потенциометрами Р1 и Р2, можно наблюдать различные картины колебаний (рис. 143, в, г), которые показаны на экране осциллоскопа, переключенного в режим Expand.
Рис. 143.Картины на осциллоскопе в модели лазерного эффекта Мастер КИТ NK300
Самостоятельно можно изменить настройки преобразователей частоты, что отражает изменение настройки оптико-механической развертки луча, и наблюдать гораздо более замысловатые картины.
Здесь необходимо также заметить, что картина на экране осциллоскопа в модели накапливается за много проходов луча, тогда как в реальном устройстве этого не происходит, если только частота развертки не будет слишком большой.
После ознакомления с принципом действия устройства переходим к его монтажу.
Порядок сборки устройства
Проверьте комплектность набора согласно прилагаемому перечню элементов:
• отформуйте выводы пассивных компонентов и установите их в соответствии с монтажной схемой;
• установите панель под микросхему на соответствующее место;
• установите микросхему в панельку;
• подключите электродвигатели в соответствии с монтажной схемой;
• приклейте зеркала на соответствующие площадки втулок и установите втулки на валы двигателей;
• подключите потенциометры в соответствии с рис. 140;
• включите питание, добейтесь необходимой траектории луча (для визуализации луча при юстировке системы можно применить легкое задымление воздуха внутри устройства, не забывая при этом о предупреждениях Госпожнадзора и Минздрава);
• зафиксируйте на клей положение излучателя и электродвигателей;
• потенциометры Р1, Р2 управляют скоростью и направлением вращения двигателей, поэтому вращайте их медленно! Двигателю необходимо время для отработки команды управления от потенциометра, около 3 секунд.
Напряжение питания устройства 6 В. Возможно использование как батареи, так и стабилизированного источника питания с током не менее 300 мА. Рекомендуется поместить устройство в корпус ВОХ-G010. Общий вид устройства после сборки показан на рис. 144.
Рис. 144. Общий вид лазерного эффекта Мастер КИТ NK300
Лазерный излучатель в данный комплект не входит, поэтому в качестве него надо использовать специальный лазерный модуль Мастер КИТ МК301 (рис. 145).
Рис. 145. Лазерный модуль Мастер КИТ NK301
В этом модуле предусмотрена возможность фокусировки луча.
Модуль питается от батареи 3 В или от отдельного источника постоянного напряжения.
Технические характеристики модуля
Напряжение питания… 3 В
Потребляемая мощность… 3,5 мВт
Длина волны… 670 нм (0,67 мкм), цвет красный
Класс… 3 А
Внимание!Превышение питания свыше 3 В или изменение полярности питания, выводит из строя модуль.
Соблюдайте правила безопасности. Лазерный луч опасен для зрения! Не допускайте попадания прямого или отраженного луча в глаза! Это опасно!
Напомним, что Жан-Мишель Жар, с которого мы начали наш рассказ, был в темных очках и белых перчатках. В отличие от его сверхэлегантного костюма это были не элементы «прикида» парижского модника, а необходимые детали прозодежды: очки защищали глаза от лучей лазера, а перчатки — руки. Вам это не потребуется, так как применяемый модуль имеет значительно меньшую мощность, но аккуратность и элементарная предосторожность по отношению к себе и окружающим всегда необходимы.
Сердце, тебе не хочется покоя
«Что сделаю я для людей!?» — сильнее грома крикнул Данко.
И вдруг разорвал руками себе грудь и вырвал из нее свое сердце и высоко поднял его над головой.
Оно пылало так ярко, как солнце, и ярче солнца…
Среди наборов Мастер КИТ рассмотрим теперьNS094 «Живое сердце». Не пугайтесь заранее — это «живое электронное сердце», или е-сердце (от electronics — электроника).
В основе е-сердца лежит интегральная микросхема таймера, с заветными цифрами 555. Поскольку «гемоглобинами» в е-сердце являются электроны, то операция по его сборке и разборке будет абсолютно бескровной.
Итак, наша виртуальная операционная — компьютер с программой EWB, операционный стол — рабочее окно этой программы.
Находим вначале микросхему 555 среди микросхем смешанного типа (Mixed Ics) и помещаем ее на рабочее поле (рис. 146, а).
Проведем ее внешний осмотр. Перед нами 8-выводная микросхема, выводы которой имеют следующий смысл:
1 — Ground (заземление);
2 — Trigger (триггер — вход запуска);
3 — Out (выход);
4 — Reset (сброс);
5 — Control (управление);
6 — Threshold (порог);
7 — Discharge (разряд);
8 — Vcc (напряжение питания).
Вскроем е-сердце и посмотрим, что находится внутри него (рис. 146, б). Мы обнаружим два операционных (здесь термин «операция» имеет не хирургический, а математический смысл) усилителя (DA1 и DA2), RS-триггер (DD1), биполярные транзисторы (VT1-VT3) и резисторы R3-R6, образующие некоторую схему. Дополним микросхему «навесными» элементами: времязадающей RC-цепью и источником питания Е1 (рис. 146, в). Наблюдение пульсаций работающего е-сердца видно на кардиографе-осциллографе.
Рис. 146.Виртуальная модель в EWB электронного сердца:
а, б — соответствие разводки выводов компонента модели таймера 555; в — развернутая виртуальная модель; г — осциллограммы колебаний; д — субблок e-HEART; е — горящее сердце
Основу схемы составляет триггер DD1 с входами установки (S) и сброса (R), которые управляются компараторами напряжения на операционных усилителях (DA1 и DA2). Инверсный выход триггера Q' в режиме покоя имеет высокий уровень, поэтому времязадающий конденсатор С1 замкнут открытым транзистором VT2. Выход Out (3) имеет низкий уровень, так как включен через инвертирующий усилитель на транзисторе VT3. На входе запуска (2) делителем R3-R4-R5 задается высокий уровень напряжения, спад которого до величины Vcc/3 приводит к изменению состояния компаратора DA2 и переключению триггера DD1 в состояние с высоким уровнем (логическая 1), что приводит к низкому уровню на Q' и, соответственно, к высокому на выходе Out. Транзистор VT2 при этом запирается и начинается зарядка конденсатора С1 через резисторы R1-R2. Как только напряжение на выводе 7 станет равным 2Vcc/3, компаратор DA1 сбросит триггер, открывая тем самым транзистор VT2, разряжая конденсатор С1 через резистор R2. Далее схема переходит в режим заряда и разряда конденсатора с периодом Т = 0,693·(R1 + 2 R2)·C1, где R измеряется в омах, С — в фарадах, а Т — в секундах.
Описанный процесс хорошо виден на осциллоскопе (рис. 146, в). Луч канала А регистрирует характерные кривые заряда-разряда конденсатора, луч В — прямоугольные колебания на выходе, определяющие работу таймера. Наше сердце «Бьется, как часы (таймер), так как Доктор прописал на компьютере!». Здесь можно даже усмотреть некоторую аналогию между напряжением на конденсаторе и характером электрокардиограмм или тонограмм биений человеческого сердца, но данная модель для этого не предназначалась.
На таймере 555 выполним виртуальную модель с периодическими световыми вспышками, подключив к выходу светоизлучающий диод — LED (рис. 146, г). В программе EWB мы используем для этой цели логический пробник (Probe), находящийся в разделе Indicators. Далее, представив все устройство в виде субблока e-HEART (рис. 146, б), оформим его в виде «горящего сердца» (рис. 146, е).
Мигание светодиодов красного цвета, задаваемые таймером, дают на экране компьютера красивую картину.
Познакомившись с устройством и работой интегрального таймера 555, соберем на нем виртуальную модель из набора NS094.
Основу составляет печатная плата, посадочные отверстия в которой под светоизлучающие диоды дают условный рисунок сердца (рис. 147, а, б), а разводка дорожек соответствует приведенной выше схеме.
Рис. 147.Монтаж набора Мастер КИТ NS094:
а, б — лицевая и обратная стороны печатной платы А514; в, г — набивка и пайка компонентов; д — «Живое сердце» в сборе
Монтаж сердца начинаем с формовки и набивки компонентов (рис. 147, в). Проверяем правильность монтажа отдельных компонентов и в целом, а затем используем, усвоенную «Науку паять» (рис. 147, г). Наконец, к готовому сердцу подключаем свежую батарейку (рис. 147, б) и наблюдаем его ритмичную работу — «вспышки» красных светодиодов. Если просмотреть осциллограммы реальным осциллографом, то они будут такими же, как и выше (см. рис. 146, г).
Пульс этого сердца легко управляется сменой номиналов резисторов R1, R2 и конденсатора С1.
Собрав из набора NS094 реальное устройство (рис. 147, д) мы увидим, что оно еще более красиво, бьется ритмично и его приятно подарить своим любимым на день Святого Валентина, 8 Марта или другой подходящий праздник.
Раз, два, три — елочка, гори!
Новый год — самый любимый общий семейный праздник. Кругом горят огни елок. Заранее начинают готовиться и думать, что же подарить своим родным и друзьям. И здесь важна не цена подарка, а забота, внимание и выдумка. На помощь радиолюбителям приходит Мастер КИТ и предлагает оригинальный и интересный набор NS180 «Новогодняя елка».
Сначала посмотрим елочку на компьютере: в программе EWB соберем ее развернутую виртуальную модель (рис. 148).
Рис. 148. Развернутая виртуальная модель электронной елочки в EWB
Для этого потребуется войти в раздел цифровых интегральных микросхем Digit и подобрать там КМОП микросхему 4069 и ТТЛ микросхему 74164. Разместив их в центре экрана, собираем слева источник питания: батарея Е1 = 9 В и стабилизатор напряжения на NPN транзисторе VT1 и стабилитроне (Zener Diode) VD1 (конкретные их типы для этой модели не принципиальны). Набрав далее необходимые резисторы и конденсаторы, собираем устройство управления елочной гирляндой. Собираем генератор, задающий тактовые импульсы, на инверторах микросхемы 4069 и подключаем его к 8-ми разрядному последовательному сдвиговому регистру на микросхеме 74164. На выходы регистра «навешиваем» гирлянду светоизлучающих диодов. В программе EWB мы используем для этой цели логический пробник (Probe), находящийся в разделе Indicators. Собрав все необходимые цепи, даем команду на моделирование. На компьютере возникает мигающая огнями елка.
Используя технику субблоков, выделим в модели блок электронного коммутатора е_соm (рис. 149) и, используя его, придадим модели иной вид (рис. 150, а).
Рис. 149.Субблок e_com в виртуальной модели электронной елочки
Новогодняя елка от Мастера КИТ NS180
Теперь берем собственно набор и наряжаем реальную электронную елку.
Общий вид «Новогодней елки» показан на рис. 150, б.
Технические характеристики устройства
Напряжение питания… 9 В
Максимальный ток потребления… 100 мА
Размеры печатной платы… 90x133 мм
Остается поставить ее на праздничный стол и достойно, демонстрируя свои достижения в радиоэлектронике, встретить Новый год: «Гори, гори ясно!».
Рис. 150.Новогодняя елка:
а — виртуальная модель в EWB; б — набор Мастер КИТ NS180
* * *
Вот мы и побывали в этой удивительной стране:
«РАДИОЭЛЕКТРОНИКА».
Многое увидели, познали и сделали. Настала пора прощаться.
Жаль только, что некуда бросить заветную монетку…
Попрощаемся на радиоязыке:
73!