Come posso ottenere + 5v per il rumore forte, 0v per il silenzio dal microfono a elettrete (o altri componenti)?

Ho fatto alcune domande qui per arrivare a una vera, le domande iniziali che ho posto sono collegate alla fine. Ho usato Fritzing per inventare alcuni schemi dei miei pensieri iniziali, ma per lo meno ho bisogno di aiuto con i valori sui componenti, che ho solo vagamente compreso e scelto quelli che sembrano essere valori ragionevoli o comuni.

Fondamentalmente, ho un Arduino che ha 6 ingressi analogici. Utilizza un ADC a 10 bit per leggere la tensione su uno qualsiasi dei pin analogici, quindi 0 = 0 v, 511 = 2,5 v e 1023 = 5 v, e tutti i valori in mezzo. Fa una lettura LINEARE DC, quindi non sto cercando la logica 1-0 qui.

Ho questo agganciato alle luci a LED e voglio farle rispondere alla musica. Quello che voglio è la massima risoluzione con componenti minimi e penso di usare WAY troppi componenti e di renderlo troppo complesso. Forse i microfoni Electret non sono quello che voglio qui, sono aperto a qualcos'altro. Preferirei non usare gli amplificatori operazionali per risparmiare spazio sul mio PCB.

Quello che voglio è un semplice sensore di livello del rumore. Non sto cercando di riprodurre l'audio, né di avere chiarezza o altro, ma vorrei, il più vicino possibile:

• Perfect Silence = il più vicino possibile a 0v DC (stabile, non AC)
• Rumore medio = circa 2,5 V CC (stabile, non CA)
• Rumore forte = il più vicino possibile a 5 V CC (stabile, non CA)

Capisco con un BJT che il meglio che posso ottenere sarà da 0,6 V a 4,4 V, ma questo è abbastanza accettabile. Ciò che non è, tuttavia, è metà dell'onda, da 0,6 V a 2,5 V. Questo sembra sprecare metà della mia risoluzione disponibile senza motivo. Tuttavia, se ci sono altre configurazioni oltre a un BJT che possono avvicinarmi a 0v-5v, sarei interessato a dargli una possibilità; purché siano semplici.

Eccone uno più semplice, che spero sia possibile, ma richiede che il segnale dell'elettrete abbia un'ampiezza sufficiente per pilotare il circuito del rivelatore a inviluppo (diodo, resistenza e condensatore) per ottenere solo la metà positiva. Non penso che possa farlo a causa della caduta in avanti del diodo, ma forse questo può essere riorganizzato o fatto prima del cappuccio di uscita? Quali dovrebbero essere i valori del rivelatore di inviluppo e dei resistori dell'amplificatore? Dovrebbe essere posizionato un potenziometro di sensibilità sul segnale, o RE, o RL, e quale dovrebbe essere il suo valore? Lineare o logaritmica?

Tuttavia, forse l'uscita dell'elettrete non può sopravvivere al rivelatore di inviluppo, allo shunt di sensibilità e può comunque pilotare un transistor NPN. In caso contrario, ecco una versione più complessa. Devo seguire questa strada? Ottenere l'output desiderato dal circuito richiede davvero tutti questi componenti?

Ecco alcune delle domande passate che ho posto prima di comprendere meglio cosa stavo cercando di articolare, per maggiori dettagli. Ecco cosa dovrebbe fare il rilevatore di inviluppi e non sono sicuro di come sintonizzarlo per l'uscita dell'elettrete:

Anche se potresti fare tutto questo solo con un amplificatore e un microcontrollore (Arduino), per quanto posso vedere, vuoi l'opzione analogica. Ho provato a creare un circuito che emette il livello della voce sul microfono. L'intervallo è compreso tra 0 V e 4 V. Tuttavia, è possibile aggiornarlo facilmente da 0 V a 5 V semplicemente cambiando l'OP-AMP. Ora entriamo in esso;

Prima di tutto, ho sostituito l'amplificatore a transistor con l'OP-AMP. Ecco cosa mi è venuto in mente;

Questo è un semplice amplificatore a inversione con un guadagno di 100. Ecco la formula per calcolare il guadagno;

Come puoi vedere, U1 prende il segnale di input, lo inverte e poi lo moltiplica per 100. Puoi cambiare R2 o R3 e vedrai che il guadagno di U1 cambia. L'inversione del segnale di ingresso non ha importanza qui, come capirai più avanti. Diamo un'occhiata all'uscita di questo amplificatore e vedrai che c'è una grande crescita sul segnale di ingresso.

Nel grafico sopra, vedrai che l'uscita ha una tensione DC offset di 2,5 volt. Ciò è dovuto al terreno virtuale che abbiamo usato. Se creiamo una terra virtuale, ciò significa che portiamo la terra a un altro livello di tensione. In questo caso lo abbiamo spostato a 2,5 V. Con la nuova configurazione, abbiamo creato qualcosa che assomiglia a -2,5 V, 0 V e 2,5 V al circuito. Per raggiungere questo obiettivo, ho dovuto creare una nuova guida di tensione di 2,5 volt. Dal momento che quella guida di tensione non fornirà molta energia, (meno di 1 mA), è facile da creare;

$V+=V-$

Dopo l'amplificazione, dovremmo mettere il segnale su un "rivelatore di inviluppo" o, in altre parole, "follower di inviluppo". Questo otterrà il livello del segnale, come desideri e come hai mostrato nella foto nella tua domanda. Ecco come appare un seguace di base delle buste:

Sembra tutto fantastico, tuttavia, notare che qui D3 è un diodo e scende di circa 0,6 V su se stesso. Quindi, perdi la tensione. Per ovviare a questo, useremo quello che viene chiamato il "super diodo". È super, poiché la caduta di tensione è quasi 0V! Per raggiungere questo obiettivo, includiamo un OP-AMP con un diodo, e questo è tutto! L'OP-AMP compenserà la caduta di tensione del diodo e avrai un diodo quasi ideale;

$V+=V-$$V-$$V-$$V+$

Ora, cambia D3 nel circuito follower di inviluppo sopra con un super diodo e avrai un seguace di inviluppo migliore! Diamo un'occhiata al nostro risultato;

Ci stiamo avvicinando. Come puoi vedere, l'output del follower dell'inviluppo, che è la linea rossa, può passare da 2,5 V a 4 V. 2,5 V è senza suono, 4 V è forte e 3,25 V per medio. Per ridimensionare ciò che si desidera, è possibile sottrarre una tensione di offset di 2,5 V e ridimensionarla. Quindi, quando sottrai 2,5 V, diventa; 0 V per nessun suono, 1,5 V per suono forte e 0,75 V per suono medio e così via. Dopodiché, se lo moltiplichi per circa 3, otterrai esattamente ciò che desideri. 0 V per nessun suono, 2,5 V per suono medio e 5 V per suono forte. Ricapitolando, ciò che vogliamo è questo;

$V_{out}=(V_{in} - 2.5V) * 3$

Per raggiungere questo obiettivo, utilizzeremo un amplificatore differenziale o in altre parole un " sottrattore ".

Quando i resistori, R1 = R2 e R3 = R4, la funzione di trasferimento per l'amplificatore differenziale può essere semplificata con la seguente espressione:

Se si imposta V1 = 2,5 V e R3 / R1 rapporto 3, si otterrà l'output desiderato.

Ecco lo schema completo che farà quello che vuoi:

Ho usato LM324 OP-AMP qui per scopi di simulazione. Ciò limiterà la massima tensione di uscita a 4 V. Per avere un output a gamma completa, è necessario utilizzare un OP-AMP output rail-to-rail. Vorrei suggerire MCP6004 . Cambia R1 e R2 fino ad ottenere il risultato desiderato. Ecco cosa ho ottenuto con la simulazione:

Ora, quando misurate questi valori in ADC, non otterrete un senso lineare , invece il suono è meglio compreso logaritmico, poiché le nostre orecchie ascoltano in quel modo. Quindi, dovresti usare i decibel . Se non hai familiarità con i decibel, ecco un ottimo video tutorial a riguardo.

Una stanza silenziosa, ad esempio, è misurata intorno a 40 dB. Una festa in una stanza farà salire il livello della stanza fino a 100 dB, o forse 110 dB. In questo sito web , puoi trovare grandi informazioni a riguardo, da cui ho anche incorporato l'immagine sotto. Pensa ai livelli di decibel e sperimenta l'uscita di tensione del circuito. Quindi, calcola la risoluzione ADC di cui avrai bisogno. Probabilmente, starai bene con un ADC a 12 bit.

Sembri essere sulla strada giusta. Si fa prendere un sacco di componenti discreti per fare questo genere di cose. Potresti non credermi, ma l'uso di amplificatori operazionali potrebbe rendere tutto questo più semplice e più piccolo. Sono sicuro che puoi trovare circuiti integrati ancora più specifici che fanno di più di ciò che ti serve in un pacchetto più piccolo. Scommetto che c'è un IC là fuori che fa esattamente quello che ti serve. Tuttavia, imparerai di più se procederai senza di loro, anche se solo per valore accademico.

Puoi anche semplificarne alcune spostando la logica nel microprocessore. Il rilevamento delle buste è semplice nel software e, a seconda della precisione e della sensibilità del microfono, potresti addirittura evitare di omettere l'amplificatore dopo il microfono e di metterne l'uscita direttamente nell'ADC. Questo non ti porterà 0V-5V, ma importa? Puoi moltiplicarlo per una costante nel software. Ciò che perdi è la precisione di avere l'intera gamma dell'ADC disponibile, ma forse non è così importante come la semplicità. Tu decidi.

Prima di tutto, non hai bisogno di Arduino a meno che tu non abbia bisogno di fare più elaborazioni - tutto ciò che vuoi davvero è un amplificatore (farebbe un amplificatore operazionale, carichi di circuiti di base su tutti i googles) per aumentare l'uscita del microfono nella gamma 0-5V. Se non sei troppo preoccupato per l'accuratezza (come in questo è per divertimento piuttosto che per una misurazione scientifica) puoi usare un circuito di ritaglio abbastanza semplice, convogliare l'output in un trigger schmitt o usare un LM3914 per generare un display.

Un po 'più finezza potrebbe essere ottenuta facendo un circuito AGC per aumentare automaticamente il guadagno su e giù con il livello medio.

In ogni caso, ottieni un karma positivo maggiore abbandonando l'arduino e facendolo analogo come previsto dalla natura;)

Modifica: è probabile che ci siano anche molti circuiti "pre-amp" sul web, probabilmente un chip SOT23 da $ 0,10 per farlo per te in questi giorni ...