50 оттенков пня* ацп и ацп с вычислителем микроконтроллеров microchip

Усилители сигналов для АЦП и ЦАП микроконтроллера

Предисловие

Use the AudioOutputI2SNoDAC object instead of the AudioOutputI2S in your code, and the following schematic to drive a 2-3W speaker using a single $0.05 NPN 2N3904 transistor:

Я так и сделал. Но оказалось, что транзистор греется т.к. каскад работает в режиме класса A. Стабилизатор напряжения 300mA просто не справился с питанием контроллера и такого усилителя. Не говоря уже про питание от батареи, которую пришлось бы ставить не оправданно большей емкости, по сравнению с применением усилителя класса AB, B или C. Пришлось искать различные варианты. Так же рассмотрены варианты усилителей для микрофона. Напряжение питания усилителей однополярное 3V…5V

Усилитель на одном транзисторе для микрофона

Первое и самое простое это каскад с общим эмиттером. В качестве микрофона будем использовать электретный микрофон. В нем использован предусилитель на полевом транзисторе. Для его питания нужен источник питания

Мне нравится схема с использованием Collector-Feedback Bias. Во первых в ней на один резистор меньше по сравнению с классической схемой на делителе и за счет отрицательной обратной связи компенсирует разброс в коэффициенте усиления транзистора.

Для примера зададимся резистором коллектора 18 KOm для усиления в 50 раз резистор в эмиттере будет (упрощенно, т.к. мы не учитываем внутреннее сопротивление эмиттера) 18000 / 50 = 360 Om

Поскольку входное сопротивление АЦП обычно составляет сотни KOm можно немного увеличить сопротивление коллектора и достичь большего усиления

Важно чтобы сопротивление следующего каскада (в нашем случае вход АЦП) имело большое входное сопротивление, что бы наш усилитель мог «раскачать» сигнал. Иначе придется увеличивать ток через коллектор уменьшая резистор в коллекторе, а это приведет к уменьшению усиления в целом

Сопротивление в эмиттере используется для стабилизации режима транзистора за счет отрицательной обратной связи. Если подключить параллельно этому резистору конденсатор, то отрицательная обратная связь по переменному напряжению исключается и каскад имеет коэффициент усиление как у самого транзистора «по документации».

Еще один момент. надо задать выходное напряжение на коллекторе, равное половине полной рабочей шкалы напряжения АЦП. Шкала ESP32 без аттенюаторов 1.1V. Смещением базы R10 выставляем на коллекторе 0.5V… 0.6V

• 0 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_0) gives full-scale voltage 1.1 V
• 2.5 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_2_5) gives full-scale voltage 1.5 V
• 6 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_6) gives full-scale voltage 2.2 V
• 11 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_11) gives full-scale voltage 3.9 V

Можно сделать смещение на коллекторе близкое к половине напряжения питания и увеличить коэффициент усиления каскада, но добавив аттенюатор. Однако, вносить ослабление не рекомендуется, поскольку нам понадобится большее усиление

Расчеты конденсаторов

Усилитель на операционном усилителе для динамика. Параллельное включение

TS922
Features
• Rail-to-rail input and output
• Low noise: 9 nV/√Hz
• Low distortion
• High output current: 80 mA (able to drive 32 Ω loads)
• High-speed: 4 MHz, 1 V/μs
• Operating from 2.7 to 12 V
• Low input offset voltage: 900 μV max. (TS922A)

Что бы хотелось попробовать в будущем

SSM2167 spec

The output impedance of the SSM2167 is typically less than 145 Ω, and the external load on Pin 9 should be >5 kΩ. The nominal output dc voltage of the device is approximately 1.4 V;therefore, a blocking capacitor for grounded loads must be used.

https://youtube.com/watch?v=koiiR6QmGkU

Заключение

Использование транзисторных усилителей в современной электронике оправдано когда нет возможности купить специализированные микросхемы такие как stereo — PAM8403, PAM8406 или mono PAM8302A, PAM8304, NS4150. Где PAM8406 — Абсолютный фаворит если нужен стерео усилитель с однополярным питанием. Его цена стремится к 2$ за 10 штук. Есть возможность включения режима усиления выходного каскада в режим AB

В качестве микрофонного усилителя можно использовать mems микрофоны с I2S интерфейсом, такие как INMP441. В этом случае использование усилителя отпадает и микрофон подключается непосредственно через интерфейс I2S к контроллеру

INMP441

Параметры выходных сигналов

Этот параметр всегда тщательно изучается специалистами. Чаще всего зависимость выходного напряжения прямо пропорциональна тестируемой пользователем величине. К примеру, чем выше будет давление в трубе, тем больше ток на выходе датчика. В некоторых случаях применяется инверсное подсоединение. Большой величине выходного напряжения обязательно соответствует минимальный показатель измеряемых параметров на выходе датчика. Итоговый результат во многом зависит от применяемого контроллера.

Стоит отметить, что некоторые датчики выгодно отличаются наличием переключения с прямого на инверсный сигнал. Самым надежным считается тот вариант, когда выходной диапазон находится в пределах от 4 до 20 мА. Итоговая помехозащищенность достаточно высокая. Если нижний предел показывает 4 мА, то линия связи не оборвана. Эксперты активно используют измерительный преобразователь, который предназначен для работы с уровнями напряжения.

Конечно, одним только датчиком не обойтись. Чаще всего пользователям необходимо знать показатели давления и температуры. Количество важных точек на крупном предприятии может достигать нескольких десятков. Именно поэтому датчиков тоже нужно много.

Если контроллер был установлен в металлический шкаф, то экранирующие оплетки желательно подключать к точке заземления шкафа. Длина соединительных линий может достигать нескольких километров. Для расчета лучше использовать специализированные формулы.

Применение

Востребованный сегодня аналоговый датчик температуры активно применяется в системах автоматизации. Основное назначение такого агрегата – получить информацию о разных физических величинах. Все данные поступают в реальном масштабе времени. Используется качественное преобразование физической величины в мощный электрический сигнал, который идеально подходит для передачи по существующим линиям связи в предварительно установленный контроллер. Вся полученная информация подлежит обработке.

Чаще всего аналоговые датчики устанавливают на большом расстоянии от компьютера, из-за чего такие агрегаты часто называют полевыми устройствами. Этот термин можно увидеть в технической литературе. Чтобы правильно выполнить подключение аналогового датчика, пользователь должен знать, что агрегат состоит из нескольких основных частей. Базовым элементом является сенсор. Именно это изделие отвечает за перевод измеряемой величины в электрический сигнал. Все дальнейшие действия выполняет схема Уитстона.

Описание

Многофункциональные аналоговые датчики широко распространены в больших системах непрерывного измерения и регулирования различных показателей. Основной принцип действия таких агрегатов состоит в том, чтобы при изменении важных параметров происходила соответствующая перемена выходного сигнала.

Аналоговый датчик – это универсальный элемент измерительного, регулирующего, преобразующего, а также управляющего оснащения. Принцип использования этого устройства отличается своей доступностью и простотой. Поступающие аналоговые сигналы в обязательном порядке преобразуются прежде, чем попасть в компьютер.

Для качественной передачи данных пользователю необходимо устранить специфические проблемы, которые обусловлены электрическим сопротивлением. Сигнал по разным причинам может подвергаться зашумлению из-за нежелательных связей резистивного, емкостного либо индуктивного характера.

Новые модели

Сегодня в продаже представлены совершенно новые изделия, которые работают на основе протокола HART. Используемый аналоговый вход агрегата пользуется огромным спросом. Сигнал находится в диапазоне от 4 до 20 А.

Скоростная связь по протоколу обеспечивается двумя основными способами. Первый вариант считается классическим, так как по надежной двухпроводной линии могут обмениваться информацией исключительно два агрегата. Этот вариант особенно актуален, когда выполняется первичная настройка датчиков.

Во втором случае к двухпроводной линии можно подсоединить сразу 14 девайсов. Итоговое количество всегда зависит от параметров линии и мощности установленного блока питания.

Характеристика

Аналоговый датчик создает специальный сигнал, который подается на вход обрабатывающего устройства. Чаще всего это порт компьютера. Большинство датчиков с преобразователем, которые используются в классических системах управления, генерируют аналоговый сигнал. Чаще всего специалисты используют устройство для решения следующих задач:

• Параметры движения.
• Магнитные и электрические характеристики.
• Момент, сила, давление.
• Расход.
• Температура.
• Активность химического и биохимического типа.
• Уровень заполнения емкости.
• Концентрация (жидкости, газа, взвешенных и растворенных веществ).