Преобразование сигнала пьезодатчика Опции

[Иван Плетнев]

Уважаемые гуру электроники, здравствуйте!
Не пинайте сильно, к сожалению, в аналоговой электронике полный профан.
Требуется приведение затухающего синусоидального сигнала максимальной амплитудой 80V, к положительному сигналу максимальной амплитудой 3,3V. Схема должна обладать высоким входным и низким выходным сопротивлением. И иметь возможность регулировки входной амплитуды с микроконтроллера.
Поиск в интернете дал мне вот такую схему

Я ее протестировал, она работает, правда, чтобы получить 3,3V max амплитуды, ее приходится питать от 5V, вероятно, из-за падения на диоде.
В целом, она меня устраивает, но, может вы подскажете что-то дельное?

И какое решение подскажете для регулировки уровня входного сигнала с микроконтроллера? SPI, I2C и т.п.

[Guest_TSerg_*]

Цифровой потенциометр. Приведение к диапазону - на резисторах.
Для кого-то и 1 кОм - высокое и 10 МОм - низкое.

[Иван Плетнев]

Цифровой потенциометр. Приведение к диапазону - на резисторах.
Для кого-то и 1 кОм - высокое и 10 МОм - низкое.

Вы имеете ввиду цифровой потенциометр после входного делителя на подстроечном резисторе?
Операционник, как мне кажется, нужен по причине подключения этой схемы к АЦП. Во-первых, чтобы ограничить максимальную амплитуду на входе АЦП, а во-вторых, чтобы зарядка входного конденсатора АЦП происходила быстрее.

Сообщение отредактировал Иван Плетнев - Jan 21 2017, 16:23

[NeonS]

Совершенно непонятно о каком источнике (с каким внутренним сопротивлением, о какой частоте сигнала) идет речь? Каковы условия чувствительности, динамического диапазона? Сплошные загадки... Приведенная схема пиковых детекторов, честно говоря, не обладает запасом надежности - например, если подать все 80Вольт на вход при верхнем положении регуляторов?

[Иван Плетнев]

Совершенно непонятно о каком источнике (с каким внутренним сопротивлением, о какой частоте сигнала) идет речь? Каковы условия чувствительности, динамического диапазона? Сплошные загадки... Приведенная схема пиковых детекторов, честно говоря, не обладает запасом надежности - например, если подать все 80Вольт на вход при верхнем положении регуляторов?

Это пьезодатчик. Соответственно, сопротивление очень большое. Частота 1200 - 2000 Гц. На выходе этой схемы получается вот такая картинка, только это тест с большим, чем 5V напряжением питания

Надежность в описанном Вами случае низкая, действительно.

[Guest_TSerg_*]

Это пьезодатчик.

Вы начните по посту #4 отвечать, дабы здесь не занимались гаданием ибо не охота.
Ну, а еще - предварительная аналоговая обработка в значительной степени зависит от задач последующей цифровой.
И где на картинке 80 V? Там видны только 10 V.
С частотой сигнала 2.5 кГц (что на картинке) вполне могут работать АЦП многих MCU в целях надлежащей ЦОС.

Вот ваша картинка, оцифрованная. Заводите значения через АЦП в MCU и делайте какую-угодно ЦОС (масштаб - условный, линейный).
http://savepic.ru/12710556.png

[Иван Плетнев]

Вы начните по посту #4 отвечать, дабы здесь не занимались гаданием ибо не охота.
Ну, а еще - предварительная аналоговая обработка в значительной степени зависит от задач последующей цифровой.
И где на картинке 80 V? Там видны только 10 V.
С частотой сигнала 2.5 кГц (что на картинке) вполне могут работать АЦП многих MCU в целях надлежащей ЦОС.

Вот ваша картинка, оцифрованная. Заводите значения через АЦП в MCU и делайте какую-угодно ЦОС.
http://savepic.ru/12710556.png

На картинке - выход вышеприведенной схемы при напряжении питания 12V. Тест. Нужно оцифровывать 16 каналов с целью нахождения максимума сигнала. Эта задача уже решена. А цифровая регулировка по входу нужна для интерактивной настройки системы, дабы не допускать перегруза.

[Guest_TSerg_*]

цифровая регулировка по входу нужна для интерактивной настройки системы, дабы не допускать перегруза.

Т.е. ручками? Не автоматом?
Еще раз, поясняю - предварительная аналоговая обработка бессмысленна без понимания последующей цифровой.
Про цифровые потенциометры - тут.

[Иван Плетнев]

Т.е. ручками? Не автоматом?
Еще раз, поясняю - предварительная аналоговая обработка бессмысленна без понимания последующей цифровой.

Этот проект - электронные барабаны. USB MIDI модуль. на 16 каналов. В каждом триггере (пэде) (барабане) - пьезодатчик.
Источнику звука (синтезатору, семплеру) передается MIDI сообщение, где среди прочего, есть сила удара по пэду.
ЦОС нужна для того, чтобы в функции настройки пэда, можно было несколько раз ударить по нему с максимальной силой, чтобы авотматически откалибровать вход под текущий пэд или тарелку и т.п. и обеспечить максимальный динамический диапазон.





Сообщение отредактировал Иван Плетнев - Jan 21 2017, 18:02

[Guest_TSerg_*]

Т.е. первый пик сигнала уже несет информацию - тогда как говорил, R-R делитель + цифровой потенциометр (ЦП) + непосредственная обработка на MCU.
Полоса у ЦП до нескольких MHz, ограничений по частоте не будет.
Четверть периода 400 мкс/2.5 кГц - это 100 мкс. Частота семплирования, на мой взгляд, вполне достаточна 10 мкс == 100 кГц., т.е. 10 отсчетов до максимума.

[NeonS]

Поскольку пьезодатчик - это источник тока, некий конденсатор, Вам проще всего будет нагрузить его на сопротивление, которое и определит сам динамический диапазон. Придется подбирать сопротивление экспериментально так, чтобы влезть в окно АЦП, ориентируясь на чувствительность к минимальному удару. Городить пиковый детектор нет необходимости. Нужно лишь установить перед каждым входом АЦП развязывающий буфер-повторитель на ОУ с защитой по входу в виде последовательного резистора и двух диодов: на землю и на питание АЦП.

[Guest_TSerg_*]

Поскольку пьезодатчик - это источник тока, некий конденсатор, Вам проще всего будет нагрузить его на сопротивление, которое и определит сам динамический диапазон. Придется подбирать сопротивление экспериментально

Ну да, сменили барабан и опять менять-крутить резистор. Не, это не наш подход - даешь автоматизацию!

[NeonS]

Справедливо, коллега, не могу не согласиться. Осталось лишь ТС воплотить все это в реальной конструкции.

[Guest_TSerg_*]

Справедливо, коллега, не могу не согласиться. Осталось лишь ТС воплотить все это в реальной конструкции.

Идея у ТС - интересная. Почему бы нам и не помочь? Тем более с ЦОС у них проблем нет, как я понял.

[Guest_TSerg_*]

Собственно и предложение, примитивное:
Схема:
http://savepic.ru/12706468.png
Переходной процесс в линейном режиме + помехи:
http://savepic.ru/12668579.png
Переходной процесс с ограничением + помехи:
http://savepic.ru/12694178.png

X1 - ЦП на номинал 100к.
Вместо примитивного ЭП на Q1, можно ставить любой буфер в интегральном исполнении.
R2 подбирается один раз для всех каналов, исходя из реальных максимальных амплитуд.

[Иван Плетнев]

Собственно и предложение, примитивное:
Схема:
http://savepic.ru/12706468.png
Переходной процесс в линейном режиме + помехи:
http://savepic.ru/12668579.png
Переходной процесс с ограничением + помехи:
http://savepic.ru/12694178.png

X1 - ЦП на номинал 100к.
Вместо примитивного ЭП на Q1, можно ставить любой буфер в интегральном исполнении.
R2 подбирается один раз для всех каналов, исходя из реальных максимальных амплитуд.

Ух ты, круто!
Обязательно попробую в ближайшее время!
А обрезать отрицательную поуволну входного сигнала? Он же симметричен относительно ноля?

[NeonS]

Для этого D2 предназначен.

[blackfin]

Поиск в интернете дал мне вот такую схему
...
В целом, она меня устраивает, но, может вы подскажете что-то дельное?

ИМХО, гуглить усилитель заряда:

Усилитель заряда используется, как правило, с емкостными или пьезоэлектрическими датчиками сигналов, что отображено на схеме. Действие схемы усилителя заряда основано на применении так называемого эффекта Миллера. Если в схеме усилителя используется параллельная отрицательная обратная связь и в цепи связи стоит конденсатор С, то входное сопротивление приобретает емкостный характер – появляется входная емкость в 1+Ko раз больше величины емкости конденсатора С: Свх=(1+Ko)C. Ko - коэффициент усиления усилителя по напряжению. Эта емкость может быть очень велика. Так при коэффициенте усиления операционного усилителя Ко=10000 и емкости С=100 пФ, получаем Свх=1мкФ. В то же время емкость датчика сигналов Со может быть равна 100 пФ, а емкость соединительного экранированного кабеля Ск пусть даже 1000 пФ. При действии механической силы на пьезоэлектрический датчик на нем высвобождается заряд q, пропорциональный этой силе. Этот заряд заряжает параллельно соединенные конденсаторы Со, Ск и Свх. В результате выходное напряжение усилителя оказывается практически не зависящим от емкости датчика и емкости соединительного кабеля и определяется только зарядом и емкостью в цепи отрицательной обратной связи усилителя.
U2=q/C
Потому этот усилитель и называется «усилителем заряда». /ГП ПЕТИН/

Например, CN0350, или Петин (Рисунок 5.6, стр. 43), или electronix, и тп.

[Guest_TSerg_*]

Петин

МногоТомный труд..
Только вот "соглосование" корежит.

[blackfin]

МногоТомный труд..
Только вот "соглосование" корежит.

Специально для вас на языке Шекспира: Charge amplifier.

[Guest_TSerg_*]

Специально для вас на языке Шекспира:

Да хоть бы и на китайском
Вероятно, студенты набивали профессору данный текст и лит. корректору он тоже не попался. Много неточностей, единицы измерений "гуляют", рисунки некоторые попутаны..
А так-то, Петин Генри Петрович - фигура известная, да и покоится он уже с миром.

Обязательно попробую в ближайшее время!

Только имейте в виду, что эта схема корежит спектр, т.к. обрезает нижнюю полуволну.
Если требуется сохранение формы импульсов - это уже другая схема.

[Onkel]

Это пьезодатчик. Соответственно, сопротивление очень большое. Частота 1200 - 2000 Гц.

А что за пьезодатчики? У меня в аналогичном проекте пьезодатчики ЗП-5 (да и дюжину других перепробовал..) дают не более 5 В, правда колебаний больше- от полусотни до сотни. Но выходное сопротивление их вряд ли очень большое- выходное напряжение падает вдвое только на 10 кОм по сравнению с 1 МОм осциллографа.

[Иван Плетнев]

Да хоть бы и на китайском
Вероятно, студенты набивали профессору данный текст и лит. корректору он тоже не попался. Много неточностей, единицы измерений "гуляют", рисунки некоторые попутаны..
А так-то, Петин Генри Петрович - фигура известная, да и покоится он уже с миром.


Только имейте в виду, что эта схема корежит спектр, т.к. обрезает нижнюю полуволну.
Если требуется сохранение формы импульсов - это уже другая схема.

Это как раз и нужно! Сейчас займусь, соберу на макетке, по результатам представлю отчет!

А что за пьезодатчики? У меня в аналогичном проекте пьезодатчики ЗП-5 (да и дюжину других перепробовал..) дают не более 5 В, правда колебаний больше- от полусотни до сотни. Но выходное сопротивление их вряд ли очень большое- выходное напряжение падает вдвое только на 10 кОм по сравнению с 1 МОм осциллографа.

Вот, только что осциллограмму записал. Но немного не в тех условиях, какие будут в барабанах. Это я просто по датчику ударил.
Это обычные китайские пьезодатчики по 100 рублей за кучку.
Но такие, как ни странно, стоят и в дорогих брендах тоже))


Сообщение отредактировал Иван Плетнев - Jan 22 2017, 15:55

[Иван Плетнев]

Четверть периода 400 мкс/2.5 кГц - это 100 мкс. Частота семплирования, на мой взгляд, вполне достаточна 10 мкс == 100 кГц., т.е. 10 отсчетов до максимума.

Это вряд ли получится, поскольку скорость АЦП в моём МК 1MSPS, а каналов 16. 60 с небольшим кГц максимум. Но тесты показывают, что даже на 44 кГц очень неплохо работает.

[Guest_TSerg_*]

Это вряд ли получится, поскольку скорость АЦП в моём МК 1MSPS, а каналов 16. 60 с небольшим кГц максимум. Но тесты показывают, что даже на 44 кГц очень неплохо работает.

Ну я с запасом сказал.

Легкий удар по керамике ЦТС-19, D=50 мм
Не выше 1.5 V.
http://savepic.ru/12697110.png

Легкий удар по тонкой пьезокерамике, D = 25 мм.
Не выше 12 V.
http://savepic.ru/12681769.png

P.S.
Вторичные максимумы - следствие механического дребезга при ударе, трудно уложиться в одно касание

[Onkel]

Вот, только что осциллограмму записал. Но немного не в тех условиях, какие будут в барабанах. Это я просто по датчику ударил.
Это обычные китайские пьезодатчики по 100 рублей за кучку.
Но такие, как ни странно, стоят и в дорогих брендах тоже))

У меня по 20 рублей , на Митино брал, при совке еще делали. Разных брал штук по 10 от ЗП-4 до ЗП-2х

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Иван Плетнев]

Добрый вечер всем!

Протестировал схему, предложенную уважаемым TSerg, ниже представлю картинку. Вместо эмиттерного повторителя на транзисторе, включил LM358 по схеме повторителя. Т.е. отрицательный вход соединил с выходом. В итоге выходной сигнал режется на уровне 2В. На картинке 2 канал (голубой) - сигнал на входе ОУ, ограниченный по амплитуде напряжением питания, 1 канал (желтый) - сигнал на выходе ОУ. Что сделал не так?

[Alexashka]

ОУ не тот. Возьмите rail-to-rail ОУ (LM358 отнимает примерно 1.5в от верхнего питания)

[Иван Плетнев]

ОУ не тот. Возьмите rail-to-rail ОУ (LM358 отнимает примерно 1.5в от верхнего питания)

Хорошо, попробую rail-to-rail, спасибо!

[gregory]

Хорошо, попробую rail-to-rail, спасибо!

Все-таки с пьезодатчиком надо использовать усилитель заряда. Подбираете емкость в цепи обратной связи так , чтобы сигнал при самом сильном ударе не превышал напряжение питания ОУ и всЁ.

Другие схемы приведут к неожиданным проблемам. Кстати у Вас пьезодатчик , когда Вы по нему ударяете свободен или приклеен?

[ARN]

Все-таки с пьезодатчиком надо использовать усилитель заряда. Подбираете емкость в цепи обратной связи так , чтобы сигнал при самом сильном ударе не превышал напряжение питания ОУ и всЁ.

Другие схемы приведут к неожиданным проблемам. Кстати у Вас пьезодатчик , когда Вы по нему ударяете свободен или приклеен?

слышал звон...усилитель заряда применяется для усиления низкочастотных колебаний (еденицы Герц).
В данном случае этого не нужно, т.к. биморф генерирует колебания на своей резонансной частоте( килогерц- два)