Акустические датчики. Электретные микрофоны в схемах на МК

February 17, 2011 by admin Комментировать »

Микрофоны служат для преобразования энергии звуковых колебаний в переменное электрическое напряжение. Согласно классификации, акустические микрофоны делятся на две большие группы:

•     высокоомные (конденсаторные, электретные, пьезоэлектрические);

•     низкоомные (электродинамические, электромагнитные, угольные).

Микрофоны первой группы условно можно представить в виде эквивалентных

переменных конденсаторов, а микрофоны второй группы — в виде катушек индуктивности с подвижными магнитами или в виде переменных резисторов.

Среди высокоомных более доступными являются электретные микрофоны. Их параметры нормируются в стандартном диапазоне звуковых частот, который имеет народное название «два по двадцать» (20 Гц … 20 кГц). Другие особенности: высокая чувствительность, широкая полоса пропускания, узкая диаграмма направленности, малые искажения, низкий уровень шумов.

Различают двух- и трёхвыводные электретные микрофоны (Рис. 3.37, а, б). Чтобы легче было идентифицировать выходящие из микрофона провода, их намеренно делают разноцветными, например, белый, красный, синий.

Рис, 3.37. Внутренние схемы электретных микрофонов: а) два провода связи; б) три провода связи.

 

Несмотря на имеющиеся внутри микрофона транзисторы, подавать сигнсш с него прямо на вход МК недальновидно. Нужен предварительный звуковой усилитель. При этом без разницы, встроен ли усилитель в канал АЦП М К или он является отдельным внешним узлом, собранным на транзисторах или микросхемах.

Электретные микрофоны похожи на пьезодатчики вибрации, но в отличие от последних имеют линейную передаточную и более широкую частотную характеристики. Это позволяет без искажений обрабатывать звуковые сигналы человеческой речи, в чём, собственно, и состоит прямое назначение микрофона.

Если рассортировать электретные микрофоны производства стран СНГ в порядке улучшения их параметров, то получится следующий ряд: МД-38, МД-59,

МК-5А, МКЭ-3, МКЭ-5Б, МКЭ-19, МК-120, КМК-51. Диапазон рабочих частот составляет от 20…50 Гц до 15…20 кГц, неравномерность амплитудно-частотной характеристики 4… 12 дБ, чувствительность на частоте 1 кГц — 0.63… 10 мВ/Па.

На Рис. 3.38, а, б показаны схемы непосредственного подключения электрет- ных микрофонов к М К. На Рис. 3.39, а…к показаны схемы с транзисторными усилителями, а на Рис. 3.40, а…п — с усилителями на микросхемах.

Рис. 3.38. Схемы непосредственного подключения электретных микрофонов к МК:

а)        прямое подключение микрофона ВМ1 к М К возможно в том случае, если канал АЦП имеет внутренний усилитель сигнала с коэффициентом не менее 100. Фильтр R2, С/уменьшает низкочастотный фон от пульсаций питающего напряжения +5 В;

б)        подключение стереомикрофона ВМI к двухканстьному АЦП МК, который имеет внутренний усилитель. Резисторы R3, ограничивают ток через диоды МК при сильных ударах по корпусу микрофона или по самой пьезопластине.

 

 

Рис. 3.39. Схемы подключения электретных микрофонов к МК через транзисторные усилители

{начало):

а)        улучшенная стабилизация рабочей точки транзистора VT1 за счет резисторов R2…R5. Резистором устанавливают симметричность ограничения звукового сигнала, поступающего на вход АЦП М К от микрофона ВМ1\

б)        пороговый акустический сигнализатор с детектором на диодах VD1, VD2. Резистор /?/ и микрофон ВМI можно поменять местами. Резистором устанавливают на коллекторе транзистора VTI постоянное напряжение, близкое к +2.5 В (половина питания);

 

 

в) транзистор VTI должен иметь как можно более высокое усиление (коэффициент hjy^)’,

г) резистором R3 подбирают напряжение на коллекторе транзистора VT1, близкое к половине питания (для симметричного ограничения сигнала от микрофона ВМ 1)\

д)  цепочка /?/, С1 снижает амплитуду сетевых пульсаций от источника питания +5 В, в связи с чем уменьшается нежелательный «рокот» с частотой 50/100 Гц. Здесь и в дальнейшем буквы «с», «б», «к» будут обозначать цвет проводов микрофона «синий», «белый», «красный»;

е)  упрощённое подключение трёхвыводного микрофона BMI. Отсутствие резистора в эмиттере транзистора VTI уменьшает входное сопротивление каскада;

ж) удалённый «микрофон-двухполюсник» с фантомным питанием транзисторов VTI, VT2 через резистор R5. Резистором R1 подбирают напряжение +2.4…+2.6 В на эмиттере транзистора VT2. Аналоговый компаратор МК фиксирует моменты, когда сигнал от микрофона больше определённого порога, который задаётся резистором R7\0

 

з)  транзистор работает в режиме отсечки, в связи с чем синусоидальные звуковые сигналы от микрофона ВМI становятся прямоугольны-ми импульсами;

и)  подключение трёхвыводного микрофона ВМI по двухпроводной схеме. Микрофон ВМ1 и резистор R1 можно поменять местами. Резистором R2 подбирают напряжение на входе МК, близкое к половине питания;

к) резистором подбирают напряжение на входе МК, близкое к +1.5 В.

 

а) трансформаторная раз1^язка позволяет вынести элементы ВМ1, DAI, GBJ, Т1 на большое расстояние, при этом следует защитить вход МК диодами Шоттки. Ток потребления микросхемы DA / сверхнизкий, что позволяет не ставить выключатель в цепь батареи GB1\

 

Рис. 3.40. Схемы подключения электретных микрофонов к М К через усилители на

микросхемах {продолжение):

б) усилитель для микрофонной «светомузыки». Резистором R4 устанавливают порог срабатывания аналогового компаратора МК в пределах 0…+3 В;

в) «электронный шумомер». На положительный вывод аналогового компаратора МК поступает сглаженное напряжение, пропорциональное среднему уровню сигнала от микрофона ВМ1. На отрицательном выводе аналогового компаратора программно формируется «пила»;

г) резистором R3 регулируется симметрия сигнала, а резистором R5 — коэффициент усиления ОУ DAL Продетектированный сигнал (элементы VDI, VD2, СЗ, С4) поступает на вход МК. Измерение среднего уровня звука проводится внутренним АЦП;

 

д)  нестандартное применение «светодиодной» микросхемы Z)/l/фирмы Panasonic. Возможные замены — LB1423N, LB1433N (фирма Sanyo), ВА6137 (фирма ROHM). Переключателем ЗЛ1 задаётся чувствительность в пяти градациях по логарифмической шкале: -10; -5; 0; +3; +6 дБ;

е)  коэффициент усиления каскада на ОУ Z)/4/ зависит от отношения сопротивлений резисторов R4, R5. АЧХ в области низких частот определяется конденсатором С/;

ж)  коэффициент усиления каскада на ОУ Z)/l / задаётся отношением сопротивлений резисторов R5, R6. Симметричность ограничения сигнала зависит от отношения резисторов R3, R7\

з)  микрофонный усилитель с плавной регулировкой уровня звука резистором R5\

и) двухкаскадный усилитель с распределённым коэффициентом передачи: Ку= 100 {DAI.I), Ку= 5 {DAI.2). Делитель на резисторах R4, /?5 задаёт смещение, которое немного меньше, чем половина питания. Это связано с тем, что ОУ DA / не имеет характеристику «rail-to-rail»;

 

 Рис. 3.40. Схемы подключения электретных микрофонов к МК через усилители на

микросхемах {продолжение):

к) ёмкость конденсатора С4ъ некоторых схемах увеличивают до 10…47 мкФ (улучшение параметров проверяется экспериментально);

л) «левая» половина ОУ DAI усиливает сигнал, а «правая» половина включена по схеме повторителя напряжения. Такое решение обычно применяется, когда МК находится на значительном удалении от усилителя или требуется разветвить сигнал на несколько направлений;

м) резисторы R2, R4 переводят инверторы логической микросхемы DDI в усилительный режим. Резистор R3 можно заменить конденсатором ёмкостью 0.15 мкФ;

н) специализированная микросхема DA1 (фирма Motorola) реагирует только на звуковые сигналы голоса человека;

о) штеккер, вставляемый в гнездо XS1, автоматически разрывает связь между конденсаторами С/ и С2, при этом внутренний микрофон ВМ1 отключается, а внешний звуковой сигнал подаётся на вход DAL /. Оба усилителя микросхемы Z)/l/ имеют выходные уровни «rail-to-rail»;

п) резистором устанавливается симметричность ограничения сигнала на выводе 1 микросхемы DA 1. Транзистор VTI совместно с элементами R5, СЗ выполняет функцию детектора.^

 

3.5.2. Микрофоны электродинамические

Основными элементами конструкции электродинамических микрофонов являются катушка индуктивности, диафрагма и магнит Диафрагма микрофона под воздействием звуковых колебаний приближает/отдаляет магнит от катушки, в связи с чем в последней возникает переменное напряжение. Всё, как в школьных опытах по физике.

Сигнал от электродинамического микрофона слишком слабый, поэтому для сопряжения с МК обычно ставят усилитель. Его входное сопротивление может быть низким. Соединительные провода от микрофона к входному усилителю надо экранировать или уменьшать по длине до 10… 15 см. Для устранения ложных срабатываний рекомендуется обернуть капсюль поролоном и не прикручивать микрофон жёстко к стенке корпуса.

Типовые параметры электродинамических микрофонов: сопротивление обмотки 680…2200 Ом, максимальное рабочее напряжение 1.5…2 В, рабочий ток 0.5 мА. Важное практическое следствие — электродинамические микрофоны

легко отличить от электретных (конденсаторных, пьезокерамических) по наличию омического сопротивления между выводами. Исключение из правила составляют промышленные микрофонные модули, содержащие внутри корпуса транзисторный или интегральный усилитель.

Заменить электродинамический микрофон можно электретным через переходник, изображённый на Рис. 3.41. Конденсатор С2 корректирует АЧХ в области верхних частот. Делитель на резисторах R1, создаёт рабочее напряжение для микрофона BML Конденсатор С1 служит фильтром по питанию.

 

Рис. 3.43. Схемы подключения динамических громкоговорителей к входу МК:

а)  транзисторный усилитель датчика ударов с применением громкоговорителя BAI. Чувствительность регулируется резисторами RI, R2. Конденсатор С2сглаживает пики сигналов. Конденсатор С/ необходим, чтобы база транзистора VT1 не соединялась с общим проводом через низкое сопротивление громкоговорителя BAI;

б) транзистор VTI является усилителем с общей базой. Его особенность состоит в низком входном сопротивлении, которое хорощо согласуется с параметрами громкоговорителя BAI. Резистором RI задают рабочую точку транзистора VTI (напряжение на его коллекторе), чтобы получить симметричное или асимметричное ограничение сигнала. Резистором R3 регулируют порог (чувствительность, усиление);

в)  функцию микрофона выполняет головной телефон BAI. Он имеет более высокое сопротивление обмотки, чем низкоомный громкоговоритель, что увеличивает чувствительность и облегчает его подключение к МК. Резистором RI регулируется амплитуда сигнала;

На Рис. 3.43, а…г показаны схемы подключения динамических громкоговорителей к входу МК в качестве микрофонов.

г) часть схемы переговорного устройства, в котором громкоговоритель BAI попеременно выполняет функцию микрофона и динамика. МК определяет состояние «Приём/Передача» по НИЗКОМУ/ВЫСОКОМУ уровню на линии входа (ВЫСОКИЙ уровень от резистора R4, а НИЗКИЙ — от и BAI). Если МК имеет АЦП с внутренним усилителем, то можно «прослушать» разговор в тракте. Кроме того, если линия МК будет переведена в режим выхода, то с её помощью можно генерировать различные звуковые сигналы в УНЧ (через R3, VD1, R2, С2).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты