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Esta etapa consta del dispositivo analógico que se encarga de adquirir, procesar y acondicionar la señal de audio del micrófono, así como también la señal de voltaje debido a los cambios que sufra el potenciómetro. Además, ambas señales pasaran por un dispositivo de protección que evitará salidas superiores a los 3 V; Las señales de salida deben estar entre 0 a 3 V, este es el rango que puede aceptar el "DEMOQE" sin que ocurra problemas ni daños permanentes.
DISEÑO
Sistema de Adquisición de la señal de audio
El sistema de adquisición de la señal de audio consiste en el siguiente circuito:
Figura 1. Diseño del sistema de adquisición y procesamiento de la señal de audio
De acuerdo a la figura 1, el sistema se compone básicamente de 5 bloques o etapas, el bloque azul consta del micrófono y su resistencia de protección; el bloque naranja consta del filtro pasa alto de primer orden; el bloque rojo representa un amplificador de señal de voltaje; el bloque verde es el filtro pasa-bajo, "sallen key", de segundo orden; y el bloque morado es la tierra virtual.
Con el propósito de, en términos generales, estudiar y simular el sistema, se utilizó en el bloque azul una fuente sinusoidal con las características vistas en la figura 1. Sin embargo, este bloque en realidad tiene la siguiente estructura.
Figura 2. Micrófono con su resistencia de protección. Para "encender" el micrófono este debe venir alimentado a través de una resistencia, tal y como se muestra en la figura. Mientras más pequeña la resistencia, más grande será la señal del micrófono, para una resistencia de 2.4 k la amplitud promedio que se registró de la señal del micrófono fue de 100 mV aproximadamente
Ahora bien, el bloque azul es entonces conectado al filtro pasa-alto del bloque naranja de la figura 1. La frecuencia de corte de de este filtro viene dada por la siguiente ecuación,
De acuerdo a la ecuación 1, la frecuencia de corte del filtro pasa-alto, con R = 10k y C = 100 nF, es de 159,15 Hz aproximadamente. La función de la etapa en cuestión es filtrar frecuencias por debajo de los 100 Hz, en especial la señal de ruido blanco de 60 Hz. Así, se decidió por utilizar los componentes anteriormente mencionados.
Luego, el filtro pasa-altos es acoplada a un amplificador, bloque rojo de la figura 1, cuya configuración mostrada permite una amplificación de 11; es decir, para una señal de entrada "Vi" la salida "Vo" será, Vo = 11*Vi. El objetivo de esta etapa es amplificar, valga la redundancia, la señal de audio provista por el micrófono, puesto que esta señal es del orden de los mV.
Finalmente, la última etapa consta de un filtro pasa-bajos cuya frecuencia de corte viene dada por la siguiente ecuación:
Dado que las resistencias tienen el mismo valor, al igual que los capacitores, la ecuación (2) se reduce a la ecuación (1). La frecuencia de corte, para R = 1k y C = 100n, fue de 1591.55 Hz. De acuerdo a experiencias anteriores (véase referencia 1), experimentalmente la frecuencia de corte es un poco más bajo que la teórica, y dado que lo que se necesita es procesar las frecuencias entre 100 y 1000 Hz, se escogieron los valores antes mencionados, para la construcción del filtro en cuestión.
Ahora bien, para evitar excursiones negativas de la señal de voltaje, se decidió conectar los bloques naranja, rojo y verde de la figura 1 no a la tierra del sistema, sino a una "tierra virtual" de 1,5 V. La "tierra virtual" añadirá un voltaje de offset de 1,5 V, es decir el centro de la señal estará en este nivel de voltaje aproximadamente. La tierra virtual, tal y como se ve en la figura 1, consta de un divisor de voltaje conectado a un "buffer", esto último con el fin de evitar cargas parásitas al resto de las etapas o bloques.
Por último, cabe destacar que los capacitores de 10 nF corresponden a capacitadores de "Bypass" cuyo objetivo es filtrar ruidos presentes en las fuentes de alimentación y que podrían afectar al resto de los bloques.
Sistema de Adquisición de la señal de movimiento (Potenciómetro)
Dentro de la interfaz de usuario habrá una barra definida como "referencia de tono", esta le permitirá al usuario definir el tono que desea alcanzar. Para manipularla se hace uso de un sensor de movimiento, en específico un potenciómetro. La configuración o el circuito utilizado para el sensor en cuestión es como sigue,
Figura 3. Configuración del sistema de adquisición de la señal del potenciómetro.
La configuración vista en la figura 3 es la de un simple divisor de voltaje cuya señal "Vout" viene determinada por la ecuación,
De acurdo a la ecuación 3, el voltaje de salida máximo, "Vout_max", se obtiene cuando R3 = 5k, así, Vout_max = 2,38 V. Mientras que, el voltaje de salida mínimo, "Vout_min", se logra si R3 = 0, por lo cual, Vout_min = 87,72 mV. Estos valores son aceptables, dada la limitación del rango de voltaje que puede aceptar el DEMOQE; recuerde que está entre 0 y 3 V.
La señal "Vout" de la figura 3 variara, de acuerdo a los cambios en el potenciómetro, entre 0 y 2,4 V. Las variaciones de voltaje se traducirán en el posicionamiento de la barra de referencia, donde el máximo tono se obtendrá con "Vout_max" y el mínimo con "Vout_min".
Sistema de Protección
Finalmente, las señales de salida de los sistemas de adquisición previamente mostrados, se conectan a un circuito de protección, cuya estructura se muestra a continuación:
Figura 4. Sistema de protección. A V1 se conecta la salida del sistema de adquisición de audio y a V2 la del sistema de adquisición de la señal del potenciómetro.
Básicamente, el circuito mostrado en la figura 4 es un "buffer", en el cual los diodos zener tienen un "voltaje de rodilla" de 3 V. Por tal motivo, para una señal de salida de 3 V o mas los diodos se activaran y se drenará a tierra la señal. Así, se evitará que entren al módulo "DEMOQE" voltajes de más de 3 V lo cual podría dañarlo permanentemente.
COMPONENTES UTILIZADOS
Para la tierra virtual y el filtro pasa-bajos se utilizó un operacional LM-358N, el cual posee un amplio ancho de banda y es ideal para aplicaciones de sonido. Mientras que, para el bloque de amplificación y el sistema de protección se usó el LM-324N; ideal para amplificaciones. Ambos operacionales permiten operarlos con una alimentación de 3 V y 0, sin presentar problemas de funcionamiento; se recuerda que los operacionales no tendrán como salida voltajes mayores o menores a sus voltajes de alimentación. En cuanto a los sensores, se hizo uso de un micrófono "electret" y un potenciómetro normal de perilla. Más adelante, se encuentran los "data-sheets" de los operacionales y los sensores.
RESULTADOS/COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA
De acuerdo a las simulaciones, la respuesta en frecuencia del sistema de adquisición de audio se presenta en las siguientes figuras,
Figura 5. Frecuencia de corte inferior del sistema de adquisición de audio. Frecuencia a 3 dB.
Figura 6. Respuesta en frecuencia del sistema de adquisición de audio. Amplitud en dB del rango de frecuencias que pasan del filtro; es decir, las frecuencias a trabajar.
Figura 7. Frecuencia de corte superior del sistema de adquisición de audio. Frecuencia a 3 dB.
Como se pudo ver en las figuras previas, la respuesta en frecuencia, de acuerdo a las simulaciones, está entre 113,97 Hz y 1359 Hz. En la siguiente tabla se puede ver el rango de frecuencias procesadas y permitidas por el sistema de adquisición de audio, en términos teóricos, experimentales y de las simulaciones. Así,
Figura 8. Respuesta en frecuencia del sistema de adquisición de audio en términos teóricos, experimentales y de las simulaciones.
Como se puede ver de la figura 8, si bien el error presente es algo considerable, este no tiene mucha importancia, puesto que el sistema hace lo que se le pide; procesar y adquirir una amplia gama de frecuencias entre 100 y 1000 Hz. Se concluye entonces que el sistema en cuestión es "aceptable", viable y cumple satisfactoriamente el objetivo que persigue.
Ahora bien, para el sistema del potenciómetro, la señal de trabajo, tanto en la teoría como en las simulaciones, está entre 87,72 mV y 2,4 V. En cambio, experimentalmente se encontró que la señal en cuestión se encuentra entre los 0 y 2 V. Se puede concluir entonces que, el error es despreciable y el sistema ofrece un rango ideal de voltaje, tal que se pueda programar cómodamente la "barra de referencias", de forma que esta pueda abarcar una amplia gama de tonos.
Figura 9. Respuesta, simulada, del sistema del potenciómetro, como se puede ver esta varia entre 87,72 mV y 2,4 V aproximadamente, igual a los valores teóricos.
DIAGRAMA DE BLOQUES/MONTAJE FINAL DEL SISTEMA
En resumen el sistema descrito anteriormente se puede resumir en el siguiente diagrama de bloques,
Figura 10. Diagrama de bloques del sistema descrito previamente, La salida V1 corresponde al sistema de audio y V2 al sistema del potenciómetro.
De acuerdo a la figura 10, Tanto V1 como V2 se conectan al DEMOQE, pero no a cualquier puerto. V1 se conecta al puerto PTA0 y V2 al puerto PTA1. La ubicación de estos puertos, y el resto que componen al módulo, se puede ver a continuación,
Figura 11. Configuración de pines del conector del cable plano proveniente del DEMOQE128. Los puertos usados fueron PTA0 (pin 14), PTA1 (pin 16) y tierra del sistema (pin 3). Estos pines se programaran de tal forma que puedan adquirir y procesar las señales que les llegan (veáse sección de programación)
Finalmente, se presente el montaje final en físico del componente analógico del afinador,
Figura 12. Montaje final físico de la etapa analógica. En el cuadro naranja, el micrófono con su resistencia de protección más el filtro pasa-altos; en el bloque rojo, la etapa de amplificación; en el bloque verde, el filtro pasa-bajos; en el bloque blanco, la tierra virtual; en el bloque amarillo, el sistema del potenciómetro; en el bloque rosa, el sistema de protección y en el bloque azul, la conexión al DEMOQE.
Figura 13. Montaje de la etapa analógica del afinador. Los cables naranja indican conexión a la fuente de alimentación de 5 V; Los cables negros indican conexión a tierra y tierra virtual; los cables verdes indican conexiones entre componentes y los cables rojos, conexión al DEMOQE.
Figura 14. Acercamiento a las etapas de adquisición de audio (cuadro verde) y al sistema de protección (cuadro amarillo)
Figura 15. Acercamiento al sistema del potenciómetro.
REFERENCIAS
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Configuración de pines-DEMOQE128. http://wikitronica.labc.usb.ve/index.php/Configuraci%C3%B3n_de_pines-DEMOQE128
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Voice Tuner and its Effects. Nitin Sitaraman, Emmanuel Denloye. https://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece4760/FinalProjects/s2009/ns325_eod2/ns325_eod2/index.html