Conclusiones e información adicional.

Con la realización de este proyecto electrónico pudimos profundizar en el estudio, diseño y elaboración de amplificadores transistorizados, acondicionamiento de señales y elaboración de placas de circuito impreso. También aprendimos a manipular señales cambiantes en frecuencia y amplitud como son las del sonido y a utilizar técnicamente los sensores micrófonos, es decir, hacer uso de las especificaciones y datos proveídos por el fabricante como son la sensibilidad, impedancia y rango de funcionamiento de los mismos.

Pusimos además en práctica diversos conocimientos eléctricos de protección de circuitos, acondicionamiento como el detector de envolventes, polarización y alimentación del micrófono, adaptación de impedancias, máximo aprovechamiento de la señal de entrada y diseño de amplificadores de varias etapas que nos sirvió para extender nuestra base profesional y de resolución de problemas.

Los cálculos teóricos, simulaciones en software y mediciones reales en el laboratorio coincidieron con un margen de error muy pequeño, lo cual representó un factor importante para respaldar nuestro trabajo y diseño ya que de esta forma fuimos capaces de adaptar el circuito a cualquier circunstancia o inconveniente que se presentara con tal solo variar los valores de los componentes o sus conexiones, ya sea para variar la ganancia, ajustar el punto de trabajo de los transistores, reducir los rizados o mejorar el comportamiento de la salida en respuesta a la frecuencia.

Para mayor información sobre el proyecto y para profundizar en los detalles de diseño pueden ver nuestro informe en PDF haciendo click aquí.

Nos despedimos agradeciendo que hayan mostrado interés en nuestro proyecto electrónico y hayan seguido este blog.

Curva de respuesta y cálculo de decibeles.

A partir del factor de transferencia obtenido con las pruebas realizadas y mostradas se puede graficar la curva de respuesta de la salida de nuestro circuito que es de decibeles SPL en función a la amplitud del voltaje que se mide.

Tomamos como ejemplo práctico la imagen de la señal de salida acondicionada medida con el osciloscopio:

Se puede apreciar que la magnitud del voltaje de la señal envolvente alcanza los 1 volts y aplicando la fórmula señalada para hallar la magnitud de decibeles SPL comprobamos que corresponde a aproximadamente 99 Db SPL:

Db SPL = 20*log[(1*50*10^6)/(35*15)] = 99 decibeles

Para corroborar podemos también encontrar el punto correspondiente en la curva para este valor de voltaje. Cabe resaltar que las mediciones tienen una tolerancia de 3 Db por encima o por debajo del valor medido debido a la caída de tensión que se pierde en el diodo del circuito detector de envolvente que es de aproximadamente 250 mV (diodo de germanio).

Mediciones prácticas en el laboratorio.

Una vez montado el circuito en el protoboard y en la placa se realizaron las mediciones correspondientes para la verificación del correcto funcionamiento del circuito. La primera imagen muestra la señal medida con el osciloscopio en la salida del micrófono (sin amplificar) en respuesta a un sonido producido; se pueden observar los picos altos y bajos de la señal así como el ruido de fondo del ambiente, y se comprueba que en verdad la señal es pequeña y débil y necesita ser amplificada. Estos picos de tensión tienen una relación logarítmica con los decibeles SPL (Sound Pression Level) que intentamos medir.

La siguiente imagen muestra la señal de la onda en la salida del amplificador y se comprueba que la señal en efecto ha sido amplificada con ganancia de tensión de 15 para el caso de nuestras mediciones.

Por último se expone la lectura de la señal acondicionada por el detector de envolvente donde se puede apreciar mejor los picos y la forma que siga la onda en sus picos positivos, efecto que habíamos explicado que producirían el diodo en serie con el filtro RC.

La relación para medir los decibeles SPL del ambiente en función a los picos de tensión medidos con el osciloscopio es la siguiente:

Db SPL = 20*log[(V*50*10^6)/(tf*Av)]

donde V es el voltaje en voltios medido de la señal, tf es el factor de trasferencia del micrófono (definida por su sensibilidad), y Av es la ganancia de tensión del amplificador.

El factor de transferencia generalmente se encuentr en el datasheet del micrófono pero en nuestro caso tuvimos que hallarlo aproximadamente realizando varias mediciones en el laboratorio ya que el datasheet no lo proveía. La tabla obtenida para hallar esta constante es la siguiente:

Db SPL V tf

90 20 mV 31,6

70 3 mV 47

80 7 mV 35

75 5 mV 44

80 6 mV 30

70 2 mV 31

La medición del SPL la obtuvimos con un decibelímetro real y calibrado. A partir de esta tabla tomamos la media de los factores de transferencia obtenidos y establecidos el tf de nuestro micrófono de 35 mV/Pa.

Elaboración del PCB y la placa del circuito.

Con el software Layout del Orcad diseñamos el PCB (Printed Circuit Board) para nuestro decibelímetro. Las pistas tienen un grosor de 0.4 mm y la placa en sí tiene 5 cm. de ancho por 7 cm. de largo. Se aplicó también la capa conectada a masa (Copper Pour) para cubrir los espacios que no se usan y facilitar la elaboración de la placa.

Se utilizaron los footprint predeterminados para cada componente, a excepción de los conectores J1, J2 y J3 que fueron diseñados por nosotros en el Library Manager.

Se muestran también algunas fotografías de la placa ya terminada con los componentes soldados en ella. La primera imagen muestra la parte inferior de la placa donde se puede apreciar las pistas y las soldaduras. La segunda imagen muestra la placa montada en la carcasa de nuestro aparato junto con los conectores de alimentación de salida y de audio.

Simulaciones.

Incluimos las simulaciones hechas con el software PSpice del Orcad del circuito final que presentamos. Primeramente lo simulamos a una frecuencia relativamente alta para nuestro uso, de unos 20 KHz con una amplitud de entrada de 100 mV.

En la imagen se pueden observar las tres señales más importantes para el análisis del funcionamiento del circuito de nuestro decibelímetro, que son las señales de entrada, amplificada y acondicionada. Se aprecia una ganancia de tensión de 13 en la onda amplificada (roja) y un rizado relativamente bajo en la onda acondicionada (verde); la diferencia de picos entre estas dos ondas se debe a la caída de tensión en el diodo del circuito detector de envolvente. De esta forma obtenemos una señal de salida casi continua y rectificada cuyo valor ya nos sirve para realizar una medición aproximada de los decibeles del sonido. En una siguiente entrada explicaremos cómo.

La siguiente imagen corresponde a la simulación para bajas frecuencias (20 Hz) con la misma amplitud de entrada de 100 mV. De vuelta se observa la misma ganancia de tensión y la misma caída de tensión sobre el diodo, la diferencia encontramos en la onda de la señal acondicionada que básicamente nos muestra la semionda positiva de la señal y no su envolvente, esto se debe a los valores bajos de la resistencia y el capacitor del circuito detector de envolvente utilizado. Se optó por estos valores debido a que al incrementarlos, si bien conseguimos un menor rizado y señal continua a bajas y altas frecuencias, también aumentamos la constante de tiempo tau de este circuito RC y esto provoca una respuesta muy lenta a los cambios de picos producidos por los sonidos del ambiente (que generalmente duran en el orden de los micro segundos) y esto a su vez produce lecturas erróneas de la presión del sonido en decibeles o que el decibelímetro no detecte ciertos sonidos.

Por último presentamos la simulación en respuesta a la frecuencia del circuito RC paso bajo del detector de envolvente. En la gráfica se nota considerablemente como se redujo el aprovechamiento de la señal para altas frecuencias, esto debido nuevamente por los valores de los componentes utilizados en el filtro. En este caso sería conveniente utilizar un valor más bajo de resistencia para obtener una frecuencia de corte mucho mayor, pero esto nos daría como resultando un rizado de onda mucho mayor, una señal menos continua y la salida no sería una buena envolvente de onda.

Esta reducción fue necesaria durante el diseño tomando en consideración que encontramos muy pocos sonidos en el ambiente a frecuencias altas (máximo de 3 a 5 KHz) y también que nuestro micrófono tiene un rango de frecuencia de hasta 16 Khz; por esto la reducción de la frecuencia de corte no afecta al correcto funcionamiento de nuestro decibelímetro y se puede aplicar.

Circuito final.

Presentamos el esquemático del circuito final de nuestro decibelímetro que incluye cada una de las etapas ya mencionadas y explicadas. Se observan los circuitos de alimentación, de polarización del micrófono, de preamplificación, las dos etapas de amplificación, el circuito detector de envolvente de onda y la salida del circuito por donde obtendremos la señal final y podremos medirla para obtener los decibeles de presión sonora del ambiente donde se encuentra el aparato.

Este mismo circuito fue el que montamos en un protoboard para empezar a realizar las primeras pruebas reales y prácticas. Las mediciones y lecturas iniciales ayudaron a calibrar mejor ciertos valores de componentes, cambiar algunos detalles y hallar ciertos valores necesarios para el modelo matemático del circuito y poder tener así una relación voltaje decibeles. Entre estos valores se encuentran el factor de transferencia de presión de sonido y la ganancia de voltaje real.

Alimentación y polarización del mic. Diseño (Parte 4).

Como se ve, el circuito de alimentación está compuesto de una pila de 9 voltios y se utiliza un regulador LM7805 para obtener los 5 voltios que necesitamos; los capacitores C6 y C7 sirven de desacoplo entre la linea de alimentación y tierra, esto para enviar a masa cualquier otra señal que pueda estar introducida en nuestra linea de alimentación.

El circuito de polarización del micrófono electret que utilizamos esta compuesto por la resistencia de 2.2 K ohms (para limitar la corriente a aproximadamente 1 mA) y el capacitor de acople de 100 uF para quitar cualquier componente continua que pueda tener la señal del micrófono (si es que la tiene). Este circuito de polarización es necesario ya que el micrófono electret se compone de un capacitor cargado o polarizado permanente y de un transistor J-FET que necesita ser alimentado por este circuito que implementamos a fin de poder entregar alguna señal en respuesta al sonido, siendo ésta preamplificada a una muy pequeña proporción por el J-FET.