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.

Acondicionamiento. Diseño (parte 3).

Una vez que obtuvimos una señal del micrófono en respuesta a la variación de la presión del sonido en el aire, la preamplificamos y la amplificamos en 3 etapas diferentes, debemos acondicionarla o tratarla a fin de obtener una mejor lectura de lo que intentamos medir (en este caso los picos de tensión de la señal de entrada). Para este fin aplicamos un circuito llamado detector de envolvente que consiste en un diodo en serie con un filtro paso bajo RC.

Básicamente lo que hace este circuito es recortar la parte negativa de la señal y mantener los picos de las ondas de sonido mediante la carga y descarga del capacitor obteniéndose de esta forma la envolvente de la señal de entrada amplificada. Esto permite identificar con mayor claridad las amplitudes de onda y tomar la señal como una continua.

Como la resistencia y el capacitor actúan como un filtro paso bajo la señal se aprovecha mejor a bajas frecuencias, en nuestro caso se diseña para un rango de frecuencias de 20 Hz a 20 KHz que es el rango audible por el oído humano.

Amplificación. Diseño (parte 2).

El diagrama de bloques del proyecto cambió según algunos ajustes que debieron aplicarse tanto al circuito amplificador como al circuito de acondicionamiento de la señal debido a limitaciones y complicaciones que surgieron durante el diseño.

Las etapas del proyecto y de procesamiento de la señal obtenida por el micrófono quedan ahora definidas de la siguiente manera:

La ganancia de tensión quedó reducida entre 10 y 15 (en los cálculos, simulaciones y práctica) debido a los problemas de excursión simétrica de la onda de salida amplificada, limitada por la tensión de alimentación de 5 voltios, de esta forma fue necesario reducir la ganancia a fin de obtener un punto de trabajo estable y óptimo para los transistores utilizados.

Los bloques de preamplificación y amplificación de la señal podemos considerar como un solo amplificador de 3 etapas. La primera etapa consiste de una configuración de emisor seguidor y se encarga de adaptar las impedancias debido a la impedancia alta del micrófono y su circuito de polarización; las etapas 2 y 3 tienen una configuración de emisor común y se encargan de amplificar la señal.

Los transistores utilizados son el BC548 ideales para señales de audio y con ganancia muy alta. Luego de los cálculos y diseño de los valores de resistencias y capacitores de acoplo y desacoplo el circuito queda como se muestra a continuación:

Diseño del circuito (parte 1).

La señal que recibe nuestro circuito se origina en el micrófono según las oscilaciones del nivel de presión del sonido y puede variar tanto en amplitud como en frecuencia. Esta señal de entrada necesita ser tratada a fin de que podamos obtener una lectura lineal y fiel de los decibeles de sonido según los requisitos de nuestro trabajo. El siguiente diagrama de bloques muestra las partes del circuito (junto con algunas especificaciones) que conforman el sensor decibelímetro que estamos diseñando, y que sirven para tratar y acondicionar la señal que queremos medir:

Ya presentamos el micrófono a utilizar para el decibelímetro junto con sus alternativas; ahora presentamos el circuito preamplificador diseñado que consiste en un seguidor de emisor para un transistor NPN bipolar. Básicamente es un adaptador de impedancias, necesario debido a la alta impedancia de salida de nuestro micrófono y necesitamos reducirla a fin de poder amplificar la mayor parte de la señal y que ésta no se pierda.

El circuito presenta una impedancia de entrada del orden de los 100 kΩ y una impedancia de salida muy baja. Su ganancia es la unidad aproximadamente.

Sensor micrófono (parte 2)

Ya tenemos dos micrófonos que son de utilidad para nuestro decibelímetro y que se podrían adaptar a nuestro diseño según el PRD.

El primero es el micrófono omnidireccional NPA415 de marca CPC; y el segundo es también un micrófono omnidireccional, es el CMB-6544PF de marca CUI INC.

Ambos presentan ventajas y desventajas en relación con el otro. El primero tiene un máximo de nivel de presión de sonido alto (110 dB) pero no presenta información alguna sobre su sensibilidad, curvas de respuesta o corriente máxima. Con el segundo micrófono tenemos una alta sensibilidad (-44 dB referenciado a 1 V/Pa) y toda su información técnica y eléctrica disponible, pero un máximo de nivel de presión de sonido de 90 dB.

Ambos micrófono son de tipo ELECTRET y tienen un buen rango de operación en frecuencia (hasta 20 MHz), y pueden servir para el diseño de nuestro circuito.

Más adelante presentaremos cualquier avance sobre estos micrófonos así como de los circuitos de preamplificacion, amplificación y acondicionamiento lineal de la señal obtenida.

Sensor micrófono (parte 1)

Buenas, con nuestro PRD aprobado pasamos a la etapa de elegir el modelo de micrófono ideal para nuestro decibelímetro según los requisitos presentados. Reuniendo información optamos por el micrófono ELECTRET (capacitivo) por su alta sensibilidad, buena performance y tamaño reducido; aunque seguimos buscando algún modelo específico que nos brinde un rango de lectura en decibeles acorde a lo propuesto (30 - 130 dB aprox.)

La etapa de elección de nuestro sensor es de suma importancia ya que de ello depende el diseño de acondicionamiento de la señal y los cálculos para el circuito en sí. Esperamos poder presentar en el transcurso de la semana un modelo específico de micrófono junto con todas sus características técnicas y eléctricas.

Javier Paredes y Aldo Pastore.