Handmades

Olá Pessoal!
Novamente venho pedir a ajuda de vocês.

Eu tenho um sinal que varia entre -1.6v e +1.6v e eu preciso condiciona-lo de tal maneira que varie entre 0v e 3.2v.
Ou seja, preciso somar uma CC de 1.6v ao sinal original.
O problema é que preciso fazer isso 8 vezes na mesma placa, e do jeito que estou fazendo está aumentando consideravelmente o ruido.

Atualmente estou utilizando um simples divisor de tensão com resistores de precisão de 1% e 123 ohms. Só que tenho 8 divisores desse na mesma placa, ligados junto com cada um dos 8 sinais em seu respectivo conversor Analógico/Digital.

Segue o circuito para 1 sinal na minha placa(Lembrando que repito isso 8 vezes, 1 para cada sinal):
(http://sbm.webcindario.com/atualmente.png)
*VCC vale 3.2v, assim o divisor de tensão soma 1.6v ao meu sinal. R1 e R2 são resistores com 1% de precisão de 123ohms e C1 tem 100uf. Só que esses 3.2v vem direto do meu microcontrolador(que é alimentado via USB e possui um regulador para 3.2v). Talvez isso também seja um dos motivos do ruido, não sei.

Isso até funciona bem, mas está com ruido perceptível nos dados convertidos.

Então eu comecei a pesquisar na internet como fazer um melhor condicionamento de sinal. Minha principal idéia era eliminar 7 divisores de tensão, e de alguma maneira utilizar apenas 1.
Me deparei com um belo material do MIT "How to bias an opamp" (http://resenv.media.mit.edu/classes/MAS836/bias.pdf).

De lá, tive a idéia de utilizar um divisor de tensão apenas, seguido de um buffer, assim:
(http://sbm.webcindario.com/vbias.png)

Agora eu tenho um Vbias de 1.6v e posso utilizar um amplificador inversor(AC Coupled) "biasado" com 1.6v e fazer um level shift no meu sinal(como explica no artigo do MIT), assim:
(http://sbm.webcindario.com/invertingac.png)

Só que esse artigo não entra em detalhes na alimentação do OPAMP, e eu só possuo fontes assimetricas (sem tensão negativa).
Então pesquisei sobre como alimentar um OPAMP com "single supply" e me deparei com este artigo: http://www.swarthmore.edu/NatSci/echeeve1/Ref/SingleSupply/SingleSupply.html
Lá aprendi que poderia utilizar um "virtual ground" e utilizar o OPAMP normalmente com uma fonte simples. Supondo uma fonte de 12v, meu virtual ground(pintado de verde) seria de 6v.
(http://sbm.webcindario.com/singlesupply.png)

Aqui começam as minhas grandes dúvidas

1 - Vejam, o Virtual Ground entra no mesmo lugar que o Vbias, e isso está me confundindo bastante. Basta ligar os dois no mesmo ponto?
2 - A entrada do meu sinal varia de -1.6 a +1.6 em relação ao GND. Eu devo ligar o GND do meu sensor no virtual ground ou no GND da fonte/microcontrolador?
3 - A saida do opamp vai estar em relação ao GND original ou ao virtual ground? Eu preciso que fique entre 0v e 3.2v em relação ao ground do microcontrolador.
4 - Devo ligar o GND do meu microcontrolador ao Virtual Ground ou ao Ground da fonte?
Pesquisei muito e não conclui nada.

Eu fiz vários testes na protoboard, mas ainda não consegui o que eu queria. Eu consegui gerar o vbias de 1.6v com o OPAMP (em relação ao GND do microcontrolador), mas não consegui utilizar o segundo estágio para fazer um level shift no meu sinal.
o Vbias eu sei que funcionou pois eu testei com o multimetro, mas não tenho osciloscópio para ver o que realmente está acontecendo no segundo estágio. O sinal convertido pelo ADC não está como deveria.

Se alguém puder me ajudar, serei muito grato.

Ou se alguém puder me explicar que fazer isso tudo não vai melhorar o ruido no meu circuito, também agradeço.

Valeu ! (e desculpe o tópico gigantesco)

Se você usar o OpAmp montado como somador não funciona?

Que nem isso aqui, ó:

http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/matematica-para-eletronica/636-somador-com-amplificador-operacional-m023.html (http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/matematica-para-eletronica/636-somador-com-amplificador-operacional-m023.html)

Primeiro é difícil fazer o que precisa com fonte unipolar, o ideal é ter fonte simétrica (nem que seja -5V a +5V) pois dificilmente um AO terá saída rail-to-rail perfeita (a saída atingir 0V e Vcc em fonte simples).  

Depois, pra conseguir uma tensão de 1,6V é melhor usar um ci de referência de tensão (tipo LM385 ou outro) do que obtê-la a partir de um divisor de tensão a partir da alimentação, pois isso deixa sua tensão de bias suscetível a ruídos e flutuações que acontecerem na fonte (e ocorre bastante) propagando o erro e ruído para o restante do circuito.

Com AO com fonte simétrica, faça como o Finck sugeriu, use um AO como somador do sinal ao nível de 1,6Vdc.  Caso queira continuar com a fonte unipolar, então a referência de terra não pode ser a mesma para o circuito analógico de condicionamento do sinal e o terra do microcontrolador (referência negativa do conversor AD).

Heldinho,

Vamos por partes.

Seu circuito original, com divisor de tensão não está errado. O maior problema dele é a resistência de entrada muito baixa. Duas resistências 123 ohms causará uma impedância de entrada de 66.5 ohms. Isto irá matar a maioria das fontes de sinal que você injeta no circuito. Experimente a mesma configuração com resistências mais elevadas. Eu começaria com 1M ou 500k.

Se você necessita de impedâncias de entrada mais elevadas, você deve usar operacionais na entrada. No caso o circuito de entrada pode ser o segundo que você postou. O ganho é dado pela malha R2//R1. O Vbias é inserido na entrada não inversora. Este valor irá determinar o ponto de repouso da saída do amp. Para ser mais  exato, deveria haver um resistor entre o terra virtual (nos pontos de intercessão R3, R4 e C) e a entrada não inversora. Mas isto não é crítico.

O terra virtual serve para alimentar a entrada não inversora do op-amp (ou dos op-amps). O terra real alimenta os pinos de alimentação negativa dos op-amps e conversor.

O maior problema aqui é que a excursão de sinal de um op-amp alimentado com 3.2V não é de 1.6V para cima e para baixo, ele irá saturar em algum ponto antes . Somente operacionais classificados como "rail to rail" são capazes de fornecer na sua saída sinais com excursões parecidas com sua alimentação. Talvez este seja seu próximo problema. A solução é usar op-amps rail-rail ou alimentações diferenciadas.

Usa este amplificador operacional:  rail to rail, entrada e saída: MCP6004-I/P.  Tem na farnell, R$1,90  Daí este problema terminou.  alimentação de 1.8V  à 5,5V.

Melhor usar como referência(terra virtual) a fonte...  mas 123R é muito baixo.  usa tipo uns 5K6 para os dois resistores de terra virtual.  Para cada um dos amplificadores operacionais acrescente um circuito passa baixas RC de 82K e 100nF ao terminal não inversor.
para cada entrada de sinal, use configuração inversora com dois resitores de 82K e capacitor de 100nF(não eletrolítico), para frequencia de passagem menor que 20HZ.

Use um resistor de 100nF e outro de 10uF eletrolítico em cada alimentação do amplificador operacional.  Um resitor de 47R da fonte até o pino +V do operacional, onde estão os capacitores  também é bom.

Resolvido o problema.

T+

 Seria interessante saber qual a frequência/banda do sinal, impedância da fonte geradora, a precisão que você pretende atingir com o circuito, se possível qual a fonte geradora desse sinal. Sem isso fica difícil dizer qual o melhor circuito para essa aplicação.

 Uma forma extremamente simples é utilizar um circuito conhecido como "restaurador de CC" que utiliza apenas um capacitor e um diodo. O capacitor se carrega com uma tensão dos semi-ciclos do sinal, e essa tensão é somada ao sinal original. Esse circuito está presente nos dobradores de tensão e funciona bem.

 Logico, nesse caso você precisaria utilizar um diodo schottky de baixíssima queda de tensão (devido a pequena excursão do seu sinal)  e se contentar que o sinal de saída será levemente ceifado em um dos semiciclos. Dependendo da sua aplicação, a simplicidade pode compensar.

 Um exemplo que peguei no google de restaurador CC:
 http://www.eletrica.ufpr.br/ufpr2/professor/36/TE214/2011/Diodos-Eletronica-P3-4p-White.pdf

 Um abraço

 Eduardo

Pessoal, obrigado pelas respostas em tão pouco tempo!

Olá Finick! Eu tentei sua dica, mas não funcionou como deveria. parece que está somando mais DC que deveria. Na verdade, nada que eu tento fazer com OPAMP funcionou até hoje. Estou testando com TL072 e RC4558 com fonte 9v e 18v, mas não são fontes simétricas. Com nenhuma das duas ficou bom.


Xformer! Aí tem um grande problema realmente. Não tenho como saber se o ruido está nos meus 1.6v do divisor de tensão, pois eu não tenho osciloscópio. Talvez se eu utilizar o LM385 já melhore bastante, mas ainda não tive como testar isso. Eu até tenho um transformador -12 +12 mas está no meu Marshallizer :) eu queria muito fazer funcionar com fontes comuns.
Não entendi como eu posso ter dois terras distintos na placa "Caso queira continuar com a fonte unipolar, então a referência de terra não pode ser a mesma para o circuito analógico de condicionamento do sinal e o terra do microcontrolador (referência negativa do conversor AD)"
Me desculpem por fazer certas perguntas, mas eu sou muito leigo em eletrônica. No máximo montei alguns pedais, mas nunca projetei quase nada.


HGamal! Eu escolhi 123 ohms, pois quanto menor a resistência menor foi o ruido no ADC com minha fonte de sinal desligada. Isso eu fui testando na tentativa e erro.
Na verdade eu estou alimentando o OPAMP com uma fonte externa de 9v (ou 18v, tenho duas), e crio um virtual ground com um divisor de tensão e ligo este na entrada não inversora como você disse.
Eu fiz alguns testes na protoboard mas ainda não obtive sucesso.


Patines! Obrigado pela dica! Vou testar esse OPAMP quando eu tiver uma chance, mas por enquanto está difícil compra-lo aqui na minha cidade.
Na verdade, o filtro passabaixa não me ajudaria muito, pois estou capturando um sinal de audio (saida de linha) em uma taxa de 48 khz


Ledod!
Estou fazendo uma placa de som USB DIY com 8 canais independentes.
Já adequei o firmware ao padrão USB e está funcionando bem, só que com um pouco de ruido e juntando isso nas 8 entradas fica meio chato(na verdade fica inviável para fazer gravações sérias). Eu posso até gravar um sample pra vocês depois.
Eu faço ciência da computação, por isso é muito mais fácil pra mim mexer na parte digital desse projeto. Sempre que eu pego um OPAMP para mexer, no fim do dia ele já queimou hahahah

Minha fonte de sinal é uma saida de linha da mesa de som, e estou capturando a 48 khz. Na verdade a 96khz e tirando a média, assim cai pra 48khz, Mas a frequencia que me interessa mesmo é a frequência audível.
Por um teorema que não me lembro o nome, devo capturar com o dobro da taxa de amostragem da maior frequência que quero capturar.

Ainda não tive tempo para ler o material que você passou, mas assim que eu ler eu volto a postar aqui.

Veja se isso ajuda:

(http://img191.imageshack.us/img191/2308/shiftp.jpg)

Se não tem osciloscópio, então fica difícil visualizar a fonte de ruído.  Comece por usar AOs de baixo ruído, aumentar a tensão da fonte pra ter headroom nos AOs e ter uma fonte de tensão de referência estável.  Esses AOs que você tá usando não são rail to rail (tanto na entrada como na saída, ou seja o sinal de saída para o conversor AD nunca vai chegar a 0V. ou seja vai ter um clipping nos semiciclos negativos)  e não funcionam bem (se funcionarem) com tensão de alimentação tão baixa).  Veja se o seu conversor AD (uC ?) não tem um pino que forneça a tensão de referência.  Sua amostragem é de 48k sample/s e em quantos bits ? (8  ?  10?  12?)

Acho que tu não entendeu.  O sinal entra no capacitor da configuração inversora.  O terra virtual é que passa pelo passa baixas para te livrar do ruído na referência e entra em cada entrada não inversora.
Não adianta abordagem acadêmica para um problema de instrumentação como este que tu tem. ou usa Opamp rail to rail ou usa fonte tensão mais altas e simétricas para os operacionais.  Amplificadores operacionais de propósito geral não foram feitos para trabalhar com tensão baixa.  Este Opamp da microchip foi feito para aplicações como a tua.

O circuito é quase como o teu..  porém com somente um terra virtual comum a todos,e um RC para cada referência de amplificador:
(http://sbm.webcindario.com/invertingac.png)

Não esqueça dos capacitores e resistor de desacoplamento na fonte.  é pela fonte e pelo terra virtual que vem teu ruído.  Importante  na tua aplicação é evitar loop de terra.  Leia sobre isso na internet.  A maioria dos dados utilizados em pesquisas nas universidades vem acompanhados de ruídos devido a loop de terra.

Testemunho de um engenheiro de instrumentação que auxiliou em trabalhos acadêmicos na universidade.

Abraços, T+

 Retificando...

 Achei que era um sinal mais "comportado" digamos assim, foi tão enfático em dizer que tinha +/- 1,6v que até estranhei... O circuito que postei não funcionará, é melhor seguir a abordagem com amp-op's.

 Uma outra idéia para a tensão de referência é utilizar um amp-op somente como buffer não inversor e em sua entrada colocar um trimpot ou os resistores de precisão para setar os 1,6v na entrada e portanto, na saída (que é basicamente o que um TL431 tem internamente).
 Com isso você consegue ter uma referência bem mais estável e com maior corrente, já que a impedância de saida do amp-op é bem menor do que os resistores ligados diretamente na entrada não inversora e alimenta todos de uma só vez.

Um abraço!

 Eduardo

A eletrônica analógica é sutil.  Veja que com amplificador não inversor, ou buffer, tanto o sinal de entrada como o sinal de saída(que é realimentado 100%) variam com a amplitude do sinal.

Com a configuração do opamp esta(da figura), tanto a entrada não inversora quanto a inversora permanecem praticamente estacionadas na metade da tensão(tensão do terra virtual)  varia somente a saída conforme a entrada.  Somente varia a tensão da porta inversora se saturar o sinal..   daí já está tudo bagunçado mesmo e a saída saturada.
(http://sbm.webcindario.com/invertingac.png)

Abraços, T+

Pessoal, gravei um sample do ruido da minha placa de som DIY. Esta versão do meu protótipo não está utilizando OPAMPS ainda, é aquela com o simples divisor de tensão com resistores de 123r 1%, dividindo os 3.2v que vem direto do controlador.
Gravei apenas 2 canais, liguei o ipod na mesa de som e gravei em L e R.
os primeiros 5 segundos são o ruido sem nada ligado à placa de som.
Nos próximos 5 segundos eu conectei o ipod sem dar play
Depois disso deixei a música tocar. Pode parecer que o ruido é imperceptivel, mas gravando os 8 canais fica tenso.

Vejam, no começo aparece um ruido que parece um chiado. É esse que estou tentando diminuir utilizando OPamps.

Quando a música começa a tocar aparece outro ruido bem agudo, mas com esse não estou preocupado agora. Acho que esse bem agudo consigo eliminar com um passa baixa digital mesmo, pois gravando a 44100hz esse ruido já diminui bastante.

Segue o link:

http://inf.ufes.br/~helder/sample_sem_blindagem.mp3 (desconsiderem esse sample, sem querer exportei com o nivel excedendo 0db e ficou estourado. O novo sample está no fim do tópico)

Obs: Esse sample foi gravado sem blindagem. Estou revestindo a caixa com papel alumínio para gravar um sample com blindagem. Mais tarde posto isso.


Estou pensando em um circuito para comprar tudo de uma vez na farnell, acho que vou tentar usar o Opamp que o Patines sugeriu. Meu ADC é de 12 bits. Este é só para começar a brincadeira. Quando conseguir definir a parte analógica do circuito posso pensar em colocar um adc externo de 16 ou 24 bits.


Realmente eu não tinha entendido! Agora faz todo o sentido o Passa-Baixas.
Pela sua experiência, veja o sample que eu gravei e me diga:
Você acha que utilizando tudo que você disse, com aquele OPamp rail to rail e os capacitores bypass vou conseguir um nível de ruido menor que estou conseguindo apenas com o divisor de tensão?

Depois que eu testar a caixa com blindagem, vou fazer um circuito no eagle e posto aqui, para mostrar o que eu realmente entendi com tudo que vocês disseram.

Valeu !

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Segue o sample com blindagem. Como eu suspeitava, não adiantou nada blindar a caixa. Não dá para comparar direito com o sample sem blindagem, pois eu abaixei o volume em -7,4 db para exportar e no sample sem blindagem estava estourando.

http://inf.ufes.br/~helder/sample_stereo_com_blindagem.mp3

 Talvez não tenha entendido o que eu quis dizer. Para evitar colocar 2 resistores para gerar as tensõesde referência em cada uma das entradas não inversoras, é melhor ter apenas um amp-op ligado como buffer que gera uma única tensão de referência para todos ao mesmo tempo (utilizando os mesmos resistores R3 e R4 em sua entrada, ou seja, tem os mesmos 1,6v na saída).

 Como a impedância de saída do amp-op é baixa, não existirão problemas de flutuações nas referências (talvez a fonte de ruído...), além da precisão que é maior (por isso citei o TL431 que é uma referência de tensão de precisão e basicamente tem um amp-op interno como "driver" de corrente+diodo zener).

 Sim, quando ocorre realimentação negativa e o ganho é muito alto, ocorre o curto circuito virtual entre os terminais inversor e não inversor, com isso, na entrada inversora do circuito, temos os 1,6v presentes, que serão somados ao sinal.

 Um abraço

 Eduardo

Veja o que acontece com os samples que você enviou:

(http://img12.imageshack.us/img12/8249/semblin.jpg)

Esse é o sample sem blindagem e nível normal de amplitude. Observe o forte clipping (ceifamento) nos picos do sinal. Isso causa forte distorção e som desagradável, você não está confundindo esse problema com ruído ?

Veja abaixo um zoom de uma parte da sua gravação, onde se pode ver claramente o ceifamento:

(http://img560.imageshack.us/img560/9960/semblinzoom.jpg)

Agora veja o sinal com blindagem (mas com redução no volume, assim não dá pra comparar nada né ? Tem que ser nas mesmas condições. Veja que não ocorre ceifamento, porque tem headroom (espaço entre os picos do sinal e o teto e piso).

(http://img856.imageshack.us/img856/3421/comblind.jpg)

Mesmo que seu sinal só tenha amplitude máxima de 1,6V de pico, o AO usado tem que aceitar um entrada maior do que isso (mesmo que ele seja do tipo rail-to-rail, pois nunca as entradas ou saídas permissíveis alcançarão os limites da fonte) e a saída dele a mesma coisa. Não dá pra alimentar o AO com fonte justinha na amplitude do sinal e querer que ele não seja clipado.

Precisa ter instrumentos adequados pra projetar o que você quer fazer. Não é possível fazer isso no escuro.

Xformer! Obrigado por ver os samples. Não estou confundindo não. o Sample sem blindagem não clipou quando gravei, clipou na hora que exportei pelo seguinte:
A pista padrão no Cakewalk Sonar tem um effect send para um bus de efeitos, que volta para o master. Como o sinal já estava com a amplitude ideal para se gravado(como no sample com blindagem), ao misturar com esse effect send começou a clipar. Foi um acidente, não era para o effect send estar ativado. Eu exportei esse sample sem ouvir.

(http://inf.ufes.br/~helder/fxsend.png)

Por isso eu disse para descartar o sample sem blindagem. Ele mais atrapalha que ajuda.

Se você ver o sample com blindagem, antes que a música comece a tocar tem um ruido também. É esse que estou tentando tirar utilizando opamps e regulador de tensão ao invés do simples divisor de tensão.

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Dando um(baita) zoom no sample_stereo_com_blindagem, podemos ver o ruído antes que a música comece a tocar:

(http://inf.ufes.br/~helder/ruido.png)

Vejam, ele não está centrado em -inf, está mais negativo que positivo.
O que me leva a crer que, pra começar, meus 1.6v não estão bem regulados. Vou parar de puxá-los do microcontrolador e tentar regular com um CI regulador de tensão.

Estranho que no outro canal, o ruido está um pouco mais centrado. Pode ser o erro dos resistores, né? já que tem resistores diferentes em cada canal.

(http://inf.ufes.br/~helder/ruido2.png)

Oi Helder, bom se o ruído é ruído mesmo e acontece sem sinal musical, e se eu entendi que a escala é em dBV, o ruído tem amplitude de uns 5 a 6mV de pico.  A má notícia é que um AO não elimina ruído, ao contrário, acrescenta mais ruído (térmico, intrínseco dos semicondutores). A idéia de usar amplificadores, é amplificar o sinal, mas não amplificar o ruído (lembra do sistema Dolby ?) e depois reduzir ambos pra um nível adequado.
Mas você precisa ter um osciloscópio pra poder examinar e localizar direito a(s) fonte(s) de ruído, nível e frequências dele.  E não use sinal de música pra examinar, mas um sinal com forma de onda conhecida originalmente (senóide por exemplo), senão não dá pra saber o que é música e o que é ruído. Ruído pode ser captado pelo circuito (aí blindagem ajuda), pode ser gerado no próprio circuito (térmico, flutuações, glitches por chaveamento, etc). Pelo menos com um filtro passa baixas, ruídos acima da faixa audível serão atenuados, mas os audíveis não.
Pra fazer o divisor de tensão, precisa usar resistores de precisão, senão vai dar o offset que ocorre num dos canais que você mostrou.

Veja só.  O circuito utiizado pelo heldinho tem resitores de 123R em série.  Rapaz, isso dá mais que 100mA e certamente gera ruído térmico.  Além disso, o grosso de ruído mesmo vem da fonte...   não tenho a mínima dúvida sobre isso.  O amplificador operacional com resitor de entrada na configuração inversora já proteje o circuito um pouco contra picos de tensão.  geralmente se coloca opamps ou proteção específica que podem ser até diodos am Conversores AD.

Se o conversor AD usa como referância a fonte, a referência do terra virtual deve ser também a fonte.  Se não usa a fonte, o terra virtual deveria utilizar a mesma referência do AD.

Veja então que o tipo de conversão e as referência influenciam na aplicação.  Também gostaria de saber a fonte de sinal de áudio e sua impedância, que também influencia no condicionamento de sinal.

O ateramento e os loops de terra também influenciam muito no ruído.  Dê especial atenção a isso.

Abraços, T+