Costruire modulo amplificatore

Ciao a tutti,
Vorrei costruire su millifori un modulo amplificatore per segnali provenienti da trasduttori come microfoni, infrarossi e capsule ultrasoniche, meglio sarebbe se fosse anche abbastanza generale e regolabile nel guadagno tramite un potenziometro per future applicazioni diverse.

Partendo da questo desiderio il modulo dovrebbe quindi avere una banda da DC ad almeno 50 Khz (le capsule ultrasoniche in realtà lavorano sui 40 Khz ma vorrei stare un pochino "largo"), ciò che viene "in più" è tutto di guadagnato e contribuisce alla generalità del modulo per futuri utilizzi.

Il guadagno dovrebbe essere regolabile tramite uno o più potenziometri per ottimizzare il GBP (prodotto banda-guadagno) in base al sensore utilizzato al momento.
Da quel che ho capito se si amplifica un segnale audio (banda 20 Khz) si può avere un maggior guadagno anzichè un segnale ad ultrasuoni a (banda 40 Khz NB: non so bene se questa sia la portante o la banda del segnale) che avrà per l'appunto un guadagno dimezzato per evitare distorsioni.

Un guadagno impostabile alla frequenza massima dovrebbe essere almeno 1000 per amplificare piccolissimi segnali ultrasonici, dunque suppongo che il modulo dovrebbe basarsi su almeno 2 fasi di amplificazione.

Dispongo di 2 IC dual op-amp LM358AN, quindi di un totale di 4 op-amp che hanno un GBP minimo di 0.7 Mhz, senza sprecare nessun op-amp renderei l'amplificazione su 4 fasi per raggiungere magari anche guadagni superiori a 1000 come ad esempio 10.000.

Impostando ad esempio una frequenza di 50 Khz otterrei un guadagno di 700Khz/50Khz=14, scegliendo un valore leggermente minore di 14, ad esempio 10, troverei che servono almeno 3 stadi per un'amplificazione di 1000 e con 4 stadi si raggiunge un fattore 10000.

Mi potete consigliare nella progettazione del modulo? Esistono già in rete dei buoni schemi come quello che voglio fare? Conviene orientarsi su op-amp diversi dall'LM358?

Ciao e grazie per ogni info che mi darete

flz47655:
Un guadagno impostabile alla frequenza massima dovrebbe essere almeno 1000 per amplificare piccolissimi segnali ultrasonici, dunque suppongo che il modulo dovrebbe basarsi su almeno 2 fasi di amplificazione.

Se amplifichi un segnale ultrasonico, avrai sempre un segnale ultrasonico. Devi scalare di frequenza per averlo udibile.

@flz47655 vorresti costruire l'interfaccia universale :slight_smile:
hai citato dispositivi abbastanza differenti fra di loro, sia nel segnale restituito sia nella tipologia del sensore stesso.
Non tieni conto che alcuni di quei sensori necessitano di uno stadio di condizionamento del segnale.
Per esempio, se vuoi leggere (come si deve) un fotodiodo per rilevare gli infrarossi, avrai bisogno di un amplificatore di transimpedenza (usando il fotodiodo polarizzato inversamente), che è abbastanza diverso da un amplificatore per audio.
Altra cosa, i guadagni.. con un corretto dimensionamento dello stadio di condizionamento del segnale non ci sarebbe bisogno di un amplificatore con guadagni simili, perche è abbastanza critico tenere dei guadagni così alti per via del rumore che viene anch'esso amplificato, quindi nel tuo caso per esempio 2 dei 4 opamp li userei per farci un notch con una pendenza abbastanza ripida per filtrare il più possibile tutta la banda sgradita e li altri due per amplificarein cascata.

Grazie a tutti per le info

@Johnny779: Non voglio udire un segnale ultrasonico ma rilevarlo con Arduino, essendo di ampiezza molto piccola per l'ADC interno il segnale volevo amplificarlo

@BrainBooster: Teniamo fuori gli infrarossi e limitiamoci ad amplificatori di tensione.
L'importante è raggiungere un guadagno di 1000 per poter leggere almeno gli ultrasuoni, ciò che viene "in più" è meglio ma non necessario.
Lo stadio di condizionamento del segnale da quel che ho capito serve per convertire sensori non omogenei, per semplicità vorrei eliminarlo e supporre in tensione tutti i segnali.

Per il momento la priorità sono gli ultrasuoni, vorrei anche amplificare segnali audio ma se il discorso si complica troppo.. vanno bene anche solo gli ultrasuoni ed un modulo meno generale.

Da quello che ho capito non c'è grandissima differenza tra i due in quanto entrambi sono in tensione, cambierebbe solamente il guadagno da applicare, regolabile tramite un potenziometro.

Per quanto riguarda il filtro notch dici che vale la pena includerlo nel modulo amplificatore? Leggerei i trasduttori direttamente tramite linee di qualche cm di filo, i ricevitori ultrasuoni non dovrebbero catturare molto rumore fuori dalla loro banda di lavoro..

Al limite per il momento farei così: un modulo regolabile di amplificazione e in futuro realizzerei un altro modulo per il filtro notch regolabile per tagliare frequenze specifiche. Se comunque mi accorgo che progettare un modulo unico è abbastanza semplice nulla toglie che potrei fare un'unica millifori :slight_smile:

Come schema ho visto Amplificatore da strumentazione - Wikipedia però utilizza 3 op-amp e non vorrei sprecare il quarto, si riesce a fare un filtro notch con un solo op-amp? Nel caso il gioco "sarebbe fatto", correggetemi se lo schema di wikipedia non va bene.

Ciao e grazie a tutti

In linea di principio se sostituisci la resistenza di feedback con una opportuna serie RLC accordata a 40kHz dovresti eliminare del rumore. Fai alcune simulazioni con spice e vedi cosa esce fuori...

2 chiarimenti:

  • Non usare il LM358 perché la sua uscita non arriva alla tensione di alimentazione positiva ma resta 1,5V sotto. Devi usare un operazionel rail to rail.
  • Secondo mé é meglio che costruisci amplificatori specifici per ogni sensore. Se usi un microfono a ultrasuoni non Ti interessa la presenza o l'amiezza del segnale ma il ritardo tra trasmissione dle impulso e il suo ritorno. Il guadagno in questo caso determina solo la distanza massima di rilevazione.
  • un amplificator strumentale misura una tensione non riferita a massa ai capi di un sensore/resistenza con un impedenza di entrata molto alta. A secondo della scelta dei operazinali anche 10^15 fino 10^18 Ohm.

Ciao Uwe

Potrei alimentare LM358 con 6,5V per avere un uscita TTL ma probabilmente non è una buona idea, cercherò di recuperare un rail to rail, sai sia un modello adatto per gli ultrasuoni sia un modello più generico da prestazioni adeguate? Vendo Nmila op-amp ed è davvero difficile per un beginner sceglierne uno.

L'amplificazione la trovavo utile perchè ho letto un articolo dove la usano con un guadagno di 1000 (assieme ad un comparatore) per costruire un anemometro ultrasonico che vorrei costruire. Non ho verificato se effettivamente serve un guadagno così elevato ma mi fido dell'articolo.

Si in effetti per tale applicazione non devo misurare l'eco ma il ritardo tra tx e rx in linea d'aria diretta, il tx però per evitare effetti di ringing sul ricevitore non deve trasmettere troppa potenza quindi la tensione deve stare sui 5 volt (niente rs232 o similari), l'amplificazione serve elevata probabilmente per rilevare correttamente il segnale ad almeno 0.5 metri di distanza

Non ho capito, l'amplificatore strumentale quindi non è utile in questo caso? In effetti avrei collegato un ingresso a massa e l'altro al sensore.

Ciao e grazie

come già suggerito è più semplice costruire un amplificatore per ogni tipologia di utilizzo.
per soddisfare la tua richiesta dovresti costruire un amplificatore simile a quello d'ingresso di un oscilloscopio.
(Accoppiamento in dc o ac e risposta piatta sino a qualche MHz)
Prova a cercare schemi di strumenti di questo tipo.

Tè, questo mi sembra breadbordabile:

@amantin84: In effetti non sono abituato a simulare, mi hai dato lo spunto e questi sono i risultati del test:

Il circuito sotto test è un semplice LM358AN (ne ho della ST, il modello della ST purtroppo non funziona e da risultati fuorvianti es. 2 KV e decine di A che circolano.. :slight_smile: ho utilizzato il modello spice di National)

Le conclusioni che posso trarre con l'utilizzo del filtro sono senza dubbio positive, si passa da 52mV a 82mV nel segnale di uscita :smiley:

@BrainBooster: Il circuito che suggerisci sembra interessante, non so se riesce a leggere segnali molto piccoli però..
La cosa migliore sarebbe provare a controllare su che ordine di grandezza è il segnale ricevuto dal ricevitore ultrasonico a 0.5m di distanza trasmettendo con 5 volt.

Ciao e grazie a tutti

Secondo me dovresti abbassare di un ordine di grandezza le resistenze; nella pratica una resistenza di retroazione di 1M mi mandava in saturazione LM358 (era come se il feedback era un circuito aperto). Inoltre metti pure una resistenza che simuli il carico ad esempio 10k o 100k.
Certo che se riesci a capire il segnale che ti fornisce la capsula ultrasonica, in termini di ampiezza e frequenza, li dimensionamento risulta sicuramente meno stringente soprattutto per il filtraggio dal rumore.

Non capisco come mai dovrebbe saturare se l'uscita è meno di 1 volt ancora..
In effetti non so neanche con che criterio scegliere i valori delle resistenze, so solo che con la configurazione invertente il guadagno è dato dal rapporto tra le due resistenze.
Comunque provando valori più esigui ho ottenuto una sorta di segnale a 2 volt con escursioni però molto limitate dell'ordine di 20 mA. Con escursione intendo la variazione dell'onda quadra amplificata nell'intorno di 2 volt.

Come faccio ad aumentare il valore dell'escursione? Non sono molto pratico di op-amp e tutto quello che ho letto è molto teorico, sai un link o un libro dove spiegano in maniera molto pratica come usare bene degli op-amp?

Ciao e grazie

Potresti prendere spunto da questa scheda sonar :
http://www.adrirobot.it/pathfinder/schemi_elettrici/Scheda_sonar.pdf

per informazioni più dettagliate:

era una scheda in dotazione ad un robot

@flz47655 comunque se non parti dal datasheet delle capsule ultrasoniche aivoglia a fare ipotesi... :grin:

Mi sembra un pò complicato quello schema e poi soprattutto volevo capirci qualcosa con gli op-amp, altrimenti divento un costruisci schemi e basta..

@BrainBooster: Il datasheet è questo: http://www.prowave.com.tw/pdf/T400S10.PDF mi dice ben poco però sinceramente oltre alla frequenza, alla banda e all'angolo..

Ad esempio cosa vuol dire Transmitting sound pressure level 112db e Receiving sensitivity -70db? Non riesco a tradurre questi dati in qualcosa di utile per progettare il ricevitore

leggiti:

e questi, dai un occhiata a tutti i pdf (sono solo 3)
http://www.prowave.com.tw/english/item/qa.htm

A fare le cose molto benino bisognerebbe in effetti leggere e capire la fisica dei trasduttori di ultrasuoni e come sono costruiti, diciamo che lo farò pian pianino...
Ecco che a questo punto credo che misure sperimentali sull'ampiezza dei segnali ricevuti senza amplificazione sia molto interessante :slight_smile:
Per fare le misure un tester con fondoscala 200mv è sufficiente?

se ti attacchi dietro la capsula potrebbe essere anche che non leggi nulla, devi vedere di che tipo è (magari deve essere alimentata per funzionare).
non hai un oscilloscopio?

Non ho oscilloscopi purtroppo, la capsula ha due “attacchi”, è quella del datasheet.
Devo costruire un circuito particolare per rilevare la tensione casomai?

Quei dati senza oscilloscopio e strumenti di test sono poco indicativi. Essendo una capsula piezo la si può utilizzare come sorgente di segnale o come generatore di acustico. Capisci si tratta di un trasduttore che lavora in pressione, trasformando la pressione in uBar in segnale elettrico e viceversa.

112 dB con 0dB fondo scala possono essere misurati a 30cm di distanza se fornisci 10Vrms. Nota che 122 db eviqualgono ad un serata in discoteca.

Mentre l'altra -70db non ho capito neanche io come interpretarla ma si capisce che viene usato come microfono al contrario del test precedente, e dice che la sensibilità e di 1 volt per ogni uBar.

Ciao.