Convierta la "transición" piezoeléctrica analógica a señal digital

Estoy tratando de obtener lo que equivale a una indicación de golpe en la entrada de un microcontrolador desde un sensor piezoeléctrico. Se ve bastante bien ahora en la quinta iteración y está listo para proporcionar niveles digitales para la entrada a una MCU 3v3.

Comencé con un "amplificador de instrumentación", pero lo cambié a un amplificador de carga como lo sugirió @Circuitfantasist. También en base a un comentario que hizo en otro lugar, luego cambié el 'rectificador' pirateado que tenía antes en un "rectificador de precisión" estándar.

El tercer cambio fue la adición del par RC y un diodo para garantizar que la salida se mantenga alta durante un "poco tiempo" después de que se registra por primera vez la huelga.

El cuarto cambio fue la adición del disparador Schmitt de dos transistores en la salida. El cambio cinco reemplazó el schmitt discreto con un comparador IC que usa retroalimentación positiva para la histéresis y tiene una salida de colector abierto para configurar los niveles correctamente para la MCU.

Aquí está el circuito ahora:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Parece que funciona bastante bien. El amarillo es la señal de entrada sin procesar del dispositivo piezoeléctrico (la señal es esencialmente el sonido de un trozo de acero golpeado con un martillo), el azul es la salida. Está destinado a activar una interrupción con el borde descendente:

ingrese la descripción de la imagen aquí

A partir de aquí, creo que está listo para que el resultado final se coloque en una MCU. Si eso realmente cambia algo, lo actualizaré aquí.

Como nota al margen, aprendí mucho sobre cómo verificar que la batería de 9 V que está usando todavía sea buena. Esta cosa osciló de las formas más curiosas durante un tiempo, y finalmente me di cuenta de que eran los rieles de suministro que caían cuando las cosas cambiaban de estado, y eso a su vez se debía a que mi pequeña batería PP3 de 9V estaba esencialmente descargada, y emitiendo alrededor de 8.3V sin carga. Esto también redujo bastante el ruido en la señal. Oh, la alegría de aprender :)

Considere usar un filtro de paso alto o un diferenciador; esto eliminaría cualquier deriva de voltaje de compensación no deseada del pizeo, evitando que el amplificador de salida se sature, mientras pasa la señal que le interesa.
La solución habitual es el llamado "amplificador de carga" que en realidad es un "integrador de corriente". A diferencia de su solución (amplificador de instrumentación), su impedancia de entrada es casi cero (conexión corta). Esto deprime la capacitancia parásita.
@MarkU eso tiene sentido. Un par de seguimientos si está dispuesto a agregar más información. 1) ¿Hay una compensación de CC de un componente pasivo como un sensor piezoeléctrico? Sé que cuando esta cosa está en el interior, hay un zumbido de 50 Hz en la línea, ¡así que probablemente sea una buena idea solo para eso! 2) ¿Alguna idea de cómo estimaría la impedancia de entrada del sistema para determinar un valor de C adecuado? Puedo encontrar la frecuencia de la señal primaria con bastante facilidad desde el alcance, pero para hacer un filtro sintonizado, necesitaré un número para eso (aunque supongo que podría adivinar y jugar :)
@Circuitfantasist No estoy familiarizado con eso. ¿Tiene alguna referencia útil para ayudarme a entender? Puedo hacer mi propia búsqueda en Google, pero sin un conocimiento previo que a menudo implica un montón de callejones sin salida antes de encontrar algo útil :) Admito que la idea parece extraña, dado que la impedancia de salida del piezoeléctrico es enorme, se siente como si no hubiera t ser cualquier corriente para integrar! Tanto que aprender.
@Toby Eggitt, lo entiendo perfectamente ... Este dispositivo extremadamente simple consta solo de un amplificador operacional y un condensador conectado entre la salida y la entrada inversora. El sensor piezoeléctrico se comporta como un condensador cargado. Está en cortocircuito por la tierra virtual y su carga se transfiere al capacitor de retroalimentación. El amplificador operacional copia el voltaje a través de este capacitor, por lo que el voltaje de salida del amplificador operacional es proporcional al voltaje de entrada. Todas las capacitancias no deseadas son cortocircuitadas por la tierra virtual y no perturban el voltaje de salida. Hay muchas fuentes web sobre "amplificador de carga" (Google)...
Hasta ahora, encontré este artículo sobre amplificadores de carga para sensores piezoeléctricos: allaboutcircuits.com/technical-articles/… y el de wikipedia. Creo que está empezando a tener sentido. Creo que la idea es reemplazar mi amplificador de instrumentación de 3 amplificadores operacionales con esto, pero conservar el elemento rectificador. Intentaré construir algo en los próximos días cuando el tiempo lo permita (no estoy del todo seguro de cómo elegir un valor para el capacitor de retroalimentación, así que usaré adivinar y jugar, ¡y veré qué se muestra en el osciloscopio! :)
@Toby Eggitt, Sí, esta es la idea... La relación entre las dos capacitancias da la ganancia del amplificador de carga: K = Cs/Cf. Puede considerarlo como un amplificador inversor de amplificador operacional donde las resistencias se reemplazan por condensadores.
@Toby Eggitt, acabo de ver tu nuevo circuito. Tengo algunas preguntas. ¿Cuál es la señal de entrada (amarillo)? ¿Por qué R7 está conectado a la entrada inversora OA1a? Eso parece ser un error. IMO R7 debe conectarse a la salida OA1a. Intente limpiar la señal conectando una resistencia de 10 k en serie al sensor piezoeléctrico (como en el caso de un diferenciador).
El amarillo es lo que el visor ve salir del dispositivo piezoeléctrico. Básicamente, el sonido de un trozo de acero golpeado con un martillo. El "micrófono" piezoeléctrico está pegado a un lado. Tienes toda la razón sobre R7, ¡transcribí mal el circuito! Trabajaré en corregir eso. (Tengo un par de actualizaciones adicionales para hacer también). Y jugaré con esa resistencia de entrada que sugieres. (No estoy seguro de que no esté limpio, en realidad, creo que en realidad es una señal muy desordenada, aunque parece mucho más periódica si aumento significativamente la velocidad de barrido horizontal).
@Toby Eggitt, como puedo ver, ha terminado su proyecto. ¡Felicidades! ¿Está satisfecho con los resultados?
Sí, tengo que poner en marcha el software, y las cosas han estado bastante agitadas en el trabajo, ¡pero el acondicionamiento de la señal parece tan sólido como podría haber esperado! ¡Muchas gracias de nuevo por su ayuda y conocimientos! Благодаря :)

Respuestas (1)

Hacemos esto alimentando un MPSA13 en configuración de emisor común con el pico de voltaje del piezoeléctrico. La salida del colector alimenta un PIC ADC. Ajustar el valor ADC ajusta la sensibilidad.