Preamplificador de señal de guitarra - Entrada ADC a STM32F4

Esto es para un proyecto DSP. Estoy tratando de preparar la señal de mi guitarra para obtener la mejor respuesta ADC posible para detectar armónicos hasta el quinto de la nota más alta de la guitarra (1175 Hz para 22 trastes), que es aproximadamente 5875 Hz. Esto significa que necesito muestrear a aproximadamente 58,75 kHz, lo cual es posible con el microcontrolador y sus funciones DSP.

Estoy usando una placa Discovery STM32F407.

Hasta ahora, no he encontrado ninguna solución con la que esté contento.

Consideraciones que son importantes:

  • Impedancia de salida de guitarra: alrededor de 1M ohm.
  • Suavizado para el ADC
  • Señal de guitarra de 500mV Vp-p max
  • Rango de entrada ADC 0-3.3V
  • Suministro único de 5V
  • Rango de frecuencia de 82 Hz y 5875 Hz

¿Alguien tiene alguna sugerencia de un circuito que pueda usar? Tengo opamps TL082, LM358 y LM741 disponibles, pero estoy abierto a otras sugerencias.

El objetivo de este elemento de los proyectos es poder utilizar los primeros 5 armónicos y un período muestreado de la señal de guitarra para DSP adicional.

Esto es lo que he encontrado hasta ahora, aunque creo que está lejos de ser ideal.esquema del primer intento

Este es un diagrama de Bode de bucle cerrado del sistema. Un par de cosas que me preocupan son las enormes diferencias de fase en las frecuencias de esquina y la pendiente del filtro de paso bajo y su frecuencia de parada. Los cortes son a 10Hz y 10kHz

Gráfico de frecuencia

Algún consejo sería de gran aprecio.

Debería buscar filtrar señales por encima de 20 kHz, o muestrear a 200 kHz (e incluso entonces necesitará un filtro razonablemente bueno). No parece fácil hacerlo bien, pero debería ser absolutamente estándar en DSP de audio... Parece que se ha hecho la misma pregunta antes, ¿qué falta en esas respuestas?
Ninguno de sus amplificadores operacionales es útil aquí, el TL082 sería bueno como un búfer de entrada pero requiere mucho margen de voltaje. El 741 no es un amplificador operacional, es una pieza de plástico con patas de metal.
¿Puedes obtener mejores opamps? (¿O dónde estás en este planeta, para el caso?)
@SeanHoulihane Puedo filtrar señales por encima de 20kHz - 10 kHz era lo que estaba pensando. Preferiría no tener que muestrear demasiado alto (estoy contento con alrededor de 50 kHz) para mantener la resolución en frecuencias más bajas para DSP. Lo que falta en las preguntas y respuestas anteriores: suavizado, coincidencia de impedancia de entrada (adecuada), amplificadores operacionales de suministro único de bajo voltaje.
@ThreePhaseEel, sí, puedo obtener mejores amplificadores operacionales. Estoy en Sudáfrica y tengo acceso a bastante. RS Components es uno de mis proveedores favoritos. ¿Alguna sugerencia?
Una guitarra no produce cerca de 500mV PP. Más como 50mV. La nota más alta en una guitarra de 22 trastes D por encima de la tapa de soprano A, o 1173 Hz en tono de concierto.
Esto parece un enfoque interesante para la etapa de entrada inicial "A Discrete FET Guitar Preamp" de J. Donald Tillman , sin embargo, no pude encontrar ninguna fuente para Vishay/Siliconix J201 N-Channel JFET, que parece estar obsoleto: -(Supongo que, una vez que haya un búfer razonable, podría filtrar, como usted dice, a 10 kHz. J. Donald Tillman escribió que las pastillas de guitarra pueden generar señales bastante grandes, " 2,0 voltios más o menos de pico a pico si está tocando duro"; entonces, ¿no sería un problema para ti, o quieres el 'sonido de recorte'?
@EJP: con respecto a la "nota", sí, tiene razón en parte. La nota es la frecuencia del primer armónico. Hay un montón de armónicos por encima de este con alto contenido de energía. Estoy interesado en los hasta el 5, como se mencionó. Con respecto al voltaje, simplemente estás equivocado. Acabo de medir esto, toqué muy fuerte (más de lo normal) en mi osciloscopio y medí alrededor de 300mVp-p. Pastilla de mástil, bobina simple Squire Strat.
@gbulmer ¡Gracias por el enlace! Lo he encontrado, pero lo investigaré con más detalle. Sí, creo que las pastillas pueden tener un rendimiento muy alto (si solo pienso en un piezoeléctrico, por ejemplo, eso es mucha energía). Estoy simplemente diseñando para mi guitarra en este momento, y estoy bastante seguro de que no obtengo nada por encima de los 500 mVp-p, así que creo que el recorte estará bien. No quiero recorte.
Su protección de salida, D1, no lo salvará. Se alimenta de una fuente de 1k a un sumidero de 500k. 1k triunfa sobre 500k.
@Transistor que veo. ¿Funciona en el sim sin embargo?
@makepeace: Probablemente sea el amplificador operacional al máximo. No puede acercarse al carril +5.
@Transistor Tienes toda la razón, en realidad ni siquiera funcionaba en el simulador. No probé una amplitud lo suficientemente grande. Fijado.
"Hay un montón de armónicos... con un alto contenido de energía". - ¿Qué amplitud relativa podemos esperar para el armónico 25 de 1175Hz? Si solo quiere 'detectar' armónicos, ¿por qué le preocupa la fase?
@BruceAbbott - No estoy preocupado por el 25. Estoy preocupado por el quinto y grabo una forma de onda bien caracterizada de la nota, que tiene el quinto. Por lo que entiendo 10 x esa frecuencia es una buena apuesta...
@pipe, no es justo. El 741 es un dispositivo de degradación de señal de precisión que está diseñado para tomar una amplia gama de señales de entrada de alta calidad y arruinarlas.

Respuestas (1)

Tengo opamps TL082, LM358 y LM741 disponibles

El TL082 y el LM741 requieren fuentes de alimentación de alto voltaje, pero el LM358 funciona bien con 5 V, por lo que debería estar bien.

En lugar de tratar de limitar el voltaje de entrada del ADC con diodos, simplemente usaría un divisor de voltaje para reducirlo. Luego, el voltaje de polarización del amplificador operacional se establece en el valor que produce la salida máxima sin distorsiones (que no es 2,5 V, porque el LM358 solo puede subir hasta ~ 1,5 V por debajo de Vcc).

Aquí está mi versión modificada de su circuito: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

R1 y R2 establecen la polarización del amplificador operacional en 1,79 V. El voltaje máximo de salida de U2 es de 3,5 V. R3 y R9 dividen esto a 3.3V.

El único otro cambio que hice fue reducir el valor del capacitor de acoplamiento entre etapas (C3 en mi circuito) de 22uF a 2.2uF. Esto proporciona una caída gradual de baja frecuencia, pero mi razón principal para cambiarlo fue evitar tener que usar un condensador electrolítico.

Aquí está el análisis de CA: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

Si solo está interesado en los componentes de frecuencia de la señal (no en la forma de onda real), las diferencias de fase no deberían preocuparle.

Las pendientes del filtro en la simulación son un poco engañosas porque la entrada simulada es un generador de CA de baja impedancia. Las pastillas de guitarra tienen una alta inductancia con una frecuencia de resonancia propia relativamente baja, normalmente entre 8 y 12 kHz. Por encima de la resonancia propia, la respuesta de frecuencia de la pastilla cae bruscamente, por lo que los armónicos más altos se atenúan mucho más de lo que podría pensar.

Sin simular la pastilla, no descubrirá cuál es la verdadera respuesta hasta que pruebe el circuito con una guitarra real. La buena noticia es que probablemente hará un mejor trabajo que lo que le dice el simulador.

Gracias por los consejos. ¡Se ve mucho mejor! He añadido modelo de la pastilla de guitarra (más o menos) y se ve mejor. Con respecto a las diferencias de fase, estoy interesado en la forma de onda. La onda muestreada se utilizará para modular una salida. Se requiere retener la mayor cantidad posible del carácter de la señal. ¿Cómo puedo reducir las diferencias de fase? Probablemente no pueda, ¿verdad? Simulé la respuesta de tiempo con sus modificaciones, y sin los diodos, si la entrada es 1Vp-p, mi ADC se golpea con aproximadamente 4V. ¿Probablemente no sea una buena idea sacar esos diodos?
Si el voltaje de salida es demasiado alto, puede reducirlo cambiando la relación del divisor de voltaje (aumente R3 y/o reduzca R9). Pero apuesto a que no estás usando el modelo LM358 correcto. Dado que cae al menos 1.1V (más cuando está cargado), no es posible obtener 4V cuando Vcc es 5V.
"Estoy interesado en la forma de onda... para modular una salida" - Lástima que no hayas mencionado esto antes, pero no estoy seguro de que sea relevante de todos modos. En un entorno de escucha normal, se producen cambios de fase drásticos (especialmente en el extremo superior) y nadie se da cuenta porque el oído humano detecta frecuencias , no formas de onda. Pero si la forma de onda es tan importante para usted, simplemente haga que el amplificador sea lo más plano posible, y no se preocupe por el alias porque solo ocurrirá por encima del armónico 25 (de 1175 Hz), que es muy débil y no se notará. afectan la forma de la forma de onda digitalizada.
"El objetivo de este elemento de los proyectos es poder usar los primeros 5 armónicos y un período muestreado de la señal de guitarra para DSP adicional". En cualquier caso, gracias por tus consejos. Logré desarrollar un circuito que funciona bastante bien en la aplicación con las respuestas en esta página.
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