Konvertieren Sie den analogen Piezo-"Übergang" in ein digitales Signal

Ich versuche, eine Klopfanzeige in einen Mikrocontroller-Eingang von einem Piezosensor zu bekommen. Es sieht jetzt bei der fünften Iteration ziemlich gut aus und ist bereit, digitale Pegel für die Eingabe in eine 3v3-MCU bereitzustellen.

Ich habe mit einem "Instrumentenverstärker" begonnen, diesen aber in einen Ladungsverstärker geändert, wie von @Circuitfantasist vorgeschlagen. Auch basierend auf einem Kommentar, den er an anderer Stelle gemacht hat, habe ich dann den gehackten "Gleichrichter", den ich zuvor hatte, in einen Standard-"Präzisionsgleichrichter" geändert.

Die dritte Änderung war die Hinzufügung des RC-Paares und einer Diode, um sicherzustellen, dass der Ausgang für eine "kleine Weile" hoch bleibt, nachdem der Schlag zum ersten Mal registriert wurde.

Die vierte Änderung war die Hinzufügung des Zwei-Transistor-Schmitt-Triggers am Ausgang. Änderung fünf ersetzte den diskreten Schmitt durch einen IC-Komparator mit positiver Rückkopplung für die Hysterese und einem Open-Collector-Ausgang, um die Pegel für die MCU richtig einzustellen.

Hier ist jetzt die Schaltung:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Es scheint ganz gut zu funktionieren. Gelb ist das Eingangssignal roh vom Piezogerät (das Signal ist im Wesentlichen das Klingeln eines Stücks Stahl, das mit einem Hammer geschlagen wird), Blau ist der Ausgang. Es soll einen Interrupt mit der fallenden Flanke auslösen:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Von hier aus denke ich, dass es bereit ist, die endgültige Ausgabe in eine MCU zu stecken. Wenn das tatsächlich etwas ändert, werde ich hier aktualisieren.

Als Randnotiz habe ich viel darüber gelernt, ob die von Ihnen verwendete 9-V-Batterie tatsächlich noch gut ist. Dieses Ding oszillierte eine Zeit lang auf höchst merkwürdige Weise, und ich erkannte schließlich, dass es die Versorgungsschienen waren, die absackten, wenn sich der Zustand änderte, und das wiederum lag daran, dass meine kleine PP3-9-V-Batterie im Wesentlichen leer war und etwa 8,3 V ohne ausgab Belastung. Dadurch wurde auch das Rauschen auf dem Signal ziemlich reduziert. Oh, die Freude am Lernen :)

Erwägen Sie die Verwendung eines Hochpassfilters oder Differenzierers - dies würde jede unerwünschte Offset-Spannungsdrift vom Pizeo entfernen und verhindern, dass der Ausgangsverstärker gesättigt wird, während das Signal weitergeleitet wird, an dem Sie interessiert sind.
Die übliche Lösung ist der sogenannte "Ladungsverstärker", der eigentlich ein "Stromintegrator" ist. Im Gegensatz zu Ihrer Lösung (Instrumentenverstärker) ist dessen Eingangsimpedanz nahezu Null (kurze Verbindung). Dies senkt die Streukapazität.
@MarkU das macht Sinn. Ein paar Follow-ups, wenn Sie bereit sind, weitere Einblicke hinzuzufügen. 1) Gibt es einen DC-Offset von einer passiven Komponente wie einem Piezosensor? Ich weiß, dass, wenn dieses Ding drinnen ist, ein 50-Hz-Brummen in der Leitung ist, also ist es wahrscheinlich eine gute Idee allein dafür! 2) Irgendeine Idee, wie ich die Eingangsimpedanz des Systems schätzen würde, um einen geeigneten C-Wert zu bestimmen? Ich kann die Frequenz des Primärsignals leicht genug aus dem Oszilloskop finden, aber um einen abgestimmten Filter zu machen, brauche ich dafür eine Nummer (obwohl ich denke, ich könnte raten und herumspielen :)
@Circuitfantasist Damit kenne ich mich nicht aus. Haben Sie hilfreiche Referenzen, die mir beim Verständnis helfen? Ich kann selbst googeln, aber ohne Hintergrundwissen erfordert das oft eine Menge Sackgassen, bevor ich etwas Nützliches finde :) Ich gebe zu, dass die Idee seltsam erscheint, da die Ausgangsimpedanz des Piezos riesig ist, es fühlt sich an, als würde es ' Es ist kein Strom zu integrieren! So viel zu lernen.
@Toby Eggitt, ich verstehe dich vollkommen ... Dieses extrem einfache Gerät besteht nur aus einem Operationsverstärker und einem Kondensator, der zwischen Ausgang und invertierendem Eingang geschaltet ist. Der Piezosensor verhält sich wie ein geladener Kondensator. Er wird durch die virtuelle Erde kurzgeschlossen und seine Ladung wird auf den Rückkopplungskondensator übertragen. Der Operationsverstärker kopiert die Spannung über diesen Kondensator, sodass die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers proportional zur Eingangsspannung ist. Alle unerwünschten Kapazitäten werden durch die virtuelle Masse kurzgeschlossen und stören die Ausgangsspannung nicht. Es gibt viele Webquellen zum Thema "Ladungsverstärker" (Google)...
Bisher habe ich diesen Artikel über Ladungsverstärker für Piezosensoren gefunden: allaboutcircuits.com/technical-articles/… und den in Wikipedia. Ich denke, es fängt an, Sinn zu machen. Ich glaube, die Idee ist, meinen 3-Operationsverstärker-Instrumentenverstärker durch diesen zu ersetzen, aber das Gleichrichterelement beizubehalten. Ich werde versuchen, in den nächsten Tagen etwas zu bauen, wenn es die Zeit erlaubt (ich bin mir überhaupt nicht sicher, wie ich einen Wert für den Rückkopplungskondensator auswählen soll, also werde ich raten und herumfummeln und sehen, was auf dem Oszilloskop angezeigt wird! :)
@Toby Eggitt, Ja, das ist die Idee ... Das Verhältnis zwischen den beiden Kapazitäten ergibt die Verstärkung des Ladungsverstärkers - K = Cs / Cf. Sie können es sich wie einen invertierenden Operationsverstärker vorstellen, bei dem die Widerstände durch Kondensatoren ersetzt werden.
@Toby Eggitt, ich habe gerade deine neue Schaltung gesehen. Ich habe ein paar Fragen. Was ist das Eingangssignal (gelb)? Warum ist R7 mit dem invertierenden Eingang OA1a verbunden? Das scheint ein Fehler zu sein. IMO R7 sollte an den Ausgang OA1a angeschlossen werden. Versuchen Sie, das Signal zu bereinigen, indem Sie einen 10-kΩ-Widerstand in Reihe zum Piezosensor schalten (wie bei einem Differenzierer).
Gelb ist das, was das Oszilloskop aus dem Piezogerät herauskommen sieht. Im Grunde das Klingeln eines Stücks Stahl, auf das mit einem Hammer geschlagen wird. Das Piezo-"Mikrofon" ist an der Seite mit Epoxidharz verklebt. Sie haben absolut Recht mit R7, ich habe die Schaltung falsch transkribiert! Ich werde daran arbeiten, das zu korrigieren. (Ich habe auch ein paar zusätzliche Updates zu machen). Und ich werde mit dem von Ihnen vorgeschlagenen Eingangswiderstand spielen. (Ich bin mir nicht sicher, ob es unsauber ist, eigentlich denke ich, dass es ein sehr chaotisches Signal ist, obwohl es viel periodischer aussieht, wenn ich die horizontale Sweep-Rate erheblich erhöhe).
@Toby Eggitt, Wie ich sehen kann, haben Sie Ihr Projekt abgeschlossen. Glückwunsch! Sind Sie mit den Ergebnissen zufrieden?
Ja, ich muss die Software zum Laufen bringen, und es war ziemlich hektisch bei der Arbeit, aber die Signalkonditionierung sieht so solide aus, wie ich es mir erhofft hatte! Nochmals vielen Dank für Ihre Hilfe und Einblicke! Благодаря :)

Antworten (1)

Wir tun dies, indem wir einem MPSA13 in gemeinsamer Emitterkonfiguration die Spannungsspitze vom Piezo zuführen. Der Kollektorausgang speist einen PIC-ADC. Durch Einstellen des ADC-Werts wird die Empfindlichkeit angepasst.

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