Hydrofoon versterker. Een versterker voor de Aquarian H2a. Betreft: Hydrofoon versterker. Door: David Boelee,

Maat: px

Weergave met pagina beginnen:

Download "Hydrofoon versterker. Een versterker voor de Aquarian H2a. Betreft: Hydrofoon versterker. Door: David Boelee,"

Rudolf Norbert Thys
7 jaren geleden
Aantal bezoeken:

1 Hydrofoon versterker Een versterker voor de Aquarian H2a Betreft: Door: Opdrachtgever: Hydrofoon versterker David Boelee, Hogeschool Rotterdam, Kenniscentrum Duurzame Havenstad Kees Pieters

2 Inhoud 1 Inleiding Onderdelen versterker De schakeling DC Bias Voedingsspanning Versterkertrappen Filter Level shifter Eagle bestanden Onderdelenlijst Schema versterker...6 HYDROFOON VERSTERKER Pagina 2

3 1 Inleiding Voor het onderzoek naar de mogelijke specificaties voor de Customisable Hydrophonic Rescue and Recovery Badge (CHRRB) is het wenselijk om een permantente luisterpost te ontwikkelen, waarmee de geluidsfrequenties die onder water voorkomen, kunnen worden geanalyseerd. De opzet van een systeem hiervoor is relatief eenvoudig: een hydrofoon om de geluiden op te vangen, een versterker om het binnenkomende signaal te versterken, een ADC om het signaal vervolgens te digitaliseren, waarna het met behulp van een computer of microcontroller verder kan worden verwerkt. Dit document beschrijft een versterker die is ontwikkeld voor dit doel. HYDROFOON CPU samplen signaal via ADC Verwerken via FFT SIGNAAL IN versterken filteren DATA UIT analyse voorkomende geluidsfrequenties 2 Onderdelen versterker De versterker bestaat uit drie verschillende onderdelen: de versterking welke een signaal in vier stappen tot maximaal keer kan versterken, een hoog doorlaatfilter dat na voorversterking de signalen onder 30kHz weg filtert en een level shifter, waarmee het signaal kan worden voorbereid op verwerking door een ADC. De versterking zelf verloopt via een low noise opamp: de LT1113. De eerste twee stappen versterken het signaal in totaal 121 maal, waarna er via jumpers kan worden gekozen om het filter toe te passen, alvorens het naar de derde en vierde versterkertrap wordt gestuurd. De derde en vierde trap versterkt kunnen het signaal ieder weer 11 maal versterken en zijn traploos instelbaar middels trimmers. De totale versterking komt hiermee op maximaal keer. De level shifter bereidt het signaal voor op de ADC: de op microcontrollers toegepaste ADC s verwerken meestal uitsluitend spanningen in het positieve domein. Middels de level shifter kan het signaal via een trimmer zodanig worden ingesteld, dat er geen negatieve component meet in het signaal aanwezig is. 3 De schakeling In Figuur 1 vinden we het schema van de versterker. De verschillende onderdelen en instelmogelijkheden zijn als volgt. 3.1 DC Bias De Aquarian H2a is een DC biased microfoon en heeft dus een DC spanning nodig om te kunnen werken. Aangezien er geen datasheet beschikbaar is van deze hydrofoon is niet geheel duidelijk wat de waarde moet zijn van deze bias spanning, daarom is deze instelbaar. In de praktijk lijkt een spanning van 1 tot 2,5 Volt goed te werken. Dat is ook een spanning die vergelijkbaar is met de DC HYDROFOON VERSTERKER Pagina 3

4 spanningen die zijn gemeten op de microfoon ingangen van andere apparaten. De DC bias is traploos instelbaar middels trimmer R Voedingsspanning De opamps in de versterker werken op een symmetrische voeding. Er is voor gekozen om schakeling zowel symmetrisch als enkelvoudig te kunnen voeden. Een enkelvoudige voeding kan worden aangesloten op JP10, waarbij JP3 en JP4 moeten worden doorverbonden met een jumper. Een symetrische voeding wordt aangeboden via JP9 en hierbij kunnen de jumpers op JP3 en JP4 worden verwijderd. Voor het genereren van de symetrische voedingsspanning is gebruik gemaakt van het IC LMC7660. De maximale voedingsspanning bij een symetrische voeding is +/- 20V, bij een enkelvoudige voeding ligt het maximum op +10V. 3.3 Versterkertrappen De eerste twee versterkertrappen versterken het signaal twee maal elf keer, zodat de totale versterking van deze trappen neerkomt op 121 maal. Indien dit voldoende is, kan het signaal worden afgenomen via pinnen 1 en 2 van JP13, of het kan middels een jumper op pinnen 2 en 3 van JP13 ook direct worden doorverbonden met de volgende twee versterkertrappen. Een andere mogelijkheid is het plaatsen van jumpers op JP5 en JP8, zodat het voorversterkte signaal eerst door het filter wordt geleid. Het is dan wel noodzakelijk dat een eventuele jumper op JP13 wordt verwijderd. De derde en vierde versterkingstrap zijn traploos instelbaar voor een versterking van 0 tot 11 per trap, zodat de totale versterking van deze twee trappen uitkomt op 0 tot 121 maal en die van alle vier de trappen bij elkaar van 121 tot keer. 3.4 Filter Het toegepaste filter is een Butterworth hoog doorlaatfilter, berekend volgens specificaties omschreven in het document Filter design in 30 seconds van National Instruments 1. De componenten zijn zo uitgerekend dat het filter alleen de frequenties boven 30kHz onveranderd doorlaat. Deze grens is gekozen, omdat CHRRB naar verwachting met signalen boven de 30kHz zal gaan werken en dit dus de meest interessante frequenties zijn om te onderzoeken. Het weg filteren van de lagere frequenties na de voorversterking, maakt de interessante frequenties na verdere versterking beter zichtbaar en voorkomt dat geluiden uit oninteressante frequenties de versterker kunnen laten clippen. Zoals hier boven al beschreven kan het filter worden ingeschakeld door jumpers te plaatsen op JP5 en JP8 en een eventuele jumper op JP13 te verwijderen. 3.5 Level shifter Het versterkte signaal kan worden afgenomen van JP11. Dit signaal is een wisselspanning en kan dus zowel positief als negatief worden, waarbij de amplitude van het signaal afhankelijk is van de versterking van het ingangssignaal en de voedingsspanning op de opamps. Omdat de analoog digitaal converters van mogelijk toepasbare microcontrollers uitsluitend werkzaam zijn in het positieve domein, moet dit signaal omhoog worden gebracht. Dit gebeurt via een level shifter, welke traploos kan worden ingesteld met trimmer R16. Een vuistregel is dat als de shift minimaal de halve (positieve) ingangsspanning van de opamps bedraagt dat wil zeggen: de voedingsspanning van de schakeling het uitgangssignaal nooit negatief zal worden. 1 HYDROFOON VERSTERKER Pagina 4

5 4 Eagle bestanden Het schema zoals weergegeven in Figuur 1 is gemaakt in Eagle. De layout van de PCB is eveneens uitgewerkt in Eagle. Bij het silkscreen is alleen tsilk en tnames opgemaakt. Indien de printplaat geproduceerd zal gaan worden, verdient het aanbeveling alleen deze lagen op te nemen voor het silkscreen. Het PCB is tweezijdig. Eventueel kan de print ook enkelzijdig worden uitgevoerd, waarbij de sporen op de toplaag moeten worden uitgevoerd als draadbruggen. 5 Onderdelenlijst 1 x LMC7660IN 3 x LT x condensator electrolytisch 10u 6 x Condensator keramisch 100n 8 x Condensator keramisch 1u 1 x trimmer RJ9W 10k 3 x trimmer RJ9W 10k 8 x metaalfilm weerstand 10k 6 x metaalfilm weerstand 1k 2 x 0,1 header 3 pins 9 x 0,1 header 2 pins 1 x Audio Jack 3,5mm HYDROFOON VERSTERKER Pagina 5

6 6 Schema versterker Figuur 1 Schema van de versterker HYDROFOON VERSTERKER Pagina 6

Vergelijkbare documenten

Universiteit Twente EWI. Practicum ElBas. Klasse AB Versterker

Universiteit Twente EWI. Practicum ElBas. Klasse AB Versterker Universiteit Twente EWI Practicum ElBas Klasse AB Versterker Jeroen Venema (s1173375 Danie l Sonck (s1176366 j.venema-1@student.utwente.nl) d.e.sonck@student.utwente.nl) 23 april 2012 Samenvatting Voor