Proyecto 5

Algunas frecuencias tienden a ser más fuertes que otras para nuestros oídos, a pesar de tener incluso más energía o la misma detrás. En este sentido, nuestro rango se sitúa entre 20-20,000 Hz, por lo que cuanto más nos excedamos o acerquemos a estos límites, más suaves nos sonarán las cosas.

Un ecualizador puede ser de muchísima utilidad a la hora de conseguir mejorar el sonido al máximo. Por ejemplo, nos ofrece la posibilidad de ayuda a suavizar la voz del narrador de nuestro audiolibro favorito, o conseguir que los sonidos graves retumben en nuestros oídos..

Objetivo:

Desarrollar y construir un ecualizador LED de 5 bandas utilizando la matriz de LED de 5x5 diseñada en el Proyecto 1 e implementada en el Proyecto 2. Este ecualizador visualizará las variaciones de frecuencia de una señal de audio, proporcionada mediante un cable directamente desde un generador de señales del laboratorio.

Amplificador Tl084:

Los TL084, TL084A y TL084B son amplificadores operacionales cuádruples con entrada J-FET de alta velocidad que incorporan transistores J-FET bipolares y de alto voltaje bien adaptados en un circuito integrado monolítico. Los dispositivos presentan altas velocidades de respuesta, baja polarización de entrada y corrientes de compensación, y baja compensación. coeficiente de temperatura de voltaje

Pines de conexión:

Amplificador Lm358:

Utilizando los diseños de circuitos perfeccionados para Quad recientemente presentado Amplificadores operacionales, estos amplificadores operacionales duales cuentan con 1) baja drenaje de energía, 2) un rango de voltaje de entrada de modo común que se extiende hasta tierra/VEE, 3) operación de suministro único o suministro dividido y 4) distribución de pines compatible con el popular amplificador operacional dual MC1558. El LM158. La serie equivale a la mitad de un LM124. Estos amplificadores tienen varias ventajas distintivas sobre los estándar.

Tipos de amplificadores operacionales en aplicaciones de suministro único. Pueden operar en voltajes de suministro tan bajos como 3,0 V o tan altos como 32 V, con corrientes de reposo aproximadamente una quinta parte de los asociados con el MC1741 (por amplificador). base. El rango de entrada del modo común incluye el suministro negativo, por lo que eliminando la necesidad de componentes de polarización externos en muchos aplicaciones. El rango de voltaje de salida también incluye la potencia negativa. tensión de alimentación.

• Salidas protegidas contra cortocircuitos

ETAPAS DEL DISEÑO:

Se requiere la creación e implementación de un ecualizador de 5 bandas. Para ello, es necesario cumplir con las siguientes etapas:

1. FILTRO PASA BANDA:

La primera etapa del ecualizador consiste en un filtro pasa banda. Este filtro permite seleccionar y aislar una frecuencia específica para su evaluación en el ecualizador. Su función es dejar pasar únicamente la señal en la frecuencia determinada, mientras que atenúa las señales de otras frecuencias. De esta manera, el filtro pasa banda garantiza que el ecualizador responda únicamente a la frecuencia deseada, comportándose como un atenuador para cualquier otra frecuencia fuera de este rango

2. RECTIFICACIÓN:

La segunda etapa es la rectificación. Dado que los comparadores operan con señales de voltaje continua (DC), es necesario rectificar la señal de salida del filtro pasa banda. Este proceso convierte la señal alterna (AC) filtrada en una señal continua (DC), permitiendo así que los comparadores funcionen correctamente con la señal rectificada.

3. FILTRO PASA BAJO:

La tercera etapa es el filtro pasa bajo. Para eliminar el ruido que puede estar presente en la señal después de la rectificación, se añade un filtro pasa bajo. Este filtro ayuda a suavizar la señal de salida, mejorando su calidad y asegurando una representación más precisa y estable en el ecualizador.

4. COMPARADORES:

Una vez que se ha obtenido la señal adecuada, esta se envía a un comparador. El comparador funciona mediante la comparación de un voltaje aplicado a su entrada inversora y no inversora. En este caso, la señal de salida del filtro pasa bajo se conecta a la entrada inversora del comparador. El voltaje de comparación se aplica a la entrada no inversora. Es importante asegurarse de que el voltaje en la entrada inversora sea menor que el de la entrada no inversora, ya que, de lo contrario, el LED no se encenderá.

DESARROLLO DEL DISEÑO:

Se escogió una franja de frecuencias teniendo en cuenta el rango de frecuencia audible: 20Hz a 20kHz Cada banda de 3996 Hz aproxima a 4kHz Banda 1- Pasa bajas: Para la primera banda se escogió un filtro pasa bajas de orden 2 con respuesta Butterworth. Butterworth Los valores para un filtro pasa bajas de orden 2 con respuesta Butterworth son el factor de calidad Q = 1/sqrt(2) y k = 1 la cual es la ganancia en la frecuencia de corte. Se tiene el siguiente esquema:

Primera banda:

A partir de estas ecuaciones se calculan los valores de los elementos del filtro según los requerimientos:

Fc = 4k Hz

Av = 2

C1 = 100 nF

Se obtuvieron valores para los elementos no comerciales, para ello se ajustaron a valores comerciales. Más adelante se muestran en una tabla junto a los valores de los demás filtros.

A continuación se presenta el diseño realizado en la simulación:

Segunda banda:

Se calculan los valores de los elementos basados en los siguientes parámetros:

A = 2

FL = 4kHz

FH = 8kHz

Los obtenidos en la simulación son:

FL = 3.913k

FH =8.58k

Fo = 5.62k

Max Vo = 2.16 V con vi = 1 V

Tercera banda:

Se calculan los valores de los elementos basados en los siguientes parámetros:

A = 2

FL = 8k

FH = 12k

Los resultados en la simulación son:

FL = 8.423k

FH = 12.09k

Fo = 10k

Max Vo = 2.2 V con vi = 1V

Cuarta banda:

Se calculan los valores de los elementos basados en los siguientes parámetros:

A = 2

FL = 12k

FH = 16k

Los resultados obtenidos en la simulación son:

FL = 13.2k

FH = 16.55k

Fo = 14.14k

Max Vo = 2.8 V con vi = 1V

Quinta banda:

Se calculan los valores de los elementos basados en los siguientes parámetros:

FL = 16k

FH = 20k

A = 2

Los resultados obtenidos en la simulación son:

FL = 16.87k

FH = 19.74k

Fo = 17.85k

Max Vo = 2.63 V con vi = 1V 

En la siguiente tabla se presenta los valores de los componentes seleccionados: 

Ocurrió una peculiaridad en los filtros 4 y 5 se observó discrepancias entre lo esperado y la simulación, podría ser por el factor de calidad que es más alto o porque trabajan a frecuencias mayores, por lo tanto, en el simulador se ajustaron los elementos para encontrar resultados más cercanos a los esperados.

Dado que se necesitan cinco voltajes de comparación diferentes para los cinco comparadores, pero una fuente de alimentación típica solo puede suministrar un número limitado de voltajes distintos, se propone el uso de un divisor de voltaje. Esto permite generar los cinco voltajes necesarios a partir de una única fuente de alimentación de 5V. 

PRUEBAS DEL DISEÑO:

Se probaron los filtros en el laboratorio y se conectaron a 1 rectificador por turnos y a 5 comparadores independientes con leds a la salida para comprobar su funcionamiento. 

Ya con las salidas rectificadas y normalizadas se puede proceder a la prueba de multiplexación con la tarjeta esp32.

Se considero la idea de utilizar transistores para hacer una multiplexación, con el fin de hacer el cambio de frecuencia (cambia banda), pero se descartó la idea debido a que se decidió utilizar el microcontrolador ESP 32, para hacerlo más sencillo y utilizar menos componentes, donde la Esp-32 realiza la misma función.

Para ello, se probó directamente la matriz de LEDs, enfocándose en las dos bandas de menor frecuencia. A continuación, se presenta el circuito implementado para realizar la prueba: 

Una vez que se alimentaron los amplificadores operacionales con +12V y -12V, se cargó el código en el ESP32 y se realizó la prueba. Se fijó un voltaje de entrada de 3Vpp y una frecuencia adecuada para encender la primera y la segunda banda. Luego, se procedió a visualizar el resultado: