Generando una señal diferencial

Question

Me dieron una tarea pequeña (en realidad es parte de una tarea mucho más grande) donde el requisito es generar una señal que parezca provenir de un micrófono. Los siguientes requisitos deben mantenerse:

• 1.0Vpp
• Onda senoidal
• Diferencial

Ahora, en realidad son dos preguntas:

• Entiendo que la señal debe ser diferencial, por lo que necesito dos señales, pero ¿estas dos deben ser simétricas alrededor de 0V? ¿Cuál es la salida normal de un micrófono aquí? De lo contrario: ¿Podría simplemente usar una sola onda senoidal, multiplicarla por dos y la entrada al receptor se vería igual?

• ¿Cuál es una forma económica en la que podría hacer esto? Entiendo que podría usar un microcontrolador y su característica DAC para generar una onda senoidal agradable. Sin embargo, ¿cómo obtendría una señal diferencial a partir de eso? ¿O hay algún CI que ya haga lo que quiero?

Answer 1

Yo abordaría esto como dos problemas, generando una onda sinusoidal y haciendo un controlador de línea balanceado. Otras respuestas han cubierto el generador de onda sinusoidal, y es algo fácil de investigar, y no tengo nada que agregar allí. Sin embargo, diré algunas cosas sobre el controlador de línea diferencial.

Como otros han dicho, la forma canónica de hacer esto es con un transformador. Los transformadores funcionan muy bien, pero son grandes y costosos. En aplicaciones de audio, necesitarás un transformador aún más caro para evitar introducir una distorsión inaceptable. Sin embargo, si quieres que se vea exactamente como un micrófono dinámico, esta es tu mejor opción, ya que un transformador simula más de las propiedades de los devanados en un micrófono dinámico que cualquier otro método.

Sin embargo, cualquier señal de audio balanceada que obtengas de cualquier dispositivo moderno que esté alimentado probablemente no tendrá un transformador en estos días, debido al costo. Los micrófonos alimentados (de condensador) pueden caer en esta categoría; las mesas de mezclas y los preamplificadores casi con seguridad lo hacen. Te recomiendo que leas Diseño de Interfaces de Audio Balanceadas de Alto Rendimiento para una encuesta de técnicas comunes y una explicación detallada de las preocupaciones relevantes. También ve Transmisor y Receptor Balanceados II del mismo sitio.

Hay una parte de ese último artículo en particular que resumiré aquí: Lo importante es que la impedancia de ambas líneas sea la misma, de manera que el ruido resulte en el mismo voltaje, para que pueda ser rechazado como modo común. El tener una señal opuesta en el lado negativo no importa en absoluto. En ese artículo, hay un esquema, bajo la sección ¡Hey! Eso es hacer trampa:

Consulta el artículo para una discusión detallada, pero claramente puedes ver que el pin 3, el lado negativo de la señal, es solo una conexión a tierra a través de una resistencia. Resulta que, si desarmas mucho equipo de audio profesional, este es precisamente el tipo de controlador de línea que utilizan. Es porque tiene bastantes ventajas:

• Sencillo
• Fácil de equilibrar
• Si el pin 3 está conectado a tierra en una entrada no balanceada, no sucede nada malo

La única parte crítica aquí es asegurarse de que R2 y R3 sean exactamente iguales. Usa resistencias del 1% o mejores, o equilíbralas con un puente de Wheatstone para obtener el mejor rechazo de modo común.

Answer 2

Si entiendo correctamente, deseas un circuito que genere la onda seno y también proporcione dos versiones de ella con 180 grados de separación. Esto se podría lograr fácilmente con un microcontrolador, como un dsPIC con DAC dual de 16 bits con salidas diferenciales en cada canal (como el dsPICfJ64GP802 - aquí está el manual del periférico DAC para este), aquí tienes un típico circuito de buffer diferencial impulsado desde uno de los canales:

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Sin microcontrolador

Aquí tienes una opción no micro:

Esto combina un oscilador de puente de Wien (el fet se puede reemplazar por una bombilla incandescente si se desea) con un simple buffer transistor que toma una salida desde el colector y el emisor. Las alimentaciones son +/- 12V (se pueden diseñar para ser menores si es necesario)

Simulación:

Nota que lo anterior sumará 2V pico a pico cuando llegue a donde sea que vaya - puedes controlar fácilmente la amplitud reemplazando R11 y R12 con un potenciómetro.

Answer 3

Cuando tienes una señal asimétrica y quieres una señal simétrica (es decir: diferencial), y tu señal requerida debería parecerse a la de un micrófono (dinámico) (excepto si quieres un nivel más alto de 1 Vpkpk), el dispositivo de elección es una Caja DI.

Estos contienen, en su versión pasiva, un transformador de frecuencia de audio, y generalmente hay un punto central en el lado de salida que puede conectarse a GND con un interruptor si se desea. Además, hay versiones activas que utilizan OpAmps en lugar de un transformador. Estas utilizan, de forma simplificada, un buffer y un inversor. El buffer crea la señal en fase con tu fuente, y el inversor crea la señal que está 180° fuera de fase en comparación con la señal original. Buffereado e Invertido = Diferencial.

Usualmente, tu señal diferencial es simétrica alrededor de 0 V. El lado de salida de un transformador incluso está en flotación mientras dejas el interruptor abierto (es decir, simétrico a nada más que a su propio valor medio), lo cual es un beneficio adicional para evitar bucles a tierra.

Answer 4

Un transformador, como sugiere zebonaut, ciertamente producirá una bonita señal diferencial con el beneficio de un aislamiento de modo común.

Otra forma es producir dos señales desde el principio. Dado que estás sintetizando esto, no debería ser difícil de organizar. Utiliza dos D/A o salidas PWM filtradas de un microcontrolador, por ejemplo. Puedes garantizar que el promedio siempre sea el mismo lo suficientemente fácil en el firmware. Estas dos señales seguirían teniendo un desplazamiento DC de la mitad del voltaje de suministro, pero eso es común en los circuitos de audio. Amplificas las dos señales, luego las acoplas cada una a través de un capacitor a la salida. Pon una resistencia débil, como 10 kΩ a tierra en cada salida para desplazar el promedio a tierra y para disipar cualquier carga estática que pueda acumularse y permitir que el voltaje se eleve demasiado para que los capacitores lo mantengan alejado.

Añadido sobre el almacenamiento en búfer

Al "almacenar en búfer" una señal de voltaje generalmente significa mantener el voltaje aproximadamente igual pero reducir significativamente la impedancia. Dicho de otra manera, una señal almacenada en búfer puede suministrar mucho más corriente que su versión sin almacenar en búfer.

Una forma simple de almacenar en búfer una señal es con un amplificador operacional en modo "seguidor de voltaje". Esto es simplemente un amplificador operacional con su salida conectada a su entrada negativa. Cualquier cosa que luego coloques en la entrada positiva aparece en la salida, pero con la capacidad de manejo de corriente del amplificador operacional.

En tu caso, las salidas D/A o PWM filtradas serán de alta impedancia y no adecuadas para enviar por un cable. Dos amplificadores operacionales configurados como seguidores de voltaje solucionarán eso.

Answer 5

Un simple divisor de fase se puede hacer con un solo transistor con la misma resistencia en los circuitos del colector (invertido) emisor (no invertido). Su balance es bastante bueno pero depende del hFE del transistor.

Los valores deben ser lo suficientemente cercanos para 5V. Comprueba que Ve sea aproximadamente Vcc/4 (lo que pone la mitad del voltaje de suministro a través del transistor) y ajusta R3 o R4 si es necesario.