BatSpy, Teil 2: Die Eingangsstufe
In diesem Teil wir das Design der analogen Eingangsstufe näher erläutert. Die Aufgabe der Eingangsstufe ist es, das Mikrofonsignal so weit zu verstärken, dass es dem Analog/Digitalwandler zugeführt werden kann. Dabei soll das Signal so wenig wie möglich verzerrt werden. Der Vorverstärker muss zudem rauscharm sein. Die benötigte Bandbreite der Schaltung beträgt 200kHz.
Als Betriebsspannung habe ich mich für 3,3V entschieden, da dies die Versorgung mit einem Li-Ion-Akku ohne Verwendung eines Schaltreglers ermöglicht. Die niedrige Betriebsspannung schränkt die Auswahl an verfügbaren Operationsverstärkern etwas ein, ist aber nicht wirklich ein Problem.
Für den Operationsverstärkertyp fiel die Wahl auf den Microchip MCP6024
- Verstärkungsbandbreite: 10 MHz
- Slew-Rate: 7V/µs
- Rauschen : 8,7 nV/√Hz
- Ausgangsspannung: nahezu Rail to Rail
- Preis: 1,48 €
Die vollständige Schaltung der Eingangstufe:
Mikrofonversorgung
Das Mikrofon wird vom OP U14D mit einer Spannung von 1,65V versorgt.
Virtuelle Masse
Die Widerstände R42 und R43 bilden einen Spannungsteiler, der aus der Betriebsspannung ein virtuelles Massepotential erzeugt. Hier sind die positiven Eingänge der Operationsverstärker angeschlossen. Die OPs sind als invertierende Verstärker geschaltet, um den Stromfluss auf dem virtuellen Massepotential so gering wie möglich (<µA) zu halten. Verwendet man die nichtinvertierende Schaltung mit dieser virtuellen Masse, beeinflussen sich die verschiedenen Verstärkerstufen über die Masse und das Verhalten der Schaltung wird instabil.
Vorstufe
U14B bildet die Vorstufe mit einer Verstärkung von 22. Die maximal mögliche Verstärkung ist über die Verstärkungsbandbreite des OPs begrenzt. Bei 10MHz Verstärkungsbandbreite und einer gewünschten Bandbreite von 200 kHz ergibt sich für die Verstärkung ein Maximalwert von 50. Der Kondensator C24 lässt die Verstärkung oberhalb von 200kHz etwas absinken. Eingekoppelt wird das Mikrofonsignal über den Kondensator C22, um den DC-Anteil des Mikrofons abzuschneiden.
Hochpass
C26, C28, R45, R46 bilden einen 16kHz-Hochpassfilter 2. Ordnung mit 12 dB/Oktave, um den hörbaren Schallanteil bei Ultraschallaufnahmen zu unterdrücken. Mit Hilfe des Analogschalters U15A kann der Hochpass überbrückt werden, falls das Gerät zur Aufzeichnung von hörbarem Schall verwendet werden soll. Als Bezugspotential für den Hochpass wird GNDA verwendet, um VAGND nicht zu belasten.
Endstufe
Die Endstufe bietet verschiedene Verstärkungsfaktoren, die per Software über die Analogschalter eingestellt werden können.
Signaleinkoppelung A/D-Wandler
Der A/D-Wandler arbeitet mit einer Referenzspannung von 2,5V. Der OP U14C liefert ein Ruhepotential von 1,25V, das mit dem Widerstand R26 in den aktiven Eingang des Wandlers eingekoppelt wird. Über C32 wird das Ausgangssignal des Vorverstärkers symmetrisch zum Ruhepotential aufaddiert. So wird eine gleichmäßige Aussteuerung des A/D-Wandlers sichergestellt.
A/D-Wandler
Nach einem geeigneten A/D-Wandler habe ich länger gesucht… Er sollte preiswert und irgendwie mit der Teensy-Audio-Library kompatibel sein. Entschieden habe ich mich für den MCP33131D-10 mit folgenden technischen Daten:
- Abtastrate 1MS/s
- 16 Bit Auflösung
- Eingangsempfindlichkeit 0 … 2,5V
- SPI-Schnittstelle
- Preis 5,45€
Die Schaltung enthält keine Besonderheiten und entspricht im Wesentlichen den Aplikationsschaltungen des Herstellers. Die Treiberstufe U8 am Eingang, die 2,5V-Referenzspannungsquelle U10 und U9 der eigentliche A/D-Wandler.
Bei der Anbindung der digitalen Signale zum Teensy musste ich einen “Kunstgriff” anwenden. Eigentlich hätte ich einen Wandler mit I2S-Schnittstelle benötigt. Sämtliche Wandler mit dieser Schnittstelle, die ich gefunden habe, sind durch die zu niedrige Abtastrate für den Ultraschallbereich ungeeignet. Ich setze statt dessen einen Wandler mit SPI-Schnittstelle ein. Durch ein paar kleine Softwareanpassungen ist es mir gelungen, den SPI-Wandler an der I2S-Schnittstelle zu betreiben. Einziger Nachteil ist, dass nur die Hälfte der max. Abtastrate von 1MS/s nutzbar ist. 500kS/s sind in der Anwendung zur Fledermausbeobachtung jedoch völlig ausreichend.