proteggere l'input della scheda audio

[rusval]

Ciao a tutti!
Continuano gli affinamenti sul mio progetto di interfaccia per PC. Stavolta parliamo di un altro fatto critico, la protezione della scheda audio. Prima un pò di numeri: le schede audio non hanno uno standard ben preciso, quelle consumer in genere accettano livelli fino a 0,77Vrms, altre fino a 2Vrms. Quelle pro in genere accettano 2Vrms per passare a valori ben più elevati, per schede particolarmente dotate e costose. D'altro canto, non sappiamo a priori cosa attaccheremo all'aggeggio (JIG) che effettua l'interfaccia col PC (anzi, la sua utilità sta proprio in quello: adattare il livello e presentare una elevata impedenza d'ingresso). Dunque nasce il problema di proteggere la scheda audio da sovratensioni. Usando il JIG per le misure su altoparlanti, in passato di schede audio ne ho fatta fuori una. Credetemi, stare lì, attenti ai livelli, quando il sistema si fa complesso è una rogna. Un sistema automatico di protezione è quello che ci vuole. Per adattarci alla variabilità degli input della scheda audio, ho adottato, per ogni uscita del JIG un semplice comparatore a finestra le cui soglie sono regolabili con trimmer, usando l' LM339, seguito da un flip flop set reset che "mantiene in memoria" lo stato ON oppure OFF della protezione. Mi spiego meglio. La mia scheda audio clippa con +\-3V in ingresso. Il comparatore rileva ogni tensione al di sopra di 3 volts o al di sotto di -3V. Quando ciò accade, si genera un impulso positivo che comunica al flip flop (sul piedino CLK) di caricare il valore ON (protezione attiva) sull'uscita. Tale valore permane finquando il flip flop non viene manualmente resettato tramite un pulsantino. Ovviamente, con un'altra scheda audio, che clippi ad esempio a 2Vpk, basta agire sul trimmer di regolazione per le soglie del comparatore a finestra. Ora, abbiamo il sistema automatico e regolabile di rilevazione della sovratensione. manca il circuito di protezione vero e proprio.
Qui ho provato di tutto, anche sistemi totalmente passivi, come i classici diodi (silicio, led, zener) clamp ad un sistema ingegnoso di clipping che polarizza automaticamente la base dei diodi o degli zener per effettuare il clipping. Vi dico subito che ovunque ci sia un diodo, c'è distorsione. Per tenere questa bassa, bisogna elevare di un bel pò la soglia di clipping, cosa che va esattamente contro lo scopo della protezione.
Usando invece il comparatore di cui sopra, sono passato ai relè. Purtroppo però, questi hanno tempi di risposta non rapidissimi (nell'ordine della decina di ms). Vi faccio notare che col JIG possiamo effettuare misure, in sinusoidale o con stimolo MLS (oppure rumore rosa, bianco, etc, a secponda del software che facciamo girare). Il primo, credo sia più energetico (fattore di cresta 3dB) il secondo credo lo sia meno. E' utile però rilevare che nel secondo caso abbiamo a che fare con un segnale a banda larga. Onde per cui i tempi di risposta del relè sono ampiamente insoddisfacenti, in teoria.
Quello che però a me interessa è la pratica: può un relè essere sufficientemente veloce da proteggere la scheda audio? Il segnale più cattivo che può raggiungere la scheda audio è una sinusoide a 48
Khz (dipende dalla frequenza di campionamento) di ampiezza +\-18volts (la tensione di alimentazione dello stadio attivo del JIG).
Personalmente ho provato con un attenuatore a fet (2SK170), cioè col drain collegato al segnale, il source a massa, è presente ovviamente una resistena di caduta (5,6kohm) in serie al segnale prima del fet. Agendo sulla tensione del gate possiamo o meno attenuare il segnale. Con un prototipo costruito al volo tutto andava bene. Interfacciandomi col flip flop (previa interposizione di un buffer perché la corrente in uscita dal flip flop è molto bassa) l'aggeggio non funziona. Non va mai in muting e non va mai completamente in posizione OFF. Ovviamente il comparatore e il flip flop, funzionano a meraviglia, tutto il problema sta dopo.
Ora, mi piacerebbe sapere se con un relè, magari con qualche accorgimento raggiungo il mio scopo: scollegare, attenuare o clippare le uscite, un qualsiasi modo per non scassare la scheda audio. Il relè sarebbe la soluzione più veloce e pulita. Altrimenti, potreste suggerirmi voi un circuito di muting oppure aiutarmi col fet.
A voi la palla.
Grazie e buona giornata!
Valerio

[plovati]

Vi dico subito che ovunque ci sia un diodo, c'è distorsione.
Originariamente inviato da rusval - 14/11/2005 :  12:17:01

Per circuiti non lineari di precisione sono disponibili degli ultra low leakage diode, che fino alla soglia di intervento sono degli aperti (fA di corrente).
Una alternativa più facilmente percorribile è quella di utilizzare la giunzione gate-drain dei JFET di segnale, che in genere è un diodo a basso leakage, oppure dei diodi di area molto piccola come quelli di protezione integrati nei circuiti CMOS. Vedi ad esempio:

http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/A0611.pdf

_________
Piergiorgio

[rusval]

Ciao Piergiorgio,
grazie della risposta. Ho cercato l'integrato MAX406 dai miei soliti spacciatori (RS, Distrelec) ma non l'ho trovato. Sul link che mi hai dato c'è una soluzione che mi alletta, anche perché, se ho capito bene, l'intervento sarebbe regolabile agendo sulla tensione di alimentazione. C'è qualche altro integrato, magari più reperibile, che può fare al caso nostro?
Non ho capito invece come useresti la giunzione G-D di un fet.
Abbi pazienza, non sono tanto addentro e tendo a perdermi in un bicchiere d'acqua.
Ti ringrazio, e scusami se eventualmente non risponderò prima di venerdì, sono in partenza.

Buone cose,
Valerio

[titano]

Ciao Piergiorgio,
grazie della risposta. Ho cercato l'integrato MAX406 dai miei soliti spacciatori (RS, Distrelec) ma non l'ho trovato.
Valerio

Originariamente inviato da rusval - 14/11/2005 : 17:18:41

Richiedilo come sample direttamente a Maxim...

http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/1468

Marco

[rusval]

Ciao Marco,
in effetti il progetto che sto mandando avanti sarebbe ad uso e consumo di tutti, anche vostro quindi la mia priorità è la reperibilità dei componenti.
Ciao,
Valerio

[rusval]

Ciao ragazzi,
allora, nessuno mi dà qualche altra info? sarete mica timidi? :p
Com'è il detto? Date da mangiare agli affamati, da bere agli assetati, e un aiuto agli accroccatori da strapazzo?
Va bene, comunque sia c'è stato più di uno spunto, solo che non volevo andare avanti da solo...
Ciao,
Valerio

[mrttg]

Ciao ragazzi,
allora, nessuno mi dà qualche altra info? sarete mica timidi? :p
Com'è il detto? Date da mangiare agli affamati, da bere agli assetati, e un aiuto agli accroccatori da strapazzo?

Ciao,
secondo mè se tu chiarisci il tipo di informazioni di cui hai bisogno qual' è il tuo piano di lavoro... fornisci uno schema a blocchi... chiedi in modo mirato le risposte le ottieni in questo forum ci sono molti elettronici professionisti... e decine di anni di esperienza uomo!

Per quello che mi riguarda ho fatto l' ufficio acquisti di componenti per anni e un poco di esperienza... se elenchi il tipo di componenti vedo di cercarli come campionatura attaverso la distribuzione!!

Se stai sviluppando una interfaccia USB sarebbe interessante sapere come e se è possibile in futuro usarla come base per futuri strumenti.

Saluti Mrttg

[drpaolo]

Ciao ragazzi,
allora, nessuno mi dà qualche altra info? sarete mica timidi?
Com'è il detto? Date da mangiare agli affamati, da bere agli assetati, e un aiuto agli accroccatori da strapazzo?
Va bene, comunque sia c'è stato più di uno spunto, solo che non volevo andare avanti da solo...

Tranquillo, Valerio, che ho comprato una manciata di componenti, non così di moda come quello da te citato , ma con una banda passante comunque ben eccedente i 50 KHz.

Adesso cerco un po' di tempo per assemblarli e poi ti do la mia versione dell'interfaccia low-cost - con protezione in ingresso - per la scheda audio.

Mi posti per favore (se puoi) lo schema del tuo sistema di muting con il J-Fet, che forse ho capito cosa c'è che non va.

Saluti.

Paolo Caviglia

[rusval]

Ciao Mrttg
grazie per la risposta. Mi scuso per la piccolissima e volutamente malcelata provocazione nel mio messaggio precedente, era per attirare l'attenzione. Spero di essere perdonato...era a fin di bene
Non è un caso se mi sono rivolto a questo forum, l'ho fatto sotto segnmalazione di Filippo Audiofanatic, moderatore della sezione diffusori, persona che stimo. E infatti non me ne sono minimamente pentito. Anzi! Il livello del forum è elevatissimo.

Avete ragione, ci vuole uno schema a blocchi. Provvederò.
L'oggetto in questione non è una interfaccia USB per PC, ma un molto più semplice (e alla mia portata) front end per la scheda audio. Lo scopo è quello di effettuare misure su altoparlanti, con gli appositi software. Tenendo a mente le limitazioni di banda e della THD+N della scheda audio, è possibile effettuare alcune semplici misure su elettroniche. Ovviamente quest'ultimo non è lo scopo primario. Comunque, in assenza di strumenti migliori (leggi oscilloscopio) l'aggeggio in questione sarebbe meglio che niente.

Dunque, l'oggetto presenta una elevata impedenza d'ingresso, circa 220kohm, ed accetta segnali da -26 a +14dB rispetto al livello standard di 2,2Vrms. Avendo la possiblità di maneggiare livelli elevati, sebbene sia presente uno stadio attivo alimentato a +\-18V c'è la concreta possiblità di scassare la scheda audio. Dunque, serve una protezione per evitare che il livello di uscita superi una certa soglia, tipicamente +\-3V di picco.

Mi scuso ancora una volta se non ho ancora reso pubblico lo schema completo, vorrei farlo nel migliore dei modi, cioè in modo visibile e chiaro e soprattutto senza rischi per chi voglia migliorarlo o semplicemente costruire così com'è. Spero che capirai dunque l'importanza di una protezione per l'uscita. Fatto questo, non ci saranno grossi ostacoli alla pubblicazione.

Grazie per l'attenzione, e soprattutto per l'aiuto, non mancherò di chiedere il tuo parere. Risolviamo un attimo questo problema della protezione, e poi...ci daremo alla pazza gioia

Ciao,
Valerio

[mrttg]

Ciao Mrttg
grazie per la risposta. Mi scuso per la piccolissima e volutamente malcelata provocazione nel mio messaggio precedente, era per attirare l'attenzione. Spero di essere perdonato...era a fin di bene

Ciao dal mio punto di vista nessuna provocazione... semplicemente se espliciti chiaramente le tue idee e obbiettivi è piu facile per tutti darti una mano.

E uno schema schizzato anche a mano aiuta piu di 10.000 parole... e poi che ti frega se è provvisorio... se aspetti la perfezione forse la trovi vicino al pensionamento!!

Allora forza e coraggio e buon lavoro.

PS: probabilmente non ti conviene enfatizzare troppo la tua voglia di festeggiare una volta raggiunto lo scopo... questo posto deve essere popolato di buone forchette!!! (sai quanto ci mettono ad autoinvitarsi al banchetto io in primis)

[rusval]

Ciao Paolo,
perdona la confidenza (da buon napoletano), ma Santo ti debbo fare! Sarò molto lieto di vedere la tua proposta. Però non vorrei farti perdere tempo. Ci sono infatti novità. Dopo la nostra ultima chiacchierata, complice anche un confronto con un amico, ho semplificato lo schema, effettivamente riducendo il superfluo.
Sperando di fare cosa gradita anche a Mrttg, e scusandomi per la forma, lo schema a blocchi è il seguente:

Attenuatore d'ingresso passivo a scatti, regolabile da -40 a 0dB, a passi di 10dB; impedenza vicina a 200kohm. Segue il blocco per la protezione da sovratensione, e infine, stadio attivo con guadagno fisso di 10dB. Dato che lo stadio di guadagno richiede un opamp singolo, è possibile usare un opamp duale e usare la seconda sezione come DC servo (integratore) in modo da eliminare il condensatore in uscita.

Ora puntiamo l'attenzione sul blocco protezione: allego il mio vecchio schema. La parte del circuito che funziona è visibile solo in blocco e non nel dettaglio, questo per risparmiare spazio e concentrare l'attenzione su ciò che non va. Parleremo poi anche del resto, non preoccupatevi!





Questo circuito sul prototipo andava, ma lo stadio comparatore e flip flop era assente, così per provare la protezione collegavo con un interruttore la base del BC546 all'alimentazione da 5Vcc. Nella configurazione attuale, in cui la base del BC546 è collegata al flip flop come da schema la protezione non va bene, cioè con l'uscita del flip flop a LOW l'attenuatore a fet non va mai ad attenuazione nulla. Quando invece scatta la protezione (uscita del flip flop a HIGH, cioè 5Vcc) l'attenuatore a fet attenua solo un pochettino. Notare che il fet non è linearizzato, in effetti quando scatta la protezione non fa niente se l'uscita è distorta.

Grazie per l'attenzione!
Ciao,
Valerio

[rusval]

Ciao Mrttg,
ieri m'era scappata la tua replica.
Nel messaggio a Paolo c'è descritto per sommi capi lo stadio che ho in mente, e in particolare c'è il circuito di protezione che non mi funziona. Si tratta di un attenuatore a fet, attivato da un comparatore a finestra.
Il mio intento è questo: metti che stiamo misurando un altoparlante. Posto che se alla scheda audio arriva un segnale eccedente la capacità del suo stadio d'ingresso, questo viene clippato, e nel peggiore dei casi può scassare la scheda audio, la misura è invalidata. Dunque ci serve un rilevatore di picco che determini se il segnale è entro l'accettazione della scheda audio. Se non lo è, anche per un piccolissimo istante, la misura è da ripetersi. Passando all'implementazione: un comparatore a finestra con LM339 monitoreggia (che bel termine ) l'input del segnale. Se questo eccede una certa soglia, si crea un impulso positivo che comanda il piedino CLK del flip flop set reset (4013) seguente, e in questo modo viene caricato il valore HIGH all'uscita del flip flop. tale valore permane anche se il segnale da monitorare è sceso di livello ed è rientrato nella finestra. Il flip flop comanda un attenuatore a fet, che provvede ad attenuare il segnale potenzialmente pericoloso per la scheda audio. Contestualmente si accende anche un led. Ciò significa che la misura è da rifare. Tramite un pulsantino, il sistema viene resettato, ed è pronto per effettuare un altra misura.

Ti ringrazio per l'attenzione.
Buona domenica,
Valerio

[rusval]

Ciao ragazzi,
credo di aver risolto, almeno in teoria. In breve: quando l'uscita del flip flop è LOW il gate del fet (il BF245 sembra meglio) deve stare ad almeno -12volts, il che significa nessuna protezione. Quest'ultima è attiva quando il flip flop ha l'uscita HIGH (5 o 12volts) e sul gate del fet devono starci 0 volts oppure una tensione positiva, oppure una tensione appena negativa, sempre rispetto a massa.
Senza guardare lo schemino precedente, se uso l'uscita negata del flip flop ottengo: LOW --> prot attiva (gate del fet deve stare a 0volts)
HIGH --> prot esclusa (gate del fet deve stare a -12volts)
A questo punto basta un operazionale invertente in modo che quando l'uscita del flip flop è 0 volts mi dia 0 volts e quando l'uscita del flip flop è 5 volts mi dà -12volts.
Scusate la fretta.
Ciao,
Valerio