安価で高性能な マイクロコントローラが普及している今日の世界では、アナログ機器による信号処理の考えは、時には無視されることがあります。おそらく、それは正当な理由によるものです。数ドル以下で、マイクロコントローラを使用して多くの処理タスクをプログラム的に処理できるからです。ただし、場合によっては、アナログ ソリューションが適切なこともあります。
ここでは、 ダイオード、 抵抗器、 コンデンサを使用して構築できる3つの関連する信号処理回路について説明します。これらの3つの要素は、単独でACからDCへのコンバーター、ピーク検出器、またはエンベロープ検出器として信号を処理できます。実験は音波のコンテキストで行われましたが、AMラジオ周波数の復調など、他の重要な用途もあります。
生のオーディオ信号から整流器、ピーク検出器、エンベロープ検出器を構築します。
パルス信号 + ダイオード = 半波整流器
制御された正弦波は青、整流された信号は黄色
整流器はAC電源をDC出力に変換します。最も簡単な方法の1つは、ダイオードを使用して電流を一方向にのみ通過させることです。これにより、正弦波の下半分がカットされ、間にギャップがある一連の正のみのパルスが残ります。コンデンサーを使用すると、平滑化することができます。適切に構成されたこのような回路は、ピーク検出器と呼ばれます。
半波整流器 + コンデンサ = ピーク検出器
オーディオ信号は青、黄色は容量性ピーク検出器
音波などの可変整流信号の最大電圧に関心がある場合は、これをコンデンサで保存できます。コンデンサはダイオードのカソードと信号のグランドの間に接続され、入力によってパルスされる最大電圧近くまで急速に充電されます。スコープまたはマルチメーターを2つのコンデンサの端子間に接続して、理論上はこの最大値を永久に読み取ることができます… 。
現実には、完璧なコンポーネントは存在せず、コンデンサは時間の経過とともに放電します。回路の設定によっては、正の信号によって再充電されない場合、ピーク レベルが実際に自動的に低下することがわかります。
ピーク検出器 + 抵抗器 = エンベロープ検出器
ピーク検出は波形の傾向に従いますが、適切に使用するには適切な調整と相関が必要です。
ピーク充電レベルは時間の経過とともに自然に低下しますが、この放電を制御すれば、いわば波形の頂点に乗せることができます。これは、抵抗器を追加して、波形の「エンベロープ」にほぼ従って、設定された速度でコンデンサを放電することによって実現されます (上の画像を参照)。この種の回路はエンベロープ検出器として知られています。
上記の波形を生成するために、10µFのコンデンサと10kの抵抗器を使用しました。これらの値は、抵抗コンデンサ回路が元の値の約36.8% まで放電するのに必要な時間 (秒単位) に等しいRC時間定数タウ (τ) によって選択され、次のように表されます。
τ = RC
Rはオーム単位、Cはファラッド単位の静電容量です。私はすでにピーク検出器に10µF (または .00001F) のコンデンサを使用していましたが、0.1秒の放電から始めるのが良いように思えました。したがって、R値は τ/C、つまり .1/.00001 = 10,000オームになります。上の画像に見られるように、これは基本的な概念を示していますが、値を微調整すると、 おそらくポテンショメータ または トリマーを使用すると、相関関係がさらに改善される可能性があります。
ピーク検出器フェーズでのブレッドボード実験セットアップ。いくつかの実験では、左と右の両方の信号出力が同時に使用されました。
音声信号を変更したり、電波を復調したり、あるいはロボット工学や信号処理のための新しいアプリケーションを開発する必要がある場合でも、コンデンサ/ダイオード/抵抗器回路を忘れないでください。このようなセットアップは、信号をマイクロコントローラに送信する前にクリーンアップするのに最適な方法であり、アプリケーションによっては、デジタル電子機器全体を置き換えることもできます。
デジタル信号の処理と分析には、 こちら で概説されているように オールインワン Digilent Analog Discovery 2セットアップ、 こちらでRaspberry Pi 4と組み合わせて検討してください。
