ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRONICAELECTRNICA ANLOGA 2

PROYECTODISEO E IMPLEMENTACIN DE UN VUMETRODOCENTE:Ing. Ronald Coaguiladigitalcinco@yahoo.esALUMNOS:Gonzales Castro Jean PierreMamani Huanca WilsonBaca Igme JamesTacca Barrantes YuricoAREQUIPA PER2015

OBJETIVOS Disear un vmetro que sea capaz de indicar los valores de nivel de voltaje de una banda de frecuencia determinada. Disear un ecualizador que sirva para poder variar las frecuencias de la seal de entrada. Utilizar conocimientos previos y ser capaces de disear filtros eficientes para las frecuencias necesarias. Desarrollar habilidades para la elaboracin de circuitos electrnicos que funcionen con seales alternas. Ser capaces de evitar la introduccin de ruido a la seal.

INTRODUCCIONLa mayora de medidores en secuenciadores, mixers y otros procesadores son medidores de picos (amplitudes mximas) de seal, lo cual tiene sus aplicaciones. Sin embargo los vmetros actan de una forma muy similar a cmo los odos humanos perciben el volumen. El trmino vmetro significa medidor de unidades de volumen.Originalmente diseado para radiodifusoras y grabacin, la respuesta lenta de los vmetros fue optimizada para coincidir con la percepcin de volumen del odo humano. Los vmetros dan una buena indicacin de niveles promedio.Un vmetro coincide en muchas formas con la percepcin del odo humano, por ejemplo, el odo humano no es muy bueno captando transitorios demasiado cortos, de igual manera un vmetro no los mostrar. Una serie de transitorios de gran amplitud pero de muy corta duracin no afectar el volumen percibido por el odo humano, de igual manera para el vmetro.En el presente proyecto, se disear e implementar los circuitos de un vmetro, es decir, la visualizacin a travs de leds para 10 bandas de frecuencia de una seal de entrada (audio) que pasar a travs de un cable de 10 metros desde el micrfono hasta los circuitos.MARCO TEORICOVmetroEl vmetro es un dispositivo indicador en equipos de audio para mostrar el nivel de seal en unidades de volumen, tambin es llamado indicador del volumen.El vmetro o medidor de unidades de volumen es un aparato que se usa para detectar los picos de audio. Se le encuentra por lo general en amplificadores, consolas de audio, mezcladores, entre otros aparatos de sonido. Se ha reemplazado en muchos equipos el tradicional vmetro de aguja por indicadores luminosos con leds. Adems del nivel ponderado, algunos vmetros digitales tambin muestran los picos o mximos. Como regla general, los niveles de grabacin deben ser tales que no superen el rea roja ms all de 0 VU, o solo en raras ocasiones. Si el volumen de grabacin es demasiado alto, la calidad del sonido y respuesta en frecuencia es generalmente ms pobre y los efectos de saturacin y recorte pueden ser especialmente problemticos para un sistema de grabacin digital. Por el contrario si el nivel es demasiado bajo, los niveles de ruido sern altos en relacin a la seal principal que se est grabando. Algunos sistemas de grabacin de voz a menudo controlan el nivel de grabacin automticamente, como en las grabadoras de casete de bajo costo.EcualizadorLos ecualizadores de audio son sin duda alguna una de las herramientas ms poderosas dentro del audio. Podemos encontrar ecualizadores en lugares tan disimiles como en perilla de tono de la guitarra, en el pedal de wah, en los plugins dentro de la interfaz del DAW, en formato hardware etc.Qu son?Son dispositivos electrnicos usados en el audio para modificar el contenido en frecuencia de una seal.Para qu sirven?Tienen mltiples usos podemos enumerar algunos de los principales: Igualar la respuesta en frecuencia de una seal. Modificar el timbre de una seal, para. que suene distinto. Corregir problemas puntuales del espectro de una seal. Corregir problemas de enmascaramiento, entre dos seales que comparten parte de su espectro. Acercar el sonido de dos mezclas distintas, ej. Mastering. Qu tipo de ecualizadores existen?Esencialmente tenemos los siguientes tipos: Control de tono: solo se pueden modificar los bajos y agudos en una frecuencia fija. Semi paramtricos: estos permiten modificar la frecuencia y la amplitud, estn presentes en muchas consolas de gama baja y media. Paramtricos: permiten modificar la frecuencia, amplitud y el ancho de banda o Q que va a ser afectado. Shelving: Son ecualizadores que permiten escoger una frecuencia a partir de la cual adiciona o sustrae una cantidad fija de decibeles. Qu tipo de curvas de ecualizacin existen?Continuando con el anterior punto tenemos: Curva peaking o Bell: Eel nombre viene de la forma de campana que tienen, es la curva que se genera con los ecualizadores semi Paramtricos o Paramtricos. Curva shelving: Tambin denominada estante, referir a la explicacin anterior. Filtros: Si bien pueden tener su propia categora los incluimos aqu, puesto que los hallamos en las consolas. El tipo de curva de estos es una pendiente fija desde una frecuencia hacia abajo o arriba. La pendiente se espera especfica en dB por octava.Los ecualizadores profesionales suelen tener, al menos, 10 bandas. Las normas ISO establecen que las bandas de frecuencia han de ser, al menos, 31, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 y 16 000 Hercios.Estas bandas de frecuencias bsicas son controladas por un fader (u otro potencimetro o control alternativo) que puede atenuar o introducir ganancia hasta en 12 dB, o an ms. Para evitar distorsin por saturacin ("clipping"), cada fader cuenta con un diodo LED, que se enciende justo antes de que se recorte la seal.Los ecualizadores estn muy relacionados con los mezcladores ecualizadores y mezcladores.Pre-AmplificadorDispositivo electrnico que nos permite llevar una seal de audio desde el nivel de salida de un micrfono hasta el nivel en el cual pueda ser posteriormente procesada, conocido comnmente como nivel de lnea.Esta definicin tiene excepciones pero la aceptaremos como correcta para poder entender a grandes rasgos cmo funcionan los pre-amplificadores.Es importante aclarar que no existe un dispositivo electrnico que pre-amplifique sino que existen dispositivos que amplifican la seal (denominados activos) pero que dadas ciertas circunstancias de configuracin reciben una seal del orden de los milivolts y entregan una seal de linea cuyo nivel de referencia es 1V y esta puede ser posteriormente procesada en la cadena de grabacin.Porque son tan importantes en el audio? Como mencionamos antes, los pre-amplificadores estn en todos lados pero donde mayor importancia relativa tienen es en el mundo del audio en especial en la grabacin. Algunas razones que podemos enumerar son: Son el primer eslabn de la cadena de grabacin: Es el primer paso entre la fuente de audio y el medio de almacenamiento. Tienen un efecto directo sobre el carcter del sonido: Pueden alterar la seal de manera de colorearla, introducir distorsin o incluso ser absolutamente cristalinos y para cada uno de estos efectos existe un uso o incluso un uso a evitar. Su calidad y cualidades son vitales: Por las razones antes expuestas, se debe elegir un pre-amplificador adecuado para cada tarea y estos deben cumplir con ciertos estndares mnimos de manera de no afectar negativamente en el resultado final. Su calidad influye mucho en cosas tan importantes como la respuesta en frecuencia, el piso de ruido, la distorsin total de la seal etc.Existen diferencias entre pre-amplificadores?Es imposible cubrir en un solo post las diferencias que hay entre los distintos tipos de preamplificadores puesto que para hacerlo tendramos que entrar en muchsimo detalle y se hara demasiado tedioso o se pondra demasiado tcnico. Solamente con fines enumerativos englobaremos a los preamplificadores en tres grandes familias: Valvulares: El alma del circuito es la vlvula de vaco. A grandsimos rasgos se caracterizan ms por la coloracin que aplican sobre el sonido que por cualquier otra cosa. Por ejemplo: Telefunken V72, Altec 1066 etc. De estado slido: O de transistores. A grandsimos rasgos son mas limpios o cristalinos y tienen un mayor piso de ruido que los circuitos valvulares. (Aqu incluimos tambin a los pre-amplificadores con operacionales discretos). Por ejemplo: API312, Neve1073, Jensen 990 etc. Con Operacionales Integrados: Esta gran familia tiene caractersticas similares a los pre-amplificadores de estado slido aunque tienen como ventaja de que por caractersticas intrnsecas de los operacionales integrados se pueden lograr grandes resultados con costos ms bajos. Por ejemplo: Solid State Logic, Amek etcEl Amplificador OperacionalUn amplificador operacional (comnmente abreviado A.O. u op-amp), es un circuito electrnico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):Vout = G*(V+ V)Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemticas (suma, resta, multiplicacin, divisin, integracin, derivacin, etc.) en calculadoras analgicas. De ah su nombre.El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda tambin infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningn ruido. Como la impedancia de entrada es infinita tambin se dice que las corrientes de entrada son cero.NotacinEl smbolo de un MONOLITICO es el mostrado en la siguiente figura:

Los terminales son:V+: entrada no inversoraV-: entrada inversoraVOUT: salidaVS+: alimentacin positivaVS-: alimentacin negativaLos terminales de alimentacin pueden recibir diferentes nombres, por ejemplo en los A.O. basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE.Circuito IntegradoUn circuito integrado (CI), tambin conocido como chip o microchip, es una estructura de pequeas dimensiones de material semiconductor, de algunos milmetros cuadrados de rea, sobre la que se fabrican circuitos electrnicos generalmente mediante fotolitografa y que est protegida dentro de un encapsulado de plstico o cermica. El encapsulado posee conductores metlicos apropiados para hacer conexin entre el Circuito Integrado y un circuito impreso.FiltrosUn filtro elctrico o electrnico es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una seal elctrica que pasa a travs de l, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase.CaractersticasLas caractersticas que definen un filtro vienen determinadas por los siguientes conceptos: Funcin de transferencia.Con independencia de la realizacin concreta del filtro (analgico, digital o mecnico) la forma de comportarse de un filtro se describe por su funcin de transferencia. sta determina la forma en que la seal aplicada cambia en amplitud y en fase al atravesar el filtro. La funcin de transferencia elegida tipifica el filtro. Algunos filtros habituales son:

Filtro de Butterworth, con una banda de paso suave y un corte agudo Filtro de Chebyshev, con un corte agudo pero con una banda de paso con ondulaciones Filtros elpticos o filtro de Cauer, que consiguen una zona de transicin ms abrupta que los anteriores a costa de oscilaciones en todas sus bandas Filtro de Bessel, que, en el caso de ser analgico, aseguran una variacin de fase constante

Se puede llegar a expresar matemticamente la funcin de transferencia en forma de fraccin mediante las transformaciones en frecuencia adecuadas. Se dice que los valores que hacen nulo el numerador son los ceros y los que hacen nulo el denominador son polos.

El nmero de polos y ceros indica el orden del filtro y su valor determina las caractersticas del filtro, como su respuesta en frecuencia y su estabilidad.

OrdenEl orden de un filtro describe el grado de aceptacin o rechazo de frecuencias por arriba o por debajo, de la respectiva frecuencia de corte. Un filtro de primer orden, cuya frecuencia de corte sea igual a (F), presentar una atenuacin de 6 dB en la primera octava (2F), 12 dB en la segunda octava (4F), 18 dB en la tercera octava (8F) y as sucesivamente. Uno de segundo orden tendra el doble de pendiente (representado en escala logartmica). Esto se relaciona con los polos y ceros: los polos hacen que la pendiente baje con 20 dB por dcada y los ceros que suba tambin con 20 dB por dcada, de esta forma los polos y ceros pueden compensar su efecto.

Para realizar filtros analgicos de rdenes ms altos se suele realizar una conexin en serie de filtros de 1 o 2 orden debido a que a mayor orden el filtro se hace ms complejo. Sin embargo, en el caso de filtros digitales es habitual obtener rdenes superiores a 100.

Tipos de filtrosAtendiendo a sus componentes constitutivos, naturaleza de las seales que tratan, respuesta en frecuencia y mtodo de diseo, los filtros se clasifican en los distintos grupos que a continuacin se indica.Segn respuesta frecuencia Filtro paso bajo: Es aquel que permite el paso de frecuencias bajas, desde frecuencia 0 o continua hasta una determinada. Presentan ceros a alta frecuencia y polos a bajas frecuencia. Filtro paso alto: Es el que permite el paso de frecuencias desde una frecuencia de corte determinada hacia arriba, sin que exista un lmite superior especificado. Presentan ceros a bajas frecuencias y polos a altas frecuencias. Filtro paso banda: Son aquellos que permiten el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior. Filtro elimina banda: Tambin llamado filtro rechaza banda, atena banda o filtro Notch, es el que dificulta el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior. Filtro multibanda: Es que presenta varios rangos de frecuencias en los cuales hay un comportamiento diferente. Filtro variable: Es aquel que puede cambiar sus mrgenes de frecuencia.Segn sus componentes Filtro pasivo: Es el constituido nicamente por componentes pasivos como condensadores, bobinas y resistencias. Filtro activo: Es aquel que puede presentar ganancia en toda o parte de la seal de salida respecto a la de entrada. En su implementacin se combinan elementos activos y pasivos. Siendo frecuente el uso de amplificadores operacionales, que permite obtener resonancia y un elevado factor Q sin el empleo de bobinas.Segn la tecnologa usadaAtendiendo a cmo se construye el filtro, bien con componentes electrnicos analgicos, bien con electrnica y lgica digitales, los filtros pueden clasificarse en: Filtro analgico: es el filtro clsico. Diseado con componentes analgicos tales como resistencias, condensadores y amplificadores operacionales. Filtro digital: un chip o microprocesador se encarga del clculo de la seal de salida en funcin de unos parmetros programados en el interior de la electrnica. Electrnicas tpicas para el clculo de filtros digitales son las FPGAs, DSPs, microprocesadores y microcontroladores (incluidos los ordenadores y PACs).MicrfonoEl micrfono es un transductor electro acstico cuya funcin es la de traducir las vibraciones debidas a la presin acstica ejercida sobre la cpsula por las ondas sonoras en energa elctrica.PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTOEl funcionamiento del vmetro que disearemos ser descrito de la manera ms didctica posible: La seal de entrada proveniente del micrfono es pre-amplificada para alcanzar el nivel de lnea.

Una vez la seal de entrada este adaptada pasara por diez filtros conectados en paralelo, cada uno de estos filtros solo deber dejar pasar las seales pertenecientes a la gama de frecuencia fija y eliminar las otras.

Basndonos en el tpico rango de frecuencias para aplicaciones de audio se dividir la seal de la siguiente manera utilizando 10 bandas de 32hz, 64hz, 125hz, 250hz, 500hz, 1khz, 2khz, 4khz, 8khz, 16khz

Donde 64 Hz Destaca los sonidos graves masivos como los de tambores, rganos, etc. Da sensacin de grandiosidad

125 Hz Subiendo da sensacin de plenitud. Si bajas aumenta la transparencia.

250Hz Bajando el mando disminuye posible eco.

500 HZ Aumenta la fuerza del sonido. Si se baja da la sensacin de que el sonido no es completo.

1 KHZ Acta sobre la voz del cantante. Se puede dejar casi inaudible.

2 kHz Estimula el odo. Puede dar sensacin metlica, entonces hay que disminuirlo.

4kHz Si est muy alto puede dar tambin sensacin metlica y dura.

8 kHz Aumenta la brillantez de instrumentos de cuerda y viento.

16 kHz Aumenta la presencia de sonidos sutiles, como platillos, tringulos, etc.

La salida de cada filtro se amplificar nuevamente y se conectar al vmetro propiamente dicho.

Existe en el mercado un circuito integrado (LM3915 o LM3914) que tiene diez comparadores y es un circuito hecho exclusivamente para el control de leds.

Entonces a la salida de cada filtro pasa banda conectaremos uno de estos circuitos integrados en una configuracin tal, que a mayor intensidad de la seal filtrada, permita encender una mayor cantidad de leds, pudiendo as visualizar la intensidad de la seal por cada frecuencia intermedia calculada.

DIAGRAMA DE BLOQUESFILTROS A 10 FRECUENCIASPREAMPLIFICADORVMETROETAPA II

DISEO DEL PRE-AMPLIFICADORRecordemos, un pre amplificador es un dispositivo electrnico, capaz de llevar la seal de audio desde el nivel de salida del micrfono hasta un nivel en el cual pueda ser posteriormente procesada, a este nivel se le conoce comnmente como nivel de lnea.En esta etapa se debe considerar que tenemos un micrfono, el cual al ingresar una seal de audio, debe ser capaz de llegar con la misma intensidad por un cable mnimo de 20 metros hasta llegar al ecualizador para lo cual debe tener alimentacin propia, entonces el diseo de un preamplificador se realiza para un voltaje de alimentacin de mnimo 6V, que como se explic el los conceptos previos, ayudara a que la seal no presente perdidas al momento de llegar a los filtros, entonces dada las caractersticas y evaluando los valores necesarios para el preamplificador diseamos el siguiente circuito:

DISEO DE LOS FILTROSUtilizaremos en total 10 filtros. Para el primero, necesitaremos un filtro pasa-bajas, y para los dems filtros pasa bandas.Filtro Pasa BajasUn filtro pasa bajo corresponde a un filtro caracterizado por permitir el paso de las frecuencias ms bajas y atenuar las frecuencias ms altas. El filtro requiere de dos terminales de entrada y dos de salida, de una caja negra, tambin denominada cuadripolo o bipuerto, as todas las frecuencias se pueden presentar a la entrada, pero a la salida solo estarn presentes las que permita pasar el filtro. De la teora se obtiene que los filtros estn caracterizados por sus funciones de transferencia, as cualquier configuracin de elementos activos o pasivos que consigan cierta funcin de transferencia sern considerados un filtro de cierto tipo.La respuesta en frecuencia de la amplitud viene dada por este grafico

En particular la funcin de transferencia de un filtro pasa bajo de primer orden corresponde a

Donde la constante es slo una ponderacin correspondiente a la ganancia del filtro, y la real importancia reside en la forma de la funcin de transferencia:

La cual determina el comportamiento del filtro. En la funcin de transferencia anterior corresponde a la frecuencia de corte propia del filtro, aquel valor de frecuencia para el cual la amplitud de la seal de entrada se atena 3 dB.De forma anloga al caso de primer orden, los filtros de pasa bajo de mayor orden tambin se caracterizan por su funcin de transferencia, por ejemplo la de un filtro paso bajo de segundo orden corresponde a:

Donde es la frecuencia natural del filtro y es el factor de amortiguamiento de este.

Filtro de ButterworthEl filtro de Butterworth es uno de los filtros electrnicos ms bsicos, diseado para producir la respuesta ms plana que sea posible hasta la frecuencia de corte. En otras palabras, la salida se mantiene constante casi hasta la frecuencia de corte, luego disminuye a razn de 20n dB por dcada (o 6n dB por octava), donde n es el nmero de polos del filtro.El filtro de Butterworth ms bsico es el tpico filtro paso bajo de primer orden, el cual puede ser modificado a un filtro pasa alto o aadir en serie otros formando un filtro pasa banda o elimina banda y filtros de mayores rdenes.Segn lo mencionado antes, la respuesta en frecuencia del filtro es mximamente plana (con las mnimas ondulaciones) en la banda pasante. Visto en un diagrama de Bode con escala logartmica, la respuesta decae linealmente desde la frecuencia de corte hacia menos infinito. Para un filtro de primer orden son -20 dB por dcada (aprox. -6dB por octava).

El filtro de Butterworth es el nico filtro que mantiene su forma para rdenes mayores (slo con una cada de ms pendiente a partir de la frecuencia de corte).Este tipo de filtros necesita un mayor orden para los mismos requerimientos en comparacin con otros, como los de Chebyshev o el elptico.PROCEDIMIENTO DE DISEO1. Seleccione la frecuencia de corte 2. Escoja C1, entre 100pF y 0.1uF3. Haga C2=10C14. R=0.707/(wc*C2)5. R2=20R11.- FILTRO PASA BAJO (fc=32 Hz)Seleccionamos la frecuencia de 32 Hz dada las normas entonces usamos el diseo de filtro pasabajos y tenemos los valores hallados y los valores comerciales en el diseo del circuito. Utilizaremos la calculadora, ms adelante se usar el Excel.

7 M Con el pre-amplificador quedara de la siguiente manera

Filtro Pasa BandasUn filtro paso banda es un tipo de filtro electrnico que deja pasar un determinado rango de frecuencias de una seal y atena el paso del resto.

ImplementacinUn circuito simple de este tipo de filtros es un circuito RLC (resistencia, bobina y condensador) en el que se deja pasar la frecuencia de resonancia, que sera la frecuencia central (fc) y las componentes frecuenciales prximas a sta, en el diagrama hasta f1 y f2. No obstante, bastara con una simple red resonante LC.Otra forma de construir un filtro paso banda puede ser usar un filtro paso bajo en serie con un filtro paso alto entre los que hay un rango de frecuencias que ambos dejan pasar. Para ello, es importante tener en cuenta que la frecuencia de corte del paso bajo sea mayor que la del paso alto, a fin de que la respuesta global sea paso banda (esto es, que haya solapamiento entre ambas respuestas en frecuencia).Un filtro ideal sera el que tiene unas bandas pasante y de corte totalmente planas y unas zonas de transicin entre ambas nulas, pero en la prctica esto nunca se consigue, siendo normalmente ms parecido al ideal cuando mayor sea el orden del filtro, para medir cuanto de "bueno" es un filtro se puede emplear el denominado factor Q. En filtros de rdenes altos suele aparecer un rizado en las zonas de transicin conocido como efecto Gibbs.Un filtro paso banda ms avanzado sera los de frecuencia mvil, en los que se pueden variar algunos parmetros frecuenciales, un ejemplo es el circuito anterior RLC en el que se sustituye el condensador por un diodo varicap o varactor, que acta como condensador variable y, por lo tanto, puede variar su frecuencia central.Realmente resulta realmente complicado construir un filtro paso banda ideal (y, en general, filtros de respuesta ideal) en el mundo analgico, esto es, a base de componentes pasivos como inductancias, condensadores o resistores, y activos como operacionales o simples transistores. Sin embargo, si nos trasladamos al procesado digital de seales, resulta sorprendente ver cmo podemos construir respuestas en frecuencia prcticamente ideales, ya que en procesado digital de seal manejamos realmente vectores con valores numricos (que son seales discretas en el tiempo), en lugar de seales continuas en el tiempo. Todo ello, no obstante, tiene una limitacin importante: cuanto mayor precisin se requiera, mayor frecuencia de muestreo necesitaremos, y ello directamente implica un consumo de RAM y CPU superiores. Por ello, al menos con la tecnologa de la que hoy da disponemos, resultara inviable implementar filtros digitales ideales para radiofrecuencia, aunque en procesado de audio digital s es posible, dado que el rango de frecuencias que ocupa no supera los 20 kHz.Entonces resumimos las frmulas para filtros pasa bandas de la siguiente manera: Ahora usaremos el Excel para obtener los resultados de los siguientes 9 filtros.fcifcsCf0w0BWQ0K