[Noise Detector] 회로 (1) : 증폭 회로 & 구성요소에 따른 파형

제 회로에 대한 지식은 회로도를 보고 신호의 흐름만 파악할 수 있는 정도이기 때문에 회로 관련 자료는 가볍게 참고만 했으면 좋겠습니다. 이론적인 부분을 현실에 최대한 구현하려고 노력했지만 많은 부분을 오실레이터를 사용하여 결과를 관찰하는 방법으로 구현했습니다.

 

참고로 툴은 이글을 사용했고 없는 부품은 라이브러리로 만든게 아니라 그림판으로 이름만 변경했습니다.

이글 툴은 이번에 처음 써봤는데 확대, 축소, 화면이동이 너무 불편해서 다시 쓸 일은 없을거 같네요.

 

부품

대부분의 부품은 모두 알리익스프레스에서 구매했습니다.무료배송에 가격도 저렴했기 때문입니다. 

LM358

저항

IRF9540N (P-ch MOSFET)

콘덴서 마이크

폴리에스터 필름 커패시터

3.7V 리튬 배터리

TP4056 충전 모듈

nRF51822 모듈

오실로스코프

 

참고로 오실로스코프는 4개 채널이 있는데 프로브는 기본으로 2개를 줍니다. 판매자에게 연락하면 추가금을 주고 프로브를 추가로 구매할 수 있습니다. 저도 2개를 추가구매 했는데 얼마주고 했는지는 기억 안나네요. 

제가 여기서 샀다는 것이지 절대로 위 제품들을 홍보하는 것이 아닙니다. 위 제품들을 구매해서 발생하는 문제에 대해 절대 책임지지 않습니다.

 

 

회로도

 

전원

LM358 전원은 피어에서 요청할 때만 ON시키기 위해 P채널 MOSFET인 IRF9540N과 nRF51822의 P0.08(14번 핀)에 의해 제어됩니다. 

P0.08은 내부 풀업 저항에 의해 풀업되어 VCC와 8번 핀을 차단하지만, 피어에게 Noise Detector ON 요청을 받으면 출력을 LOW로 변경하여 VCC와 8번 핀을 연결시킵니다.

 

증폭

이 자료(PDF)를 참고하여 반전 AC 증폭 방법을 사용했습니다. 위상이 180도 차이나지만 그렇게 실시간을 요구하는 시스템도 아니고, 고려해야될 것이 더 적었기 때문입니다.

하지만 참고 자료와 동일하게 C1과 C3를 동일한 값으로 설정했지만, 왜 그래야 하는지는 모르겠습니다. (메일이나 댓글로 알려주세요)

증폭률은 1MΩ(R5)과 1KΩ(R4) 저항을 사용하여 1000배(30dB)로 설정하였습니다. 이때 증폭에 사용된 R4는 마이크 신호에서 직류신호를 제거하기 위한 C1때문에 Active High Pass Filter(HPF)를 구성하게 됩니다. 이 HPF의 차단 주파수는 아래 그림과 같이 구할 수 있으며, 이 주파수 이상의 주파수만 필터를 통과할 수 있습니다. 증폭률이 높은 것도 중요하지만, 차단되는 주파수 대역이 많으면 증폭하는 의미가 없기때문에 둘 다 고려해야 합니다. 따라서 차단 주파수를 최대한 낮추기 위해 C1은 제가 가지고 있는 무극성 커패시터중 용량이 제일 큰 470nF를 사용했습니다.

 

바이어스

바이어스 전압은 R2와 R3에 의해 결정되며 이것은 반전 입력 단자에 입력이 없을 때 출력 단자에서 출력되는 전압입니다. 콘덴서 마이크에 외부 소음이 입력되면 콘덴서 마이크의 내부 커패시터는 마치 스프링처럼 왔다갔다 하면서 용량을 변화시키는데, 이 용량 번화에 의해 전압값이 변동합니다. 때문에 큰 신호를 받으면 용량이 커지고 작은 신호를 받으면 용량이 작아지는 것이 아니라, 큰 신호를 받으면 크게 늘어났다 더 많이 줄어들고, 작은 신호에 대해선 그 반대가 됩니다. 즉, 입력 신호는 바이어스 전압을 기준으로 동일한 폭으로 오르내립니다. 

nRF51822의 ADC는 음전압은 읽을 수 없음에도 바이어스 전압을 0이 아니게 설정한 이유는 R3를 없애고 R2에 1KΩ부터 10MΩ까지 달아서 실험해 봤지만, 이상하게도 소음에 제대로 반응하지 않는 출력 신호를 보여주었습니다. 그런데 바이어스 전압을 올려보니 제대로 작동하더라구요. 왜 그런지는 모르겠습니다. 스프링같은 콘덴서 마이크 특성때문인지..(메일이나 댓글로 알려주세요)

그래서 0V보다 약간 큰 전압으로 바이어스 시키고 바이어스 전압은 출력단에서 커패시터로 잡기로 결정하였습니다. 약간 큰 전압으로 바이어스 시킨 이유는 스프링같은 신호를 보여주는 콘덴서 마이크 신호는 위아래 동일한 폭으로 진동하고 출력 단자의 바이어스 전압은 C2 커패시터에 의해 제거되기 때문에, 바이어스 전압을 높히면 인식할 수 있는 전압의 범위가 줄어들기 때문입니다.

 

C2 = 470uF일 때 "마이크 테스트" 목소리에 대한 오실레이터 파형 : 안정화되는 시간이 더 오래 걸린다.

 

C2 = 33uF일 때 "마이크 테스트" 목소리에 대한" 오실레이터 파형

 

R2 = 1MΩ, R3 = 10Ω일 때 오실로스코프 파형 : 모든 소리에 아무런 반응 없음.

 

R2 = 1KΩ, R3 = 10Ω일 때 오실로스코프 파형 : 육성에 아무런 반응없지만, 매우 큰 충격이나 마이크에 대고 바람을 불때는 반응함.