техника

Про микрофоны

Чесал репу на предмет точного обнаружения источника звука в подвале. И решил, всё же, что, наверное, микрофоны и триангуляция наиболее применимы.

В качестве контроллера думаю взять старую-добрую ардуину. Во-первых, у неё есть аналоговые входы. У малины на гребёнке GPIO -- только цифровые, т.е. без дополнительного АЦП не едет.

Ну и что, что ардуина не умеет в частоту дискретизации более ~9 килогерц? Мне больше и не надо. Мне бы и половины этого хватило. Не Баха записываем, чай.

А вот с микрофонами получилось интересное и познавательное.

Вот лет 10-15 назад наиболее распространенным (потому что дёшево и относительно сердито) типом микрофона был электретный. А теперь электретные микрофоны -- это прошлый век. Они практически полностью были вытеснены микрофонами типа MEMS (Микроэлектромеханические системы, МЭМС). Если очень сильно упростить, это миниатюризированный конденсаторный микрофон. Именно такие микрофоны теперь ставят в айФоны, Нексусы и прочие ведроиды.

Что в них очень круто? Очень круто в этих микрофонах то, что они выполняются в-основном в крошечных корпусах под поверхностный монтаж, размером где-то 3x4mm и всего 1 миллиметр в толщину. При этом в этот корпус уже воткнут предусилитель, так что выходное сопротивление у этих микрофонов составляет всего 100-300 ом. Вот только не совсем понятно, какая там амплитуда, а то так можно было бы сразу в АЦП втыкать.

Но бывает даже круче -- есть микрофоны MEMS, в которых не то, что предусилитель встроен -- в них встроен АЦП!!! Так что ты получаешь сразу цифровой сигнал. При этом они не сильно дороже микрофонов с аналоговым выходом -- примерно, центов на 60 всего. Правда, там формат непривычный -- импульсно-плотностная модуляция. То-есть, частота единичек описывает амплитуду сигнала -- единичек и ноликов поровну -- сигнал нулевой. Больше ноликов -- сигнал отрицательный. Больше единичек -- положительный, и чем больше единичек, тем больше амплитуда. Частота этой модуляции составляет от 1 до 3 мегагерц, и таким образом, сигнал получается весьма и весьма высококачественный.

В ардуину, правда, такой не воткнёшь, не смогёт оно 3 мегагерца. Надо выделенную микросхему. Хотя по идее (по идее) сигнал с такой модуляцией, пущенный через RC фильтр, не станет ли аналоговым? Но тут уже, ИМХО, перемудривание.

Проще всего взять аналоговый такой микрофон, если надо -- подцепить примитивнейший усилитель на самом дешёвом операционном усилителе, и втыкать в микроконтроллер...

Но интересно как получилось с микрофонами. Вот это я понимаю -- техника дошла. Козявка 3x4 миллиметра -- а там и микрофон, и предусилитель, и сразу АЦП. Круто.
А чего удивляет? при текущей плотности упаковки и партии "от ста штук под вашу схему" на TSMC тужа можно хоть.. ну может не первый пень, но 486-й проц воткнуть.
До чего дошел прогресс. Микрофончики "характерной формы" я видел, но даже не задумывался что там внутри - думал, очередная разновидность электретных.

Но! Принципиальное отличие от электретных, если я правильно понял, всего одно - если в старых микрофонах электрическое поле создавалось магическим артефактом "электрет" (магическая сила которого ослабевала при перегреве, намокании, да и просто от времени), в новых - для создания поля на мембрану явным образом накачивается заряд, специальной схемой, поэтому потеря заряда некритична - утечет, накачаем нового. Принцип преобразования колебаний в электричество сохранился - мы просто имеем известный заряд на конденсаторе, и наблюдаем, как при изменении ёмкости колбасит (по формуле U=Q/C) напряжение, "усилитель" - по прежнему полевик с изолированным затвором, подключенным к одной из "обкладок". И даже "АЦП" - не совсем настоящий АЦП, а "дельта-сигма модулятор" - штука простая, "почти аналоговая", цель которой - не столько "преобразовать в цифру", сколько "преобразовать сигнал в форму, нечувствительную к помехам, чтобы донести его до Большой Микросхемы, которая уже превратит его в настоящую цифру".
Ну, и конечно - собственно конструкция: вместо сборки из разрозненных макроэлементов, теперь это делается по современным нанотехнологиям, "из цельного куска кремния". Но это технологическое решение, не принципиальное :-)

Но забавно, да. Теперь выковыренный из какого-нибудь убитого сотового микрофон может оказаться что так просто и не применишь :-)
Если я правильно понимаю, электретный и конденсаторный по сути своей работают одинаково, только у электретного заряд удерживается за счёт свойств материала. Но из-за того, что сигнал там маленький, ему требуется нянька в роли полевого транзистора.

В "больших" конденсаторных микрофонах (типа вот такого) сигнал намного мощнее, и няньки в виде транзистора не надо, но зато требуется фантомное питание (ЕМНИП, стандарт -- 48 вольт).

Вот как в MEMS -- точно не знаю, но полагаю, что там больше похоже на конденсаторный, чем на электретный. То-есть, как ты описал -- там есть фантомное питание.

Edited at 2016-10-10 07:21 pm (UTC)
Если я правильно понимаю терминологию, конденсаторный микрофон - всё то, что использует изменение ёмкости (считываться это изменение может разными методами - например, по изменению резонансной частоты контура, в который этот конденсатор включен), электретный - как следует из названия, :-) микрофон, использующий вполне конкретный артефакт "электрет", определяющий в том числе принцип преобразования ёмкости в полезный сигнал.

В этом смысле МЭМС-микрофон работает по тому же принципу, что и электретный (колебания заряженной мембраны создают изменение напряжения на затворе полевого транзистора), но у электретного есть "имя собственное", а МЭМС-микрофон такого имени не имеет (если не считать им словосочетание "МЭМС-микрофон"), и вынужден пользоваться "родовым" именем :-)