Подключение ICP (IEPE) микрофонов
Аббревиатура IEPE (Integrated Electronics Piezo-Electric) расшифровывается как интегрированная электроника пьезоэлектрическая. Датчики стандарта IEPE используются для измерения ускорения, силы, давления и ряда других физических величин. Измерительные микрофоны так же могут работать в стандарте IEPE. В свою очередь компании производящие датчики, предназначенные для измерения различных физических величин на базе стандарта IEPE разработали свои внутренние стандарты. Так появились стандарты DeltaTron, IsoTron, CCLD, ICP, которые, честно говоря, друг от друга мало чем отличаются. В дальнейшем я буду использовать аббревиатуру ICP, принятую компанией PCB Piezotronics, хотя название DeltaTron от компании Bruel&Kjaer сердцу моему милее, но ICP просто короче. Итак как же подключить микрофон ICP стандарта куда либо. Микрофоны стандарта ICP подключаются к источнику постоянного тока, работающему в диапазоне от 4 до 20 мА. Именно постоянного тока! Недаром же один из стандартов CCLD расшифровывается как Constant Current Line Drive и не надо его путать со стандартом, используемым в промышленных датчиках 4-20мА — это совсем другая песня. Практически каждая компания, работающая в области акустических и вибрационных измерений обязательно имеет в своей номенклатуре недорогие источники питания или кондиционирующие усилители для подключения ICP датчиков. Я не буду сейчас упоминать компании PCB, Endevco или Bruel&Kjaer, которые в силу нынешних обстоятельств причислены к продажным девкам империализма, но в качестве примера приведу продукцию вполне уважаемых китайских компаний.
Или вот еще:
В принципе ничего сложного в создании подобных усилителей нет. Вот я и решил попробовать изготовить самый простецкий блок питания, он же предварительный усилитель для подключения ICP микрофонов. Мудрить особо тут не приходится, нужен только источник постоянного тока, работающий в диапазоне от 4 до 20мА и блок, усиливающий входной сигнал. Получилось следующее.
Примитивненько, но эффективненько! Здесь диод D1 является источником тока 10мА для питания ICP микрофона. Почему выбран ток 10мА, да просто потому, что у меня были диоды Е103. Критерий выбора источника постоянного тока достаточно прост — чем больше ток, тем больше возможная длина микрофонного кабеля. При максимальных значениях тока кабели длиной в несколько сотен метров можно использовать без потери качества сигнала. Далее сигнал через разделительный конденсатор С1 поступает на операционный усилитель, включенный по схеме однополярного источника питания. Операционный усилитель использован не из самых дешевых типа OPA604. Выбор определялся необходимой шириной полосы пропускания и коэффициентом передачи усилителя. Например, ICP микрофоны калибра 1/4 дюйма работают в полосе частот от 6Гц до 100 кГц и при этом, подчас, имеют невысокую чувствительность порядка единиц милливольт на паскаль (вспоминаем, что 1Па соответствует уровню звукового давления в целых 94дБ). Усилитель имеет три фиксированных коэффициента усиления 1, 10, 100 и имеет ровную АЧХ в полосе частот от 10Гц до 125 кГц, что нам и требуется. Коэффициент усиления выбирается с помощью переключателя S1, он же используется для включения и выключения устройства. При использовании более низкочастотных микрофонов калибра 1/2 дюйма и имеющих чувствительность в десятки милливольт на паскаль можно использовать операционный усилитель попроще, да и от коэффициента усиления 100 тоже вполне можно отказаться. Питание устройства осуществляется от трех элементов 6F22 Крона. Источник питания напряжением в 27 вольт нам необходим для получения тока в 10 миллиампер на нагрузке, при этом на самом микрофоне падение напряжения составляет около 18 вольт. Можно было бы изготовить преобразователь напряжения для работы с более распространенными Li-Ion источниками питания, но при ширине полосы пропускания в 100кГц придется предпринимать отчаянные усилия по борьбе с помехами от преобразователя. На источнике опорного напряжения TL431 собран индикатор разряда батареи. При работе на длинную линию в схему желательно добавить дополнительный буферный каскад. Вместо диода E103 можно использовать источник тока на базе LM334. В этом случае схема будет выглядеть таким образом.
При заданных параметрах величина постоянного тока составляет 8мА. Печатные платы для этих устройств выглядят следующим образом.
На платах присутствует джампер не указанный на принципиальной схеме. Он предназначен для отключения источника тока в процессе снятия АЧХ и других полезных манипуляций. Усилитель собран в небольшом пластмассовом корпусе. После установки трех батарей Крона места там осталось совсем немного.
При проведении испытаний данной конструкции использовался микрофон 4189 с предусилителем 2671 производства компании Брюль и Къер и акустический калибратор типа CRY5611 производства компании CrySound.
Микрофон был установлен в слот калибратора и подключен к нашему устройству. Сигнал с выхода усилителя подавался на осциллограф HANTEK DSO2D15.
Включаем калибратор, устанавливаем в нашем усилителе коэффициент передачи равным единице и получаем следующую картину.
Результат вполне ожидаем. Уровень звукового давления, выдаваемый калибратором на частоте 1кГц равен 94дБ, что соответствует одному паскалю. Паспортная чувствительность микрофона с предусилителем — 50мВ/Па, что и имеем на экране осциллографа. Понятно, что с пятидесятью милливольтами оперировать как-то затруднительно, поэтому устанавливаем коэффициент усиления 10.
Пятьсот милливольт уже вполне можно подать на звуковую карту ПК или еще куда. Хотя для подключения к ПК лучше использовать конструкцию на базе микросхемы SSM2165, описанную в предыдущем посте. Принцип подключения ICP микрофонов вполне понятен, поэтому трудностей с созданием подобной конструкции не предвидится.