Фаза B (занятия 7–14): Аналоговый фронтенд для пьезодатчика
Стадия Такмана: шторм — здесь впервые «ничего не работает как в книжке»: гул 50 Гц, наводки от руки, утечки макетки. Роль наставника по SSDL: мотиватор — нормализует неудачи («гул ловят все, включая инженеров Fishman»), удерживает рамку «каждая проблема — будущий слайд защиты», но уже не ведёт за руку по каждому шагу.
Занятие 7. Пьезоэффект. LDT0-028K как источник заряда
Цель занятия: обучающийся объясняет (расчётом), почему пьезоплёнку нельзя включить в обычный микрофонный вход.
Разминка-вспоминание
- Делитель под нагрузкой — что происходит и почему? 2) Что такое внутреннее сопротивление источника? 3) Ёмкость — что накапливает?
Разбор (worked example)
Модель датчика: источник заряда + конденсатор C ≈ 480 пФ. Вход усилителя с сопротивлением R образует ФВЧ: f = 1/(2πRC).
| Rвх | f среза | Судьба ноты C2 = 65,4 Гц |
|---|---|---|
| 10 кОм (типовой мик. вход) | ≈ 33 кГц | звука нет вообще |
| 1 МОм (гитарный вход) | ≈ 332 Гц | бас срезан полностью |
| 10 МОм | ≈ 33 Гц | проходит, фазовый сдвиг у самого низа |
| 100 МОм | ≈ 3,3 Гц | запас; но растут наводки |
Расчёт проговаривается по шагам, ученик повторяет для «своего» R.
Практика
Наблюдение сигнала
Датчик → осциллограф (вход 1 МОм): щипок плёнки. Оцените амплитуду пика при резком ударе (аналог пиццикато) — фиксируем: единицы–десятки вольт!
Эксперимент с импедансом
Параллельно датчику — резистор 10 кОм, затем 1 МОм: как меняется «длительность» отклика на медленный изгиб? Свяжите с таблицей выше.
Расчёт для проекта
Посчитайте f среза для Rвх = 4,7 МОм и 22 МОм; решите, какой минимум нужен виолончели (C2), а какой — с запасом на фазу.
Типичные ошибки
- «Пьезо — это микрофон» — включение в низкоомный вход и вывод «датчик плохой». 2) Путают вольты пика и рабочий сигнал: средний уровень при игре — сотни мВ, пики — вольты и выше. 3) Держат плату датчика пальцами за выводы — наводка 50 Гц больше сигнала.
Мини-проверка выхода
Письменно, без подглядывания: почему для LDT0-028K нужен вход ≥ 10 МОм (формула + подстановка + вывод про C2).
Занятие 8. Операционный усилитель. Буфер-повторитель
Цель занятия: обучающийся собирает работающий буфер-повторитель на rail-to-rail ОУ.
Разминка-вспоминание
- f = 1/(2πRC): посчитайте для R = 10 МОм, C = 480 пФ. 2) Почему нельзя пальцами за высокоомный узел? 3) Внутреннее сопротивление идеального вольтметра?
Разбор (worked example)
Полностью разобранная схема буфера на MCP6022 (или OPA1671/TLV2372) от однополярного 5 В — каждый элемент объяснён:
- вход неинвертирующий; выход соединён с инвертирующим входом (ООС, Ku = 1);
- Rвх ОУ — гигаомы (CMOS-вход), поэтому импеданс узла задаём мы своими резисторами;
- разделительный конденсатор 100 нФ плёночный на входе — зачем (отделить bias от датчика);
- выходной разделительный 1–10 мкФ — на низкоомный следующий каскад.
Практика
Симуляция (LTspice)
Соберите буфер в симуляторе, подайте синус 100 мВ 65 Гц через модель датчика (источник + 480 пФ). Убедитесь: с Rвх 10 МОм сигнал проходит, с 100 кОм — нет.
Макет
Соберите буфер на макетной плате, питание 5 В. Пока без датчика: подайте сигнал с делителя от генератора (или ШИМ+RC с BlackPill), проверьте Ku = 1.
Подключите датчик
Через резистор 100 кОм последовательно (временная защита). Послушайте выход через NS4150B-усилитель модуля кодека на маленький динамик.
Типичные ошибки
- Перепутаны инвертирующий/неинвертирующий входы — ОУ уходит в упор. 2) Нет блокировочного конденсатора 100 нФ по питанию ОУ — возбуждение. 3) Ожидание «усиления»: буфер не усиливает, он согласует импедансы — проговорить, зачем он тогда нужен.
Мини-проверка выхода
Буфер собран, Ku = 1 подтверждён измерением, ученик объясняет назначение каждого из 5 элементов схемы.
Занятие 9. Смещение (bias) от однополярного питания
Цель занятия: обучающийся рассчитывает и собирает цепь смещения и подтверждает рабочую точку измерением.
Разминка-вспоминание
- Делитель 5 В → 2,5 В — номиналы? 2) Что случится с делителем 1 кОм/1 кОм, если нагрузить его 10 МОм? А наоборот? 3) Зачем разделительный конденсатор? (Интервальный возврат: делитель из занятия 2 встречает высокоомные цепи.)
Разбор (worked example)
Сигнал переменный, питание однополярное → неинвертирующий вход надо «подвесить» на ½ питания: делитель 2×10 МОм + конденсатор 1 мкФ с средней точки на землю (фильтр шума питания; f = 1/(2π·5 МОм·1 мкФ) ≈ 0,03 Гц). Ключевое: эти же 10 МОм‖10 МОм = 5 МОм становятся входным импедансом для датчика → пересчитываем f среза: ≈ 66 Гц — на границе C2! Решения: 2×22 МОм, или отдельный резистор 10 МОм на буферизованную виртуальную землю (второй ОУ в корпусе MCP6022 — вот зачем брали сдвоенный).
Практика
Соберите bias-вариант 1
2×10 МОм + 1 мкФ. Измерьте постоянку на выходе буфера: должно быть ½ питания ±5%.
Соберите вариант 2
Виртуальная земля на втором ОУ + одиночный 10 МОм на вход. Снова измерьте рабочую точку.
Сравните на слух и по осциллографу
Отклик на медленное нажатие датчика в обоих вариантах; зафиксируйте выбор для проекта письменно с обоснованием через f среза.
Типичные ошибки
- Меряют рабочую точку обычным щупом прямо на 10-МОм узле — сам вольтметр (10 МОм) сдвигает её; меряем на выходе ОУ. 2) Электролит вместо плёнки/керамики в сигнальной цепи «как попало» по полярности. 3) Забывают, что bias-резисторы вошли параллельно входному импедансу.
Мини-проверка выхода
Рабочая точка = ½ питания подтверждена; ученик объясняет, почему у варианта 1 f среза выше, чем «обещали» 10 МОм.
Занятие 10. АЧХ: расчёт → симуляция → измерение (рубеж-практикум «буфер»)
Цель занятия: обучающийся подтверждает расчётную частоту среза измерением (±20%) и объясняет расхождение.
Разминка-вспоминание
- f среза своей схемы — по памяти, с формулой. 2) Rвх варианта с 2×10 МОм? 3) Диапазон виолончели снизу?
Практика (само занятие — практикум-рубеж)
Расчёт на бланке
Полный расчёт АЧХ своего фронтенда с фактическими номиналами.
Симуляция
AC-анализ в LTspice, экспорт графика.
Измерение по точкам
Генератор (ШИМ+RC c BlackPill или звуковая карта) через эквивалент датчика (конденсатор 470 пФ!) → буфер → осциллограф/АЦП. Точки: 20, 33, 50, 65, 100, 200, 1000 Гц. Постройте график, найдите −3 дБ.
Сведение трёх кривых
Расчёт vs симуляция vs железо на одном графике; расхождения объясните (допуски, ёмкость макетки ~2–5 пФ на узел, утечки).
Мини-проверка выхода
Совпадение расчёта и измерения ±20%; протокол практикума подписан (контрольная точка цели 3).
Занятие 11. Защита входа от пиков фортиссимо
Цель занятия: обучающийся собирает защиту (100 кОм + BAT54S) и доказывает её работу осциллографом.
Разминка-вспоминание
- Какой пик даёт плёнка при ударе (из занятия 7)? 2) Максимально допустимое напряжение входа ОУ из даташита? 3) Что делает последовательный резистор при перегрузке?
Разбор (worked example)
Схема: датчик → R 100 кОм → узел входа, от узла два Шоттки BAT54S: анодом к земле, катодом к питанию. Логика: пик > Vdd+0,3 В открывает верхний диод, ток пика ограничен резистором: I = (50 − 5)/100k ≈ 0,45 мА — безопасно и для диода, и для шины. Обсуждаем: почему Шоттки (0,3 В против 0,7 В), почему не стабилитрон на самом входе (ёмкость и утечка стабилитрона портят высокоомный узел), и вторая пара диодов у входа кодека ES8311 — эшелонированная защита.
Практика
Соберите защиту
Добавьте в фронтенд; убедитесь, что обычный сигнал не искажается (послушайте, посмотрите синус).
Стресс-тест
Резкий удар по датчику (имитация пиццикато-фортиссимо) — осциллограф на узле входа: пик обрезан на уровне ≈ Vdd + 0,3 В.
До/после
Сохраните две осциллограммы (без защиты на делителе-имитаторе / с защитой) — в копилку защиты проекта.
Типичные ошибки
- Диоды «наоборот» — сигнал зарезан на 0,3 В и всё хрипит. 2) Защита после конденсатора связи, а не до ОУ — узел ОУ остался голым. 3) Слишком большой последовательный резистор (1 МОм) «для надёжности» — вместе с ёмкостью входа заваливает верха: считаем и это (f = 1/2πRC с C ~ 10 пФ ≈ 16 кГц — уже слышно!).
Мини-проверка выхода
Осциллограммы до/после; устный расчёт тока через диод при пике 50 В.
Занятие 12. Зарядовый усилитель — альтернативный фронтенд
Цель занятия: обучающийся собирает charge amp и делает обоснованный выбор схемы для проекта.
Разминка-вспоминание
- От чего зависит f среза буферного варианта? 2) Что добавляет к ёмкости датчика длинный кабель (~100 пФ/м)? 3) Как это сдвинет АЧХ?
Разбор (worked example)
Инвертирующий ОУ, датчик в виртуальную землю, в обратной связи Cf ‖ Rf. Усиление по заряду: Uвых = −Q/Cf; коэффициент относительно датчика = Cдатч/Cf (Cf = 470 пФ → ~1:1; 150 пФ → ×3). Нижняя граница: f = 1/(2πRfCf); Rf = 100 МОм, Cf = 470 пФ → 3,4 Гц. Главное свойство: ёмкость кабеля висит на виртуальной земле и на АЧХ не влияет — датчик можно выносить на кабеле к подставке виолончели.
Практика
Соберите charge amp
На втором канале MCP6022, bias — от готовой виртуальной земли занятия 9.
Сравнение А/Б
Один и тот же щипок датчика через буфер и через charge amp: НЧ-отклик, чувствительность к прикосновению к кабелю, фон.
Решение
Заполните сравнительную таблицу (НЧ, шум, наводки, чувствительность к кабелю, число деталей) и выберите фронтенд проекта письменно.
Типичные ошибки
- Нет Rf вообще — выход медленно уплывает в упор (интегратор без утечки). 2) Ожидание «больше мегаом Rf = лучше» без учёта шума и доступности номиналов. 3) Сравнение «на глаз» без одинакового возбуждения — договоритесь о стандартном щипке или используйте генератор через 470 пФ.
Мини-проверка выхода
Таблица сравнения заполнена; выбор обоснован двумя количественными аргументами.
Занятие 13. Экранировка и «сценический» монтаж
Цель занятия: обучающийся переносит фронтенд в экранированный корпус и снижает гул ≥ 20 дБ.
Разминка-вспоминание
Кумулятивно по фазе: f среза, назначение bias, ток через защитный диод, свойство charge amp.
Разбор (worked example)
Откуда гул 50 Гц: ёмкостная наводка сети на узел 10 МОм (антенна). Средства по порядку эффективности: металлический корпус на земле схемы → экранированный кабель (экран на землю с одной стороны) → короткие проводники высокоомного узла → охранное кольцо вокруг входного узла на плате → навесной монтаж входного резистора «в воздухе» на выводах ОУ.
Практика
Спаяйте фронтенд
Макетная плата под пайку; входной узел — навесным монтажом; ТБ пайки — ниже.
Корпус и кабель
Металлическая коробка (или пластиковая, оклеенная медным скотчем с пропайкой швов), разъём jack 6,3, экранированный кабель к датчику.
Измерение до/после
Уровень фона 50 Гц (спектр в REW/Audacity через звуковую карту) в трёх состояниях: макетка без экрана / пайка без корпуса / в корпусе. Зафиксируйте дельту в дБ.
Типичные ошибки
- Земляная петля: экран кабеля посажен на землю с обеих сторон — гул может вырасти. 2) Флюс не отмыт вокруг высокоомного узла — утечки, «плывёт» рабочая точка. 3) Датчик приклеен к столу скотчем «намертво» при тестах — плёнка должна изгибаться свободно.
Мини-проверка выхода
Спектры «до/после» с дельтой ≥ 20 дБ по 50 Гц; ученик называет 3 применённых средства экранировки и их вклад.
Занятие 14. Защита аналогового фронтенда (рубеж фазы B)
Цель занятия: обучающийся защищает фронтенд коротким докладом и закрывает дебаг-кейс без подсказок.
Разминка-вспоминание
Кумулятивный квиз фазы B (10 вопросов).
Формат рубежа
Доклад 5 минут
Схема фронтенда, обоснование каждого номинала, график АЧХ (3 кривые), осциллограммы защиты, спектры экранировки. Наставник — в роли члена жюри, 3 вопроса «почему именно так».
Дебаг-кейс «наведённый гул»
Наставник заранее вносит одну неисправность (снят экран с кабеля / оборвана земля корпуса / флюсовая дорожка). Задача: по систематике «наблюдение → гипотеза → проверка прибором → вывод» найти и устранить. Подсказки фиксируются (метрика SSDL).
Вердикт
Рубрика: АЧХ подтверждена / гул подавлен / кейс закрыт ≤ 30 мин. Все три пункта — переход в фазу C.
Мини-проверка выхода
Протокол рубежа; артефакты (графики, осциллограммы, фото монтажа) сложены в репозиторий проекта — это уже треть материалов будущей защиты.