Adattatori

 


Moltiplicatore di ingressi e uscite

Il Theremino Multiplexer è un commutatore ad otto posizioni, che accetta segnali analogici e digitali di qualunque tensione da 0 a 5 Volt. I segnali possono viaggiare nelle due direzioni, da una uscita del Master verso otto attuatori, oppure da otto sensori verso un singolo ingresso del Master.

Theremino Multiplexer

Alcuni esempi
– Collegare fino a otto Magnetometri a un singolo FastCounter.
– Collegare fino a otto Sensori a un singolo ingresso Adc16.
– Collegare fino a otto Relè a una singola uscita DigOut.

Caratteristiche
Il contatto chiuso è come un resistore molto basso (meno di 100 ohm). Il contatto aperto è come un resistore altissimo (circa 50 Mega ohm). Il consumo totale sulla alimentazione è di pochi micro Ampere. La corrente di perdita è inferiore a 100 nano Ampere. Il tempo di commutazione è inferiore ai 20 nS, il tempo di transito è di 12 nS e le capacità parassite sono di pochi pico Farad.

Sono caratteristiche simili a quelle di un commutatore meccanico, per cui si può usarlo fino a frequenze di 100 MHz e oltre.

Particolarità di questo adattatore
Prima di scegliere questo adattatore per le proprie applicazioni, fare attenzione che i sensori e gli attuatori potranno funzionare solo uno per volta. Inoltre per commutare da un canale all’altro ci vorrà un certo tempo (circa 50 mS per dare tempo all’HAL di eseguire con certezza la commutazione e anche un certo tempo, variabile a seconda dei sensori, per stabilizzare il segnale).

Quando lo si usa per moltiplicare le uscite (DigOut, Servo o Pwm), fare attenzione che le uscite non abilitate sono volanti. Quindi, in caso di attuatori con ingresso ad alta impedenza, per evitare attivazioni casuali, si dovranno aggiungere resistori da 10k verso massa ad ogni attuatore. I resistori non sono stati aggiunti al progetto di base, perché avrebbero impedito di leggere alcuni sensori.

Usare un 74HC4851 al posto del 74HC4051
Il classico 4051, che esiste da decine di anni, funziona benissimo ma, se possibile, sarebbe meglio usare un 4851, che ha una maggiore tolleranza ai disturbi sui canali non connessi (nel download del progetto ci sono i PDF di ambedue gli integrati). Ambedue gli integrati costano circa mezzo Euro e il 4851 è facilmente reperibile sia da Mouser che da Farnell, quindi l’unico motivo di usare il 4051 è di averne già qualcuno nei cassetti. Chi deve comprarli scelga decisamente il 4851.


Download del progetto
Il progetto del PCB è completamente a passo 2.54 mm. Costruirlo su una basetta mille fori è davvero facile. Si mettono i componenti da sopra, si gira la basetta e si usano piccoli fili singoli (ad esempio tagliati dai resistori), per effettuare i pochi collegamenti necessari.

Download del progetto completo del PCB in formato Eagle, file Gcode per la fresa e immagini 3D:
Theremino_Multiplexer

 


Adattatori da PWM a tensione variabile

Per pilotare i seguenti adattatori, si parte da un Pin configurato come Pwm8, Pwm16 o FastPwm.

I tipi Pwm8 e Pwm16 hanno un frequenza di commutazione fissa a 250 Hz e una precisione di circa una parte su 5000,

Il tipo FastPwm potrebbe essere regolato da 1 KHz fino a 20 KHz. Con 1 KHz la risoluzione è di una parte su 65000. Salendo di frequenza si diminuisce la risoluzione ma diminuisce anche il rumore residuo delle commutazioni. Il migliore compromesso tra risoluzione e rumore si ottiene con una frequenza di 15 Khz.


Da Pwm a 3.3 Volt

Theremino Pwm to Voltage
Con questo semplice circuito si ottiene una tensione di uscita variabile da 0 a 3.3 Volt, una tensione continua abbastanza stabile (meno di 100 mV di rumore residuo), e un tempo di risposta di una frazione di secondo.


Da FastPwm a 3.3 Volt

Theremino Fast Pwm to 0.3 Volt             Fast Pwm to 0.3 Volt

Generando il segnale con un Pin configurato come FastPwm e regolato per una frequenza di 15 kHz, si ottiene un residuo di rumore più basso. Dato che si parte da una frequenza più alta si può ridurre il condensatore di filtro a 1 uF e ottenere una risposta più rapida.


Da Pwm o FastPwm a 5 Volt

Theremino PWM to 5 Volt

Questa versione ha le stesse caratteristiche delle precedenti, ma la tensione di uscita varia da 0 a 5 Volt (invece di 3.3 Volt).

Per avere una risposta più rapida e un rumore residuo inferiore, si può usare una uscita di tipo FastPwm (con frequenza di 15 KHz) e diminuire C1 a 1 uF.

Theremino PWM to 5 VoltTheremino - PWM to 5 Volt
Il progetto del PCB è completamente a passo 2.54 mm. Costruirlo su una basetta mille fori (da 9 x 7 fori) è davvero facile. Si mettono i componenti da sopra, si gira e si usano gli stessi fili dei resistori, per effettuare i pochi collegamenti necessari.

Download del progetto in formato Eagle, file Gcode per la fresa, immagini 3D e simulazioni:
Adapter_PwmTo05 


Da PWM a 5 Volt, con basso rumore e risposta veloce

PwmToCv_V2_3D_Top
Per chi vuole il massimo delle prestazioni, ecco la versione più elaborata. Progettata per controllare i sintetizzatori Vintage, ha un residuo di rumore di pochi millivolt e velocità di risposta intorno al centesimo di secondo.

Il progetto completo di questa versione è nella pagina dedicata alla musica. Fare click su questo collegamento: Pwm to ControlVoltage

 


Adattatori per pilotare foto-accoppiatori

Alcuni dispositivi, ad esempio alcuni driver per motori stepper, hanno gli ingressi foto accoppiati. Normalmente questi foto accoppiatori funzionano bene pilotandoli con Pin configurati come Stepper o come DigOut. Ma in alcuni casi, a seconda del circuito interno dei driver, gli ingressi foto accoppiati possono non accontentarsi, della tensione e della corrente che gli inviamo. In questi casi potrebbero funzionare male o non funzionare proprio.

In tutti i casi è bene controllare, nelle caratteristiche del dispositivo, che possa funzionare con ingressi di 3.3 Volt e con 5 mA o meno. Nel caso che 3.3 Volt non bastino, oppure se si ha il dubbio di lavorare al limite della tensione o corrente necessari, si può interporre questo adattatore.

Theremino - Adapter for opto-couplersFare click sulla immagine per ingrandirla.

Attenzione che l’uscita di questo adattatore non è riferita a massa. Quindi la si deve collegare solo a dispositivi isolati (come sono i foto-accoppiatori). Si potrebbero anche pilotare piccoli relè o motori (sempre isolati da tutto) ma in tal caso si dovrebbe aggiungere un diodo di protezione, come in questo esempio.


Regolatore stabilizzato a 5 Volt

Alcuni sensori necessitano di una tensione di alimentazione molto stabile. A volte sono indicati come “ratiometric”, cioè con tensione di uscita che è una frazione (ratio), della tensione di alimentazione. Altri sensori, semplicemente, non sono stabilizzati internamente e generano un segnale meno rumoroso, se li si alimenta con tensione stabilizzata.

Il 5 Volt in arrivo dalla USB o da alimentatori esterni non è mai preciso. In alcuni casi varia anche del 10% (da 4.5 Volt fino a 5.5 Volt). Inoltre alcuni PC e Notebook forniscono un 5 Volt molto rumoroso, con rapide variazioni, anche di molte centinaia di millivolt.

In alcuni casi si potrebbe usare la tensione stabilizzata a 3.3 Volt, che è disponibile sul connettore ICSP dei moduli Master, Servo e CapSensor. Oppure si potrebbero usare i regolatori a 3.3 Volt o 4.2 Volt di questa pagina. Ma alcuni sensori vogliono proprio il 5 Volt.

Se i sensori sono molti, potrebbe essere utile interporre questo regolatore lungo la linea seriale che va dal Master agli Slave. Così si otterrebbe di stabilizzare in un colpo solo tutti i sensori e i moduli che si trovano a valle del regolatore. Stabilizzare i sensori collegati ai Pin del Master è un po’ più difficile (eventualmente leggere il data sheet del Master per individuare il punto dove si potrebbe interrompere il 5 Volt che va ai Pin).

Theremino USB voltage stabilizer schematics   Theremino USB voltage stabilizer

Questo adattatore genera il 5 Volt a partire dai 5 Volt instabili, provenienti della USB, La prima parte del circuito è uno Step-Up, di tipo Flyback, che genera circa 7 Volt. La seconda parte è un regolatore lineare che genera un 5 Volt ultra stabile, preciso e poco rumoroso.

Una caratteristica che molti apprezzeranno è di usare solo componenti comuni. La bobina può essere estratta dalle lampade fluorescenti e i resistori possono essere anche da 1/4 Watt (messi in piedi). E, con un po’ di attenzione, lo si può costruire anche su una basetta mille-fori.

La massima corrente di uscita è circa 100 mA, quindi si può usarlo per stabilizzare molti sensori contemporaneamente. Non tutti i sensori hanno bisogno di un 5 Volt ultra stabile, ma a volte può essere utile alimentare tutto attraverso un solo regolatore. In questi casi si devono fare le somme delle correnti parziali per verificare di stare nei 100 mA disponibili.


Le tabelle seguenti elencano il consumo dei principali sensori e moduli del sistema Theremino.

Moduli e sensori che necessitano del 5 Volt stabilizzato
HIH4000 (umidità): 0.5 mA
MPXA6115 (pressione): da 6 a 10 mA
Sensori FGM1 e FGM3 (geomagnetici): 12 mA
Sensori di campo magnetico (A1301 e A1302): 11 mA
Accelerometro triplo LIS344 (direttamente dal 5 Volt): 0.7 mA

Moduli e sensori che traggono minimi vantaggi dal 5 Volt stabilizzato
LM35 (temperatura): 0.1 mA
AD592 (temperatura da -25 a +105 gradi): 0.4 mA
Sonda ultravioletti (UVM30): 0.1 mA
PMT adapter (fotomoltiplicatori per raggi Gamma): da 10 a 30 mA

Moduli e sensori che devono essere alimentati a 3.3 Volt
Sonda ultravioletti (ML8511): 0.3 mA 

Moduli e sensori che non necessitano del 5 Volt stabilizzato
Sensori per fulmini e campi elettromagnetici: da 2.5 a 4 mA
Sensori per i dischetti piezoelettrici: 0.01 mA
Preamplificatore camera a ioni (versione 5): 8mA
Alimentatore 475 volt per le camere a ioni: da 10 a 20 mA
Accelerometro triplo LIS344 (collegato al triplo preamp.): 0.7 mA
Pre-amplificatore triplo per accelerometri: 2 mA
Pre-amplificatore “GeoPreamp” per i geofoni: 0.3 mA
Sensori per la spettrometria delle polveri: da 10 a 20 mA
Moduli con operazionale LMC6482: circa 1 mA
Madulo slave “Servo”: 10 mA
Modulo slave “CapSensor”: 12 mA
Modulo “Master”: 12 mA 


Download del progetto completo del PCB in formato Eagle, file Gcode per la fresa e immagini 3D:
Adapter_Stab5V_V1.2 


Regolatore stabilizzato a 5 Volt versione piccola

Questo adattatore è molto più piccolo del precedente. La tensione di uscita è molto precisa ma un po’ più rumorosa (niente paura… siamo sempre nella zona delle centinaia di micro Volt).

Si chiama Geomagnetic perché è stato sviluppato per i sensori FGM1 e FGM3, ma è utile anche per altri sensori, ad esempio i sensori di pressione atmosferica MPXH6115A e quelli di umidità HIH4000.

La tensione di alimentazione può variare da 3.5 a 5.5 Volt e l’uscita è di 5 Volt precisi. La aggiunta di un pre-regolatore a 3.3 Volt aumenta ulteriormente la stabilità alle variazioni della tensione di ingresso. Se il pre-regolatore non è necessario, basta eliminarlo, unendo C1 con C2 con un filo (in questo caso la tensione di ingresso potrà variare da 2 a 5.5 Volt). La corrente massima di uscita è intorno ai 150 mA, quindi uno solo di questi adattatori potrebbe alimentare molti sensori. Ad esempio una decina di FGM1 o FGM3, che consumano 12 mA l’uno.

Oltre a stabilizzare la tensione questo adattatore abbassa il segnale del sensore (solitamente da zero a 5 Volt), verso i valori di tensione adatti agli ingressi del sistema theremino (da zero a 3.3 Volt). Se questo adattamento non serve si elimina R2.

Download del progetto completo con PCB in formato Eagle, file Gcode per la fresa e immagini 3D:
GeomagneticAdapterV2


Regolatore stabilizzato a 3.3 Volt

Alcuni sensori, i potenziometri ad esempio, funzionano meglio se li si alimenta con una tensione stabilizzata di 3.3 Volt, altri sensori, come i sensori magnetici e gli Accelerometri, necessitano di una tensione da 3.3 Volt ben stabilizzata.

La tensione di 3.3 Volt è disponibile su tutti i moduli del sistema Theremino sul connettore ICSP. Per ottenere il minimo rumore possibile, o per esigenze di cablaggio, la tensione di 5 Volt può essere abbassata a 3.3 Volt e stabilizzata con un adattatore.

Ecco un adattatore semplice, poco costoso e piccolissimo che può essere usato con i cavetti standard maschio-femmina. Una versione di questo adattatore, senza connettori, può essere saldata lungo il cavo e coperta con un tubetto di guaina termo-restringente ottenendo un cablaggio piccolo e robusto.


In genere i costruttori consigliano di posizionare il condensatore (e quindi tutto l’adattatore) in prossimità del sensore per cui è bene tenere la parte di filo tra adattatore e sensore non più lunga di qualche centimetro. Per alcuni sensori viene consigliato un condensatore piuttosto alto (10 uF) in questo caso si potrebbe aumentare il C2 (usare sempre condensatori SMD ceramici che costano molto meno degli elettrolitici, hanno una bassa impedenza e sono molto piccoli – 0805 o 0603) In tutte le nostre prove, anche con i sensori più esigenti, abbiamo verificato che il C2 da 1 uF è sufficiente, perché aiutato dal regolatore che stabilizza bene la tensione anche a frequenze medio-alte. Il C1 si può sicuramente ridurre a 100 nF e probabilmente lo ridurremo nelle prossime versioni per diminuire la capacità totale sulla linea USB che è data per un massimo di 4.7 uF.

Download del progetto completo del PCB in formato Eagle, file Gcode per la fresa e immagini 3D:
Adapter_Stab


Regolatore stabilizzato a 4.2 Volt

Alcuni sensori, ad esempio gli HIH4000 e HIH4030, possono venire alimentati con 4.2 Volt stabilizzati e fornire una escursione di uscita da 0 a 3.3 Volt. In questi casi si evita di dover aggiungere il partitore (da 5 a 3,3) o il resistore di limitazione (solitamente da 33k).

Non è possibile usare i regolatore classici (ad esempio gli LM317) perché hanno una caduta di tensione minima di quasi 2 Volt. Si devono per forza usare regolatori di tipo LDO. Attualmente (2014) i migliori LDO sono quelli della serie AP2125.

Il regolatore AP2125N-4.2TRG1, produce una tensione di 4.2 Volt molto stabile e poco rumorosa. La piedinatura è la stessa degli MCP1700, per cui si possono usare gli stessi schemi della sezione precedente.

   

Lo AP2125N-4.2TRG1 è anche molto economico:
Codice Mouser:  621-AP2125N-4.2TRG1
Package: SOT-23-3
MarkingID: GJ3
Price (approx): 0.3 Euro

Esiste anche la versione da 3.3 Volt che può sostituire gli MCP1700. Stessa piedinatura ma costo minore e migliori caratteristiche di stabilizzazione e rumore.
Codice Mouser:  AP2125N-3.3TRG1
Package: SOT-23-3
MarkingID: GJ7
Price (approx): 0.3 Euro

Qui si scarica il data sheet di tutta la serie di AP2125N, da 1.8 Volt a 4.2 Volt
http://www.mouser.com/ds/2/115/AP2125-271646.pdf

Download del progetto completo del PCB in formato Eagle, file Gcode per la fresa e immagini 3D:
Adapter_Stab

 

Adattatore di alimentazione

Quando si supera la corrente massima della porta USB (500 mA) si possono verificare errori di trasmissione, distacchi della linea USB e messaggi di errore da parte del PC.

Anche se il consumo medio è abbastanza basso può accadere di superare la corrente massima durante lo spunto dei motori o in altre brevi occasioni. Inoltre alcuni PC sono molto sensibili anche a punte di consumo molto brevi e interrompono immediatamente l’alimentazione.

Si può tentare di aumentare la corrente massima prelevando la corrente da due porte USB con un cavo apposito ma solitamente l’unica vera soluzione è interrompere la linea di alimentazione nel punto più opportuno e inserire un alimentatore esterno con questo adattatore.


 
 
 

L’alimentatore esterno solitamente sarà da 5 Volt 2A e fino a 5 Ampere in alcuni casi. Se necessita una corrente maggiore (fino a 10 o 20 ampere) non si possono più usare i cavetti standard ma devono usare piattine trifilari in silicone di buona qualità saldate direttamente oppure avvitate alla versione di adattatore con connettori a vite della pagina seguente.

Questi adattatori possono essere costruiti facilmente, anche senza circuito stampato, usando un piccolo ritaglio di basetta millefori.


Adattatore di alimentazione versione con connettori a vite

Per correnti superiori a 2 Ampere si deve usare questo adattatore con connettori a vite e cavi di grande diametro come specificato nella sezione “Cavi di connessione”

Fino a 5 Ampere usare cavi da 20 AWG (0.52 mmq)
Fino a 10 Ampere usare cavi da 16 AWG (1.3 mmq)

 
 

Questi adattatori si costruiscono facilmente, anche senza circuito stampato, usando un piccolo ritaglio di basetta millefori. 


Limitatore di corrente

Questi limitatori di corrente seguiti da un elettrolitico di grande capacità possono risolvere anche le situazioni più difficili senza dover aggiungere un alimentatore esterno. La limitazione è molto precisa, molto migliore di quella dei PTC normalmente usati nell’USB e in caso di corti circuiti l’uscita “si spegne”, e si “riaccende” automaticamente non appena si rimuove il corto (funzionamento a “foldback”).

Il limitatore deve essere interposto tra il +5 Volt che arriva dalla USB e la pista di alimentazione che va ai Pin.

Cambiando i valori dei resistori è possibile scegliere la corrente massima.

Il limitatore deve essere interposto tra il +5 Volt che arriva dalla USB e la pista di alimentazione che va ai Pin, si può fare sia sul Master sia sugli Slaves tagliando la pista che porta il +5Volt ai Pin e saldando tre fili.

Attenzione: Si deve limitare solo l’alimentazione dei Pin di In-Out, non la alimentazione dei processori. Non posizionate limitatori lungo la linea seriale.

E’ facilissimo costruire questa versione (non SMD) anche senza circuito stampato, usando un piccolo ritaglio di basetta millefori. Tutti i componenti sono a passo 2.54 mm (distanza tra i fori), quindi con gli stessi terminali dei resistori si fanno i collegamenti sul retro e in pochi minuti si finisce. 

Download del progetto Eagle, immagini in 3D e simulazioni LTSpice, del limitatore in versione ThruHole:  Adapter_Limiter


Limitatore di corrente versione SMD

Questi limitatori di corrente seguiti da un elettrolitico di grande capacità possono risolvere anche le situazioni più difficili senza dover aggiungere un alimentatore esterno. La limitazione è molto precisa, molto migliore di quella dei PTC normalmente usati nell’USB e in caso di corti circuiti l’uscita “si spegne”, e si “riaccende” automaticamente non appena si rimuove il corto (funzionamento a “foldback”)

Cambiando i valori dei resistori è possibile scegliere la corrente massima.

Il limitatore deve essere interposto tra il +5 Volt che arriva dalla USB e la pista di alimentazione che va ai Pin, si può fare sia sul Master sia sugli Slaves tagliando la pista che porta il +5Volt ai Pin e saldando tre fili.

Attenzione: Si deve limitare solo l’alimentazione dei Pin di In-Out, non la alimentazione dei processori. Non posizionate limitatori lungo la linea seriale.

Download del progetto Eagle, immagini in 3D e simulazioni LTSpice del limitatore in versione SMD: Adapter_LimiterSMD


Adattatore per macchine CNC

Attenzione: Questo adattatore serve per sostituire la Parallela con la USB, e non per far funzionare Mach3 o Linux CNC (a meno che qualcuno scriva i relativi Plug-In). Noi non li scriveremo, sia perché preferiamo la semplicità di Theremino CNC, sia perché non conosciamo abbastanza Mach3 e Linux CNC.

Attenzione: I segnali di ingresso in arrivo dalla CNC (switch di fondo corsa ed emergenza), devono essere da 0 a 3.3 Volt. Nel caso siano da 0 a 5 Volt allora si deve interporre un resistore in serie da 100k (vicino al Master). Oppure ridurre l’escursione con un partitore resistivo (18k in serie e poi 10k verso massa). I segnali di uscita non hanno bisogno di adattatori perché sono segnali TTL standard (eventualmente controllare che la CNC possa funzionare con segnali TTL (da 0 a 3 Volt). 

Theremino System - Adapter from USB to Parallel Port      Theremino System - Adapter from USB to Parallel Port

Qui si vedono le fasi preliminari della costruzione dell’adattatore (cliccare sulle immagini).

Servono qualche filo (piccolo e morbido), un connettore DB25 femmina, due piccole viti autofilettanti, tre connettori femmina a passo 2.54 (due da tre pin e uno da sei pin), un modulo Master (con firmware versione 3.2 o successive), e una piccola scatola in plastica.

La scatola di queste immagini è una Teko 10011 (dimensioni 90 x 56 x 23 mm), si può trovarla per 2 Euro, iva compresa, ad esempio da Webtronic. La sede per il connettore DB25, è un rettangolo largo 41 mm e alto 11 mm.

I fili non vanno saldati direttamente sul Master, ma sui connettori femmina. Usare solo connettori di buona qualità. I connettori buoni sono torniti e hanno i fori rotondi. I connettori con fori rettangolari non sono affidabili. Non fatevi ingannare dai venditori, che li vendono per Arduino. Le strisce di connettori con fori quadrati, fanno contatto per miracolo da nuove. Ma con il passare del tempo si ossidano, perdono l’elasticità e non fanno più contatto in modo affidabile.

Prima di iniziare il cablaggio, tutti i fili e i connettori, devono essere spellati e stagnati con cura, con buona lega di stagno, contenente piombo e disossidante.

Theremino System - Adapter from USB to Parallel Port

Ecco l’adattatore finito. In questo caso, oltre ai classici segnali per gli assi X, Y e Z, sono stati collegati due fili (di colore arancione), per il pulsante di arresto di emergenza, e per il controllo di velocità, del motore del mandrino.

       Theremino System - Adapter from USB to Parallel Port

Queste due immagini mostrano le connessioni (fare click per ingrandire).

I Pin del Master per gli assi X, Y e Z sono i seguenti:

1 = X (step)
2 = X (direction)
3 = Y (step)
4 = Y (direction)
5 = Z (step)
6 = Z (direction)

Importanti considerazioni:
– Sul Master, questa disposizione è fissa (non modificabile da software).
– I corrispondenti Pin della parallela, vanno da 2 a 7, e non da 1 a 6, come sul Master.

Un singolo Master oltre agli assi X, Y e Z, può controllare altri quattro segnali con i Pin 7, 8, 9 e 10. Questi segnali possono essere IN-OUT generici, oppure possono controllare altri due motori stepper (che in Theremino CNC sono chiamati A e B).

Qui si vede, dove si trovano i Pin da 1 a 10, sul Master:
http://www.theremino.com/technical/pin-types 

Qui si vede che i Pin 7, 8, 9 e 10, possono pilotare STEP e DIR di altri due motori stepper:
http://www.theremino.com/hardware/outputs/motors#drivers

Collegare i segnali speciali

I collegamenti speciali per il pulsante di emergenza, gli switch di fondo corsa, e il controllo della velocità del mandrino o della potenza del Laser, vanno studiati di volta in volta. Seguire i collegamenti, che vennero fatti per Mach3, la lista “Ports and Pins” di Mach3, e la documentazione di Theremino CNC.

Alcuni hardware di controllo dei motori stepper, oltre a fare il loro lavoro naturale (controllare i motori), si prendono la briga di controllare lo stato dei segnali su alcuni fili del connettore DB25 e di disabilitare i motori, nel caso non li trovassero di loro gradimento. I controller sono diversi tra loro e i segnali che vanno bene per uno potrebbero non piacere a un altro.

Parallel port - DB25 connections

I pin del connettore DB25 cui prestare particolare attenzione sono: 10, 11, 12, 13 e 15. Questi pin sono solitamente usati per i segnali di emergenza e fondo corsa. Se i motori non si muovono si consiglia di collegarli tutti e cinque a massa. Se questo non bastasse si dovranno collegare a massa anche i pin 1, 14, 16 e 17.

Se i motori non si muovessero, nemmeno con tutti i pin di controllo a massa, allora sarà necessario studiare lo schema e le caratteristiche dell’hardware di controllo dei motori. Si consiglia anche di controllare che i pin di STEP (2, 4, 6 etc…) si muovano realmente.


Adattatore per piccoli Laser

Mitsubishi laser ML501P73 Case and lens for laser diodes

Prima di presentare il Theremino LaserDriver parliamo un po’ dei diodi laser.

I diodi laser sviluppati per gli scrittori di DVD arrivano fino a mezzo watt e quelli per gli scrittori “BlueRay” arrivano quasi a 1 Watt (di potenza luminosa emessa). Concentrando il raggio, con apposite lenti, si possono incidere e tagliare piccoli spessori, di alcuni materiali (legno e plastica). I diodi laser devono essere pilotati con corrente, da 100 mA a 1 Ampere, a seconda del modello. I laser devono essere montati negli appositi cilindretti di alluminio, con lente regolabile, altrimenti scaldano troppo e si bruciano in pochi secondi.

Migliore è la qualità delle lenti e meglio si riuscirà a mettere a fuoco. Il puntino luminoso deve essere più piccolo possibile e si deve poter mantenere la lente abbastanza distante dal pezzo in lavorazione, per non sporcarla con il fumo (può essere utile un aspiratore).

I diodi laser sono molto delicati, basta poca corrente in più per bruciarli in un attimo. Si consiglia di non usarli oltre il 90% della loro massima corrente. Costa meno comprare subito un modello più potente, e tenerlo con corrente un po’ bassa, che  tirare per il collo quelli piccoli, e bruciarne due o tre.

Su eBay si trovano contenitori con lente (da 5 a 10 Euro), diodi rossi da 100 mW a 500 mW (da 8 a 40 Euro) e viola da 200 mW a 900 mW (da 10 a 60 Euro). Potenze inferiori ai 200 mW non servono a niente, non tagliano e non incidono.


Laser rossi (circa 650 nm)

Praticamente sono tutti prodotti da Mitsubishi. I modelli che si trovano su eBay sono:
ML101J25 – 100 mW – Circa 10 Euro
ML101J27 – 130 mW – Circa 12 Euro
ML101J29 – 200 mW – Circa 12 Euro
ML101U29 – 150 mW – Circa 12 Euro
ML501P73 – 500 mW – Da 35 a 70 Euro

Non fidatevi dei dati che si leggono sulle pagine dei venditori eBay, perché spesso sono esagerati e possono portarvi a bruciare il laser in breve tempo. Uno dei trucchi più comuni è scrivere la potenza impulsiva al posto di quella continua. Abbiamo raccolto qui i data-sheet di tutti i laser che si trovano comunemente su eBay:
ML101J25 (658nm 100mW 150mA)
ML101J27 (660nm 130mW 200mA)
ML101J29  (658nm 200mW 280mA)
ML101U29 (660nm 150mW 200mA)
ML501P73 (638nm 500mW 600mA)


Laser viola (circa 405 nm)

Su eBay si trovano due modelli, tutti e due smontati dagli scrittori di BlueRay:

S06J – 700mW – Circa 30 Euro il solo diodo. Cui si dovranno aggiungere circa 10..20 Euro per il contenitore e le lenti.

BDR-209 – 900mW – Circa 40 Euro il solo diodo e fino a 60..80 Euro, già montati nel contenitore in rame e con lente in vetro “three element 405 AR coated glass lens”, che ha un rendimento maggiore delle lenti G-2 (circa 50 mW in più).

I data-sheet del laser viola non si trovano per cui riportiamo i dati principali, necessari per mettere a punto il Laser Driver:

S06J – Massima corrente consigliata 450 mA. A questa corrente la potenza di uscita è circa 700 mW e la tensione è circa 6 Volt.

BDR-209 – Massima corrente consigliata 600 mA. A questa corrente la potenza di uscita è circa 950 mW e la tensione è circa 6.5 Volt. Questo è il diodo più potente che si riesce ad avere a prezzi ragionevoli. Con le lenti buone e tirandolo un po’ per il collo si supera abbondantemente il Watt.

BDR-209 1watt burning laser

Grafico della tensione e della potenza del laser BDR-209 (fare click per ingrandire)


Laser blu (circa 445 nm)

Su eBay si trovano anche i laser blu, che sono molto potenti e costano anche poco. Ad esempio si può trovare il tipo M140, da 2 Watt, per soli 38 Euro. Ma non comprateli, hanno il raggio di luce più largo (0.5 mm contro 0.1 mm) per cui, anche se molto potenti, incidono meno di quelli viola.

Un secondo difetto dei laser blu è di essere poco efficienti (poco più di un milli-Watt di luce per ogni milli-Ampere di consumo). Per cui si deve pilotarli con oltre un Ampere e mezzo (contro i 500 mA dei laser viola) e diventa molto più difficile raffreddare il transistor di potenza e il resistore R4 del Laser Driver.


Pericolosità dei laser

I diodi laser rossi sono relativamente sicuri perché l’occhio umano li vede e reagisce, chiudendosi come per la luce comune. Guardarli è pericoloso come guardare il sole, basta fare un po’ attenzione, non puntarli mai negli occhi e abbassare la corrente, quando si guarda il puntino per mettere a fuoco la lente.

Con i laser verdi e blu e viola si devono usare maggiori precauzioni. E potrebbe essere una buona idea usare sempre gli appositi occhiali.

Theremino System -– MA ATTENZIONE –
I laser infrarossi (circa 800 nm), sono pericolosissimi!!! Non comprateli!!! La luce infrarossa è invisibile, per cui le normali reazioni di difesa dell’occhio non funzionano. C’è veramente il pericolo di causare gravi danni alla vista.


Lavorazioni possibili

Una fresa CNC equipaggiata con diodo laser viola da 500 o 700 mW, può anche tagliare alcuni materiali (legno sottile, balsa, plastica sottile, carta…) ma per tagliare davvero ci vorrebbero decine di Watt. Le lavorazioni più adatte a questi piccoli laser sono le incisioni nel legno. Con le applicazioni Theremino ImgToGcode e Theremino CNC si possono anche trasformare le fotografie in GCode e fare splendide incisioni.

Theremino CNC - Wood Engraving

Questa immagine è solo un esempio (trovato in rete), di quel che si può fare. Ma le possibilità sono davvero infinite!

Per le immagini (o fotografie) la punta deve fare una scansione a righe parallele e ci vuole molto tempo, a volte anche delle ore. Ma fortunatamente incidere scritte e piccoli disegni è una operazione velocissima.

Theremino CNC Wood Engraving

Con un laser da qualche centinaio di milli-watt, si scrivono brevi frasi in poche decine di secondi.  



Il Laser Driver

Theremino Laser Driver     Theremino Laser Driver PCB

L’adattatore “LaserDriver” può pilotare diodi laser da 100 mW fino a 1 Watt. La massima corrente si imposta con un resistore e potrebbe anche essere maggiore di 1 Ampere. Quindi se in futuro diventassero reperibili diodi laser più potenti, si potrebbe arrivare anche a 3 Watt e oltre (di potenza luminosa!).

Collegando l’adattatore a un Pin di tipo PWM si può regolare la corrente da zero al massimo. Abbassare la corrente serve per incidere con minore energia, ma anche per poter guardare il puntino mentre si regola la lente.

Con questo adattatore la applicazione Theremino CNC può spegnere e accendere il laser e regolare la sua potenza in pochi millisecondi. Si possono quindi scrivere dei GCode per incidere disegni e scritte nel legno. E si possono anche tagliare alcuni materiali (solo materiali sottili e niente metalli).

Evitare di friggere il diodo laser

I diodi laser sono delicatissimi e sensibili alle cariche statiche. Vanno collegati stabilmente al diodo D1 e al condensatore C2, che li proteggono. E vanno collegati PRIMA DI DARE TENSIONE. Se li si scollega anche solo per un attimo, appena li si ricollega si bruciano in un microsecondo e sono da buttare. Questo accade perché scollegando il laser, la tensione su C2 sale fino a cinque volt e oltre. Poi, appena lo si ricollega, il C3 gli scarica sopra la sua tensione, supera la corrente sopportabile e lo brucia all’istante.

Quindi, PRIMA DI COLLEGARE IL LASER, spegnere l’alimentatore e scollegare la USB. Poi attendere almeno un minuto che C2 si scarichi. O meglio ancora, mettere in corto le due uscite Laser+ e Laser- per scaricare C2.

Si deve anche fare molta attenzione ai collegamenti dei due fili che vanno al laser. Basta un falso contatto ad alimentatore acceso (un attimo di tocca non tocca) e il diodo laser è fritto.

Potrebbe essere una buona idea, non montare D1 e C2 sullo stampato del Laser Driver, ma montarli stabilmente, lungo i due fili che vanno al laser. In questo modo il diodo avrebbe i componenti di protezione, saldati ai suoi stessi fili e il rischio di fare errori, si ridurrebbe di molto.

Impostare una corrente massima adeguata

La corrente massima si imposta con R4 che si calcola approssimativamente con la seguente formula:
Resistenza (ohm) = 1600 / Corrente (mA)

Conviene sempre provare, con un tester al posto del laser, se la corrente massima è giusta. Ricordarsi SEMPRE di spegnere tutto e scaricare C2, prima di ricollegare il laser. Si sbaglia una sola volta e il laser è fritto.

Se si vuole raffinare la corrente massima si collega un resistore del valore standard, appena superiore al necessario. E gli si salda in parallelo, un resistore di valore più alto (solitamente dai 100 ai 1000 ohm), fino a raggiungere la giusta corrente. Il resistore in parallelo, essendo di alta resistenza, dissipa poco e quindi può essere un normale resistore da 1/4 di Watt.

Temperatura di T2 e di R4

Per tenere freddo T2, si usa un dissipatore di alluminio, per R4 si usa un resistore di potenza adeguata. Nessuno dei due deve arrivare a scottare le dita. Se scaldano troppo, si aumenta l’area del dissipatore e si cambia R4, con un resistore di maggiore potenza.

Con i laser rossi, fino a 200 mA, e con alimentatore da 5 Volt, il calore da dissipare è minimo. Il transistor resta quasi freddo e per R4 può bastare un resistore da 1 Watt.

Quando si lavora con molta corrente, potrebbe essere una buona idea, non montare R4 sul circuito stampato, ma usare una resistenza rettangolare, collegata con due fili e fissata a qualche parte metallica della macchina.

Tensione di alimentazione

Per far scaldare meno il transistor, non si deve esagerare con la tensione “Laser Supply”. La tensione giusta è la massima tensione richiesta dal laser più due Volt. Quindi per i laser rossi, si userà sempre un cinque Volt e per quelli viola, otto o nove Volt.

Con 12 Volt, il transistor scalda molto di più e si aumenta il rischio di bruciare il laser. Ricordarsi sempre che al minimo errore il laser è defunto. Con la giusta tensione di alimentazione potrebbe anche tollerare errori di qualche secondo, ma con 12 Volt frigge in un micro-secondo!


Download del progetto completo, con PCB Eagle, immagini in 3D e simulazione LTSpice:
Adapter_LaserDriver

 


Doppler Sensor

Microwave Sensor Doppler    Theremino Microwave Doppler Sensor

Questo adattatore si applica sul retro dei moduli doppler a microonde HB100. I moduli HB100 si trovano su eBay per meno di 6 Euro, spediti da Europa in pochi giorni, e con spedizione gratuita. Per le caratteristiche e le dimensioni leggere questo Datasheet e questo Application-Notes.

Il nostro adattatore amplifica il segnale di ben 80 dB (diecimila volte) e permette di misurare la velocità di oggetti distanti, fino a qualche decina di metri. Abbinandolo alla applicazione Theremino DopplerMeter si fanno misure di velocità molto precise.

Predisposizione del guadagno

Questo sensore può essere utilizzato per molti usi: dagli antifurti, alla rivelazione di presenza di persone o animali, per accendere le luci, aprire porte e scattare fotografie. Oppure si può misurare la velocità di uccelli, droni, aeromodelli e automobili. Ma anche la velocità di caduta e il diametro delle gocce di pioggia e della grandine, o la densità dei fiocchi di neve.

Alcune di queste applicazioni lavorano con oggetti piccoli a grande distanza, altre con oggetti grandi e vicini. Inoltre il sensore fornisce segnali più forti per oggetti che si muovono lentamente, che per quelli veloci. Non è quindi possibile ottimizzare il pre-amplificatore per tutti gli usi.

Una prima approssimazione potrebbe essere di regolare il guadagno abbastanza basso, cioè a trenta decibel per tutte le frequenze (vedere le note nello schema elettrico).

Microwave Doppler Meter SaturationPoi si potrebbe alzare il guadagno cercando la combinazione di componenti più adatta agli oggetti da misurare. In pratica si deve ottenere un buon segnale, sia per gli oggetti lenti che per quelli veloci, ma senza arrivare alla saturazione.

Nel funzionamento normale si dovrebbe stare sotto al Volt picco-picco, in modo da avere un buon margine prima della saturazione, che avviene a due Volt picco-picco. La saturazione è segnalata da un messaggio nella parte alta dell’oscilloscopio.

Microwave Doppler Meter SaturationSe si lavora nella zona di saturazione appaiono molte righe a velocità multiple di quelle reali e questo confonde le misurazioni.

Il guadagno massimo (80 decibel a tutte le frequenze) è adatto per antifurti e rivelatori di presenza, che non misurano la velocità e quindi possono anche saturare. Questa regolazione satura molto facilmente ed è adatta solo per misurare le velocità di oggetti piccoli e lontani.

Il guadagno minimo (30 decibel a tutte le frequenze) può misurare la velocità di oggetti abbastanza vicini senza saturare, ma potrebbe avere una sensibilità insufficiente per oggetti piccoli e lontani.

Le regolazioni con guadagno maggiore alle alte frequenze (alte velocità), sono adatte per misurare la velocità di oggetti veloci, senza saturare facilmente con gli oggetti lenti.

Microwave Doppler Meter   Microwave Doppler Meter

L’oscilloscopio e l’indicatore di saturazione aiutano a scegliere la migliore regolazione del guadagno per la propria applicazione.

I componenti che stabiliscono il guadagno

Modificando due resistori e due condensatori (C3, R3, C5, R5), si ottengono tutte le combinazioni possibili di guadagno e le variazioni di guadagno per le velocità basse e alte. Vedere le note nello schema elettrico.

Doppler Meter Trimming

Durante le prove è bene saldare i resistori e i condensatori a quattro fili che spuntano dai fori, per poterli sostituire ripetutamente, senza rovinare il circuito stampato.

In questa immagine si vedono due resistori da 33k e due condensatori da 10 uF. I condensatori non si vedono perché non sono elettrolitici a barilotto, ma piccoli SMD saldati sul lato inferiore.

I due condensatori gialli da 100 nF sono solo saldati da un lato e pronti per provarli, ma attualmente non collegati.

Una volta stabiliti i valori di componenti più adatti, si dissaldano i fili di prova e si saldano i componenti definitivi nei fori dello stampato. Gli stessi valori andranno bene per tutte le applicazioni simili.

Costruzione meccanica

I moduli radar HB100 si trovano su eBay per meno di 6 Euro, spediti da Europa in pochi giorni, e con spedizione Gratuita. Per le caratteristiche e le dimensioni dei moduli HB100 leggere questo Datasheet e questo Application-Notes.

Microwave Sensor Doppler

Come si vede in questa immagine, si deve tagliare un pezzo di plastica trasparente, con quattro ali laterali ripiegate verso il basso. Poi si posiziona la plastica sul rettangolo di alluminio per isolarlo. E infine si saldano i quattro fili del pre-amplificatore, ai quattro lati del sensore, attenzione a non collegarli al contrario.

Collegamento al PC

I tre fili di uscita (Gnd / +5V / Signal), vanno collegati a una scheda audio USB, modificata per fornire la alimentazione a 5 Volt. Il collegamento USB non può essere molto lungo (massimo 5 metri) quindi la scheda audio deve per forza stare vicina al PC. Invece il cavo che va dal sensore alla scheda audio può essere lungo a piacere, anche centinaia di metri.

Se il cavo è corto (meno di un metro), allora si può usare un cavo a tre fili non schermato. Invece per collegamenti lunghi è bene usare un buon cavo schermato, possibilmente cavo microfonico abbastanza grande e con la cordina antistrappo. Il cavo schermato dovrebbe avere due fili interni, solitamente uno bianco (per il segnale), e uno rosso (per la tensione di alimentazione).

La scheda audio modificata

AudioCard WithLimiter

La modifica è la stessa che si fa per il PMT Adapter, ma il limitatore deve poter dare più corrente, quindi si usano i componenti da 150 mA (R1 = 4.7k / R2 = 22k / R3 = R4 = 1 mega) e non quelli da 80 mA che si usano normalmente per i PMT Adapter.

Qui c’è il progetto del limitatore di corrente per la scheda audio:
http://www.theremino.com/hardware/adapters#limitersmd

E in questi file (a pagina 24) è spiegato come modificare la scheda audio:
 PmtAdapters_ITA
 PmtAdapters_ENG
 PmtAdapters_JAP

Regolazione dell’ingresso audio nel PC

Nella applicazione Theremino Doppler Meter scegliere l’ingresso del microfono USB e controllare, muovendo una mano davanti al sensore, di aver scelto l’ingresso giusto.

  • Premere il pulsante “Audio inputs” (deve aprirsi il pannello “Audio” / “Registrazione”)
  • Selezionare il microfono giusto (si vede la sua barretta verde muoversi quando si muove la mano)
  • Premere “Proprietà”
  • Scegliere la linguetta “Livelli” e mettere il regolatore al massimo (valore = 100)
  • Scegliere la linguetta “Personalizza” e disabilitare l’opzione “AGC”

Apparecchi di test

Per provare il buon funzionamento di questo sensore si possono usare due semplici apparecchi di prova.

Diapason 125 Hz - Olivetti telescriventiQui si vede un diapason da 105 Hz che si usava negli anni 60, per tarare la velocità del motore delle telescriventi olivetti. Con un sensore da 10.525 GHz, questo diapason produce una riga ben definita alla velocità di 6.3 Km/h. Con un diapason a 440 Hz, del tipo per accordare gli strumenti musicali si otterrebbe una riga alla velocità di 22.3 Km/h.

Microwave radar doppler - TesterQuesto è un piccolo motore elettrico, collegato a due pile stilo e con due alette di nastro adesivo di rame incollate sul perno. Con un sensore da 10.525 GHz, questo motore produce una riga alla velocità di 2.5 Km/h. Si possono ottenere velocità maggiori aumentando la tensione fino a 6 o 12 Volt. Il vantaggio rispetto ai diapason è di avere un segnale continuo, stabile e regolabile in velocità. Per ottenere un segnale sinusoidale e una riga ben netta, è bene rivolgere le punta del perno del motore verso il sensore.

Aumentare la portata

Il sensore nudo ha un fascio abbastanza largo (circa 60 gradi) e riesce ad arrivare al massimo a qualche decina di metri. Per misurare la velocità di oggetti distanti, ad esempio aeromodelli, droni o uccelli, si possono concentrare le microonde in un fascio più stretto e arrivare a qualche centinaio di metri.

I misuratori della polizia hanno una antenna a tromboncino (Horn antenna), lunga una decina di centimetri, con guadagno di circa 17 dB, fascio di circa 30 gradi e un costo di oltre 30 Euro. Vedremo qui di seguito che le parabole per satelliti hanno caratteristiche migliori e costano meno.

La tabella seguente mostra che parabole molto piccole, anche di soli 40 centimetri di diametro, hanno un buon guadagno e un fascio stretto. Con le parabole si ottiene un notevole incremento della distanza massima raggiungibile. Anche oltre i 500 metri con parabole grandi.

Diametro parabola Guadagno
(10 GHz)
Angolo di apertura
(totale, non semi angolo)
Diametro del fascio
(a 100 mt)
Prezzo approssimativo
+ spedizione
20 cm 25 dB 17 gradi 30 metri
25 cm 27 dB 14 gradi 25 metri
30 cm 28 dB 12 gradi 21 metri
35 cm 30 dB 10 gradi 18 metri
40 cm 31 dB 9 gradi 16 metri 10 + 8 Euro
45 cm 32 dB 8 gradi 14 metri 12 + 9 Euro
60 cm 34 dB 6 gradi 10 metri 14 + 10 Euro
80 cm 38 dB 4 gradi 7 metri 15 + 10 Euro
100 cm 39 dB 3 gradi 5 metri 30 + 12 Euro

Microwave offset dish

Meglio non esagerare con le dimensioni della parabola. Con 40 cm di diametro si ottiene un fascio abbastanza stretto, ma non tanto stretto da rendere difficile il puntamento.

Su eBay si trovano parabole piccole, per circa dieci Euro. Si deve scegliere un modello “offset”, ed è meglio che sia in alluminio, per non arrugginirsi ed essere leggera.

Il sensore si fissa dove è previsto l’illuminatore per i satelliti e il posizionamento non è critico.

Per facilitare il puntamento si può montare un semplice mirino e una maniglia posteriore. Le parabole in alluminio sono leggere e si possono tenere con una mano sola. Con un po’ di allenamento si riesce anche a misurare la velocità degli uccelli in volo.

Distanza massima e velocità massima

  • La distanza massima di rilevazione, per oggetti grandi come una persona, è di circa 20 metri.
  • Con una parabola da 40 cm si estende la distanza massima fino ad alcune centinaia di metri.
  • La banda passante del pre-amplificatore è limitata da 1 Hz a 2 KHz
  • Le corrispondenti velocità vanno da 0.05 Km/h a 100 Km/h (da 0.014 m/s a 28 m/s)
  • Con un leggero calo di sensibilità si possono misurare velocità fino a 150 Km/h.

Per aumentare la velocità massima misurabile, si possono eliminare i condensatori C4 e C6. Il segnale diventa leggermente più rumoroso, ma la banda passante si estende fino a 20 KHz, che corrispondono a 1000 Km/h.

Misurare la velocità degli eventi atmosferici

Per misurare la velocità di caduta di pioggia, grandine e neve si dovrebbe posizionare il sensore all’aperto, rivolto verso l’alto, in una scatola non metallica e perfettamente stagna. Non è facile ottenere una totale resistenza alle intemperie ma, fortunatamente si possono ottenere buoni risultati con il sensore all’interno di una finestra. Si deve scegliere una finestra non riparata da tettoie e si deve posizionare il sensore vicino al vetro, rivolto a circa 70 gradi verso l’alto.

  • Pioggia – Si ottiene uno spettro di distribuzione delle velocità delle gocce. E da esso si può ricavare uno spettro delle dimensioni delle gocce (le gocce piccole cadono più lentamente)
  • Grandine – Si ottiene uno spettro di distribuzione delle velocità e quindi delle dimensioni dei chicchi.
  • Neve – Dalla velocità media si può ricavare il tipo di neve, cioè se si tratta di neve secca e leggera (che cade lentamente), oppure di neve bagnata (che cade più velocemente).

Per le velocità medie di pioggia, grandine e neve, vedere: Theremino_DopplerMeter 

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Download del progetto del Doppler – Versione 2
Circuito stampato in formato Eagle, immagini, simulazioni LTSpice e schemi:
Sensor_Doppler_V2.zip

 


UpConverter per SDR

Tutti i veri makers dovrebbero, almeno una volta, esplorare il magico mondo delle onde corte e lunghe. Quello che fino a pochi anni fa era accessibile solo a radioamatori benestanti, disposti a spendere grandi cifre, ora è accessibile a tutti, con una spesa non superiore a qualche decina di Euro. E si ha anche la soddisfazione di costruire il ricevitore con le proprie mani.

UpConverterV4_SCHTheremino UpConverter

Con questo modulo la applicazione Theremino SDR può ricevere anche le onde lunghe, medie e corte da 10 KHz a 50 MHz. La sensibilità è ottima e nelle giornate migliori si ricevono centinaia di radioamatori da tutto il mondo (Nota 1). Ma anche in assenza di propagazione si ricevono molti QSO locali, nonché i segnali di tempo sulle VLF (onde lunghissime), i radiofari degli aeroporti, le trasmissioni commerciali in onde lunghe e medie, centinaia di trasmissioni meteorologiche, telescriventi e comunicazioni in alfabeto morse e codificate in vari formati digitali.

In questo adattatore si usano solo componenti comuni e sono tutti disposti a passo 2.54 mm. Per cui si può anche utilizzare una basetta mille-fori al posto del circuito stampato.

Progetti correlati: applicazione Theremino SDR, applicazione Theremino SignalDecoder e Theremino ActiveAntenna. Per maggiori informazioni leggere i file di documentazione che si scaricano con la applicazione Theremino SDR.

(Nota 1) Attenzione: Ci vuole per forza la Theremino ActiveAntenna oppure, ma molto più ingombrante, una lunga antenna filare. E l’antenna deve essere posizionata all’esterno della casa, magari su un terrazzo, ma fuori. Con una antenna interna non si riceve niente, solo disturbi provenienti dagli elettrodomestici. 


Componenti

Questo progetto comprende alcuni componenti speciali, che non si trovano normalmente nei cassetti del laboratorio.

  • Circuito integrato convertitore: Si consiglia di cercarlo su eBay come “NE602”, “NE612” “SA602” o “SA612” (sono tutti uguali). Dovrebbe costare circa cinque euro. Per chi risiede in Europa si consiglia di comprarlo in Germania, così arriva in tre giorni e non si devono attendere 20 o 30 giorni dalla Cina.
  • Oscillatore quarzato a 125 MHz: Si consiglia di cercarlo su eBay come “Oscillator 125MHz”. Fare molta attenzione che sia del tipo quadrato e che sia da 3.3 Volt. Anche qui è meglio se lo si trova da un venditore già in Europa.
  • Nuclei toroidali in ferrite: Si possono-acquistare-qui, oppure su eBay cercando “FT37-43” e “FT37-67”. Acquistandone 25 pezzi per tipo, li si potrebbero pagare circa 30 centesimi a pezzo. Chi ne volesse di meno, dovrà prenderli su eBay e pagarli circa due Euro al pezzo.

Tutti i componenti per costruire il Theremino UpConverter (e anche molti altri kit) saranno disponibili su thereminostore. Ma potrebbero volerci mesi, perché sono molti i progetti in corso. E per ognuno i cinesi devono imparare i particolari di costruzione e di collaudo, fare i PCB, trovare i produttori dei componenti… Consigliamo quindi di arrangiarsi, oppure di scrivere ad Alessio e vedere se ne ha comprati un po’ per gli amici.


Consigli per la costruzione

Un transistor disaccoppia i filtri di ingresso dal cavo e permette di avere una impedenza di ingresso puramente resistiva e costante, su tutta la gamma di frequenze ricevibili.

Questo schema di terminazione permette anche di fornire la alimentazione alla antenna attiva, attraverso lo stesso resistore di terminazione, semplificando il circuito di alimentazione, eliminando la bobina di iniezione della corrente (che per frequenze molto basse diventa problematica), e eliminando anche il rumore proveniente dall’alimentatore. La alimentazione viene iniettata sul lato “freddo” del resistore di terminazione e non contribuisce al rumore, invece altri schemi, che non usano questo sistema, hanno costanti problemi di rumore, tanto che molti consigliano di usare una pila per alimentare la antenna.

Se non si usa la antenna attiva allora si potrebbe non montare il potenziometro “Antenna Gain”, oppure si potrebbe tenerlo al minimo, per non mandare tensione alla antenna. Ma anche se lo si alza la corrente inviata alla antenna è minima e non comporta nessun problema o rischio.

Se non si usa la antenna attiva, non potendo regolare il guadagno con il potenziometro “Antenna Gain”, si dovrà per forza montare il potenziometro “Attenuator”. Questo potenziometro dovrebbe essere un lineare da 100 ohm e si dovrà anche sostituire RLOAD, con un resistore da 100 ohm. In questo modo il potenziometro e RLOAD in parallelo, formeranno una impedenza di ingresso di 50 ohm e il cavo schermato da 50 ohm sarà terminato correttamente.


Cablaggi del convertitore

Il connettore di antenna è solitamente un BNC, ma stiamo trattando frequenze basse, inferiori ai 50 Mhz, quindi vanno tutti bene.

I collegamenti tra il connettore della antenna e l’ingresso del convertitore e poi dalla uscita al ricevitore SDR, andrebbero fatti con un piccolo cavo schermato da 50 ohm. Si consiglia di tagliare in tre parti il cavetto della antennina, che si riceve con il convertitore, in modo da avere un cavo con il piccolo connettore dorato da un lato, e un altro pezzo di cavo per fare i cablaggi. Tanto poi la antenna la si potrebbe ricollegare con un connettore. La antennina è carina da vedere, ma in pratica non la si userà più, perché un qualunque pezzetto di filo, lungo una spanna, va altrettanto bene.

Nel ricevitore si può anche usare un doppio commutatore per “saltare” il convertitore e togliergli la alimentazione, quando si vogliono ricevere frequenze da 50 MHz in su.

Il potenziometro “Antenna Gain” lavora in continua quindi si può collegarlo con fili non schermati e lunghi a piacere. Invece per i collegamenti al potenziometro “Attenuator” si dovrebbero usare due piccoli cavi schermati, oppure tenere i fili abbastanza corti (cinque centimetri al massimo).


Caratteristiche del convertitore

Lo schema è molto semplice, niente filtri ellittici con decine di poli, che si vedono nei progetti simili, ma provatelo prima di giudicare. Le prime versioni erano più complesse, c’erano trappole e filtri notch, preselettori commutabili e bobine da regolare. Ma abbiamo scoperto che non si guadagnava niente. Quello che invece serve davvero è un perfetto adattamento della impedenza del cavo e il bilanciamento in ingresso e uscita con trasformatori toroidali. Ed è anche importantissimo poter controllare la attenuazione in modo continuo, per ottenere la minima intermodulazione e quindi la massima sensibilità. Progetti simili al nostro, con attenuatori copiati dai libri di scuola, forniscono attenuazioni fisse, a scatto, e lavorano sempre lontani dalle condizioni migliori. E così perdono per strada i segnali più deboli e interessanti.

Confrontando questo convertitore con moduli commerciali apparentemente migliori, si scopre che non solo non va peggio ma, in molte situazioni, va molto meglio. Ne siamo sicuri perché abbiamo provato.

Questa è una dimostrazione che per fare buoni progetti, non basta aggiungere componenti su componenti. Si devono invece fare molti esperimenti e non dare niente per scontato. Ci vuole molta esperienza, ma anche centinaia di ore di prove. L’elettronica analogica sorprende sempre e spesso quello che sembrerebbe essere superiore, super complesso e super preciso, è solo il frutto di una cattiva progettazione.


Comparazione tra lo NE602 e i mixer a diodi

Molti autori sconsigliano lo NE602, per la sua scarsa tolleranza ai segnali forti. Alcuni arrivano addirittura a scrivere che un ricevitore, con questo integrato, diventa automaticamente un giocattolo. Leggete ad esempio questo: Why_NOT_to_use_the_NE602.pdf

Documenti come questo ci hanno fatto perdere mesi di tempo. Abbiamo provato ogni tipo di mixer a diodi, ma puntualmente tutte le prove si concludevano con risultati peggiori dello NE602. Abbiamo provato mixer a diodi considerati molto buoni (ADE-1), mixer auto-costruiti con diodi 1N4148, con diodi shottky e con diodi al germanio, seguendo quanto scritto qui, e queste istruzioni e anche queste.

Ma tutti gli up-converter per RTL2832, con mixer a diodi, andavano peggio di quello di riferimento, con NE602. Per cui alla fine ci siamo messi seriamente a fare i conti e abbiamo capito il perché. I calcoli che confermano la superiorità dello NE602 sono a pagina 29 delle istruzioni di Theremino SDR.

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Download del progetto del circuito stampato in formato Eagle, con immagini, simulazioni LTSpice e schemi:
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/SDR_UpConverter_V4.zip

 


Antenna Attiva per le onde corte, medie, lunghe e VLF

Questa antenna è lunga pochi centimetri e riceve meglio delle enormi antenne che si vedono sui tetti dei radioamatori. Naturalmente c’è un rovescio della medaglia, può solo ricevere.

Progetti correlati: applicazione Theremino SDR, applicazione Theremino SignalDecoder e adattatore UpConverter. Per maggiori informazioni leggere i file di documentazione che si scaricano con la applicazione Theremino SDR.

Theremino Active Antenna

Le classiche antenne filari si accoppiano sia con il campo elettrico che con quello magnetico, sono più efficienti in alcune direzioni e lavorano solo in una ristretta banda di frequenze. Invece questa antenna riceve il solo campo elettrico, riceve da tutte le direzioni con la stessa efficienza e lavora a larga banda da pochi KHz fino a 50 MHz.

Ricevere la componente elettrica, invece di quella magnetica, permette di eliminare i disturbi che provengono dagli impianti elettrici. Il campo elettrico non attraversa i muri delle case per cui il rapporto tra segnale e disturbi è migliore.

Alle frequenze più basse questa antenna è notevolmente migliore di una antenna a filo. Sembra strano, perché di solito più le frequenze sono basse e più la antenna dovrebbe essere grande, ma è proprio così. Il motivo è che le antenna filari devono avere una lunghezza paragonabile alla lunghezza d’onda, che per le frequenze basse è da centinaia di metri a decine di chilometri. Naturalmente non è possibile costruire antenne così lunghe per cui le antenne filari alle frequenze basse funzionano molto male. Invece una antenna attiva è in pratica un condensatore accoppiato con il campo elettrico presente nell’aria. E basta che questo condensatore sia di una trentina di centimetri quadri, per ottenere la massima sensibilità, indipendentemente dalla frequenza, anche a poche decine di KHz, dove le lunghezze d’onda sono di decine di chilometri.

Anche poter ricevere con la massima sensibilità da tutte le direzioni è molto comodo. L’antenna non deve essere ruotata, la si posiziona su un terrazzo o sul tetto, ci si dimentica che esiste e si ricevono i radioamatori da tutto il mondo. Provare per credere.

ActiveAntennaV2_SCH Theremino Active Antenna


Consigli per la costruzione

Per ottenere una banda passante piatta fino a 50 Mhz, il transistor del secondo stadio deve avere una frequenza di taglio di molti GHz. Il miglior transistor è sicuramente il BFR90A, che è economico e reperibile facilmente su eBay. Chi volesse sperimentare potrebbe provare i BFR35A e BFR93A, oppure anche i SS9018 F/G/H, gli MPSH10 e i BF199A. Sostituendo il BFR90A con altri transistor la curva di risposta peggiora nella zona alta (da 10 a 50 MHz). Ma si potrebbe accettarlo, dato che i segnali più interessanti sono nella zona tra 10 KHz e 10 MHz.

La curva di risposta ha una zona di grande attenuazione intorno ai 100 MHz. Questo accorgimento serve per eliminare i forti segnali delle stazioni commerciali della banda FM (da 88 a 108 MHz). Per ottenere la massima attenuazione la induttanza L1 deve essere “a cavallo” di una zona di massa. Questa massa fa da schermo tra la antenna e le aree di rame sensibili collegate al Gate del FET. La induttanza L1 deve avere una frequenza di auto-risonanza intorno ai 100 MHz. Sono ottime le piccole induttanze che sembrano resistori da 1/8 watt, ma sono di colore colore acqua-marina. I valori di induttanza più adeguati, per ottenere la massima attenuazione a 100 MHz, sono 3.3 uH, 3.9 uH oppure 4.7 uH, a seconda del costruttore.

Theremino Active Antenna - Bandpass


Costruzione meccanica

L’elemento ricevente deve essere conduttivo con un’area di almeno 25 centimetri quadri. Una antenna attiva è un puro condensatore e la sua capacità deve essere almeno alcune volte maggiore della capacità di ingresso del circuito amplificatore. Il miglior circuito di ingresso con i migliori FET e un diodo di protezione ha circa 2 pF di capacità, quindi se la antenna fosse da 2pF si perderebbe metà del segnale (6 decibel). Con 50 cmq la capacità elettrica è circa 10 pF e si perde solo una frazione di dB.

Per i particolari della costruzione guardare con attenzione le immagini che si trovano nella cartella “Construction” del file “SDR_ActiveAntenna_V2.zip”.

Le dimensioni sono:

  • Diametro del tubo esterno (da impianto elettrico) = 32 mm (esterno) e 28 mm (interno)
  • Lunghezza del tubo esterno (da impianto elettrico) = 100 mm
  • Diametro del tubo interno ricoperto di nastro di rame adesivo = 27 mm
  • Lunghezza del tubo interno ricoperto di nastro di rame adesivo = 60 mm

L’insieme del circuito stampato e tubo interno dovrebbero strisciare leggermente nel tubo esterno. Deve essere possibile infilarli e sfilarli facilmente, ma devono rimanere stabili anche in caso di scossoni provocati dal vento. Si ottiene questo limando lateralmente il circuito stampato, e posizionando dei goccioloni di stagno sul cilindro di rame per ingrandirlo. Quando si infila l’insieme interno si preme il cilindro esterno sul tavolo, in modo da ovalizzarlo un po’ e facilitare l’inserimento.

Si devono anche trovare due tappi in plastica, uno superiore e uno inferiore, che calzino perfettamente uno all’esterno e uno all’interno del tubo. Per trovarli si fruga in bagno tra i vari flaconi di shampoo, deodoranti e profumi e anche tra i medicinali. I flaconi delle grosse pastiglie effervescenti di vitamina C, o di integratori alimentari, dovrebbero essere adatti per la parte inferiore.Theremino Active Antenna

Il tubo esterno dovrebbe essere bianco, per scaldarsi meno quando c’è il sole. E all’interno del tubo interno ricoperto di rame, si deve posizionare un sacchetto di gel di silice, per assorbire l’umidità residua.

Fare molta attenzione a rendere tutto perfettamente stagno, con nastro di teflon, colla, silicone e ogni altro accorgimento necessario. Attenzione che alcuni tappi di deodoranti hanno un piccolo forellino per far passare l’aria, in tal caso si deve chiuderlo con colla o con un ferro caldo. La antenna dovrebbe poter stare sott’acqua per anni senza far entrare una sola goccia, altrimenti non resisterà nemmeno al primo inverno.

Posizionare l’antenna

Acquistare un tubo da impianto elettrico da 32 mm di diametro Tube32mme lungo 100 o 150 centimetri. Deve essere un tubo del tipo con un lato più grande per infilare il tubo seguente.

L’antenna non deve stare per forza in verticale sul tetto. Potrebbe anche sporgere da una finestra con un tubo di un metro o due. Oppure il tubo potrebbe passare tra le tegole e uscire orizzontale dal tetto di fianco alla grondaia. O si potrebbe fascettare il tubo al palo di antenna e farlo sporgere in alto, sopra alla antenna della televisione, o anche sotto ma di fianco in modo da allontanare la antenna dal palo. O magari legarlo alla ringhiera di un terrazzo, con il tubo inclinato un po’ in fuori.

L’importante è che l’antenna sia all’esterno, più lontano possibile dall’impianto elettrico della casa, in posizione più alta possibile e più lontano possibile dai muri e ringhiere.

Fissare l’antenna sul tetto

Fissare il tubo a una ringhiera metallica, o sul tetto, con la parte ingrandita in alto. Infilare la antenna in alto, facendo passare il cavo schermato nel tubo e facendolo uscire da sotto.

Per poter scollegare e ricollegare facilmente la antenna, il suo cavo schermato deve essere corto (circa due metri) e lo si deve giuntare al lungo cavo di discesa. Si fa questa giunta alla base del tubo e la si isola dalla umidità con un sacchetto di plastica. Si avvolge il sacchetto e lo sigilla attorno ai cavi con molti giri di nastro o di corda. E infine si infila il sacchetto nella base del tubo della antenna in modo che stia al riparo dalla pioggia e dal sole.

Non fatevi problemi a fare giunte “laterali”, non stiamo lavorando con le microonde. Per cui qualunque tipo di giuntura non influisce sulla ricezione. Non importa la forma e l’aspetto della giuntura. Basta che sia elettricamente ben collegata, ben isolata e perfettamente al riparo dalla umidità. E per ottenere questo il modo migliore è arrivare con i due cavi paralleli e ben spellati e giuntarli arrotolando le due calze e i due fili interni.

Non fatevi tentare da connettori o da giunture di bell’aspetto. Una giuntura laterale grossolana e semplice è la soluzione più sicura, e anche la più comoda da collegare e scollegare.
Side by Side shielded cables connection

Infine si piega la calza all’indietro, si sigilla in un sacchetto e si inserisce il tutto nella base del tubo.


Download del progetto completo contenente i file Eagle del circuito stampato, le simulazioni e immagini relative alla costruzione:
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/SDR_ActiveAntenna_V2.zip

 


Adattatore tra Antenna Attiva e ricevitori onde corte

La Theremino ActiveAntenna è progettata per collegarla al Theremino UpConverter che le fornisce la alimentazione e la regolazione di sensibilità. Il particolare circuito di ingresso dell’UpConverter fornisce una banda passante perfettamente piatta senza usare componenti speciali. Ma soprattutto elimina i disturbi provenienti dalla alimentazione in modo elegante, fornendo la alimentazione al lato “freddo” del resistore di terminazione da 50 ohm.

Se si vuole collegare questa antenna a un normale ricevitore per onde corte non è possibile usare lo stesso schema di collegamento. Non potendo modificare il circuito di ingresso del ricevitore si deve interporre un adattatore e fare più attenzione ai componenti che si usano e al rumore proveniente dalla alimentazione.
Theremino Active Antenna - Short Wave Receiver adapterDescrizione del circuito

Questo è lo schema classico che si usa normalmente per alimentare le antenne attive. Il punto debole di questa configurazione è l’induttore, che dovrebbe essere di valore molto alto (oltre i 10 mH), per non danneggiare la risposta alle frequenze più basse. Ma induttori di valore così alto avrebbero troppa capacità parassita e quindi danneggerebbero la riposta alle frequenze alte. Per cui si sceglie un compromesso e si usano induttori da pochi mH e avvolti in sezioni multiple. Questi induttori sono difficili da trovare, costano molto e la banda passante non è mai perfettamente piatta. Vedremo alla fine di questo articolo come fare a meno di questo componente.

Il potenziometro (lineare) da 1k serve per regolare la sensibilità della antenna. Il campo di regolazione va da +8dB fino a una forte attenuazione. Si regola per la massima sensibilità, ma senza arrivare al punto dove i segnali forti iniziano a generare disturbi di inter-modulazione. Il punto di migliore regolazione varia a seconda dell’ora del giorno e della propagazione per cui questa regolazione è importante e molto utile.

Il condensatore da 100 uF elimina il rumore proveniente dalla alimentazione. Se l’alimentatore produce disturbi nelle bande delle onde corte è bene usare un condensatore a basso ESR, oppure aggiungergli, in parallelo, uno o più condensatori ceramici da 100 nF o 1 uF, fino a eliminare o attenuare i disturbi a sufficienza. Questo è un punto critico di questo adattatore, eventualmente provare anche a cambiare alimentatore e scartare assolutamente gli alimentatori di tipo switching.

La resistenza “Rserial” serve per limitare la corrente di alimentazione della antenna, che non deve superare una quindicina di milliAmpere, per non danneggiare il suo transistor di uscita. Questa resistenza deve valere circa da 50 a 80 ohm e comprende anche la resistenza interna dell’induttore. Quindi si deve misurare l’induttore con un tester e variare questo resistore di conseguenza. Se ad esempio l’induttore ha una resistenza interna da 25 ohm, useremo una “Rserial” da 33 o da 47 ohm.

L’induttore marcato 2.5 mH è il componente più difficile da trovare, deve avere una bassa capacità parallela. L’immagine con la freccia indica il tipo di induttore che potrebbe andare bene. Sono induttori a sezioni separate per diminuire la capacità. Non è facile trovarli, questo è un esempio di rivenditore con un prezzo ragionevole.

Se l’induttore ha una capacità parallela troppo alta la banda passante diventa meno lineare, come visibile nella prossima immagine.

Inductor with high parassite capacity

Induttori inadatti, ad esempio avvolti su ferrite non progettata per queste frequenze, possono causare variazioni anche maggiori e, nei casi peggiori, eliminare completamente alcune bande di frequenza.

Versione senza induttore

Una ottima alternativa (ma solo se si dispone di una alimentazione da 12 Volt) è eliminare completamente sia l’induttore che “Rserial”, e sostituire ambedue con un resistore da 470 ohm.
Theremino ActiveAntennaAdapter 12V

Questa versione è più facile da costruire, non usa componenti speciali, ha un’ottima risposta in frequenza e anche una certa attenuazione dei disturbi provenienti dalla alimentazione.

Accettando un leggero peggioramento della risposta in frequenza, si potrebbe anche alimentare questo circuito con 9 Volt al posto del 12 Volt (sostituendo il resistore da 470 ohm con uno da 220 ohm). Ma è del tutto sconsigliabile usare batterie da 9 Volt perché si scaricherebbero in meno di un giorno. Impossibile ridurre ulteriormente la tensione di alimentazione, altrimenti si dovrebbe ridurre troppo il resistore e la risposta in frequenza peggiorerebbe in modo intollerabile.

Download delle simulazioni LTSpice e delle immagini per le varie versioni di questo adattatore:
ActiveAntennaToStandardReceiverAdapter.zip

 


ADC a 24 bit e 16 canali

Theremino - ADC 24 bit

Questo modulo apre la strada a mille possibili applicazioni. Con poca spesa si entra nel mondo delle misure di alta precisione.

Semplicemente collegando qualche filo, si realizzano applicazioni che altrimenti richiederebbero instabili pre-amplificatori, difficili da costruire e da regolare. Buoni esempi sono la lettura delle celle di carico e la amplificazione diretta dei Geofoni e degli accelerometri.

Si possono misurare tensioni e correnti, con precisione superiore a quella di un buon tester e con risoluzione anche mille volte superiore. Si possono collegare fotodiodi per illuminazioni debolissime, come gli analizzatori di spettro a fenditura, ma anche magnetometri, microbarometri, potenziometri lineari per la rilevazione di spostamenti e fratture, celle di carico, bilance analitiche, misuratori di pressione, sensori di flessione meccanica, termocoppie, misuratori di pH, datalogger di tensioni e correnti, etc…

Theremino System -

CONSIDERAZIONI DI SICUREZZA
La massima tensione applicabile agli ingressi va da zero Volt a 3.3 Volt positivi. Gli ingressi possono essere connessi direttamente ai sensori (ad esempio Geofoni o Celle di carico), ma per costruire un data-logger, in grado di misurare tensioni più alte (e sopportarle senza rompersi), si dovranno aggiungere due resistori per ogni ingresso.

Per il funzionamento dell’Adc24 sono necessari:
1) Applicazione HAL con versione 6.6 (o seguenti), che si scarica da questa pagina.
2) Un modulo Master con firmware 5.0 (o seguenti), che si scarica da questa pagina.

Download della documentazione con immagini ed esempi:
Theremino_ADC24_ITA.pdf
Theremino_ADC24_ENG.pdf

Download dei documenti originali, in formato ODT, per i traduttori:
Theremino_ADC24_Original_Docs.zip

Connessione e configurazione

Il modulo ADC24 si collega al connettore del modulo Master, tramite cinque cavetti Dupont, di tipo femmina femmina, reperibili su thereminostore,

Cables Dupont Female FemaleADC24 Connections

I cavi di collegamento possono essere lunghi da 5 cm in su (anche fino a molti metri). Non trovandoli della lunghezza giusta si potrebbe cercarli su eBay, oppure usare connettori femmina da saldare o da crimpare.

Collegare correttamente il cavo. Il giusto ordine è GND, 7, 8, 9, +5, come indicato nella serigrafia.

Per iniziare si avvia la applicazione HAL, si seleziona il Pin 7 e si sceglie il tipo ADC24.

Se non si riesce a impostare il tipo Adc24 nel Pin 7 allora il Master non ha il firmware aggiornato (versione 5.0 o seguenti), oppure non si è scaricato l’HAL aggiornato (versione 6.6 o seguenti).

A questo punto dovrebbero apparire i 16 Pin dell’ADC24.

Sul Pin 7 si regolano le caratteristiche comuni per tutti i sedici Pin di ingresso: Il numero di Pin abilitati, il numero di campionamenti al secondo e il tipo di filtraggio (Il numero effettivo di campionamenti per ogni ingesso decresce se si usano numerosi ingressi e filtri lenti).

Inizialmente i Pin dell’ADC24 sono tutti “Unused” e sono ancora da regolare. Le regolazioni sono molto simili ai normali Pin del sistema Theremino. Le uniche novità sono la velocità generale (10, 12, 20, 30, 50, 60, 100, 120 … fino a 19200 campioni al secondo), la amplificazione per ogni singolo canale (1, 2, 4 … fino a 128), e il tipo di canali (Single ended, Pseudo differenziali, o Differenziali).

In tutti i casi la tensione minima misurabile è zero Volt e la massima è 3.3 Volt. Per misurare tensioni al di fuori di questo campo si devono usare componenti aggiuntivi.

Importante notare che gli ingressi sono sempre a coppie (1-2, 3-4, 5-6 ….. 15-16) e che le regolazioni valgono per tutti e due gli ingressi della coppia. L’unica regolazione indipendente, che è possibile abilitare o disabilitare su ogni singolo Pin è “Biased to Vmax/2”.

Il modo più semplice di utilizzo è:

  • Impostare gli ingressi come Differenziale (quindi lavorano a coppie)
  • Collegare direttamente fino a otto geofoni ai Pin 1-2, 3-4, 5-6, 7-8, 9-10, 11-12, 13-14, 15-16.
  • Scegliere il guadagno preferito per ogni geofono (tutti a 1 per i terremoti, tutti a 64 per HVSR)
  • Polarizzare il secondo Pin di ogni coppia abilitando “Biased to Vmax/2”
  • IMPORTANTE: Controllare che solo il secondo Pin della coppia sia polarizzato.

Istruzioni più dettagliate nel manuale di utilizzo (che si scarica all’inizio di questo capitolo) e nelle istruzioni che si scaricano con la applicazione HAL.

Costruzione

Il circuito stampato è molto curato. Piste robuste, isolamenti generosi e grande attenzione nella disposizione dei componenti. La topologia delle connessioni alle massa è ottimizzata, con aree analogiche e digitali ben separate, per minimizzare il rumore. Il PCB è a singola faccia e tutti i connettori sono a passo 2.54, anche tra i connettori distanti tra loro.

  Theremino - ADC 24 bitTheremino - ADC 24 bit

Questa è la versione definitiva dell’ADC24, si consiglia di rinfrescare la pagina con il tasto F5, per essere sicuri di vedere le immagini aggiornate (con la sigla V2).

Il modulo Adc24 è molto piccolo, è largo 60 mm come un Master, ma alto solo 35 mm. I canali sono 16 single ended, 15 pseudo differenziali, oppure 8 differenziali. Le velocità sono regolabili da 10 a 19200 campionamenti al secondo. Questo vuol dire che si può arrivare oltre i 1000 campioni al secondo per tutti i sedici canali contemporaneamente attivi. Il guadagno di ogni canale è regolabile da 1 a 128. Il rumore è molto basso e può quasi competere con i Theremino GeoPreamp.

Theremino - ADC 24 bit

L’ADC usato è un AD7124-8 di Analog Devices, con caratteristiche superiori ai classici LTC2499, che si usano sugli Shield di Arduino. Ha un amplificatore interno, regolabile da 1 a 128 volte, mentre allo Shield di Arduino si dovrebbe aggiungerlo esternamente. Ha un rumore estremamente basso (circa 25 nV rms contro 600 nV rms), ed è anche velocissimo (fino a 19200 campioni al secondo contro 15 circa). Quindi è più semplice da usare, venti volte meno rumoroso, e oltre mille volte più veloce, dell’ADC dello Shield di Arduino. Un AD7124-8 costa due o tre Euro in più di un LTC2499, ma le sue ottime caratteristiche li valgono tutti.

Lo AD7124 ha anche caratteristiche superiori rispetto agli ADC dei logger commerciali. Come è possibile? Perché lo AD7124 è stato progettato nel 2015, mentre gli apparecchi in commercio, anche i più costosi, contengono ADC che hanno mediamente una decina di anni.

Download del progetto completo contenente i file Eagle del circuito stampato, gli schemi,  le immagini i e la lista dei componenti:
Adapter_ADC24_V2.zip

 


Applicazione Theremino AdcTester

Theremino AdcTester - Noise Test

Con l’AdcTester si possono controllare il guadagno, il rumore di fondo e la intermodulazione tra i canali, sia degli Adc a 8 e 16 bit, che di quelli a 24 bit.

L’AdcTester è stato scritto per controllare le prestazioni degli Adc24. I successivi test hanno dato valori conformi alle caratteristiche dei data-sheet e in alcuni casi anche migliori. Inoltre tutti gli esemplari di Adc24 e tutti i canali, hanno dato valori molto simili tra loro.

Theremino AdcTester scope and spectrum

Il rumore degli Adc24 è risultato di 0.17 uV efficaci, solo leggermente superiore a quello dei GeoPreamp che era di 0.10 uV efficaci. Il guadagno identico entro lo 0.01 % (tra i canali) e entro l’1% (tra diversi dispositivi). La intermodulazione tra i canali è risultata così bassa da essere difficilmente misurabile.

Le prove con questa applicazione ci hanno permesso di individuare i punti critici dei primi prototipi di tromografo. I difetti maggiori stavano nei cavi di collegamento non schermati, nella mancanza del condensatore di filtro antialiasing e nella imprecisa regolazione dei parametri.

Per consigli su come costruire perfetti tromografi leggere la documentazione di questa applicazione (che si scarica nelle prossime righe) e la documentazione dell’Adc24 (che è nel capitolo precedente).

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Download della documentazione con immagini ed esempi
Theremino_AdcTester_ITA.pdf
Theremino_AdcTester_ENG.pdf

Download dei documenti originali, in formato ODT, per i traduttori
Theremino_AdcTester_Original_Docs.zip

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Note per le versioni
Versione 1.8: Prima versione pubblicata. A differenza delle versioni precedenti ora il valore efficace è il vero valore efficace (ottenuto con la radice della media degli scarti quadratici – Root Mean Square)

Versione 1.9: Grazie al nuovo timer di precisione (nella classe “Accurate Timer”) le frequenze misurate sono molto più precise e non dipendono dal carico di lavoro del sistema operativo e della CPU.

Downloads di Theremino_AdcTester – Versione 1.9
Theremino_AdcTester_V1.9
Theremino_AdcTester_V1.9_WithSources
Per tutti i sistemi Windows a 32 e 64 bit. Per Raspberry Pi, Linux, Android e OSX, leggere le note di installazione.


Ottenere i moduli del sistema

Il team del sistema Theremino si occupa solo di ricerca e non vende hardware. Il sistema è completamente “Freeware”, “Open Source”, “No Profit” e “DIY”, ma esistono produttori che possono fornire i moduli assemblati e collaudati a un ottimo prezzo. Difficilmente si potrebbe auto-costruirli spendendo meno. Un elenco dei produttori in questa pagina: www.theremino.com/contacts/producers


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