Porównanie mikrofonów elekretowych i MEMS

[FlyingDutch]

Cześć,

chciałbym wykorzystać mikrofon jako układ wejściowy dla układu FPGA i zacząłem się "rozglądać" za jakimiś niewielkimi układami mikrofon+wzmacniacz. Znalazłem takie układy:

https://kamami.pl/kamod-kamami/558041-kamodmicelectret-modul-mikrofonu-z-wbudowanym-wzmacniaczem.html?search_query=kamodmic+electret&results=2

https://kamami.pl/kamod-kamami/557957-kamodmicmems-modul-mikrofonu-mems-ze-wzmacniaczem-lmv321l.html

Zacząłem szukać w sieci porównanie mikrofonów elektretowych i MEMS znalazłem te artykuły:

https://forum.digikey.com/t/electret-condenser-ecm-vs-mems-microphone/447

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/improving-on-the-electret-an-introduction-to-mems-microphones/

Z tych artykułów wynika, że mikrofony MEMS mają ogólnie lepsze parametry niż elektretowe np. łatwiejsze usuwanie szumów otoczenia, większą odporność na wibrację, bardziej stabilne parametry w zależności o temperatury. Chciałem zapytać (bo nigdy nie używałem mikrofonów MEMS) czy te lepsze parametry "słychać" w sygnale audio w porównaniu do elektretowych. Chodzi mi głównie o sygnał mowy (czyli pasmo obcięte gdzieś do np. 8 KHz).

Pozdrawiam

 

[Zealota]

Proponuję zapoznać się z tym układem AMR-1 - można łatwo go znaleźć na portalach aukcyjnych.

Jest to dość zaawansowany moduł mikrofonu elektretowego wraz ze specjalizowanym wzmacniaczem, z automatyczną regulacją wzmocnienia.

Jego przeznaczeniem zwykle są systemu monitoringu, ale sam z powodzeniem stosowałem go  do prostego "zbierania" audio z otoczenia.

Główna zaleta, to np w porównaniu do MEMS, jest cena, kosztuje ok 20 zł , oprócz tego szeroki zakres zasilania. W instrukcji widać, że 12V,  ale faktycznie to już jest 5V.

W odróżnieniu od arduinowych wynalazków jest to prawdziwy mikrofon ze wzmacniaczem.

Edytowano Sierpień 26, 2018 przez Zealota

[Nawyk]

1 godzinę temu, Zealota napisał:

W odróżnieniu od arduinowych wynalazków jest to prawdziwy mikrofon ze wzmacniaczem.

Mógłbyś rozwinąć zdanie? Czym konkretnie się różni? Nie siedzę w temacie, a zaciekawiłeś mnie tym stwierdzeniem. Mam na wyposażeniu kilka rodzajów "arduinowych wynalazków" i nawet nie wiedziałem, że można użyć czegoś lepszego 😉 

[marek1707]

Przede wszystkim trzeba pamiętać, że mikrofon to odbiornik energii mechanicznej, zamieniający ją na elektryczną. To trochę jak z antenami - z dwóch anten ta będzie dawała lepszy dygnał, która daje go większym. To co na antenie stracisz, nigdzie już nie odtworzysz. Mikrofony elektretowe są duże, więc odbierają większą moc sygnału mechnicznego i produkują większy elektryczny sygnał wyjściowy (myślę tu o samym elemencie mechanicznym). MEMSy powstały na wyraźne zapotrzebowanie urządzeń przenośnych, gdzie kilka mm³ to wszystko co można oddać w obudowie na mikrofon. Element membrany można w MEMSie zrobić z tego samego materiału i w tym samym ciagu technologicznym co tranzystory i oporniki scalone - i tu jest cała zaleta, bo niestety "membrana" MEMSa jest mniejsza więc z definicji mniejsza jest moc sygnału i większe szumy. Droga sygbnału analogowego z lichej membrany do pierwszego stopnia wzmacniacza została jednak zminimalizowana, może być różnicowa a tuż obok można zbudować dowolnie skomplikowany układ analogowo-cyfrowy i całość jest wciąż tania. Co więcej, większość mikrofonów MEMS ma wyjście cyfrowe więc pomija się praktycznie całkowicie analogowe druciki zewnętrzne. To ogromna zaleta w środowisku takim jak telefon komórkowy, gdzie potężny nadajnik pokładowy zakłóca wszystko co się rusza. Zalety takie jak znacznie lepsza powtarzalność parametrów i stabilności temperaturowe wynikają wprost z technologii krzemowej. W przeciwieństwie do tego mikrofony elektretowe są robione metodami "wielkoskalowymi": wycinanie membrany, naparowanie metalu, wtrysk z tworzywa, lutowanie połączeń, gdzie tolerancje będą sporo większe a utrzymanie wysokiej powtarzalności sporo droższe. "Analogowa" redukcja szumów przez odejmowanie hałasów dochodzących od "pleców" mikrofonu czy jakieśtam kształtowanie kierunkowości są do zrobienia w obu technologiach i tym bym się nie podniecał. Zalety MEMSa wychodzą gdy masz gęsto upakowaną elektronikę, duży poziom zakłóceń elektromagnetycznych (nadajniki, napędy, styczniki) i wejście cyfrowe wprost do procesora. Powtarzalność parametrów i "gładkość" ch-ki częstotliwościowej zaczyna być kluczowa gdy bawisz się w aktywne matryce mikofonów.

Znam co najmniej dwa standardy przesyłania sygnałów cyfrowych z MEMSa więc warto sprawdzić co ma ten wybrany i czy nasz procesor ma odpowiedni interfejs. W jednym ze sposobów w mikrofon wbudowany jest jedynie modulator delta-sigma więc jednobiowy strumień (>1Mbit/s) trzeba wciągnąć, odfiltrować dolnoprzepustowo (np. blokiem DFSDM w procesorach ST) i dopiero dostajemy ciąg próbek PCM np. 8ksps.

W przypadku FPGA taki full-digital MEMS może być fajnym rozwiązaniem, odpada cały tor analogowy. Oczywiście pod warunkiem, że ktoś zrobił już dla sygnału PDM  interfejs bo oprócz samego wczytywania bitów trzeba jeszcze zrobić trochę DSP... 

 

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Zealota]

9 godzin temu, Nawyk napisał:

Mógłbyś rozwinąć zdanie? Czym konkretnie się różni? Nie siedzę w temacie, a zaciekawiłeś mnie tym stwierdzeniem. Mam na wyposażeniu kilka rodzajów "arduinowych wynalazków" i nawet nie wiedziałem, że można użyć czegoś lepszego 😉 

Wbrew pozorom zrobienie dobrego wzmacniacza mikrofonu elektretowego wcale nie jest banalne. Większość prostych konstrukcji na rynku opiera się na prostym rozwiązaniu ze wzmacniaczem operacyjnym czy też tranzystorami. Te stosowane do arduino to najczęściej tylko detektory dźwięku, czasem zbudowane na komparatorze. Niektóre z nich posiadają co prawda wyjście analogowe, ale z moich testów takich mini modułów ciężko było znaleźć coś co by poprawnie wzmacniało sygnał, choćby mowy.

Ten moduł AMR-1 oparty jest na wyspecjalizowanym scalaku MAX9814 .

Warto spojrzeć do tego wątku:

https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3351385.html

Gdzie można znaleźć garść dodatkowych informacji.

[marek1707]

Jeśli w torze analogowym wstawisz LM358 to nie możesz oczekiwać cudów, a takie właśnie elementy siedzą w polarnych modułach mikrofonowych do Arduino. Wbrew pozorom sygnał z mikrofonu ma ogromną dynamikę. Dopóki bawisz się łapanie mowy z mikrofonu umieszczonego na pałąku słuchawek, dopóty sygnał jest w miarę stały i stosunkowo łatwo to obrobić w torze wzmacniacza bez przesteru i bez dużych szumów. Wtedy jest szansa, że nawet i pojedynczy wzmacniacz operacyjny o stałym wzmocnieniu i w miarę niskich szumach wystarczy. Jednak gdy mikrofon leży sobie na biurku a Ty chodzisz po pokoju coś dyktując lub gdy robisz jakiś czujnik - ale nie klaśnięcia czy upadku piłeczki pingpongowej tylko np. kroków po mieszkaniu, sprawa zaczyna się komplikować. Mając w procesorze 10-bitowy ADC masz tylko ok. 60dB dynamiki sygnału. Do tego dochodzą szumy wzmacniacza (np. 2 bity) i problemy samego ADC (1-2 bity)., Zostajesz z 6 bitami użytecznymi i bardzo chciałbyś, by Twój sygnał taki właśnie był, bo to już jest słabo. Niestety z mikrofonu raz oddalonego a raz nie od źródła sygnał zmienia się np. 100-krotnie więc raz dostaniesz coś pod szumem Twojego toru (więc praktycznie nic) a innym razem tor zostanie przesterowany. Dlatego tak ważna jest kontrola dynamiki po stronie analogowej i dlatego praktycznie każdy tor mikrofonowy musi mieć AGC. Mimo że idea jest prosta (wzmacniacz AC o wzmocnieniu regulowanym napięciem stałym), realizacja tego już trywialna nie jest. Rozwiązań AGC jest mnóstwo - także i na zwykłych wzmacniaczach operacyjnych (plus np. JFET jako zmienna rezystancja), bo przecież historia używania mikrofonów jest tak stara jak elektronika. Przykładem są wszelkie nadajniki radioamatorskie z lat 70-80, także tzw. walkie-talkie -- tam można szukać prostych , tranzystorowych torów AGC. Dziś są oczywiście do tego scalaki - i tu trzeba szukać w rodzinach tzw. wzmacniaczy mikrofonowych. Jest to specjalna klasa układów, często z wejściem różnicowym dla minimalizacji zakłóceń wspólnych np.50Hz, filtrami i przede wszystkim AGC. Napięcie sterujące blokiem VGA możesz wytwarzać samodzielnie - np. analizować (już w procesorze) co akurat przychodzi i programowo robić narastanie i opadanie wzmocnienia z wyznaczonymi stałymi czasowymi i poprzez DAC "przytykać" VGA, możesz ustalać parametry kompresora zewnętrznymi elementami RC - tak jest np. w TS472 - bardzo fajnym wzmacniaczu od ST a możesz mieć wszystko programowane lub zaszyte w strukturze toru - tak ma wiele kodeków audio z dedykowanym wejściem mikrofonowym. Na szczęście wiadomo jak zrobić kompresor dynamiki dla mowy, bo pewne rzeczy się nie zmieniają i stałe czasowe mogą być z góry określone.

Tu jest opisane jak podłączyć całkowicie cyfrowy mikrofon MEMS (a nawet dwa) do szeregowego interfejsu audio (blok SAI) oraz jak skorzystać z bloku filtrów cyfrowych DFSDM by zamienić 1-bitowy strumień PDM na "jadalne" próbki PCM:

https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/group0/7d/62/3d/ad/24/57/47/78/DM00380469/files/DM00380469.pdf/jcr:content/translations/en.DM00380469.pdf

Fajne jest to, że modulator PDM w mikrofonie może być taktowany z różną prędkością w zależności od zastosowania i potrzebnej jakości/pasma. Od tego ile kHz/MHz wyślemy z wyjścia naszego timera zależy jak szybko będą przychodziły bity danych, jak szybko będą pracowały interfejsy i jak szybko będą musiały działać filtry. A od tego ile bitów wejściowego PDM przypada na jedną próbkę wyjściowego PCM zależy ile efektywnych bitów sygnału audio w niej dostaniemy.

Edytowano Sierpień 27, 2018 przez marek1707
Dodałem link.

[FlyingDutch]

4 godziny temu, marek1707 napisał:

Rozwiązań AGC jest mnóstwo - także i na zwykłych wzmacniaczach operacyjnych (plus np. JFET jako zmienna rezystancja), bo przecież historia używania mikrofonów jest tak stara jak elektronika. Przykładem są wszelkie nadajniki radioamatorskie z lat 70-80, także tzw. walkie-talkie -- tam można szukać prostych , tranzystorowych torów AGC. Dziś są oczywiście do tego scalaki - i tu trzeba szukać w rodzinach tzw. wzmacniaczy mikrofonowych. Jest to specjalna klasa układów, często z wejściem różnicowym dla minimalizacji zakłóceń wspólnych np.50Hz, filtrami i przede wszystkim AGC. Napięcie sterujące blokiem VGA możesz wytwarzać samodzielnie - np. analizować (już w procesorze) co akurat przychodzi i programowo robić narastanie i opadanie wzmocnienia z wyznaczonymi stałymi czasowymi i poprzez DAC "przytykać" VGA, możesz ustalać parametry kompresora zewnętrznymi elementami RC - tak jest np. w TS472 - bardzo fajnym wzmacniaczu od ST a możesz mieć wszystko programowane lub zaszyte w strukturze toru - tak ma wiele kodeków audio z dedykowanym wejściem mikrofonowym. Na szczęście wiadomo jak zrobić kompresor dynamiki dla mowy, bo pewne rzeczy się nie zmieniają i stałe czasowe mogą być z góry określone.

Tu jest opisane jak podłączyć całkowicie cyfrowy mikrofon MEMS (a nawet dwa) do szeregowego interfejsu audio (blok SAI) oraz jak skorzystać z bloku filtrów cyfrowych DFSDM by zamienić 1-bitowy strumień PDM na "jadalne" próbki PCM:

https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/group0/7d/62/3d/ad/24/57/47/78/DM00380469/files/DM00380469.pdf/jcr:content/translations/en.DM00380469.pdf

Fajne jest to, że modulator PDM w mikrofonie może być taktowany z różną prędkością w zależności od zastosowania i potrzebnej jakości/pasma. Od tego ile kHz/MHz wyślemy z wyjścia naszego timera zależy jak szybko będą przychodziły bity danych, jak szybko będą pracowały interfejsy i jak szybko będą musiały działać filtry. A od tego ile bitów wejściowego PDM przypada na jedną próbkę wyjściowego PCM zależy ile efektywnych bitów sygnału audio w niej dostaniemy. 

Cześć Marek,

dziękuję jak zwykle za bardzo obszerną analizę tematu (podany link bardzo przydatny) i za podanie typu IC wzmacniacza mikrofonowego - TS472  (mam zamiar jego/lub układ na nim oparty zakupić).

Czy mógłbyś jeszcze podać jakiś konkretny typ mikrofonu MEMS z wyjściem cyfrowym? Mam jeszcze jedno pytanie, tak już bardziej z czystej ciekawości: po co stosuje się matryce mikrofonów MEMS - jakie dodatkowe korzyści to niesie? Wiem, że np. taka matryca (chyba 8 mikrofonów MEMS)  jest zastosowana w czujniku Kinect firmy Microsoft.

Pozdrawiam

 

[marek1707]

W podlinkowanym dokumencie ST masz gdzieś tabelkę z kilkoma typami ich mikrofonów "cyfrowych". Wybierając typ zwróć uwagę na położenie otworu akustycznego (czasem nazywają to portem). Jedne obudowy mają go na wierzchu - tak jak byśmy się tego spodziewali, ale niektóre mają go od spodu, obok padów SMD i wtedy musisz zrobić otworek w PCB żeby mikrofon coś słyszał. Widocznie w jednych telefonach mikrofon jest montowany na jednej a w innych na drugiej stronie PCB.

Martyce mikrofonów umożliwiają dwie fajne rzeczy, bazując na tym samym zjawisku pomiaru/modulacji fazy sygnału:

a. Określanie kierunku skąd dochodzi dźwięk

b. Zrobienie mikrofonu kierunkowego o dowolnie wybranym kierunku i szerokości wiązki głównej.

To wydaje się w sumie proste, bo znając odległości między mikrofonami wystarczy przecież odpowiednio policzyć fazy między tymi samymi sygnałami (w przypadku a) lub sumować sygnały z odpowiednim przesunięciem czasowym (przypadek b). Niestety tak łatwo jest tylko w przypadku prostych sygnałów jednoczęstotliwościowych. Możesz w ten sposób zrobić np. sonar skanujący otoczenie bez żadnych elementów ruchomych w głowicy akustycznej. Na tym tle żałośnie wyglądają te wszystkie "sonary" z czujnikiem HC04 i serwem, prawda? Niestety dla mowy (300Hz-3kHz) a tym bardziej muzyki (20Hz-20kHz) zadanie jest dużo bardziej złożone, ale to także daje się dziś robić. Potrzeba tylko dużo eksperymentów i symulacji, sporo matematyki i bardzo dużo mocy obliczeniowej procesora sygnałowego. Jeśli jesteś zainteresowany, szukaj hasła "beamforming". Tego używają nowoczesne anteny radarowe, sondy USG itp. Bez sterowanych fazowo anten nie byłoby możliwe skanowanie przedniej półsfery przed myśliwcem z jednoczesnym precyzyjnym śledzeniem prędkości i położenia kilkunastu obiektów. W sondach USG 128 kanałów płaskiej anteny najpierw formuje wiązkę nadawczą przez odpowiednie opóźnienie impulsu głównego a potem "ogniskuje" odbiór na jednym wybranym kierunku. Beamforming w całej okazałości.

A gdy już to umiesz, możesz za pomocą matrycy mikrofonów dookólnych umieszczonych gdzieś przy ścianach np. słuchać dowolnie wybraną osobę mówiącą na dużej sali w tłumie setek rozmawiających ludzi :-) albo tak nagłośnić halę (matryca głośników), by każdy słyszał mówcę z katedry optymalnie dobrze bez echa i pogłosów.

http://web.mit.edu/6.101/www/s2018/projects/mtheng_Project_Final_Report.pdf

https://www.hindawi.com/journals/js/2017/6782176/

https://www.acousticmagic.com/products/voice-tracker-technology/