Memoria Roberto Andrés González Monteverde

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Memoria 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Diseño e implementación 
de un pad electrónico de 
percusión portable 
Autor/Autora: 
Roberto A. González Monteverde 
Director/Directora - Codirector/Codirectora: 
Juan Mon González 
Titulación: 
Grado en ingeniería de sistemas audiovisuales 
Convocatoria: 
Primavera 2023 T
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IN
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Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
Agradecimientos 
Quiero agradecer este trabajo, sobre todo, a mi tutor de trabajo de final de grado, Juan Mon 
González, por su guía, ayuda y dedicación en este mismo, estando siempre pendiente de mi avance 
y ayudándome siempre que algo no salía como debía. Además, agradecer a todo el profesorado que 
ha colmado todos sus conocimientos en nosotros, y con los cuales, algunos de ellos han sido muy 
útiles para la realización de este trabajo. 
También agradecer a mis padres, amigos y familia, que han estado pendientes de mi desarrollo, 
apoyándome y animándome, tanto en este proyecto como a lo largo de la carrera. 
Finalmente agradecer a todos los compañeros de grado que se han interesado en el tema de este 
proyecto y que me han apoyado. 
 
 
ii 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
Resumen 
La digitalización en la música es toda una realidad, sobre todo cuando se habla de instrumentos 
percusivos. Estos, al funcionar a raíz de golpes, ya sea a una cuerda de un piano o a un tambor, se 
basan en la transformación de ese impulso recibido para crear un mensaje digital para programas 
externos como son los DAW (Digital Audio Workstation) o, en algunos casos, un sonido cualquiera 
almacenado en su memoria, que reproducen a un cierto volumen con un conversor de audio digital 
a analógico. Para este segundo caso, hay muchos instrumentos o herramientas musicales, como 
son algunos pads, que no lo incluyen, dejando solo la opción de una salida digital o, una salida 
analógica con poca calidad y, necesidad de un conversor digital a analógico externo. 
Este proyecto, pretende diseñar un pad de batería electrónica, capaz de transformar sus propios 
audios digitales almacenados, a analógicos; sin la necesidad de utilizar un DAC (Digital to Analog 
Converter) externo, alcanzando una calidad de audio similar a la de los CDs, 16 bits. Esta conversión 
se realizará a partir de la señal PWM (Pulse Width Modulation) que son capaces de generar los 
microcontroladores, junto con el uso de filtros paso bajos que filtran la señal para conseguir el valor 
medio y, así, extraer una señal analógica audible. Además, pretende mantener la salida digital, 
también denominada protocolo MIDI, constar con una interfaz gráfica para un uso sencillo y un 
potenciómetro que regule el volumen de salida de auriculares. 
 
 
 
iii 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
Resum 
La digitalització a la música ja es tota una realitat, sobretot quan es tracta d’instruments de 
percussió. Aquests, al funcionar a partir de cops, ja sent a una corda de piano o a un tambor, es 
basen en la transformació d’aquest impuls rebut per crear un missatge digital per programes 
externs com son els DAW (Digital Audio Workstation) o, en alguns casos, un so qualsevol 
emmagatzemat a la seva memòria, que reprodueixen a un cert volum amb un convertidor d’àudio 
digital a analògic. Per aquest segon cas, hi ha molts instruments o eines musicals, com són alguns 
pads, que no l’inclouen, deixant només la opció de sortida digital o una sortida analògica amb molt 
baixa qualitat i amb la necessitat d’un convertidor digital a analògic extern. 
Aquest projecte, pretén dissenyar un pad de bateria electrònic, capaç de transformar els seus propis 
àudios digitals emmagatzemats a analògics, sense la necessitat de fer servir un DAC (Digital to 
Analog Converter) extern, arribant a una qualitat d’àudio similar a la dels CDs, 16 bits. Aquesta 
conversió es realitzarà a partir del senyal PWM (Pulse With Modulation) que son capaces de generar 
els microcontroladors, junt amb l’ajut d’un filtre pas baix que filtra el senyal per aconseguir el valor 
mitjà i, així, extreure un senyal analògic audible. A més a més, pretén mantenir la sortida digital, 
també denominada MIDI, tenir una interfície gràfica per a un ús senzill y un potenciòmetre que 
reguli el volum de sortida d’auriculars. 
 
 
 
iv 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
Abstract 
The era of digitalization is a reality when we talk about music, especially when it is about percussion 
instruments. These, are based on producing a sound when they get hit, as it happens with a piano 
string or a drum. So, they use that impulse to convert it to a digital message for an external program 
or, as they are called, DAW (Digital Audio Workstation). In some of them, this impulse is used to 
activate a stored audio file reproduced at a certain volume level, depending on the force applied 
by the hit with a digital to analog converter too. This second conversion explained, is not included 
in a lot of instruments or music tools, like some pads, these only have a digital output or they need 
an external digital to analog converter. 
This project intends to design an electronic drum pad, capable of transform its own stored digital 
audios into analog ones without using an external DAC (Digital to Analog Converter). Even more, 
this output would be producing a similar quality to a compact disc with 16 bits. This conversion will 
be accomplished with a type of pulse that can be produced by microcontrollers, PWM (Pulse Width 
Modulation) and some low pass filters which will filer this pulse to get the mean value that contains 
the analog signal. In addition, this project intends to maintain the digital output, also known with 
the name of MIDI protocol, have a graphic interface for an easy control and a potentiometer that 
controls the headphone’s output volume. 
 
 
v 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
Índice 
Agradecimientos ..................................................................................................................i 
Resumen ............................................................................................................................. ii 
Resum ................................................................................................................................ iii 
Abstract ............................................................................................................................. iv 
Índice .................................................................................................................................. v 
Índice de tablas ................................................................................................................ viii 
1. Introducción .................................................................................................................... 1 
1.1 Objetivo ............................................................................................................................... 1 
1.2 Alcance del proyecto ........................................................................................................... 1 
1.3 Requisitos ............................................................................................................................ 2 
1.3.1 Requisitos prácticos ..................................................................................................... 2 
1.3.1 Requisitos económicos ................................................................................................. 2 
1.4 Justificación .........................................................................................................................2 
2. Antecedentes .................................................................................................................. 4 
2.1 Origen de los instrumentos percusivos y la batería acústica .............................................. 4 
2.2 Origen de las cajas de ritmos .............................................................................................. 5 
2.2.3 Tipos de cajas de ritmo ................................................................................................ 5 
3. Evaluación de propuestas para la creación de un pad electrónico con DAC interno. ........... 7 
3.1 Sensor piezoeléctrico .......................................................................................................... 7 
3.3 Microcontrolador ................................................................................................................ 8 
3.2.1 Arduino UNO/Duemilanove ......................................................................................... 9 
3.3 Protocolo MIDI .................................................................................................................. 11 
3.3.1 Tipos de salida MIDI ................................................................................................... 11 
3.3.2 Mensajes MIDI ............................................................................................................ 12 
3.4 Conversión digital a analógica ........................................................................................... 14 
3.4.1 Señal PWM ................................................................................................................. 14 
3.4.1.1 Profundidad de bits ............................................................................................. 16 
3.4.1.2 Estructuras PWM................................................................................................. 16 
3.4.1.3 Modos PWM ........................................................................................................ 18 
4. Diseño de hardware ....................................................................................................... 22 
4.1 Sensor piezoeléctrico ........................................................................................................ 22 
4.2 Memoria externa............................................................................................................... 24 
4.3 Interfaz gráfica .................................................................................................................. 25 
4.3.1 LEDs Como números binarios ..................................................................................... 25 
 
vi 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
4.3.2 Funcionamiento ......................................................................................................... 25 
4.4 Salida MIDI ........................................................................................................................ 26 
4.5 PWM DAC .......................................................................................................................... 27 
4.5.1 Salida simple 8 bits. .................................................................................................... 27 
4.5.2 Salida simple 8 bits con cancelación rizada. ............................................................... 30 
4.5.3 Salida dual 16 bits....................................................................................................... 32 
4.5.4 Salida dual con cancelación de rizado. ....................................................................... 34 
4.5.5 Salida dual con cancelación de rizado 16 bits y filtro activo de segundo orden (solución 
propuesta). .......................................................................................................................... 37 
4.6 Salida analógica ................................................................................................................. 38 
5. Diseño de software ........................................................................................................ 40 
5.1 Entrada .............................................................................................................................. 40 
5.1.1 Filtro valor máximo .................................................................................................... 40 
5.1.2 Control de la amplitud de la señal de salida .............................................................. 42 
5.2 Interfaz gráfica .................................................................................................................. 44 
5.3 Tarjeta SD .......................................................................................................................... 47 
5.4 Salida MIDI ........................................................................................................................ 47 
5.5 Salida PWM ....................................................................................................................... 49 
5.6 Generación de las señales de “sample” ............................................................................ 52 
5.6.1 Audacity, archivo de audio a RAW ............................................................................. 52 
5.6.2 Python, archivo RAW a fichero de cabecera .H .......................................................... 55 
5.6.3 Arduino, inclusión del archivo de cabecera .H ........................................................... 57 
6. Creación de la PCB ......................................................................................................... 58 
6.1 Circuito electrónico ........................................................................................................... 58 
6.2 Diseño de la PCB ................................................................................................................ 59 
6.3 Alimentación pad de batería electrónico .......................................................................... 63 
6.4 Cubierta PCB ...................................................................................................................... 63 
7. Evaluación final, económica y ecológica .......................................................................... 64 
7.1 Evaluación del funcionamiento final ................................................................................. 64 
7.1.1 Frecuencia de corte .................................................................................................... 64 
7.1.1.1 Frecuencia de corte filtro paso bajo de primer orden ........................................ 64 
7.1.1.2 Frecuencia de corte filtro paso bajo de segundo orden ..................................... 66 
7.1.2 Rizado de salida .......................................................................................................... 67 
7.1.2.1 Rizado salida simple 8 bits................................................................................... 67 
7.1.2.2 Rizado salida simple 8 bits con cancelación de rizado. ....................................... 68 
7.1.2.3 Comparación rizado salida dual con cancelación pasiva y activa. ...................... 69 
 
vii 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
7.1.2.4 Comparación rizado salida dual con cancelación pasiva y activa con nota LA. .. 70 
7.1.3 Filtrado de señal PWM ............................................................................................... 71 
7.2 Evaluación económica ....................................................................................................... 72 
7.2.1 Coste de componentes y materiales .......................................................................... 72 
7.2.2 Coste de la realización del proyecto ..........................................................................73 
7.2.3 Coste final incluyendo el gasto energético ................................................................ 73 
7.3 Evaluación sostenible ........................................................................................................ 73 
7.3.1 Ámbito social .............................................................................................................. 74 
7.3.2 Ámbito ambiental ....................................................................................................... 74 
7.3.3 Ámbito económico ..................................................................................................... 74 
8. Conclusiones .................................................................................................................. 75 
8.1 Objetivos iniciales .............................................................................................................. 75 
8.2 Trabajos Futuros ................................................................................................................ 75 
9. Anexos .......................................................................................................................... 77 
9.1 Esquema circuito PCB ........................................................................................................ 77 
9.2 Componentes PCB ............................................................................................................. 78 
9.2.1 Componentes parte inferior PCB ............................................................................... 78 
9.2.2 Componentes parte superior PCB .............................................................................. 78 
9.2.3 Pista de cobre inferior PCB ......................................................................................... 79 
9.2.4 Pista de cobre superior PCB ....................................................................................... 79 
9.3 Main code Arduino IDE ..................................................................................................... 80 
9.4 Código Python Char2PWM ................................................................................................ 83 
10. Referencias .................................................................................................................. 84 
 
 
 
 
viii 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
Índice de tablas 
Tabla 1 Propiedades ATmega328P. Tabla propia ......................................................................... 10 
Tabla 2 Notas y octavas con sus respectivos bits ......................................................................... 13 
Tabla 3 Mensaje MIDI .................................................................................................................. 13 
Tabla 4 Valores binarios asignados a su selección decimal del sonido utilizado .......................... 25 
Tabla 5 Valores asignados al registro de control en Arduino UNO .............................................. 50 
Tabla 6 Cantidad, referencia y valor de componentes utilizados ................................................ 58 
Tabla 7 Precio componentes ....................................................................................................... 73 
 
 
 
 
 
ix 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
Índice de imágenes 
Imagen 1 Diagrama de bloques básico explicativo. Imagen propia.............................................. 1 
Imagen 1.1 Sympathy for the Lawyer. https://sympathyforthelawyer.com/2022/08/16/acuerdo-
bandas-instrumento-necesario-equilibrar-diferencias-entre-miembros-grupo/ ......................... 3 
Imagen 2 Conjunto de instrumentos percusivos de la Galería de la Academia. Imagen propia .. 4 
Imagen 2.1 Grupo actual Perfecto Desorden con batería acústica. Foto de Humberto González4 
Imagen 2.2 Unidad central de batería eléctrica. 
https://www.thomann.de/es/alesis_turbo_mesh_kit_bundle.htm?gclid=Cj0KCQiAzeSdBhC4ARIsA
Cj36uHc3oeDCESpPQg6dbh9RvhzC1WZmFzbFkbKqRz6j-vqsu39ZfqN2Q4aAoGcEALw_wcB ...... 5 
Imagen 2.3 Salidas de un pad de batería electrónico. 
https://www.thomann.de/es/roland_spd_sx_pro_sampling_pad_bundle.htm?gclid=Cj0KCQiAzeS
dBhC4ARIsACj36uEjqASwljVbVCnBkWZ2wFfaXyFUTDgl2arL3JjnMrnP4QhcqFLrztYaAnKLEALw_wcB
 ....................................................................................................................................................... 6 
Imagen 2.4 Salidas de un MIDI pad. 
https://www.thomann.de/es/novation_launchpad_x.htm?gclid=Cj0KCQiAzeSdBhC4ARIsACj36uHv
l-ZvoTS04YuZZ0x4xdilnKhT_jLPoIrVT6vVEjn-y0lkgLghNCwaAmXWEALw_wcB ............................ 6 
Imagen 3 Diagrama de bloques general interno del pad electrónico. Imagen propia ................. 7 
Imagen 3.1 Sensor piezoeléctrico. Imagen propia ........................................................................ 7 
Imagen 3.2 Circuito interno sensor piezoeléctrico. Imagen propia .............................................. 8 
Imagen 3.3 Sensor piezoeléctrico de presión. Imagen propia ...................................................... 8 
Imagen 3.4 Puertos del microcontrolador ATmega328P. Components info (9) .......................... 9 
Imagen 3.5 ATmega328P en Arduino Duemilanove. Imagen propia .......................................... 10 
Imagen 3.6 Salida MIDI de batería electrónica. Imagen propia ................................................. 11 
Imagen 3.7 Control MIDI desde DAW Ableton Live. Imagen propia .......................................... 12 
Imagen 3.8 Valores de velocidad MIDI en notación musical. cs.cmu.edu (17) .......................... 13 
Imagen 3.9 Audio digital a analógico. Imagen propia................................................................. 14 
Imagen 3.10 LA con una frecuencia de muestreo de 44100Hz en Audacity. Imagen propia ..... 14 
Imagen 3.11 Generación PWM en modo “Fast PWM”. Imagen propia ..................................... 15 
Imagen 3.12 Salida señal PWM. Imagen propia ......................................................................... 16 
Imagen 3.13 PWM simple y dual respectivamente. Imagen propia ........................................... 17 
Imagen 3.14 PWM triple. Imagen propia .................................................................................... 17 
Imagen 3.15 A4 y C7 con un filtro paso bajo con una fc de 7kHz. Imagen propia ..................... 18 
Imagen 3.16 Forma de los modos “Fast PWM” (arriba) y “Phase Correct” (abajo). Imagen propia
 ..................................................................................................................................................... 19 
Gráfica 1 Frecuencias PWM en relación a su profundidad de bits. Imagen propia .................... 19 
Imagen 4 Diagrama de bloques. Imagen propia ......................................................................... 22 
Imagen 4.1 Diagrama de bloques entrada piezoeléctrico. Imagen propia ................................. 22 
Imagen 4.2 Circuito filtro reductor de tensión negativa. Imagen propia ................................... 23 
Imagen 4.3 Actuación del diodo en filtro limitador de tensión negativa. Imagen propia .......... 23 
Imagen 4.4 Filtro limitador con resistencia de control de respuesta. Imagen propia ................. 23 
Imagen 4.5 Señal del sensor piezoeléctrico antes y después del filtro limitador de tensión negativa 
respectivamente. Imagen propia ................................................................................................ 24 
Imagen 4.6 Esquema conexiones tarjeta SD. Imagen Propia ...................................................... 24 
Imagen 4.7 Funcionamiento de la interfaz gráfica. Imagen propia ............................................. 26 
Imagen 4.8 Esquemático de LEDs y pulsador. Imagen propia .....................................................26 
Imagen 4.9 Esquema KiCad de un puerto MIDI de 5 pines. Imagen propia ................................ 26 
 
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Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
Imagen 4.10 Recomendaciones electrónicas ficha de datos. (24) .............................................. 27 
Imagen 4.11 Esquema electrónico puerto MIDI. Imagen propia................................................. 27 
Imagen 4.12 Diagrama de bloques salida simple 8 bits. Imagen propia .................................... 28 
Imagen 4.13 Circuito electrónico salida simple 8 bits. Imagen propia ........................................ 28 
Imagen 4.14 Salida PWM y señal media. Imagen propia ............................................................ 29 
Imagen 4.15 Nota La salida media simple 8 bits. Imagen propia ................................................ 29 
Imagen 4.16 Rizado salida 8bits práctico y teórico respectivamente. Imagen propia ................ 30 
Imagen 4.17 Diagrama de bloques salida simple 8 bits negada. Imagen propia ......................... 31 
Imagen 4.18 Circuito electrónico salida simple 8 bits negada. Imagen propia ........................... 31 
Imagen 4.19 Rizado salida simple 8 bits negada. Imagen propia ................................................ 32 
Imagen 4.20 Diagrama de bloques salida dual 16 bits. Imagen propia ....................................... 33 
Imagen 4.21 Ponderación de resistencias. Imagen propia .......................................................... 33 
Imagen 4.22 Nota La salida media dual 16 bits. Imagen propia .................................................. 34 
Imagen 4.23 La simple 8 bits y dual 16 bits sin filtrado respectivamente. Imagen propia .......... 34 
Imagen 4.24 Comparación rizada 8 bits simple (verde) y 16 bits dual (azul). Imagen propia ..... 35 
Imagen 4.25 Diagrama de bloques salida dual negada. Imagen propia ...................................... 35 
Imagen 4.26 Circuito electrónico salida dual 16 bits negada. Imagen propia ............................. 35 
Imagen 4.27 Salidas simple 8 bits negada (verde), dual 16 bits (azul) y dual 16 bits con cancelación 
de rizado (roja). Imagen propia ................................................................................................... 36 
Imagen 4.28 Nota La salida media dual 16 bits y dual con cancelación rizada de 16 bits 
respectivamente. Imagen propia ................................................................................................. 36 
Imagen 4.29 Frecuencias de corte de salida simple 8 bits negada y sin negar (azul, rojo) y dual de 
16 bits negada y sin negar (amarillo, verde). Imagen propia ....................................................... 36 
Imagen 4.30 Diagrama de bloques salida dual. Imagen propia ................................................... 37 
Imagen 4.31 Diagrama de bloques salida dual ............................................................................ 37 
Imagen 4.32 LA salida 16 bits filtro paso bajo pasivo (arriba), LA salida 16 bits paso bajo activo 
(abajo). Imagen propia ................................................................................................................ 38 
Imagen 4.33 Diagrama de bloques salida analógica. Imagen propia........................................... 38 
Imagen 4.34 Circuito de salida analógico. Imagen propia ........................................................... 39 
Imagen 5 Señal de entrada y lindar de activación. Imagen propia .............................................. 40 
Imagen 5.1 Representación lectura de valores. Imagen propia .................................................. 41 
Imagen 5.2 Diagrama de flujo del bloque de entrada. Imagen propia ........................................ 43 
Imagen 5.3 Circuito de INPUT_PULLUP. Imagen propia .............................................................. 44 
Imagen 5.4 Señal de rebote de botón pull down. Imagen propia ............................................... 46 
Imagen 5.5 Diagrama de flujo de la interfaz gráfica. Imagen propia ........................................... 46 
Imagen 5.6 Mensaje MIDI enviado por TX. Imagen propia ........................................................ 49 
Imagen 5.7 Dividir pista estéreo a mono. Imagen propia ........................................................... 53 
Imagen 5.8 Formato de señal a 16 bits. Imagen propia ............................................................. 53 
Imagen 5.9 Normalización de señal a 1V. Imagen propia ........................................................... 54 
Imagen 5.10 Señal normalizada a 0dB y -13,15dB respectivamente. Imagen propia ................ 54 
Imagen 5.11 Remuestreo de la señal. Imagen propia ................................................................. 55 
Imagen 5.12 Codificación de guardado del documento. Imagen propia ..................................... 55 
Imagen 5.13 Código de raw a .h. Imagen propia ......................................................................... 56 
Imagen 5.14 Comando CMD. Imagen propia .............................................................................. 57 
Imagen 6 Circuito electrónico. Imagen propia ............................................................................ 59 
Imagen 6.1 División de componentes electrónicos. Imagen propia ............................................ 60 
Imagen 6.2 Cara inferior PCB. Imagen propia ............................................................................. 60 
Imagen 6.3 Cara superior PCB. Imagen propia ............................................................................ 61 
 
xi 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
Imagen 6.4 Programa de enrutado. Imagen propia .................................................................... 61 
Imagen 6.5 Conexionado de pistas y vias. Imagen propia ........................................................... 62 
Imagen 6.6 Visor 3D de PCB con arduino. Imagen propia ........................................................... 62 
Imagen 6.7 PCB ensamblada. Imagen propia .............................................................................. 62 
Imagen 6.8 Cubierta del pad de batería electrónico. Imagen propia ......................................... 63 
Imagen 6.9 Laterales cubierta del pad de batería electrónico. Imagen propia .......................... 63 
Imagen 7 Montaje sin inversor. Imagen propia ........................................................................... 64 
Imagen 7.1 Paso bajos pasivo. Imagen propia ............................................................................ 64 
Imagen 7.2 Atenuación filtro paso bajo de primer orden. Imagen propia .................................. 65 
Imagen 7.3 Frecuencia de corte filtro paso bajo de primer orden. Imagen propia ................... 65 
Imagen 7.4 Paso bajos pasivo. Imagen propia ............................................................................ 66 
Imagen 7.5 Atenuación filtro paso bajo de segundo orden. Imagen propia ............................... 66 
Imagen 7.6 Frecuencia de corte filtro paso bajo de segundo orden. Imagen propia .................. 67 
Imagen 7.7 Rizado de salida simple 8 bits (señal azul). Imagen propia ....................................... 68 
Imagen 7.8 Rizado salida simple 8 bits con cancelación de rizado (señal azul). Imagen propia .. 68 
Imagen 7.9 Rizado salida dual con cancelación pasiva (señal azul). Imagen propia .................... 69 
Imagen 7.10 Rizado salida dual con cancelación activa (señal azul). Imagen propia .................. 69 
Imagen 7.11 Rizado con la misma amplitud, pasivo y activo respectivamente. Imagen propia .. 70 
Imagen 7.12 Rizado nota LA salida dual filtro pasivo. Imagen propia ......................................... 70 
Imagen 7.13 Rizado nota LA salida dual filtro activo. Imagen propia ..........................................71 
Imagen 7.14 Frecuencias salida señal PWM (flecha verde y roja, nota LA y f PWM 
respectivamente). Imagen propia ................................................................................................ 71 
Imagen 7.15 Frecuencias tras filtrado de filtro paso bajo activo. Imagen propia........................ 72 
 
 
xii 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
Glosario 
DAC: Dital analog converter / Convertidor digital analógico. 
DAW: Digital Audio Workstation / Estación digital de trabajo de audio. 
IDE: Integrated Development Environment/ Entorno de desarrollo integrado. 
LED: Diodo emisor de luz. 
MCU: Micro Controller Unit / Unidad de micro controlador. 
MIDI: Musical Instrument Digital Interface / Interfaz digital de instrumento musical. 
OPAM: Operational Amplifier / Amplificador operacional. 
Pad: Almohadilla (Superficie del golpe). 
PCB: Printed Circuit Board / Placa de circuito impreso. 
PWM: Pulse Width Modulation / Modulación de anchura del pulso. 
RAW: Tipo de formato en bruto/crudo. 
Sample: Muestra de sonido grabado. 
SD: Secure Digital/Digital seguro. 
TFG: Trabajo de final de grado. 
 
 
1 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
1. Introducción 
1.1 Objetivo 
El presente proyecto de final de grado, trata de diseñar e implementar un pad percusivo electrónico 
portable. Dicho sistema, ha de constar de dos pads/sensores, y ha de permitir el envío del sonido a 
partir de comandos MIDI o a través de una toma de auriculares Jack, utilizando herramientas y 
dispositivos electrónicos sin la utilización de un DAC externo, y su etapa de salida, como se muestra 
en la imagen 1, para que sirva como herramienta o instrumento a todo tipo de músico, pero, sobre 
todo, para percusionistas. 
 
Imagen 1 Diagrama de bloques básico explicativo. Imagen propia 
1.2 Alcance del proyecto 
Para la correcta organización y comprensión del trabajo detallamos los puntos que se van a 
desarrollar en este: 
• Captación, procesamiento y transformación de pulsos: Observar los pulsos captados por los 
sensores piezoeléctricos con un osciloscopio, como adaptarlos a la entrada del 
microcontrolador y como procesar estos de manera que la salida se reproduzca con un 
volumen directamente proporcional a la señal de entrada. 
• Señales PWM: Entender cómo funcionan y como crearlas en microcontroladores además de 
como combinarlas para conseguir una señal con mayor profundidad de bits. 
• Circuitos paso bajos y altos: Estudio de como configurarlos de tal manera que funcionen 
como conversor de pulsos digitales a analógicos y como afectan a la señal sus diferentes 
configuraciones. 
• Salida de auriculares: Separar la señal digital en canales derecho e izquierdo y analizar cómo 
se ve afectada la señal al conectar auriculares con una impedancia interna. 
• Creación de programa/código: Uso y aprendizaje del software adecuado para la correcta 
programación de los procesos del microcontrolador y conversión de audio. 
• Protocolo MIDI: Estudio de características y funcionamiento para su implementación como 
salida digital. 
• Memoria externa: Estudio de como implementar una memoria externa en el 
microcontrolador. 
• Circuito impreso o PCB: Aprendizaje de Kicad para diseñar PCB para proceder 
posteriormente a la impresión de esta y el correcto soldaje de los diferentes componentes 
electrónicos. 
 
2 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
1.3 Requisitos 
Para conseguir llegar a la solución final, se han tenido que cumplir unas ciertas especificaciones tanto 
en un aspecto práctico, como económico. 
 1.3.1 Requisitos prácticos 
Para poder llevar a cabo todo el estudio de software y hardware, programación e impresión 
y ensamblaje de la PCB se ha tenido que cumplir: 
• Conocimiento y aprendizaje de todos los softwares que se van a utilizar tanto para 
la programación como para el diseño de circuito y de PCB como Arduino IDE, Kicad, 
LTSpice, Python y Audacity. 
• Hacer visitas a la universidad para revisar diferentes avances tanto de hardware 
como de software y utilizar los laboratorios para tomar medidas y realizar montajes 
electrónicos con el uso de osciloscopios, voltímetros y soldadores. 
• Dedicar unas 600 horas de trabajo a todo el proyecto para completar todas las tareas 
y cumplir con las horas asociadas a 24 créditos universitarios. 
• Documentar todo el proceso seguido para adjuntar toda la documentación utilizada 
al final del proyecto 
• Terminar el proyecto con un pad electrónico funcional. 
1.3.1 Requisitos económicos 
A nivel de gastos de componentes para el montaje de circuitos, componentes electrónicos y 
aparatos de medida se ha tenido que cumplir: 
• Utilizar el menor presupuesto posible. 
• Hacer uso de todas la facilidades y herramientas como materiales e instrumentos 
de medida aportados por la universidad 
• Obtención de material del cual la universidad no disponga. 
1.4 Justificación 
Como bien se sabe, en la actualidad, la digitalización es una realidad que está llegando a muchos 
ámbitos inclusive, el mundo de la música. Muchos músicos utilizan instrumentos electrónicos para 
generar “samples” (muestras de un trozo musical o instrumental) y sonidos complicados de generar 
en un instrumento acústico. 
Uno de los casos más comunes en los cuales se puede observar esta digitalización, son los pads 
electrónicos, ya sean de percusión o de “loop”, procedentes de las baterías electrónicas que 
empezaron a ser distribuidas en la década de los 70 (1). Utilizados tanto con los dedos como con 
baquetas, estos han llegado a ser muy populares y útiles a la hora de realizar conciertos y 
grabaciones, como se puede apreciar en la imagen 1.1, para conseguir tener una instrumentación 
más ampliada ocupando un espacio reducido. Este recurrente y fácil uso es debido, a parte de su 
tamaño reducido, a que, mediante el protocolo MIDI, pueden conectarse al ordenador y, además, 
de los suyos propios, utilizar sonidos o “samples” guardados en otro programa externo al pad. 
Aun con todas sus ventajas, muchos de estos instrumentos digitales percusivos no tienen la opción 
de extraer audio analógico, y si la tienen suelen ser muy costosos. Por eso, la gran mayoría solo es 
capaz de proveer audio digital, conectándolo a un ordenador o aparato electrónico que sepa leer la 
señal de salida o con un DAC que no proporciona una calidad adecuada de audio, a no ser que se 
 
3 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
disponga de un aparato voluminoso, solo para salir del paso. Por eso, con este proyecto se quiere 
solucionar este problema creando un DAC interno relativamente sencillo y económico capaz de 
extraer el audio analógico con la mayor calidad posible, para que el oyente sea capaz de utilizar su 
pad sin necesidad de conectarlo a un aparato externo, ya sea un DAC u ordenador. 
 
Imagen 1.1 Sympathy for the Lawyer. https://sympathyforthelawyer.com/2022/08/16/acuerdo-bandas-instrumento-
necesario-equilibrar-diferencias-entre-miembros-grupo/ 
 
4 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
2. Antecedentes 
El instrumento digital que se está diseñando en este proyecto, proviene de la simplificación de los 
instrumentos percusivos y, sobre todo, de la batería acústica. Esto se debe, a que este puede 
almacenar todos los sonidos que pueden producir diferentes instrumentos percusivos, sin ocupar el 
gran espacio que estos, en conjunto ocuparían. 
2.1 Origen de los instrumentos percusivos y la batería acústica 
Se estima que los primeros instrumentos de percusión (2), se crearon alrededor del año 5500 AC con 
materiales artesanales y naturales como era la piel de cocodrilo. Estos empezaron con las culturas 
neolíticas originarias de china y se fueron expandiendo por Asia, y Africa, que empezó con la creación 
de dongs de bronce.Hasta llegar a la antigua Grecia y Roma entre los años 200 y 500 AC. 
 
Imagen 2 Conjunto de instrumentos percusivos de la Galería de la Academia. Imagen propia 
Toda esta evolución percusiva, ha ido dejando diferentes instrumentos percusivos a lo largo de los 
años, como se pueden observar en la imagen 2, creando por accidente lo que hoy se conoce batería 
acústica. A raíz de la llegada de inmigrantes a América, también llegaron con ellos los diferentes 
instrumentos percusivos que existían en sus originarios países. De esta manera, se empezaron a crear 
bandas percusivas y de vientos, que desfilaban por las calles para las conmemoraciones de eventos 
importantes. Los percusionistas, queriendo experimentar, empezaron a inventar pedales para poder 
tocar dos instrumentos percusivos a la vez, la caja con las baquetas y los platos con los pies, una 
técnica llamada “doble tamborileo”, en su traducción más literal. Esta experimentación con pedales, 
siguió creciendo hasta llegar a un punto que las grandes compañías como son Gretsch, Ludwig y 
Slingerland empezaron a fabricar lo que hoy conocemos como batería acústica a principios del año 
1900, observando que el instrumento que encontramos en casi todas las canciones que se escuchan 
hoy en día, representado en la imagen 2.1, tiene poco más de 100 años de antigüedad. Para 
profundizar más consultar el artículo de Charles Burchell (3). 
 
Imagen 2.1 Grupo actual Perfecto Desorden con batería acústica. Foto de Humberto González 
 
5 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
2.2 Origen de las cajas de ritmos 
Con la aparición de los primeros sintetizadores, se empezó a experimentar con los sonidos 
electrónicos de instrumentos acústicos percusivos. Durante la época de los 30s a los 60s se 
inventaron tres cajas de ritmo electrónicas, el Rhythmcon de Leon Theremin, que fue la primera, el 
Rhythmate de Harry Chamberlain y el sintetizador de ritmos de Raymond Scott (4), que iniciaron el 
desarrollo de estas cajas de ritmos, que hoy conocemos como diferentes tipos instrumentos 
percusivos digitales y de los cuales se pueden encontrar diferentes tipos. 
 2.2.3 Tipos de cajas de ritmo 
Entre los diferentes instrumentos percusivos digitales o cajas de ritmo podemos encontrar 3 
tipos principales: 
• Baterías electrónicas: 
Las baterías electrónicas, son la caja de ritmos más parecidas a una batería original, 
ya que conserva su forma y prácticamente sus dimensiones. Estas baterías suelen ser 
de uso personal y casero, para no generar tanto ruido como el que generaría una 
batería acústica. Todos los pads que la forman, equivalen a los diferentes tambores 
de una batería, y se conectan directamente a una unidad central con un 
microcontrolador que recibe los golpes y los envía a sus diversas salidas. Estos tipos 
de caja de ritmo contienen un conversor DAC adecuado, a causa de tener una unidad 
central externa voluminosa como se puede ver en la imagen 2.2. 
 
Imagen 2.2 Unidad central de batería eléctrica. 
https://www.thomann.de/es/alesis_turbo_mesh_kit_bundle.htm?gclid=Cj0KCQiAzeSdBhC4ARIsACj3
6uHc3oeDCESpPQg6dbh9RvhzC1WZmFzbFkbKqRz6j-vqsu39ZfqN2Q4aAoGcEALw_wcB 
 
• Pads electrónicos de batería 
Los pads electrónicos de batería, son una caja de ritmos con la función de simplificar 
el set de batería en un espacio más reducido. Estos pueden llegar a ocupar un 
espacio más voluminoso que el de los home pads, usándose tanto en conciertos 
como se puede observar en la imagen 1.1 como para uso personal. Estos al tener un 
volumen lo suficiente grandes consiguen adaptar un DAC interno con una salida de 
audio de buena calidad como se puede observar en la imagen 2.3. 
 
6 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
 
Imagen 2.3 Salidas de un pad de batería electrónico. 
https://www.thomann.de/es/roland_spd_sx_pro_sampling_pad_bundle.htm?gclid=Cj0KCQiAzeSdBh
C4ARIsACj36uEjqASwljVbVCnBkWZ2wFfaXyFUTDgl2arL3JjnMrnP4QhcqFLrztYaAnKLEALw_wcB 
• MIDI pads: 
Los home pads, son una caja de ritmos completamente simplificada, tanto en 
espacio como en salidas. Su uso es completamente digital, tanto para uso casero 
como para sobre todo directo de DJs. No constan de ninguna salida analógica y su 
uso puede extenderse hasta el control de comandos de un ordenador. Pueden 
apreciarse sus salidas en la imagen 2.4. 
 
Imagen 2.4 Salidas de un MIDI pad. 
https://www.thomann.de/es/novation_launchpad_x.htm?gclid=Cj0KCQiAzeSdBhC4ARIsACj36uHvl-
ZvoTS04YuZZ0x4xdilnKhT_jLPoIrVT6vVEjn-y0lkgLghNCwaAmXWEALw_wcB 
Se puede comprobar que contra más volumen tiene la caja de ritmos, la facilidad de 
introducir un DAC interno, a parte del microcontrolador central, con una conversión 
analógica de buena calidad incrementa, pero esto conlleva una consecuencia, el pad se 
vuelve menos portátil y más difícil de colocar en un espacio reducido. Es por eso que, en 
cuanto a instrumentos percusivos digitales, para producir, es cada vez más gente quien elige 
los MIDI pads, sin capacidad de una salida analógica. 
 
 
 
 
7 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
3. Evaluación de propuestas para la creación de un 
pad electrónico con DAC interno. 
Como se ha mencionado, un pad de batería electrónico es un instrumento digital utilizado 
especialmente por percusionistas. Este tipo de instrumento digital, se basa en la utilización de un 
sensor como receptor, que recibirá un golpe y generará una señal eléctrica. Dicha señal, se enviará 
a un microcontrolador que acabará generando la señal que ha de sonar. Si la salida es analógica, la 
señal emitida por el microcontrolador ha de ser convertida de digital a analógica, es decir, ha de ser 
procesada por un DAC (Digital to Analogic Converter) como se muestra en la imagen 3. 
 
Imagen 3 Diagrama de bloques general interno del pad electrónico. Imagen propia 
A continuación, se entrará en más detalle con cada parte de este diagrama. 
3.1 Sensor piezoeléctrico 
Utilizado como receptor y trigger en este proyecto, el sensor piezoeléctrico, descubierto por Jackes 
Curie al final del siglo XIX, es un sensor que convierte la energía mecánica o física en eléctrica. Este 
está formado por minerales que, al ejercer presión, aceleración, temperatura, tensión o fuerza sobre 
ellos, generan una diferencia de potencial entre las dos caras del sensor con más o menos voltaje 
dependiendo de la fuerza aplicada. 
En la imagen 3.1 se puede apreciar el sensor piezoeléctrico que va a ser utilizado para este proyecto. 
La conexión, como se puede apreciar en la imagen, se hace por la parte inversa del sensor y es la 
siguiente; el cable positivo, de color rojo, se suelda en los minerales que captaran el golpe mientras 
que el cable negro, que corresponde con la referencia de tensión GND, va conectado al borde de 
este sensor. 
 
Imagen 3.1 Sensor piezoeléctrico. Imagen propia 
 
8 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
Este se puede modelar por un circuito electrónico implementado a partir de dos condensadores, un 
inductor y una resistencia de alta impedancia como se muestra en la imagen 3.2. 
 
Imagen 3.2 Circuito interno sensor piezoeléctrico. Imagen propia 
Haciendo referencia a la explicación del articulo el-pro-cus (5), la resistencia Ri de la imagen 3.2 es 
la resistencia interna o impedancia del aislador, además, la inductancia es debida a la inercia del 
sensor. También, podemos ver un condensador Ce, el cual es inversamente proporcional a la 
elasticidad del material del sensor utilizado. Para que se produzca una buena respuesta del sensor, 
la carga y la resistencia de fuga deben ser los suficientemente grandes para conservar así las bajas 
frecuencias. 
Hay dos tipos de configuración para estos sensores, de presión y de aceleración. En el caso de este 
proyecto, se utilizará este sensor con la configuración de presión. 
Como explica Jon Gabay (6) en su artículo,la configuración para que este funcione como sensor de 
presión, se basa en aplicar una fuerza de manera transversal provocando una deformación en este 
en una sola dirección, como se aprecia en la imagen 3.3. Si además, ampliamos la zona añadiendo 
un material duro sobre la parte superior del piezoeléctrico, se aumentará su área de funcionamiento. 
 
Imagen 3.3 Sensor piezoeléctrico de presión. Imagen propia 
Estos sensores, pueden trabajar a partir de todo tipo de fuerzas, tanto transversales, longitudinales 
o de corte, además son insensibles a los campos eléctricos y magnéticos y ante variaciones de 
temperatura, pudiendo mantener una respuesta lineal, lo cual los hace perfectos para entornos 
difíciles. 
3.3 Microcontrolador 
El microcontrolador, desarrollado en 1971 por Intel Corp., es un circuito integrado compacto 
diseñado para procesar y controlar partes de un sistema electrónico. Este está formado por un 
microprocesador, temporizadores y contadores, puertos de entrada y salida, memoria y otros 
 
9 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
componentes que trabajan juntos para lograr que este funcione. Para una información más detallada 
de las partes de los microcontroladores en general, revisar los artículos de Ben Lutkevich (7) y Pranav 
Gharge (8). 
3.2.1 Arduino UNO/Duemilanove 
Para este proyecto, se hará uso de las placas Arduino UNO o Duemilanove, las cuales tienen 
una estructura similar, solo que cambia la cantidad de pines en una y la otra. Las placas de 
Arduino, a lo largo del tiempo, han sido erróneamente consideradas microcontroladores, 
cuando eso no es así. Estas son plataformas de desarrollo con unas placas fáciles de 
programar que constan de un microcontrolador en su núcleo, es decir, que, a parte del 
microcontrolador, cuentan con puertos extra y otros componentes que hacen posible 
programar y reprogramar el microcontrolador para varias tareas. Una de estas facilidades, 
externa a la placa, es el programa de programación Arduino IDE, que nos da mucha facilidad 
a la hora de subir el programa deseado al microcontrolador. 
El microcontrolador de estas dos placas es el ATmega328P, el cual consta de 28 pines con 
las funciones de entrada y salida, analógica o digital; pines de alimentación, para circuitos 
que necesiten un cierto voltaje entre otras funciones como se puede apreciar en la imagen 
3.4 extraída de la página Components info (9), donde se resume su ficha de datos. 
 
Imagen 3.4 Puertos del microcontrolador ATmega328P. Components info (9) 
Este, según diversas páginas como electronics-lab (10), linuxhint (11), NextPCB (12), The 
engineering projects (13), entre otras, consideran el microcontrolador ATmega328P una de 
las más populares del mercado por sus diferentes propiedades, que son las que se muestran 
en la tabla 1. 
 
 
10 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
Propiedades ATmega328P 
Diseño de alto rendimiento 
Consumición energética baja 
6 pines de entrada analógicos 
14 pines digitales de entrada y salida 
23 pines de entrada y salida 
6 canales de salida PWM 
2KB de SRAM 
1KB de EEPROM 
32KB de memoria flash 
Velocidad de reloj de 16MHz 
3 timers, dos de 8 bits y uno de 16 bits 
Tensión de funcionamiento mínima, 1.8VCC y 
máxima, 5.5V CC 
Funcionalidad de programa de bloqueo para la 
seguridad del código de programación 
Tabla 1 Propiedades ATmega328P. Tabla propia 
Todas estas características y el esquema de pines, también se pueden encontrar en su ficha 
de datos oficial (14). 
Como hemos mencionado con anterioridad, este microcontrolador forma parte de un 
conjunto de desarrollo que nos va a hacer más sencilla la programación de este. En la imagen 
3.5, se muestra la placa de desarrollo Arduino Duemilenove, que fue una de las primeras 
placas de desarrollo que se diseñaron. 
 
Imagen 3.5 ATmega328P en Arduino Duemilanove. Imagen propia 
Los pines Arduino que se van a utilizar en este proyecto son los siguientes: 
• De 5V y 3.3V: Que proporcionan el nivel de tensión de 5V y 3.3V para alimentar 
componentes externos a la placa de desarrollo. 
• GND: Tensión de referencia. 
 
 
11 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
• Pines Analógicos de entrada: Estos constan de un conversor ADC de 10 bits, que 
permite realizar la conversión de las muestras de la señal analógica en valores 
comprendidos entre 0 y 2023. No pueden recibir un voltaje negativo. 
• Pines Digitales de entrada y salida: Estos envían o reciben un nivel de tensión alto 
(5V) o bajo (0V), en alguno de estos puertos se puede encontrar las salidas de señal 
PWM, estos son los puertos 3, 5, 6, 9, 10 y 11, como se ven en la imagen 2.6, las 
cuales se han de definir previamente y que su funcionamiento se explicara en un 
apartado futuro. 
• Serial: Estos dos pines, RX y TX, tienen la función de recibir y transmitir, 
respectivamente, datos serie TTL (Transistor-Transistor Logic). Será utilizado para 
enviar información por el protocolo MIDI. 
3.3 Protocolo MIDI 
Utilizado como una de las opciones de salida de este proyecto, el protocolo MIDI o Interfaz Digital 
de Instrumentos Musicales, es un protocolo utilizado para la comunicación de instrumentos digitales, 
ya tanto sea para recibir o enviar información, como para sincronizarse. 
 
Imagen 3.6 Salida MIDI de batería electrónica. Imagen propia 
Como explica en (15), este se creó en 1983 por la necesidad que tenían los músicos para controlar 
varios equipos y hacer capas de varios sonidos. Este, se basa en comandos plenamente musicales, 
como play-stop, activaciones de nota, tempo volumen, entre otras. 
3.3.1 Tipos de salida MIDI 
En la imagen 3.6, podemos observar un conector MIDI de salida, aunque existen tres tipos: 
• MIDI IN: recibe información de un aparato externo a él. 
• MIDI OUT: envía información, como el mencionado antes. 
• MIDI THRU: es utilizado para sincronizar diferentes aparatos musicales. 
Para este proyecto, solo ser hará uso del MIDI out para enviar mensajes a un DAW (Digital 
Analogic Workstation) o unidad externa al pad electrónico. Este DAW controlará el sonido 
 
12 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
del “sample” dependiendo de la nota que se le envíe mediante el protocolo MIDI. En la 
imagen 3.7 se muestra el ejemplo del DAW Ableton Live. 
 
Imagen 3.7 Control MIDI desde DAW Ableton Live. Imagen propia 
3.3.2 Mensajes MIDI 
Para el intercambio de datos, el protocolo MIDI se encarga de enviar diferentes mensajes. 
Estos mensajes están compuestos por 2 o 3 bytes divididos en dos categorías: 
• Bytes de status: 
Estos 8 bits se dividen en un par de 4 bits superiores, que irán destinados a la función 
que se va a ejecutar y 4 bits inferiores que van destinados al canal por el que se va a 
enviar el mensaje. 
Para este proyecto solo serán importantes 2 funciones, las cuales son: NOTE ON y 
NOTE OFF (1001 y 1000 respectivamente); es decir el apagado y el encendido de la 
nota que se quiera hacer sonar. En cuanto a los canales, el protocolo MIDI llega a 
tener 16 canales, del 0 al 15. Para este proyecto solo se utilizará uno de ellos, el uno, 
el cual tiene los 4 bits inicializados a 0. 
• Byte de data: 
Se envían 2 bytes dedicados al valor de la nota y la velocidad de esta, la cual se 
refiere a la fuerza del golpe. En ambos casos, se utilizará solo la mitad de los valores 
del byte, es decir, los 128 primeros valores. Esto se debe, a que la otra mitad de los 
valores corresponden con funciones que no se utilizarán en el proyecto, estas son 
explicadas con más detalle en midi.org (16). 
Del primer byte que se envía, los 128 primeros valores representan una nota del DO 
al SI en su respectiva octava, tal y como se observa en la tabla 2. 
 
 
13 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
 NOMBRE DE NOTAOCTAVA C C# D D# E F F# G G# A A# B 
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 
0 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 
1 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 
2 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 
3 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 
4 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 
5 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 
6 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 
7 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 
8 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 
9 120 121 122 123 124 125 126 127 
Tabla 2 Notas y octavas con sus respectivos bits 
En cuanto al segundo byte, que se envía como dato, que da la información de la fuerza del 
golpe, los 128 primeros valores nos codifican la dinámica musical de la nota, en cs.cmu.edu 
(17) ayuda a entender mejor los valores visualmente, con una notación musical de la 
dinámica como se muestra en la imagen 3.8. 
 
Imagen 3.8 Valores de velocidad MIDI en notación musical. cs.cmu.edu (17) 
Es decir que, para encender una nota en el canal 1 que envíe una nota “la” de la tercera 
octava con una dinámica de “forte” (f, imagen 3.8), el mensaje MIDI enviado por el 
instrumento digital, se vería tal como se muestra en la siguiente tabla 3. 
 Byte 1 Byte 2 Byte 3 
Mensaje Nota encendida en 
canal 1 
Nota LA 3ª octava Dinámica Forte 
Integral 144 57 80 
Binario 10010000 00111001 01010000 
Tabla 3 Mensaje MIDI 
 
14 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
3.4 Conversión digital a analógica 
Para reproducir un audio almacenado en algún sistema digital, ya sea un ordenador, un teléfono o 
un instrumento digital, hace falta un dispositivo que permita la conversión de una señal digital en 
una señal analógica, y esto es lo que hace un DAC como se ve representado en la imagen 3.9. 
 
 
Imagen 3.9 Audio digital a analógico. Imagen propia 
El audio digital sin comprimir, suele estar codificado en PCM (Pulse Code Modulation), tal y como se 
explica en el artículo de Zococity (18), y se crea midiendo la amplitud de las ondas analógicas de 
audio en periodos regulares, es decir a una frecuencia de muestreo determinada como se muestra 
en la imagen 3.10. Esto genera una onda discreta, formada por puntos que no están unidos entre 
ellos, y cuya amplitud está codificada en binario, obteniéndose así un conjunto de 0s y 1s con la 
información del sonido analógico original. 
El trabajo del DAC, es recibir los bits que codifican el valor de cada una de las muestras de la señal 
de audio analógica, y pasarlos a un audio analógico a partir de una interpolación, es decir, introducir 
valores entre los bits recibidos para generar una señal continua. 
 
Imagen 3.10 LA con una frecuencia de muestreo de 44100Hz en Audacity. Imagen propia 
Hay diferentes tipos de DAC, de resistencia ponderada, R-2R escalera, segmentado y delta-sigma, 
que se explican con más detalle en el artículo de Laxmi Ashrit (19). En el caso de los 
microcontroladores, este conversor puede ser externo o interno. No obstante, aunque sea interno, 
generalmente no está preparado para trabajar con señales de audio en las que se requiere un 
mínimo de 16 bits y poder trabajar con una frecuencia de muestreo mínima de 44100 Hz, así que, la 
situación habitual, es tener que añadirlo de forma externa al sistema. Sin embargo, hay una opción 
económica que, permite modular la señal analógicamente y solo es necesario un filtro pasa bajo para 
recuperar la señal continua o analógica, dicha solución consiste en utilizar una señal PWM. 
3.4.1 Señal PWM 
Con el objetivo de no tener que añadir un DAC externo para trabajar con señales de audio, 
en este proyecto se trabajará con las salidas PWM disponibles en cualquier 
microcontrolador. Estas salidas permiten general una señal PWM como resultado de 
comparar el valor de cuenta de los temporizadores internos del microcontrolador con un 
umbral establecido, cuando el valor de cuenta del temporizador supera el umbral de 
comparación, la señal disponible en la salida PWM con la que se está trabajando, cambiará 
de nivel, como se muestra en la imagen 3.11. En función del modo de configuración del 
 
15 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
temporizador, se puede generar una señal PWM asimétrica o simétrica. Cuando se realiza 
un incremento del valor de cuenta hasta alcanzar el valor máximo y a continuación se reinicia 
la cuenta desde cero, se obtendrá una señal PWM asimétrica (“Fast PWM”). Sin embargo, si 
después de alcanzar el valor máximo de cuenta en vez de reiniciar la cuenta desde cero, se 
procede a decrementar la cuenta hasta llegar a cero, se obtiene una señal PWM simétrica 
(“Phase correct”). Más adelante se explicarán estos modos con más detalle. 
 
Imagen 3.11 Generación PWM en modo “Fast PWM”. Imagen propia 
Para terminar de obtener una señal analógica, es necesario filtrar la señal PWM generada 
con el objetivo de quedarnos con el valor medio de dicha señal, el cuál irá variando conforme 
varíe el ancho del pulso de la señal PWM como se muestra en la imagen 3.12. 
 
16 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
 
Imagen 3.12 Salida señal PWM. Imagen propia 
Al añadirle un filtro paso bajo a esta salida, se obtiene el valor promedio de esta, que en 
condiciones perfectas genera una señal continua sin rizado, siempre que la frecuencia de la 
portadora, es decir, de la señal PWM esté muy por encima de la frecuencia de corte del filtro 
paso bajo. 
3.4.1.1 Profundidad de bits 
En señales digitales de audio, tal y como se ha mencionado con anterioridad, es 
habitual trabajar con 16 o 24 bits. El número de bits utilizados para cuantificar cada 
una de las muestras de la señal de audio, va a condicionar la resolución que se tendrá 
para diferenciar la amplitud de las diferentes muestras que conforman dicha señal, 
así que determina el rango dinámico de la señal de audio, cuantos más bits se utilicen 
se obtendrá un mayor rango dinámico. Es por eso, que los videojuegos de 8 bits 
tienen esa música tan peculiar, ya que se cuela ese ruido. Para poder calcular el 
margen dinámico, se recurre a la explicación de “Analog Devices” (20) que nos dice 
que: 
𝑆𝑁𝑅(𝑑𝐵) = (𝐵𝑖𝑡 𝐷𝑒𝑝𝑡ℎ) · 6.02𝑑𝐵 + 1.76𝑑𝐵 [1] 
Más adelante, se hará uso de esta para comprobar si se sigue la regla. 
3.4.1.2 Estructuras PWM 
Una vez establecida la necesidad de trabajar con al menos 16 bits, hay que tener en 
cuenta que el número de bits dependerá del número de bits del contador utilizado 
para generar la señal PWM. En el caso de microcontroladores de 8 bits, el número 
máximo de bits de los contadores suele ser de 16 bits. No obstante, si se desea 
aumentar el número de bits, en lugar de trabajar con una única señal PWM, es 
posible trabajar con varias señales PWM combinándolas para obtener una mejor 
resolución, al igual que sucede al aumentar el número de bits. Esto se puede 
conseguir utilizando dos salidas PWM, es decir dual, como se muestra en la imagen 
3.13. En este caso, utilizando la mitad de bits para generar cada una de las dos 
señales PWM, se puede lograr la misma resolución que en el caso de utilizar una 
única señal PWM, con la ventaja adicional que, la frecuencia del PWM podrá ser el 
doble que en el caso de trabajar con una única salida PWM. Más adelante se 
analizará con más detalle cómo afecta la frecuencia de la señal PWM sobre la calidad 
de la señal de audio reconstruida. 
 
17 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
 
Imagen 3.13 PWM simple y dual respectivamente. Imagen propia 
También es posible utilizar una salida triple, como se puede apreciar en la imagen 
3.14, pero no quiere decir que esta sea una solución mejor que el caso de la salida 
dual, ya que como se explicará con más detalle, para que el sistema funcione 
correctamente, al añadir más señales PWM es necesario que los valores de las 
resistencias sean más precisos, parano tener errores al ponderar cada una de las 
señales PWM. 
 
Imagen 3.14 PWM triple. Imagen propia 
Para que la salida tuviese la calidad deseada, las resistencias han de tener una 
tolerancia muy pequeña. En el caso de la salida dual, al utilizar 8 bits por salida, 
también se ha de tener en cuenta este porcentaje. Según Open Music Labs (21), la 
tolerancia de las resistencias usadas para trabajar con una señal dual, ha de ser 
menor de 1/2 n *100, donde n es el número de bits deseados, en el caso de querer 
una dual de 8 bits por salida, se obtiene una tolerancia mínima del 0,4%. Este valor 
de tolerancia es muy pequeño y es algo que se ha de tener en cuenta a la hora de 
diseñar esta salida dual. 
Además, del número de bits, otro aspecto importante es la frecuencia de la señal 
PWM. Tal y como se había comentado, para recuperar la información de audio 
presente en la señal PWM, es necesario que la frecuencia de la señal PWM sea muy 
superior a la frecuencia máxima de la señal de audio que se está modulando, para 
no distorsionarla. Hay que ir con cuidado con la elección de la frecuencia de la señal 
PWM, ya que, como cualquier método de modulación de amplitud (AM), obtenemos 
bandas laterales debidas al proceso de modulación. La amplitud de los harmónicos 
de las bandas laterales, disminuirá contra más se alejen de la frecuencia portadora, 
es decir de la frecuencia de la señal PWM, tanto por arriba como por debajo, suele 
llevarle cinco/seis bandas antes de que el nivel de esta llegue por debajo del nivel de 
ruido. En un ejemplo, si tenemos una señal de 6kHz y la frecuencia de PWM es de 
40kHz tendremos unas frecuencias de bandas superiores, que no serán molestas 
 
18 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
gracias a que son frecuencias no audibles y unas inferiores, tales que serán 34kHz, 
28kHz, 22kHZ, 16khz y 10kHz, podemos comprobar que las dos últimas, están dentro 
del rango audible, lo cual nos generaría una distorsión en el audio utilizado. La 
distorsión obtenida, dependerá de la amplitud de los harmónicos de las bandas 
laterales generados en el proceso de modulación, y esta amplitud será menor cuanto 
mayor sea la diferencia entre su frecuencia y la frecuencia de la señal PWM, así que 
siempre nos va a interesar trabajar con una frecuencia lo más grande posible. No 
obstante, está estará limitada en función de la frecuencia de reloj máxima con la que 
puede trabajar el microcontrolador, en microcontroladores sencillos de 8 bits, dicha 
frecuencia suele ser de 16 MHz. 
 
Imagen 3.15 A4 y C7 con un filtro paso bajo con una fc de 7kHz. Imagen propia 
Para poner un ejemplo, se cogerán las notas A4 y C7 como se ve en la imagen 3.15, 
con frecuencias 440Hz y 2093Hz respectivamente, esta segunda será tomada como 
frecuencia PWM. Como podemos observar, esta frecuencia queda muy cercana a la 
frecuencia fundamental del A4, con la que queremos trabajar, mezclándose con sus 
respectivas frecuencias de banda, haciendo imposible el filtraje de esta frecuencia a 
causa de que se perdería información audible de esta nota. Sin embargo, si en vez 
de un C7, esta fuese una señal PWM con una frecuencia de 40kHz, como se ha 
mencionado anteriormente, la frecuencia de banda más pequeña sería de 10kHz 
siendo esta poco perceptible y, con el filtro paso bajo de 7Khz que se muestra en la 
imagen 3.15, esta frecuencia quedaría totalmente atenuada, dejando la nota A4 
totalmente limpia de ruido. 
3.4.1.3 Modos PWM 
El espectro de la señal PWM obtenida, también va a depender del tipo de PWM con 
la que se trabaja, asimétrica (“Fast PWM”) o simétrica (“Phase Correct PWM”). Por 
regla general, en cualquier microcontrolador se va a poder configurar ambos modos 
de funcionamiento. Tal y como se ha mencionado en la generación de la señal PWM, 
con el primero, el contador se incrementará hasta TOP y se reseteará a 0, dándonos 
una forma de diente de sierra, en el segundo caso, se alcanzará TOP y luego bajará 
a cero por escalones, donde se repetirá el proceso, obteniendo una señal triangular. 
Esta diferencia se puede apreciar en la imagen 3.16. 
 
19 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
 
Imagen 3.16 Forma de los modos “Fast PWM” (arriba) y “Phase Correct” (abajo). Imagen propia 
El “Phase Correct” tarda el doble en completarse, como se puede comprobar en la 
imagen 3.16, pero la calidad es mejor. Entonces, conociendo el comportamiento de 
las diferentes señales PWM que se pueden generar, y sabiendo el valor de la 
frecuencia máxima del contador, se puede expresar la frecuencia máxima de la señal 
PWM como en la ecuación [2]. 
𝐹𝑝𝑤𝑚 =
𝐹𝑐𝑝𝑢
𝑚
2
𝐵
𝑛
 [2] 
En esta, B es la profundidad de bits, m es el modo del PWM, es decir si es “Fast 
PWM”(1) o “Phase Correct PWM”(2) y n el número de salidas PWM que se utilizarán. 
En el siguiente gráfico se pueden ver las diferentes frecuencias. 
 
Gráfica 1 Frecuencias PWM en relación a su profundidad de bits. Imagen propia 
0
2000000
4000000
6000000
8000000
10000000
12000000
14000000
16000000
18000000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Fr
ec
u
en
ci
a 
 P
W
M
 (
H
z)
Número de bits (bits)
Fast PWM, Simple
Phase Correct PWM, Simple
Fast PWM, Dual
Phase Correct PWM, Dual
 
20 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
 
En este proyecto, se pretende llegar a una profundidad de 16 bits, ya que se quiere 
obtener una calidad de un CD, intentando obtener la menor distorsión posible con 
los recursos de los que disponemos. 
Siendo ese nuestro objetivo, comprobaremos cual es la frecuencia máxima de la 
señal PWM con 16 bits utilizando solo una salida, y trabajando con una frecuencia 
de reloj del microcontrolador de 16 MHz, con la ecuación [2] mencionada con 
anterioridad: 
𝐹𝑝𝑤𝑚 =
16000000
1
2
16
1
= 244.14 𝐻𝑧 [3] 
Observamos que la frecuencia obtenida es baja y entra dentro del rango audible. Las 
bajas frecuencias, son esenciales en instrumentos de percusión, lo que causaría un 
audio que no se podría entender a causa de la distorsión que esta añadiría. 
Bajamos la calidad para comprobar cuál es el rango de frecuencia en una calidad 
más baja, por ejemplo 8 bits, que es la calidad que tenían las consolas, era un sonido 
peculiar y de poca calidad, es por eso que nos gustaría llegar a una calidad superior: 
𝐹𝑝𝑤𝑚 =
16000000
2
2
8
1
= 31250 𝐻𝑧 [4] 
“Phase Correct” 
𝐹𝑝𝑤𝑚 =
16000000
1
2
8
1
= 62500 𝐻𝑧 [5] 
“Fast PWM” 
Podemos comprobar, que la frecuencia del PWM se incrementa unas 256 veces el 
valor que se obtiene en los 16 bits, este valor es similar al que se puede encontrar 
en la gráfica 1. Aun así, la calidad de la profundidad de bits es mucho menor, por lo 
tanto, nuestro audio tendrá menos información. 
Para conseguir una frecuencia PWM igual o más grande teniendo una profundidad 
de bits mayor, hemos de utilizar una salida dual, es decir, utilizar dos salidas PWM 
del microcontrolador. Para llegar a la calidad de 16 bits las dos salidas han de ser de 
8 bits, por eso en la ecuación la profundidad de bits total se divide por dos. Utilizando 
la ecuación [2] obtenemos: 
𝐹𝑝𝑤𝑚 =
16000000
2
2
16
2
= 31250 𝐻𝑧 [6] 
“Phase Correct” 
𝐹𝑝𝑤𝑚 =
16000000
1
2
16
2
= 62500 𝐻𝑧 [7] 
“Fast PWM” 
Podemos comprobar, que la frecuencia PWM es la misma que en la de 8 bits con 
una salida, dándonos como resultado una buena calidad de audio y una frecuencia 
 
21 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
que aún tener harmónicos dentro del rango auditivo, si se utilizan “samples” con 
frecuencias no muy altas y un pasa bajo que recorte estos harmónicos se puede 
obtener una buena calidad. 
 
 
22 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
4. Diseño de hardware 
En este apartado se entrará en detalle en las diferentessecciones del diagrama de bloques de la 
imagen 3, explicando sus diferentes etapas, los componentes electrónicos utilizados en estas, su 
funcionamiento y explicación de valores y características. Además de que a este se le han de añadir 
dos bloques más, una interfaz “gráfica” que ayude visualmente al usuario y una tarjeta de memoria 
externa para poder almacenar más “samples” de los que se podrían almacenar con la memoria 
interna del microcontrolador ATmega328P, quedando un diagrama de bloques como el de la imagen 
4. 
 
Imagen 4 Diagrama de bloques. Imagen propia 
Como podemos ver, en los dos nuevos bloques, la comunicación va en ambos lados, en el caso de la 
memoria, esto se debe a que el microcontrolador le pide información y esta se la proporciona, y en 
el caso de la interfaz, cada vez que recibe un cambio en esta, el microcontrolador ha de cambiar la 
información que se muestra en esta. 
4.1 Sensor piezoeléctrico 
Una vez se recibe un golpe en el sensor piezoeléctrico, este genera una señal de corriente alterna. 
Como se ha explicado en el apartado 3.2.1, el conversor ADC de la placa de desarrollo Arduino solo 
puede recibir valores positivos, por este motivo se le añadirá un limitador de tensión negativa, como 
se muestra en la imagen 4.1. 
 
Imagen 4.1 Diagrama de bloques entrada piezoeléctrico. Imagen propia 
Un circuito limitador de tensión negativa, se basa de una resistencia y un diodo como se muestra en 
la imagen 4.2 donde R1 es la propia resistencia del sensor piezoeléctrico. 
 
 
23 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
 
Imagen 4.2 Circuito filtro reductor de tensión negativa. Imagen propia 
Este diodo, de silicio, tiene una tensión umbral de 0,7V. Cuando el ánodo de este está conectado a 
masa, el sistema actuará como limitador de tensión negativa, es decir, el diodo actuará como circuito 
abierto siempre que la tensión esté por encima de los 0,7V, haciendo que salida = vin, mientras que 
este actuará como una batería de -0,7V cuando la tensión sea menor a -0.7V, como se representa 
en la imagen 4.3. Para una explicación más detallada consultar el vídeo de la UPV (22). 
 
Imagen 4.3 Actuación del diodo en filtro limitador de tensión negativa. Imagen propia 
En el caso de este proyecto, R1 será la impedancia del propio piezoeléctrico, la cual suele ser muy 
elevada, haciendo que la tensión Vin = Salida, aunque sea muy elevado, el valor de esta resistencia 
varía dependiendo del piezoeléctrico, es por eso que no le asignamos ningún valor. Esta impedancia 
tiene una función muy importante en este filtro; es la encargada de que caiga la diferencia de tensión 
cuando el diodo conduzca, es decir, actúe como una pila de -0,7V en el caso del limitador de tensión 
alterna negativa. 
En este proyecto además, se añadirá una resistencia de 1MΩ que tiene la finalidad de controlar la 
respuesta del piezoeléctrico, limita el voltaje y la corriente y, se comporta como un condensador que 
se descarga a través de la resistencia de este piezoeléctrico. El circuito electrónico se vería como se 
muestra en la imagen 4.4. 
 
Imagen 4.4 Filtro limitador con resistencia de control de respuesta. Imagen propia 
 
24 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
Esta, también actúa como una resistencia de pull-down, para mantener la señal en 0V siempre que 
no se detecte ningún tipo de señal de entrada. 
En la imagen 4.5 se puede observar el efecto del filtro de tensión negativa junto a la resistencia de 
1MΩ mencionados. 
 
Imagen 4.5 Señal del sensor piezoeléctrico antes y después del filtro limitador de tensión negativa respectivamente. 
Imagen propia 
4.2 Memoria externa 
Al querer añadir más de tres “samples”, se necesita añadir una memoria externa a causa de que la 
capacidad de la propia placa de desarrollo Arduino, no es suficiente. Para ello, seguiremos el video 
de proyecto F (23) donde explica cómo hacer una conexión casera sin ningún tipo de adaptador 
extra. Para ello, se necesitan 3 resistencias de 1k8Ω y 3 de 3k3Ω, con el objetivo de adaptar el nivel 
de tensión de los puertos de la placa de desarrollo Arduino y la tarjeta SD, dichas resistencias se han 
de añadir tal y como se muestra en el esquema de la imagen 4.6. 
 
 
Imagen 4.6 Esquema conexiones tarjeta SD. Imagen Propia 
Como se puede apreciar, las resistencias se utilizan para crear el mismo divisor de tensión [8] en 
todos los pines. Esto es a causa de que la tarjeta trabaja solo hasta 3.5V y la placa de Arduino le está 
aportando 5V: 
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 5𝑉 · (
3𝑘3
1𝑘8+3𝑘3
) = 3.24𝑉 [8] 
De esta manera se evita cualquier daño a la tarjeta SD. 
 
25 
 
Diseño e implementación de un pad 
electrónico de percusión portable 
Cada pin de la tarjeta tiene su función, el 2, 5 y 7 son de conexión mientras que el 1 es el que va a 
iniciar la lectura de la tarjeta. En cuanto a los otros tres, dos son conexionado de masa y uno será el 
de alimentación. 
4.3 Interfaz gráfica 
Al tener varios sonidos almacenados dentro del pad electrónico, el usuario ha de ser capaz de 
cambiar entre estos y saber cuál tiene seleccionado. Para ello y queriendo conseguir un modelo lo 
más económico posible, esta se basará en un conjunto de LEDs y un pulsador. 
4.3.1 LEDs Como números binarios 
Al no tener ninguna pantalla que indique el número del sonido que hay seleccionado, se 
usarán los LEDs como números binarios, es decir si el LED está encendido valdrá 1 y si está 
apagado valdrá 0. 
Daremos la posibilidad de guardar hasta 8 “samples”, por lo tanto, se necesitarán 3 LEDs 
como mínimo, que son equivalentes a 3 bits. Para facilitar la lectura, la cuenta binaria se hará 
de izquierda a derecha en vez de derecha a izquierda es decir que el valor decimal 1 en vez 
de ser 001 en binario de 3 bits será 100, esto se hace a causa de que leemos de izquierda a 
derecha y ver el primer LED de encendido a la izquierda da una sensación más parecida al 
uno que si fuese el LED posicionado a la derecha. En la siguiente tabla 4, se muestra el valor 
binario con su valor decimal. 
Binario Decimal 
000 0 
100 1 
010 2 
110 3 
001 4 
101 5 
011 6 
111 7 
Tabla 4 Valores binarios asignados a su selección decimal del sonido utilizado 
4.3.2 Funcionamiento 
Una vez se presiona el pulsador, el microcontrolador recibe la señal y este con la 
programación que se le ha indicado cambiará tanto los LEDs al número siguiente, como el 
“sample” utilizado para cambiar el sonido de la salida, como se muestra en el diagrama de 
bloques de la imagen 4.7. 
 
26 
 
Diseño e implementación de un pad 
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Imagen 4.7 Funcionamiento de la interfaz gráfica. Imagen propia 
Los LEDs, que como hemos mencionado, serán tres, tendrán en serie una resistencia de 220 
ohmios para tener un margen de seguridad y que no sobrepase la corriente máxima que 
soporta el LED, ya que con una resistencia de 180Ω para Arduino sería suficiente. 
En cuanto a los pulsadores, un lado de ellos irá conectado a masa y el otro a uno de los 
puertos digitales de Arduino, ya que se utilizará la resistencia de “Pull-up” interna del puerto. 
Por lo tanto, el esquema de estos dos quedaría tal como se aprecia en la imagen 4.8. 
 
Imagen 4.8 Esquemático de LEDs y pulsador. Imagen propia 
4.4 Salida MIDI 
Para enviar la nota deseada al ordenador una vez se capte el golpe, se utilizará un puerto MIDI de 5 
pines, como el que se muestra en la imagen 4.9, que será el encargado de enviar los datos explicados 
en el apartado 3.3.2. 
 
Imagen 4.9 Esquema KiCad de un puerto MIDI de 5 pines. Imagen propia 
 
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De estos cinco pines, solo se usarán 3, de los cuales, uno será utilizado para la alimentación (4), otro 
para la toma de tierra (2) y el último irá conectado a la salida serial de la placa de Arduino (5). Tanto 
en