KOMITART — развлекательно-познавательный портал
Разделы сайта
DirectAdvert NEWS
GNEZDO NEWS
Друзья сайта
Статистика
Схема светодиодного анализатора спектра 10 полос.
Схема светодиодного анализатора спектра 10 полос.
Анализатор спектра на микроконтроллере Atmega8
В этой статье приведена принципиальная схема 10-ти полосного анализатора спектра (индикатора), которую можно применить при конструировании каких-либо усилителей, если не устраивают ламповые, простенькие светодиодные, или стрелочные индикаторы. Вообще в сети можно найти огромное множество схем подобного назначения, ну а мы с вами остановимся на более сложном варианте, данная схема построена с применением микроконтроллера Atmega8. Давайте рассмотрим схему:
Кроме микроконтроллера есть еще пара микросхем, это операционный усилитель TL071, на него приходит линейный сигнал, и дешифратор CD4028, аналогом последней является отечественная микросхема К176ИД1. Питается устройство от блока питания, реализованного на интегральном стабилизаторе 7805. Кварц имеет частоту 18 MHz. Также на схеме мы видим кучу транзисторных ключей, управляющих светодиодной матрицей. Схема матрицы показана ниже:
100 светодиодов образуют матрицу 10х10. Частоты, на которые реагирует каждый столб матрицы следующие:
С помощью J4 и J5 можно задать режим работы индикации, то есть работа в линейном режиме, в линейном режиме с индикацией пиков, в режиме точек, и режиме точек с индикацией пиков. Вместо этих джамперов для оперативности смены режимов можно установить какие-либо миниатюрные переключатели.
С печатной платой в формате LAY пришлось немного повозиться, ни один элемент на ней был не подписан, плата просто имела кучу контактных площадок, соединенных дорожками, поэтому пришлось ее переделать используя свои шаблоны деталей (макросы), полностью отрисовать слой шелкографии с указаниями номиналов элементов.
В переработанном виде платы имеют следующий вид:
Плата блока управления.
Спектроанализатор на Atmega8_Плата управления LAY6
Спектроанализатор на Atmega8_Плата управления LAY6 Foto
Дроссель по питанию микросхемы CD4028 установлен для корректной работы дешифратора, в принципе вместо него можно поставить перемычку (смотри нижний левый угол платы).
Плата блока индикации.
Спектроанализатор на Atmega8 LED Board LAY6
Спектроанализатор на Atmega8 LED Board LAY6 Foto
Стабилизатор 7805 устанавливается на небольшой радиатор:
Плата в сборе выглядит так:
Все необходимые материалы для повторения индикатора, в том числе прошивку микроконтроллера и информационный файл по установке фьюзов для программы Algorithm Builder вы найдете в архиве. Также в нем есть оригинальная статья из зарубежного журнала, в которой рассматривается этот спектроанализатор, ну и конечно печатные платы блоков в формате LAY6. Размер файла – 6 Mb.
Источник
10 полосный анализатор спектра своими руками
Десятиканальный аналоговый спектроанализатор
Автор: Олег Наконечный
Опубликовано 26.11.2015
Создано при помощи КотоРед.
В этой статье я расскажу про анализатор спектра (спектроанализатор) звукового сигнала – устройство, которое из звукового сигнала выделяет отдельные частотные составляющие и отображает их уровни на индикаторе. Все мы могли видеть такую штуку в проигрывателе на компьютере. Да-да, та самая куча полосочек, хаотично (на самом деле нет) дергающихся под музыку.
Этот спектроанализатор разрабатывался мной для встройки в стационарный усилитель звуковой частоты. Имеет он десять каналов выделения определенных частот из звукового спектра (32 Гц; 64 Гц; 125 Гц; 250 Гц; 500 Гц; 1 кГц; 2 кГц; 4 кГц; 8 кГц; 16 кГц), соответственно для каждого канала отводится столбик светодиодов на индикаторе. Частоты, лежащие между двух соседних каналов, подавляются не полностью и немного отображаются в обоих каналах. Также имеются два канала отображения общих уровней сигналов в левом и правом звуковом канале усилителя. Отображаются все уровни на матричном светодиодном индикаторе.
Спектроанализатор построен на операционных усилителях, микросхемах КМОП-логики и дискретных активных и пассивных компонентах. За счет применения десяти отдельных полосовых фильтров и сумматоров было достигнуто хорошее разделение каналов, возможность независимо для каждого канала выбирать резонансную частоту, ширину полосы пропускания и усиление простым подбором резисторов и конденсаторов в соответствующих цепях входного каскада. С помощью цифровых микросхем реализована динамическая индикация, что существенно сокращает число необходимых компонентов в сравнении со статической индикацией, снижает потребляемый ток. Однако и яркость свечения светодиодов снижается пропорционально увеличению количества столбцов в матрице, генератор развертки является источником шума в сигнальном тракте, через светодиоды, хоть и недолго, течет большой ток, так что нужно внимательно подходить к выбору токоограничивающих резисторов и изучать документацию производителя светодиодов.
Для работы спектроанализатора нужен биполярный источник питания с напряжениями +5В и -5В в каждом плече соответственно. Отрицательный источник питает только входной каскад, поэтому от него потребляется сравнительно маленький ток, равный 36,5 миллиамперам. С положительным источником питания дела обстоят иначе: он питает все блоки спектроанализатора и потребляемый от него ток может импульсно изменятся от 48,5 до 675 миллиампер. Чем больше светодиодов в матрице зажжено – тем больший ток потребляется. Чем больше разница в количестве зажженных светодиодов между соседними столбцами – тем круче будут импульсы потребляемого тока. Это обусловлено динамическим типом индикации. При необходимости напряжение каждого источника питания можно повысить (в случае отрицательного источника — понизить) вплоть до 15В. Однако следует принимать во внимание, что сопротивления токогоасящих резисторов прийдется пересчитать и рассеиваямая тепловая можность на каждом резисторе возростет, а примененные мной SMD-резисторы 1206 могут рассеять не больше 0,25 Вт тепла.
Спектроанализатор состоит из трех основных блоков:
- Блок входных усилителей и фильтров;
- Блок управления индикацией;
- Блок матричного светодиодного индикатора.
1. Блок входных усилителей и фильтров.
Схема блока приведена на рисунке:
Состоит он из двенадцати отдельных каналов обработки сигнала: 10 каналов анализатора спектра и 2 канала индикатора уровня сигнала.
Звуковой сигнал от источника сигнала поступает на два входных буфера — DA6.1 и DA6.2. Они развязывают источник сигнала от остальных каскадов, которые сильно нагружали бы его, искажая сигнал. К выходам буферов подключены каналы анализатора спектра, а также амплитудные детекторы индикаторов общего уровня сигнала.
Каналы анализатора спектра имеют идентичную схемотехнику и отличаются лишь номиналами частотозадающих конденсаторов. Отдельный канал состоит из инвертирующего сумматора, полосового фильтра и амплитудного детектора. Для примера ниже приведена схема канала выделения частоты 16 кГц.
Сумматор предназначен для объединения сигналов левого и правого каналов. На его выходе образуется сигнал с амплитудой равной сумме амплитуд сигналов из левого и правого каналов с дополнительной инверсией. Инверсия нужна потому, что следующий после него полосовой фильтр тоже построен по инвертирующей схеме. Для каждого канала анализатора спектра был применен отдельный сумматор, потому что хотелось иметь возможность регулировать усиление отдельно в каждом канале, а делать это в полосовом фильтре не влияя на его частотные характеристики не получится. Номиналы резисторов в сумматоре имеют величину в 100 кОм, что бы при параллельном соединении всех десять каналов их общее входное сопротивление было 10 кОм и несильно нагружало входные буфера.
Полосовой фильтр построен по самой классической схеме, описаний которой много в сети и литературе. Добротность каждого фильтра равна 5, что дало оптимальную ширину полосы пропускания, при которой частоты, лежащие между двух каналов, подавляются не полностью и отображаются немного в обоих каналах. Ширина полосы пропускания конкретного фильтра равна отношению его резонансной частоты к добротности. Усиление фильтра на резонансной частоте равно -1. Резисторы и конденсаторы фильтров требуют точного подбора номиналов. Если этого не сделать отклонение всех параметров фильтра может достигать 20% особенно на фильтрах с низкой резонансной частотой (это можно заметить на видеоролике в конце статьи т.к. мне лень было обмерять кучу планарных конденсаторов :Р ). При расчетах были использованы значения конденсаторов из стандартного ряда, а точные номиналы резисторов приведены в скобках рядом с ближайшим номиналом из ряда Е24.
Амплитудный детектор также собран по классической схеме и в пояснениях особо не нуждается. Построен он на германиевых диодах Д9. Их прямое падение напряжение, в сравнении с кремниевыми диодами, существенно меньше и составляет 0,15 – 0,3 В. Амплитудно-модулированное напряжение, поступающее с выхода фильтра, проходит через прямо включенный диод, где от него отрезается отрицательная составляющая, и подается на конденсатор. Конденсатор за каждый полупериод заряжается до амплитудного значения и разряжается через параллельно включенный резистор. В результате изменение напряжения на нем по форме совпадает с изменением амплитуды, то есть является огибающей амплитудно-модулированного входного сигнала. Изменяя номиналы конденсатора и резистора можно соответственно изменять скорость нарастания столбика и скорость спадания. Конденсатор большой емкости требует больше времени для заряда, соответственно и столбик на индикаторе будет дольше подниматься. А если уменьшить сопротивление резистора, шунтирующего конденсатор, то разряжаться он будет быстрее и индикатор будет быстрее гаснуть.
Все двенадцать сигналов собираются на входах двух аналоговых мультиплексоров — DD3 и DD4. Адресные входы обоих мультиплексоров соединены так, что они работают как один мультиплексор с шестнадцатью входами. В зависимости от управляющего кода, генерируемого схемой управления индикацией, производится выбор одного конкретного канала и его сигнал подается дальше на схему аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Мультиплексоры размещены на плате входного каскада для того, чтобы не тянуть далеко 12 проводников с аналоговым сигналом. Цифровой код управления мультиплексорами более устойчив к помехам и требует меньше проводников для передачи сигнала.
2. Блок управления индикацией.
Второй блок управляет процессом отображения значений амплитуды каждого сигнала на соответствующем месте индикатора. Состоит он из двух основных частей: АЦП в левом нижнем углу и схема развертки — в правом верхнем углу. Схема блока показана на рисунке:
Источник
10 полосный анализатор спектра своими руками
Давно мечтал собрать графический анализатор спектра, но останавливало обилие компонентов в схеме, подбор элементов фильтров и т.п. И тут мне попался польский журнал с описанием цифрового анализатора, сердцем которого является микроконтроллер. Схема очень простая, в ней отсутствуют те фильтры, которые я так не хотел собирать, подбирать для них компоненты, настраивать. Всё это возложено на микроконтроллер. К тому же, этот анализатор имеет несколько режимов работы! Что сильно бы усложнило схему на дискретных элементах.
Анализатор имеет 4 режима индикации: Линия с индикацией пиков и без, и «точка», так же с индикацией пиков и без.
- Индикация частот: 31Hz, 62Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1kHz, 2kHz, 4kHz, 8kHz, 16kHz;
- Размер матрицы: 10х10;
- Режимы: точка, линия, пики;
- Напряжение питания: 12V;
- Потребляемая мощность: Зависит от используемых светодиодов в матрице, основная плата потребляет около 20мА.
Индикатор состоит из двух частей, основного блока и диодной матрицы.
Основной блок построен на микроконтроллере ATmega8, дешифраторе К176ИД1 (зарубежный аналог CD4028) и входного усилителя-ограничителя, выполненном на операционном усилителе TL071. Кварцевый резонатор можно применить на частоту от 16-20мГц.
Пробный вариант я спаял за несколько часов на макетной плате:
Фьюзы в Algorithm Builder:
Фьюзы в PonyProg:
При прошивке микроконтроллера необходимо быть предельно аккуратным при выставлении фьюзов, так как неправильно установленные «птички» могут заблокировать микроконтроллер и его перепрошивка потребует программатор, в разы сложнее данного анализатора.
Собрал схему, прошил микроконтроллер, подключил питание и подал на вход звуковой сигнал. Устройство заработало сразу, без настроек и наладки. Эта коннструкция меня очень порадовала.
wav файл с 3 секундными отрывками звука частотой 31Hz, 62Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1kHz, 2kHz, 4kHz, 8kHz, 16kHz. (5Mb)
Источник