Простой анализатор спектра аудиосигнала

При разработке и налаживании аудиоаппаратуры может потребоваться прибор для анализа спектра аудиосигнала, - многоканальный измеритель квазипикового уровня сигнала, - анализатор спектра, прибор позволяющий визуально оценить спектральный состав сигнала ЗЧ, поступающего на усилитель.

Такое устройство можно установить и в составе низкочастотного усилителя аудио-комплекса, в составе микшерского пульта для регулировки не только уровней сигналов от разных источников но и их АЧХ (при помощи раздельных эквалайзеров), а при налаживании аппаратуры найти источник самовозбуждения, определить частоту на которой происходит самовозбуждение.

Показанная на рисунке схема состоит из буферного усилительного каскада на операционном усилителе А1, коэффициент усиления которого можно регулировать подстроенным резистором R4. Этот резистор включен делителем напряжения в цепи ООС с выхода ОУ на его инверсный вход. Регулировкой резистора можно изменять глубину ООС в достаточно широких пределах, и таким способом подстроить анализатор под номинальную величину входного сигнала.
Сигнал с выхода DА1 поступает на десять активных фильтров на ОУ DА2 (А1-А10), каждый из которых настроен на полосу с определенной центральной частотой. Частоты настроек фильтров: А1 - 32 Гц, A2 - 64 Гц, А3 - 125 Гц, А4 - 250 Гц, А5 - 500 Гц, А6 - 1 кГц, А7 -2 кГц, А8 - 4 кГц, А9 - 8 кГц, А10 - 16 кГц. При необходимости число фильтров и их частоты можно изменить соответственно требующемуся использованию прибора. Частота настройки каждого фильтра зависит от двух конденсаторов, С3, С4 (А1-А10). Величины емкостей данных конденсаторов выбраны соответственно частотам настройки фильтров. Если требующейся емкости в наличии нет её составляют из двух конденсаторов, например конденсатор 0,075 мкФ можно составить из двух включенных последовательно конденсаторов на 0,15 мкФ. При выборе конденсаторов нужно учесть, что конденсаторы имеют погрешность, и часто довольно большую, поэтому перед установкой их емкость желательно измерить цифровым измерителем емкости, например, мультиметром с функцией измерения емкости. Если повезет, может быть из кучи и можно найти емкости, точно требующиеся по схеме.

Чувствительность в каждом частотном канале можно отрегулировать подстроенными резисторами R3 (А1-А10), соответственно. В процессе налаживания прибора, подавая на его вход сигнал от генератора НЧ, частоты точно соответствующей частоте полосы, нужно этими резисторами добиться одинаковых показаний для каждой частоты.

Средствами отображения уровня сигнала служат светодиодные индикаторы на микросхемах AN6884. Эти микросхемы специально предназначены для работы в схемах индикаторов уровней аудиосигналов. Микросхема AN6884 содержит предварительный усилитель - детектор (накопительной емкостью детектора является конденсатор, подключенный к выводу 7), и пять компараторов, объединенных стабильным источником опорного напряжения, напряжение с которого на их входы поступает через внутренний делитель. На выходах компараторов есть ключи с открытыми коллекторами и токоограничительными цепями для подключения светодиодов. Этими светодиодами образованы десять линеек - шкал по пять светодиодов в линейке. Конструктивно светодиоды распаяны на макетной плате с отверстиями с шагом 2,5 мм. (распаяны через каждые 5 мм), поэтому они образую визуально аналог матричного дисплея из 50-ти светодиодов (5x10). Каждая шкала подписана с соответствующим значением частоты.

Схема собрана на 11-ти одиночных операционных усилителях. Можно использовать практически любые ОУ общего применения, соответствующими цепями коррекции, если они требуются. Можно использовать микросхемы, содержащие несколько ОУ - два или четыре, это позволит улучшить компактность устройства.
Светодиоды АЛ307 можно заменить любыми стандартными индикаторными светодиодами, как импортными, так и отечественными.

Источник питания - двухполярный, стабилизированный ±12V. Допустимый ток по положительному полюсу должен быть не ниже 200-З00мА, так как от него питаются светодиоды. Впрочем, чтобы не смещать баланс двуполярного   источника можно питать цепь светодиодов от другого стабилизатора, например, на напряжение +5...15V, либо подавать нестабильное напряжение снимаемое до стабилизатора +12V. При этом нужно чтобы максимальная величина напряжения, подаваемого на блоки индикации на ИМС AN6884 не была больше 15V.

Наладка

Налаживание заключается в установке равенства чувствительности всех каналов. Нужен генератор НЧ и низкочастотный милливольтметр. На генераторе устанавливают последовательно частоты 32 Гц, 64 Гц, 125 Гц, 250 Гц. 500 Гц, 1 кГц, 2 кГц, 4 кГц, 8 кГц и 16 кГц. Частоты поочередно подают на вход прибора. При этом параллельно выходу генератора НЧ должен быть подключен милливольтметр, по его показаниям нужно следить за тем, чтобы величины напряжения ЗЧ, подаваемые с ГНЧ на всех частотах были одинаковыми (при необходимости регулировать регулятором уровня выхода ГНЧ).
Начиная с частоты 32 Гц на ГНЧ устанавливают такой уровень выходного напряжения при котором в среднем положении R9 горит средний светодиод шкалы (HL3). Запоминаете этот уровень выходного напряжения ГНЧ. Затем повышаете частоту до 64 Гц. Устанавливаете такой же уровень НЧ с выхода ГНЧ (смотря по милливольтметру), и регулируете R15 так чтобы горел средний светодиод шкалы 64 Гц (HL8).
Аналогичные операции проделать на всех других частотах. Предварительно можно точнее установить средние частоты полос, определив среднюю частоту каждого фильтра перестройкой частоты ГНЧ в некоторых пределах относительно указанной частоты на схеме. Затем, если есть существенное отличие, отрегулировать частоту соответствующим изменением емкостей конденсаторов.

Для работы в стереосистеме нужно либо два таких анализатора, либо на входе сделать сумматор стереоканалов. Но так невозможно будет увидеть различия в частотных спектров каждого канала.
При проверке эффективности акустических систем можно на входе подключить микрофон. Однако, нужно учесть что микрофон тоже может иметь неравномерную АЧХ, так что потребуется соответствующая настройка АЧХ анализатора согласно графику АЧХ микрофона, данном в паспорте на него или в справочных данных.

Литература

Журнал Радиоконструктор, №3, 2011г   Снегирев И.