Теория и практика сборки десятиполосного спектроанализатора

Предлагаем вашему вниманию десятиполосный спектроанализатор. Оригинальность схемы в том, что используется один блок индикации и мультиплексирование.

Часть 1: Введение в теорию и блок-схема

 I. Основная блок-схема звукового спектроанализатора:
    1. Блок-схема:

Основная блок-схема звукового спектроанализатора

2. Теория:
Входной сигнал поступает в каждой из фильтров. Фильтры - группа пассивных фильтров. Они лишь передают сигналы  фиксированного диапазона частот и вырезают остальные. Мы можем использовать транзистор и дискретные конденсаторы и резисторы, чтобы сделать активные фильтры, или мы можем использовать операционный усилитель и другие пассивные Элементы. Чем больше фильтров, тем более высокое разрешение частотного спектрального индикатора.


Блок индикации используется для отображения уровня сигнала после фильтров. Этот вид блока индикации может быть дискретными устройствами или специальными микросхемами. Чем больше выводов, тем более высокая разрешающая способность индикатора.

В вышеупомянутой блок-схеме мы видим, что для каждого фильтра нужнен свой блок индикации, чем больше фильтров (более высокая разрешающая способность), тем больше блоков индикации. Спектральный индикатор получается очень сложным. Чтобы преодолевать этот слабый пункт, мы рассмотрим следующее усовершенствование той блок-схемы:
 

II. Блок-схема звукового анализатора спектра с использованием мультиплексного дисплея:
1. Блок-схема:

Блок-схема звукового анализатора спектра с использованием мультиплексного дисплея

2. Теория:
Преимущество этой блок-схемы - только один блок индикации, независимо от числа фильтров, малое количество соединений подключения индикатора, потому что матрица дисплея - комбинация строк и столбцов. Число столбцов равняется числу фильтров, и число строк - число выводов блока индикации.
Эта блок-схема также включает фильтры n, выводы фильтров связаны с коммутатором, в каждый период времени к блоку индикации подключен только один фильтр. Коммутатором управляет счетчик и декодер, синхронизируя сигнал от генератора прибывает в счетчик и декодер, число выводов счетчика и декодера - n. Выходы декодера также связаны с схемой зажигания столбцов. Если частота генератора относительно большая, наши глаза обманывается, и нам кажется, что все столбцы зажигаются одновременно, но фактически, в каждый момент времени только один столбец светится.

Часть 2: Фильтры

I. Знакомство с  фильтрами:
Как правило, в электронной аппаратуре, если фильтры должны срезать или пропускать какие-либо частоты  часто используют частотные фильтры. Изначально для этого использовали в основном катушки индуктивности L и конденсаторы C. В наше время, с применением ОУ, их низкой ценой и малыми размерами, стало возможным использовать RC фильтры.

Есть много видов фильтров, типа Баттерворта и Чебышева. Прежде собирать фильтры, мы должны рассмотреть разные виды  фильтров. Выбор фильтра определяет наклон его характеристики. Чем выше порядковый номер, тем более крутой спад. Фильтр определяет увеличение шага 6dB на октаву. Самый простой фильтр - фильтр первого порядка, имеет наклон спада 6db/окт. Другие высокодобротные активные фильтры могут иметь более высокие показатели, например, фильтр второго порядка имеет наклон спада 12dB/окт. Далее мы представляем в основном полосовые фильтры.

1. Фильтр нижних частот(ФНЧ):

Фильтры нижних частот пропускают сигналы с частотами ниже частоты среза и   исключают прохождение сигналов с частотами выше частоты среза.
АЧХ ФНЧ  Баттерворта имеет довольно длинный горизонтальный участок и резко спадает за частотой среза. Переходная характеристика такого фильтра  при ступенчатом входном сигнале имеет колебательный характер. С увеличением порядка фильтра колебания усиливаются.
 

Другой часто используемый - фильтр Чебышева. График частотной характеристики показан ниже.

          Характеристика фильтра Чебышева спадает более круто за частотой среза. В полосе пропускания она имеет волнообразный характер с постоянной амплитудой. Колебания переходного процесса при ступенчатом входном сигнале сильнее, чем у фильтра Баттерворта.
Фактические схемы для фильтра Баттерворта и фильтра Чебышева обычно весьма подобны. Часто, единственное реальное различие в двух типах фильтра находится в фактических составляющих используемых значениях.

2. Фильтр верхних частот (ФВЧ):
Функционально, Фильтр верхних частот - полная противоположность Фильтра нижних частот. Ниже показаны фильтры  Баттерворта и Чебышева.

3. Полосно-пропускающие фильтры (ППФ)

Полосно-пропускающие фильтры (полосовые фильтры, фильтры сосредоточенной селекции) пропускают сигналы с частотами в диапазоне между заданными частотами среза, исключая прохождение сигналов с частотами вне этого диапазона частот.
Вообще говоря, активные полосовые фильтры более сложны чем активный Фильтр нижних частот или фильтры верхних частот. В некотором смысле, фильтры нижних частот и фильтры верхних частот -разновидность полосовых фильтров. В фильтре нижних частот, более низкая частота среза - в некотором воображаемом пункте ниже 0 Гц. Для фильтра верхних частот, верхний конец полосы пропускания определен частотной характеристикой OP-асимметричной-мультипроцессорной-обработки (или другой активный элемент) имел обыкновение строить схему фильтра.
Полосовой фильтр может быть создан, помещая фильтр нижних частот и фильтр верхних частот последовательно. Полосовые фильтры более сложны, потому что они управляют большим количеством переменных так они более универсальный. Переменные включают: выгода (K), заказ фильтра (n), сосредотачивает частоту (Fc), и (черно-белая) пропускная способность. Кроме того, другая переменная - качественный фактор Q, полученный из Fc и черно-белый.

4. Полосно-заграждающие фильтры (ПЗФ):
Полосно-заграждающие (режекторные) фильтры исключают прохождение сигналов с частотами в диапазоне между заданными частотами среза, пропуская сигналы с частотами вне этого диапазона частот.

II. Детали о полосовом фильтре:
Основной полосовой фильтр показан ниже:

Схема основного полосового фильтра

Эта схема может быть cпроектирована для реализации фильтра нижних и средних частот, значение Q может быть до 20, значение Q может быть изменено соотвествующим подбором элементов.

Согласно схемы, выберите C1 = C2 = С для простого вычисления. Предопределенные параметры - Центральная частота (Fc), усиление (K) и Q. В большинстве случаев, значение Q может быть получено из центральной частоты и пропускной способности полосового фильтра.

Формулы для расчета  R1,  R2 и R3:

С известными C, R1, R2, R3, мы можем вычислить:

Часть 3. Схема блока индикации

I.Схема блока индикации на дискретных элементах

1. Схема с использованием транзисторов

2. Схема на микросхемах

II. Специализированные микросхемы для блока индикации:
1. AN6884:

Схема AN6884:

2. LM 3914:

LM3914 монолитен, это может управлять 10 LEDs после аналогового входного сигнала. шкала линейная, имеется еще один вход для выбора визуального отображения - точка или полоса.
Параметры:
DIL 18 выв.
РDmax = 1365mW с максимальной температурой 100°C, рабочий диапазон напряжения VCC=3+18V.
LM3914 используется универсально, ток выходов регулируемый и запрограммированный, нет потребности использовать традиционный резистор для ограничения тока светодиодов. Эта особенность позволяет использовать микросхему с низким напряжением от 3В. LM3914 имеет образцовый источник напряжения 1,25V,  позволяет настройку от 1,2 - 12V и тока через светодиоды в диапазоне 2 - 30mA.

Назначение выводов:

- Выв. 2, 3: напряжение питания V-, V +.
- Выв. 1, 10-18: выходы.
- Выв. 4, 6: делитель напряженя для выхода.
- Выв. 7: вывод образцового напряжения.
- Выв. 8: подстройка образцового напряжение.
- Выв. 9: выбор режима визуального отображения. Когда соединяется с выв. 11, светодиоды загораются в точечном режиме, когда соединяется с V + тогда дисплей в режиме полосы.

Схема подключения  LM3914

Часть 4: Звуковой спектроанализатор
I. Блок-схема, вычисление параметров:
В этом проекте, звуковой спектроанализатор имеет 10 частотных полос, 10 уровней амплитуды сигнала. Использовано мультиплексное отображение.

Блок-схема звукового спектроанализатора

1. Фильтр и блок коммутации

Сигнал от входа поступает одновременно на все фильтры, сигналы от выходов тех фильтров поступают на электронный коммутатор.  В одим момент времени только один фильтр подключен к блоку индикации.
 

2. Генератор, счетчик, драйвер и блок индикации

3. Подключение матрицы светодиодов.

Этот блок является самым простым. Это - матрица строк и столбцов. На пересечении строки и столбца подключен светодиод.
 

II. Расчеты:
  1. Фильтр и коммутатор:

     a. Фильтр

Частоты фильтров 20Hz, 30Hz, 60Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1KHz, 2KHz, 4KHz, 8KHz, 16KHz, 20KHz..... В другом более простом аудио спектроанализаторе, мы можем видеть, что частоты центра фильтров - только 5 частот, в некоторых профессиональных типах, число частот центра до 10, 15, 16, 32... и конечно выше число частот центра, где более высокое качество схемы.

Вообще, центральные частоты различны, следуют правилам Октавы (удвоенной частоты), что связано с  гармонической обработкой. Этот вопрос имеет сильное влияние к точности, качество полифоний, типа концерта со многими приборами. Например: обычно мы можем различить - узел в той же самой Октаве гитары и фортепьяно, потому что harmonics в более высоких октавах стандарта - узел, который мы можем отличить в двух приборах. Мы можем описать некоторые частоты, которые могут получить некоторые приборы:

- Частота 30Hz: Басовая скрипка, Басовая Туба, Контрабас...
- Частота 60Hz: Тромбон, Фагот, Виолончель...
- Частота 100Hz: Виола, человеческие голоса, басы гитары, барабаны...
- Частота 330Hz: основной звук инструментов и человеческих голосов.
- Частота 1KHz: звук инструментов, высокие частоты человеческих голосов.
- Частота 3,3KHz: сконцентрированный голос.
- Частота 10KHz: высшая гармоника сконцентрированного основного голоса, инструментов, шум магнитной ленты.
- Частота св 10KHz: высшая гармоника сконцентрированного основного голоса и некоторых специальных инструментов.

Активный полосовой фильтр использует ОУ, мы можем использовать следующие формулы как результат:
> Центральная частота с конденсаторами C1 = C2.
> Резисторы R1, R2 определяют входной импеданс схемы: Z = R1 + R2.
> Усиление напряжения:

>Добротность:

> Центральная частота, определенная формулой:

> Значения R1, R2, R3 вычислены по формулам:

 

Вычисляя, мы можем предопределить некоторые параметры, после того, как это происходит, оставался значениями вышеупомянутыми формулами.
Выбираем Av =12dB - усиление схемы как К = 4, добротность Q = 2, резисторы R1 = R2 = 120 кОм, мы можем получить другие параметры:

Чтобы получить различные частоты для фильтров, мы можем изменить Fc, чтобы вычислить значение С1 = C2 = C.

В этом схеме мы выбираем 10 фильтров с центральными частотами: 32Гц, 64Гц, 125Гц, 250Гц, 500Гц, 1кГц, 2кГц, 4кГц, 8кГц, 16кГц. Расчетный результат как ниже в таблице:

   Входное сопротивление ОУ высоко, таким образом параметры фильтров почти не зависят от типов ОУ(за исключением частотной характеристики). Входное сопротивление этого фильтра

(потому что есть 10 отдельных схем фильтра, помещенных параллельно).
ОУ в этой схеме используют двухполярное питание. Поскольку нам надо 10 фильтров,  мы используем 2 микросхемы с 4 ОУ внутри и одну микросхему с 2 ОУ. Используемые микросхемы - TL084 (4 OУ) и TL082 (2 ОУ).

Характеристики микросхем:
- Рабочее напряжение: ±3 ... ±18В.
- Напряжение смещения V_см(max): 15мВ.
- Входное смещение: 400пA.
- Частота единичного усиления : 3МГц.
- Максимальное входное напряжение: ±30В.
- Увеличение скорости напряжения: 13В/мкс.
- Входное сопротивление:> 10¹²Ом.
- Потребление (максимальное): 5,6мА для TL082 и 11,2мА для TL084.

Характеристики даны при условии Vcc = ±15В, температура T = 25°C.

- Коеффициент усиления: 106dB.
- Входной ток смещения: 30пА.
- Амплитуда вывода ±13,5V.

Ниже  показана схема 10 фильтров и частотная характеристика:

для выпрямления сигнала фильтра используем  диод D1.

Конденсатор C1 может заменен на другую емкость, чтобы скорость движения столбца дне была слишком быстрой, или слишком медленной, сравнивается с музыкой, типично выбираем C1 = 1.
Поскольку уровень постоянного тока на выходе фильтров - почти 0В, таким образом после выпрямления напряжения схемы будет потеряно 0,6V при выпрямлении через диод. Таким образом уровень выходов фильтров должен быть увеличен на 0,6V, чтобы компенсировать потерю напряжения после выпрямления. Смотрим, как это сделано:

b. Электронный коммутатор

В электронной схеме,  используются обычный коммутатор. Коммутатор может быть диодным, транзисторным... Эта часть только иллюстрирует об использовании транзисторного коммутатора.
 

Смещение:
V_С> V_B > V_E       V_B = V_E + 0,6В

 

Когда ввод управления  на высоком уровне напряжения, откроется транзистор, создаст подключение между входом и выходом, резистор R должен быть большого сопротивления, чтобы вывести (l_E) когда нет сигнала на входе. R - выбрал осуществлением. Q - транзистор малой мощности, с высоким коофициентом усиления.

Полностью готовая схема фильтра и коммутатора представлена немного выше справа (нажать на схему для увеличения).

2. Генератор, счетчик и декодер, драйвер с  блоком индикации:
   a. Генератор:

Генератор создает тактовые импульсы, собран на двух элементах

Схема генератора

Эта схема использует два элемента инвертора, IC1A и IC1B, на выходе имеем прямоугольные  импульсы. Вывод от элемента IC1B соединяется непосредственно со вводом IC1A. Конденсатор C1 создает положительную обратную связь между IC1A и IC1B. R1 и C1 задают частоту переключения.

Номиналы рассчитываем по формуле:

Если мы будем выаодить индикацию с частотой 25 Гц, то наши глаза не могут заметить мерцание светодиодов, Это означает, что частота генератора должна равняться или быть больший 10 x 25 = 250Hz.
 

b. Счетчик и декодер:

Есть много видов счетчиков, в этом проекте в соответствии с требованием для 10 выводов, мы можем использовать ИМС -  счетчик ДВОИЧНО-ДЕСЯТИЧНОГО КОДА, и от выводов ДВОИЧНО-ДЕСЯТИЧНОГО КОДА мы подаем их в ИМС - декодер ДВОИЧНО-ДЕСЯТИЧНОГО КОДА, чтобы сделать отдельные выводы, но в компактной цели мы используем ИМС, которая имеет функцию декодера и счетчика. Эта ИМС  нуждается только в тактовых импульсах для ввода и дает на выходе десять последовательных выходов. Эта ИМС -  4017. 4017 произведится по  технологии CMOS, с 16 выводами. Внутри ИМС имеет 5 элементов, счетчик Johnson
Характеристики 4017:
- Рабочее напряжение 3 ... 18V.
- Максимальная частота - 12MHz.

Выводы микросхемы:

Функции выводов:
- Выв. 14: вход тактовых импульсов
- Выв. 13: Закрывает сигнал на выв. 14 при подаче на него лог.1. Нормальное состояние - подача лог.0
- Выв. 15: Сброс. Обычно, этот вывод должен быть в лог.0 или соединяться с массой.
- Выводы дешифрации 3, 2, 4, 7, 10, 1, 5, 6, 9, 11. Все выводы  буферизированы, таким образом ток вывода может быть до 10mA. Эти выводы высоко активны.
- Выв. 12:  переполнение.
 

Схема сброса

T = RC

Схема  4017 :

Выводы подключаются к электронному коммутатору и одновременно к драйверам управления столбцами переместиться столбцы.

c.  Драйверы

Драйверы  увеличивают ток выходов, чтобы управлять индикаторами. . Инверторы используются, чтобы изолировать от предыдущих элементов и инвертировать данные от счетчика и декодера.

d. Схема блока индикации:
Схема блока индикации использует чип LM3914.

Следующая схема (слева) - полная схема генератора, счетчика и декодера, и схема блока индикации:

3. матрица светодиодов:
Матрица из 10 столбцов и 10 строк. Схема вверху справа

III. Платы

1. Фильтры и коммутатор

Плата и расположение деталей

2. Генератор, счетчик и декодер, и блок индикации

3. Матрица светодиодов

Визуальная работа индикатора в режиме полосы, в режиме точки показано в заставке статьи

автор  перевода - MACTEP