Стрелочный индикатор звука. Стрелочный индикатор на микроконтроллере Attyny13: «показометр» для вашего усилителя Стрелочный индикатор уровня звука своими руками
Не секрет, что звучание системы во многом зависит от уровня сигнала на ее участках. Контролируя сигнал на переходных участках схемы, мы можем судить о работе различных функциональных блоков: коэффициенте усиления, вносимых искажениях и т.д. Так же бывают случаи, когда результирующий сигнал просто не возможно услышать. В тех случаях, когда не возможно контролировать сигнал на слух, применяются различного рода индикаторы уровня.
Для наблюдения могут использоваться как стрелочные приборы, так и специальные устройства, обеспечивающие работу «столбцовых» индикаторов. Итак, рассмотрим их работу более подробно.
1 Шкальные индикаторы
1.1 Простейший шкальный индикатор.
Этот вид индикаторов наиболее прост из всех существующих. Шкальный индикатор состоит из стрелочного прибора и делителя. Упрощенная схема индикатора приведена на рис.1 .
В качестве измерителей чаще всего используются микроамперметры с током полного отклонения 100 – 500мкА. Такие приборы рассчитаны на постоянный ток, поэтому для их работы звуковой сигнал необходимо выпрямить диодом. Резистор предназначен для преобразования напряжения в ток. Собственно говоря, прибор измеряет ток, проходящий через резистор. Рассчитывается элементарно, по закону Ома (был такой. Георгий Семеныч Ом) для участка цепи. При этом нужно учесть, что напряжение после диода будет в 2 раза меньше. Марка диода не важна, так что подойдет любой, работающий на частоте больше 20кГц. Итак, расчет: R = 0.5U/I
где: R – сопротивление резистора (Ом)
U - Максимальное измеряемое напряжение (В)
I – ток полного отклонения индикатора (А)
Гораздо удобнее оценивать уровень сигнала, задав ему некоторую инерционность. Т.е. индикатор показывает среднее значение уровня. Этого легко добиться, подключив параллельно прибору электролитический конденсатор, однако следует учесть, что при этом напряжение на приборе увеличится в (корень из 2) раз. Такой индикатор может быть использован для измерения выходной мощности усилителя. Что же делать, если уровня измеряемого сигнала не хватает, что бы «расшевелить» прибор? В этом случае на помощь приходят такие парни, как транзистор и операционный усилитель (далее ОУ).
Если можно измерить ток через резистор, то можно измерить и коллекторный ток транзистора. Для этого нам понадобится сам транзистор и коллекторная нагрузка (тот же самый резистор). Схема шкального индикатора на транзисторе приведена на рис.2
Рис.2
Здесь тоже все просто. Транзистор усиливает сигнал по току, а в остальном все работает так же. Коллекторный ток транзистора должен превышать ток полного отклонения прибора как минимум в 2 раза (так оно спокойнее и для транзистора, и для Вас), т.е. если ток полного отклонения 100 мкА, то коллекторный ток должен быть не менее 200мкА. Собственно говоря, это актуально для миллиамперметров, т.к. через самый слабый транзистор «со свистом» пролетает 50 мА. Теперь смотрим справочник и находим в нем коэффициент передачи по току h 21э. Вычисляем входной ток: I b = I k /h 21Э где:
I b – входной ток
R1 вычисляется по закону Ома для участка цепи: R=U e /I k где:
R – сопротивление R1
U e – напряжение питания
I k – ток полного отклонения = ток коллектора
R2 предназначен для подавления напряжения на базе. Подбирая его нужно добиться максимальной чувствительности при минимальном отклонении стрелки в отсутствии сигнала. R3 регулирует чувствительность и его сопротивление, практически, не критично.
Бывают случаи, когда сигнал требуется усилить не только по току, но и по напряжению. В этом случае схема индикатора дополняется каскадом с ОЭ. Такой индикатор применен, например, в магнитофоне "Комета 212". Его схема приведена на рис.3
Рис.3
Такие индикаторы обладают высокой чувствительностью и входным сопротивлением, следовательно, вносят минимум изменений в измеряемый сигнал. Один из способов использования ОУ – преобразователь «напряжение – ток» приведен на рис.4.
Рис.4
Такой индикатор обладает меньшим входным сопротивлением, зато весьма прост в расчетах и изготовлении. Вычислим сопротивление R1: R=U s /I max где:
R – сопротивление входного резистора
U s – Максимальный уровень сигнала
I max – ток полного отклонения
Диоды выбираются по тому же критерию, как и в других схемах.
Если уровень сигнала низок и (или) требуется высокое входное сопротивление, можно воспользоваться повторителем. Его схема приведена на рис.5.
Рис.5
Для уверенной работы диодов, выходное напряжение рекомендуется поднять до 2-3 В. Итак в расчетах отталкиваемся от выходного напряжения ОУ. Первым делом выясним нужный нам коэффициент усиления: К= U вых /U вх. Теперь вычислим резисторы R1 и R2: K=1+(R2/R1)
В выборе номиналов ограничений, казалось бы, нет, но R1 не рекомендуется ставить меньше 1кОм. Теперь вычислим R3: R=U o /I где:
R – сопротивление R3
U o – выходное напряжение ОУ
I – ток полного отклонения
2 Пиковые (светодиодные) индикаторы
2.1 Аналоговый индикатор
Пожалуй, наиболее популярный вид индикаторов в настоящее время. Начнем с простейших. На рис.6
приведена схема индикатора «сигнал/пик» на основе компаратора. Рассмотрим принцип действия. Порог срабатывания задан опорным напряжением, которое устанавливается на инвертирующем входе ОУ делителем R1R2. Когда сигнал на прямом входе превышает опорное напряжение, на выходе ОУ появляется +U п, открывается VT1 и загорается VD2. Когда сигнал ниже опорного напряжения, на выходе ОУ действует –U п. В этом случае открыт VT2 и светится VD2. Теперь рассчитаем это чудо. Начнем с компаратора. Для начала выберем напряжение срабатывания (опорное напряжение) и резистор R2 в пределах 3 – 68 кОм. Вычислим ток в источнике опорного напряжения I att =U оп /R б где:
I att – ток через R2 (током инвертирующего входа можно пренебречь)
U оп – опорное напряжение
R б – сопротивление R2
Рис.6
Теперь вычислим R1. R1=(U e -U оп)/ I att где:
U e – напряжение источника питания
U оп – опорное напряжение (напряжение срабатывания)
I att – ток через R2
Ограничительный резистор R6 подбирается по формуле R1=U
e / I
LED где:
R – сопротивление R6
U e – напряжение питания
I LED – прямой ток светодиода (рекомендуется выбрать в пределах 5 – 15 мА)
Компенсирующие резисторы R4, R5 выбираются по справочнику и соответствуют минимальному сопротивлению нагрузки для выбранного ОУ.
Начнем с индикатора предельного уровня с одним светодиодом (рис.7 ). В основе этого индикатора лежит триггер Шмитта. Как известно триггер Шмитта обладает некоторым гистерезисом т.е. порог срабатывания отличается от порога отпускания. Разность этих порогов (ширина петли гистерезиса) определяется отношением R2 к R1 т.к. триггер Шмитта представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Ограничительный резистор R4 вычисляется по тому же принципу, что и в предыдущей схеме. Ограничительный резистор в цепи базы рассчитывается исходя из нагрузочной способности ЛЭ. Для КМОП (рекомендуется именно КМОП-логика) выходной ток составляет примерно 1,5 мА. Для начала вычислим входной ток транзисторного каскада: I b =I LED /h 21Э где:
Рис.7
I b – входной ток транзисторного каскада
I LED – прямой ток светодиода (рекомендуется выставить 5 – 15 мА)
h 21Э – коэффициент передачи тока
Если входной ток не превышает нагрузочную способность ЛЭ можно обойтись без R3, в противном случае его можно рассчитать по формуле: R=(E/I b)-Z где:
R – R3
E – напряжение питания
I b – входной ток
Z – входное сопротивление каскада
Для измерения сигнала «столбиком» можно собрать многоуровневый индикатор (рис.8 ). Такой индикатор прост, но его чувствительность мала и годится только для измерения сигналов от 3-х вольт и выше. Пороги срабатывания ЛЭ устанавливаются подстроечными резисторами. В индикаторе использованы элементы ТТЛ, в случае применения КМОП, на выходе каждого ЛЭ следует установить усилительный каскад.
Рис.8
Наиболее простой вариант изготовления оных. Некоторые схемы приведены на рис.9
Рис.9
Так же можно использовать и другие усилители индикации. Схемы включения к ним можно спросить в магазине или у Яндекса.
3. Пиковые (люминесцентные) индикаторы
В свое время применялись в отечественной технике, сейчас широко применяются в музыкальных центрах. Такие индикаторы весьма сложны в изготовлении (включают в себя специализированные микросхемы и микроконтроллеры) и в подключении (требуют нескольких источников питания). Я не рекомендую использовать их в любительской технике.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.1 Простейший шкальный индикатор | |||||||
| VD1 | Диод | 1 | В блокнот | ||||
| R1 | Резистор | 1 | В блокнот | ||||
| PA1 | Mикроамперметр | 1 | В блокнот | ||||
| Рис.2 | |||||||
| VT1 | Транзистор | 1 | В блокнот | ||||
| VD1 | Диод | 1 | В блокнот | ||||
| R1 | Резистор | 1 | В блокнот | ||||
| R2 | Резистор | 1 | В блокнот | ||||
| R3 | Переменный резистор | 10 кОм | 1 | В блокнот | |||
| РА1 | Mикроамперметр | 1 | В блокнот | ||||
| Рис.3 | |||||||
| VT1, VT2 | Биполярный транзистор | КТ315А | 2 | В блокнот | |||
| VD1 | Диод | Д9Е | 1 | В блокнот | |||
| С1 | 10 мкФ | 1 | В блокнот | ||||
| С2 | Электролитический конденсатор | 1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| R1 | Резистор | 750 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R2 | Резистор | 6.8 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R3, R5 | Резистор | 100 кОм | 2 | В блокнот | |||
| R4 | Подстроечный резистор | 47 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R6 | Резистор | 22 кОм | 1 | В блокнот | |||
| РА1 | Mикроамперметр | 1 | В блокнот | ||||
| Рис.4 | |||||||
| ОУ | 1 | В блокнот | |||||
| Диодный мост | 1 | В блокнот | |||||
| R1 | Резистор | 1 | В блокнот | ||||
| РА1 | Mикроамперметр | 1 | В блокнот | ||||
| Рис.5 | |||||||
| ОУ | 1 | В блокнот | |||||
| Диодный мост | 1 | В блокнот | |||||
| R1 | Резистор | 1 | В блокнот | ||||
| R2 | Резистор | 1 | В блокнот | ||||
| R3 | Резистор | 1 | В блокнот | ||||
| PA1 | Mикроамперметр | 1 | В блокнот | ||||
| 2.1 Аналоговый индикатор | |||||||
| Рис.6 | |||||||
| ОУ | 1 | В блокнот | |||||
| VT1 | Транзистор | N-P-N | 1 | В блокнот | |||
| VT2 | Транзистор | P-N-P | 1 | В блокнот | |||
| VD1 | Диод | 1 | В блокнот | ||||
| R1, R2 | Резистор | 2 | В блокнот | ||||
| R3 | Подстроечный резистор | 1 | В блокнот | ||||
| R4, R5 | Резистор | 2 | В блокнот | ||||
| R6 | Резистор | 1 | В блокнот | ||||
| HL1, VD2 | Светодиод | 2 | В блокнот | ||||
| Рис.7 | |||||||
| DD1 | Логическая ИС | 1 | В блокнот | ||||
| VT1 | Транзистор | N-P-N | 1 | В блокнот | |||
| R1 | Резистор | 1 | В блокнот | ||||
| R2 | Резистор | 1 | В блокнот | ||||
| R3 | Резистор | 1 | В блокнот | ||||
| R4 | Резистор | 1 | В блокнот | ||||
| HL1 | Светодиод | 1 | В блокнот | ||||
| Рис.8 | |||||||
| DD1 | Логическая ИС | 1 | В блокнот | ||||
| R1-R4 | Резистор | 4 | В блокнот | ||||
| R5-R8 | Подстроечный резистор | 4 | В блокнот | ||||
| HL1-HL4 | Светодиод | 4 | В блокнот | ||||
| Рис.9 | |||||||
| Микросхема | A277D | 1 | В блокнот | ||||
| Электролитический конденсатор | 100 мкФ | 1 | В блокнот | ||||
| Переменный резистор | 10 кОм | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 56 кОм | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 13 кОм | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 12 кОм | 1 | В блокнот | ||||
| Светодиод | 12 | ||||||
В УМЗЧ смотрятся красиво и стильно, вот только где их найти... Выход есть - сделаем такой измеритель, в котором роль стрелки будут выполнять светоизлучающие диоды управляемые микросхемой. LM3916 - это специальная микросхема для LED индикаторов уровня.
Схема стрелочно-светодиодного индикатора
Светодиоды подключены через разъёмы J3 - J12 (показан на схеме только один ряд светодиодов). Схема индикатора потребует двухполярный источник питания для правильной работы. Положительный потенциал питания LED линейек должен быть ниже +25 В и в сочетании с напряжением отрицательного плеа не должен превышать 36 В. Минимальный уровень вольтажа зависит от рабочего напряжения светодиодов. Например, если светодиод на 1.9 В, а у нас 7 светодиодов на один контакт, то минимальное положительное напряжение будет 7 х 1.9 В + 1.5 В (падение напряжения на LM3916) = 14,8 вольт. Зеленые светодиоды, как правило, имеют чуть выше напряжение - 2.2-2.4 В, так что +18 В будет достаточно в большинстве случаев.
Светодиодный ток определяется резистором R1_REF, и с сопротивлением 2,2 кОм будет 5 мА.
Формула для расчёта: Iled = 10 х (1.2 V / R1_REF)
В качестве двойного операционного усилителя на входе можете ставить - TL072, TL082, LM358. Выходной режим может быть установлен 3-х контактной перемычкой JP1. Максимальное входное напряжение для LM3916 имеет значение 1,2 В, и с помощью R8-R7 можно регулировать уровень входного сигнала.
Видео работы индикатора
Цвет светодиодов на ваш выбор. Тут использованы зеленые светодиоды для отрицательных уровней, желтый - 0dB и красный для положительного уровня звукового сигнала. Для этого нужны прямоугольные светодиоды. Архив с рисунками печатных плат можно .
Стрелочные индикаторы наиболее просты. Для их изготовления требуется минимум деталей и квалификации, особенно, если использовать "фирменный" измерительный прибор с красивой шкалой. Впрочем, в наше время изготовление самодельной шкалы трудности не представляет - ее можно напечатать на принтере и наклеить поверх старой. В качестве основы проще всего использовать стрелочные индикаторы от магнитофонов старых типов или малогабаритные щитовые измерительные приборы магнитоэлектрической системы с током полного отклонения 0,25...1 мА. Приборы электромагнитной системы (например, автомобильные вольтметры) и миллиамперметры с током полного отклонения более 5 мА для наших целей непригодны.
Поскольку простые схемы стрелочных индикаторов не требуют питания, их можно подключить к выходам усилителя по схеме "mixed mono", что позволяет несколько сократить число деталей (рис.1).
Рис.1
Рис.2
На рис. 2 приведена схема простейшего индикатора. При необходимости число каналов можно увеличить, добавив резисторы и диоды, как показано пунктиром. При использовании индикатора совместно с усилителем магнитолы последовательно с резисторами R1,R2 нужно включить электролитические конденсаторы емкостью 47...100 мкФ ("плюсом" к магнитоле). Можно также использовать "mixed mono" (см. рис.1), при этом конденсаторы не требуются, а цепочку R2VD2 можно исключить.
Сопротивление резистора, включенного последовательно с прибором зависит от тока полного отклонения. Примерное значение сопротивления можно найти по приведенной на рисунке формуле. Точное значение следует скорректировать при настройке по необходимому отклонению стрелки при заданной мощности. Остальные детали можно использовать любых типов. Сглаживающий электролитический конденсатор должен быть рассчитан на рабочее напряжение не ниже 25 вольт при измерении мощности до 15 Вт и не ниже 50 вольт - при большей мощности. Запас по напряжению нужен потому, что конденсатор используется в цепи переменного тока. Подбирая его емкость в пределах 1...100 мкФ, можно регулировать время обратного хода стрелки на любой вкус.
Недостаток схемы - малый динамический диапазон, не превышающий 10 дБ. Для магнитолы этого хватит, но при работе с усилителем большой мощности стрелка будет отклоняться лишь на пиках сигнала. В этом случае лучше применить схему, показанную на рис.3.
Рис.3
Ее основное отличие - расширитель динамического диапазона на диоде VD1 и светодиоде HL1. Как только выпрямленное напряжение на конденсаторе C1 достигает значения 0,7 В, диод открывается и дальнейший рост напряжения замедляется резистором R3. Подбирая его сопротивление в пределах 100 Ом...10 кОм, можно регулировать "ход" шкалы в средней части. Следующее ограничение наступает в момент зажигания светодиода и дальнейший рост напряжения практически прекращается. Светодиод при этом можно использовать как индикатор перегрузки. Сопротивление резисторов на входе определяется максимальной мощностью усилителя и током примененного светодиода. Расчетная формула приведена на рисунке, точное значение сопротивления следует скорректировать по моменту зажигания светодиода при максимальной мощности.
Сопротивление резистора, включенного последовательно с прибором можно найти по второй формуле. Точное значение следует скорректировать при настройке по необходимому отклонению стрелки в момент зажигания светодиода. Напряжение на красном светодиоде составляет примерно 1,6 В, на более ярком желто-оранжевом - примерно 2,5 В. Остальные детали можно использовать любых типов. Сглаживающий электролитический конденсатор должен быть рассчитан на рабочее напряжение 6,3...10 В, поскольку напряжение на нем ограничено светодиодом. Подключается индикатор так же, как и предыдущий.
Динамический диапазон такого индикатора можно легко довести до 20 дБ, для дальнейшего расширения динамического диапазона уже требуется специальная схема управления с логарифмическим усилителем, а такая схема уже выходит за рамки простейших.
Предлагаю для повторения принципиальную схему стрелочного индикатора звука. Схема выполнена на советской микросхеме К157ДА1. Устройство сделано для двухканального усилителя мощности.Питание схемы однополярное - 9 вольт, и выполнено на простом стабилизаторе напряжения, сделанном на микросхеме 78L09 - он показан на схеме.
Подключается устройство к выходу усилителя мощности, хотя чувствительность его вполне достаточная и для снятия звука с линейного входа.
Настройка устройства выполняется переменными резисторами номиналом 30К и конденсаторами С7 и С8. Переменными резисторами отстраивается положение стрелки при максимальной мощности, а конденсаторами - время обратного хода стрелки.
Данный стрелочный индикатор собран на печатной плате, которая закреплена на корпусе индикаторных головок.
Индикаторные головки были взяты из старого советского магнитофона. Так-же сюда подойдут практически любые красивые стрелочники с током полного отклонения 50-200мкА. При желании, как это сейчас модно, можете сделать синюю или зелёную светодиодную подсветку шкалы. Автор статьи: М.Пелех
Наглядность - большое дело. Вот и народная мудрость гласит: - «Лучше раз увидеть, чем сто услышать». А в электронике, где протекающие процессы в работе того или иного устройства, подтверждаются зачастую косвенно, а то и вообще подразумеваются и даже берутся на веру, наглядное отображение вообще переоценить сложно. Недаром таким почитанием в среде радиолюбителей пользуются осциллографы, дающие возможность «заглянуть» даже внутрь процесса. Но не буду о сложном - разобраться бы с простым. Собрал почти десяток различных зарядных устройств, а для зарядки аккумуляторов использую всё больше простенький лабораторный блок питания, имеющий выходного напряжения и тока. Измерительные головки чётко информируют, сколько вольт и миллиампер идёт на заряжаемый аккумулятор. Вот только далеко не везде есть возможность их использовать, даже самые маленькие из них, зачастую всё равно будут непомерно большими для многих радиолюбительских самоделок. А вот стрелочные индикаторы от магнитофонов и других радиотехнических устройств прошлого века, которые не перевелись на базарах до сих пор, будут тут в самый раз. Вот некоторые из них:
Предназначен для работы в цепях постоянного тока, при любом положении шкалы. Ток полного отклонения (зависит от модели) 40 - 300 мкА. Внутреннее сопротивление 4000 Ом. Длина шкалы - 28 мм, масса 25 гр.
Предназначен для работы при вертикальном положении шкалы. Ток отклонения 220 - 270 мкА. Внутреннее сопротивление 2800 Ом. Размеры 49 х 45 х 32 мм. Длина шкалы - 34 мм.
предназначен для работы при любом положении шкалы. Ток полного отклонения не более 250мкА. Внутреннее сопротивление 1000 Ом. Размеры 21,5 х 60 х 60,5 мм. Масса 30 гр. Эти индикаторы и им подобные объединяет:
- небольшой размер
- простота конструкции
- низкая стоимость
- и, конечно же, принцип действия
Принцип действия основан на взаимодействии двух магнитных полей. Поля постоянного магнита и поля, образованного током, проходящим по бескаркасной рамке, которая состоит из большого числа (115 - 150) витков медного провода диаметром всего 8 - 9 микрон. Не вникая в нюансы можно назвать два основных действия, которые необходимо произвести для того, чтобы стало возможным использовать имеющийся индикатор:
- Оснастить его шунтом или добавочным сопротивлением (применяются для изменения верхнего предела измерения), в зависимости от того как будете его использовать (вольтметр / амперметр).
- Изготовить новую шкалу.
Обсудить статью СТРЕЛОЧНЫЕ ПРИБОРЫ - ИНДИКАТОРЫ
