Схема индикатор уровня звукового сигнала на светодиодах схема
Светодиодные индикаторы, как и стрелочные приборы, широко применяются в различной электронной аппаратуре. Они используются для визуального отображения информации об уровне сигнала — напряжения, тока, частоты и других параметров.
В данной статье будет показан пример простой электронной схемы светодиодного индикатора, которую можно применить, например, для индикации уровня громкости (мощности) усилителя звуковой частоты. Принципиальная схема устройства показана на рисунке ниже.
Схема не сложна в изготовлении и доступна для повторения радиолюбителям любого уровня.
Она не содержит дорогих или «редких» элементов и допускает использование аналогичных деталей широкого применения. Кроме того, в схеме нет никаких активных элементов (транзисторов, микросхем), поэтому не требуется и её отдельного питания. Питание схема получает непосредственно от мощного выходного сигнала усилителя. Поэтому такая схема имеет, конечно, ограниченный динамический диапазон, однако для элементарного отображения уровня выходной мощности усилителя этого часто бывает достаточно.
Сопротивление резистора R7 подбирается точно при непосредственном подключении схемы к выходу усилителя. При мощности до 70 ватт его номинал составит около 200. 600 Ом. Диоды можно использовать любые кремниевые (прямое падение напряжения на которых порядка 0,7 вольт) с допустимым прямым током 0,3 ампера или больше. Диод VD7 нужен для выпрямления переменного тока звукового сигнала и выделения его постоянной составляющей.
Конденсатор С1 «сглаживает» резкие скачки сигнала на пиковых значениях и придаёт процессу индикации некоторую «инерционность», что обеспечивает более удобную визуализацию. Его ёмкость может варьироваться от 1 до 50 мкФ для обеспечения наиболее приемлемого режима работы. Светодиоды можно использовать тоже любые, со «стандартным» рабочим током 10. 20 мА.
В схеме использовано шесть светодиодов, большее их количество может не обеспечить достаточного уровня яркости свечения. Ведь схема пассивна, то есть питание её напрямую зависит от мощности выходного каскада усилителя и уровень максимального рабочего тока ограничен этим фактором. Этот «недостаток» обусловлен исключительной простотой приведённой здесь схемы, для его устранения потребуются более «сложные» варианты с применением управляющих активных элементов.
Индикаторы уровня звука (точнее, уровня электрического сигнала в звуковом тракте) могут быть очень ответственными приборами, а могут служить и просто для украшения аппаратуры. Часто для краткости их называют VU-meter («волюметр»).
В профессиональной аппаратуре VU-meter — необходимейшее устройство, которое должно точно отображать требуемый параметр для предотвращения перегрузки или недогрузки звукового тракта.
А в бытовой аппаратуре это — не очень ответственный элемент, который может служить или для приблизительной оценки уровня сигнала, или вообще просто для красоты — чтобы огоньки бегали или стрелка двигалась в такт музыке.
В этом обзоре будет проанализирован предназначенный для встраивания в радиолюбительскую аппаратуру готовый светодиодный индикатор стереосигнала.
Цена на Алиэкспресс на дату обзора с доставкой в РФ — около 700 российских рублей ($8.90), проверить актуальную цену.
(изображение со страницы продавца на Алиэкспресс)
Тактико-технические характеристики, внешний вид, комплектация и конструкция светодиодного индикатора уровня звука
Небольшой набор тактико-технических характеристик от производителя представлен в следующей таблице:
| Количество светодиодов на канал | 12 шт. (7 зелёных + 2 оранжевых + 3 красных) |
| Количество режимов шкалы сигнала | 2 (Логарифмический + АРУ) |
| Количество режимов отображения сигнала | 6 |
| Напряжение питания | 7. 12 В |
| Ток потребления | 100 мА |
| Размер платы индикатора | 80*14 мм |
| Размер блока индикаторов | 58*14 мм |
Реальное потребление сильно зависит от яркости и количества работающих светодиодов.
При всех включенных светодиодах на максимальной яркости потребление составило 54 мА, при включенных только двух светодиодах потребление составило 17 мА.
Комплектация индикатора предельно проста, она состоит из платы индикатора и кабеля для внешних соединений:
(фотографии в обзоре кликабельны)
Инструкцию по настройке индикатора можно найти на страницах некоторых продавцов; она, в принципе, верная, но бестолковая:
Пришлось составить свою инструкцию, она будет представлена далее в обзоре.
Так выглядит VU-meter в боковом ракурсе, в котором хорошо видно соотношение в размерах между его разными частями:
Так выглядит индикатор со стороны линеек светодиодов:
Назначение контактов разъёма подписано на плате вполне понятным образом, дополнительных разъяснений не требуется.
Теперь смотрим на плату со стороны элементов:
Электронная «начинка» индикатора кажется несложной. Но это — только кажимость; на самом деле здесь имеется даже настоящий процессор со своей микропрограммой (прошивкой)!
Но с этим ещё разберёмся, а пока обратим внимание на небольшую круглую кнопку внизу чуть правее середины платы.
С помощью этой единственной кнопки делаются все настройки. Желаемый режим работы лучше установить до встраивания индикатора в аппаратуру, так как после установки кнопка может оказаться труднодоступной.
Вид на часть платы вблизи разъёма:
Здесь расположен крайне популярный сдвоенный операционник LM358 и маленькая трёхногая микросхема линейного стабилизатора на 5 В.
Операционник принимает аналоговый сигнал с входных линий и далее отправляет его на другую часть платы, где его поджидает процессор:
Здесь есть пара транзисторов, ещё один стабилизатор на 5 В, кнопка управления режимами и «сердце» индикатора — аналого-цифровой процессор STM8S003F3P6.
Этот процессор поддерживает до 5-ти каналов 10-битного аналого-цифрового преобразования.
Его вычислительная часть работает на частоте 16 МГц, имеет 8K байт памяти прошивки и 1K байт ОЗУ. Это всё — небольшие величины, но достаточные для выполнения поставленной задачи.
Теперь переходим к аналитической части обзора.
Технические испытания светодиодного индикатора уровня звука
Сначала немного разберёмся с теорией анализа сигнала и его отображения (применительно к тестируемому индикатору).
Индикаторы могут реагировать на разные величины: на пиковое значение сигнала, его среднее значение или среднеквадратичное (действующее).
Шкала индикации может быть линейной, логарифмической («децибельной») или с автоматической регулировкой усиления (АРУ, AGC). Бывают и более экзотические методы, их не рассматриваем.
Первые два типа шкалы предъявляют пользователю реальное значение сигнала, а последний (с АРУ) служит только для красивой динамической индикации.
Способы визуального представления замеренной величины сигнала на светодиодных индикаторах тоже могут быть разными.
Уровень сигнала может быть представлен в виде «классического» столбика (иногда — в виде двухстороннего столбика, растущего от середины индикатора), или же в виде одного или нескольких сегментов, двигающихся вверх или вниз в зависимости от уровня сигнала. Эти методы могут быть иметь дополнительные опции, например, в виде фиксации на какое-то время одиночным сегментом максимального уровня сигнала.
Герой обзора имеет два режима шкалы сигнала: логарифмический и с автоматической регулировкой усиления (AGC).
Режим автоматической регулировки усиления (Automatic Gain Control) назван так, естественно, условно. Никаких схем регулировки усиления в индикаторе нет; автоматическая подстройка отображения сигнала производится чисто вычислительным путём.
Для выяснения вопроса, на что именно реагирует тестируемый VU-meter (пик или среднее значение), на индикатор был подан прямоугольный сигнал с переменным заполнением от 10% до 30% (частота 1 кГц).
В случае реакции индикатора на пик сигнала при изменении заполнения прямоугольника «столбик» на индикаторе в децибельном режиме не должен меняться; а при реакции на среднее значение должен увеличиваться по мере увеличения заполнения.
Испытания показали, что столбик увеличивается, т.е. для индикации используется средний уровень. Возможности использования в индикаторе среднеквадратичного уровня и прочей «экзотики» отметаем, как создающие чрезмерную вычислительную нагрузку.
Теперь — таблица с результатами замера входного напряжения, необходимого для устойчивого включения сегментов индикатора в децибельном режиме на частоте 1 кГц (синус); отображение классическим столбиком. Сигнал подавался от генератора сигналов FY6800; под напряжением в таблице понимается размах сигнала, т.е. двойная амплитуда (т.к. именно её показывает индикатор генератора FY6800).
В скобках указан прирост к предыдущему значению в дБ.
| Сегмент | Напряжение |
| 1 | светится всегда |
| 2 | 65 мВ |
| 3 | 195 мВ (+9.5 дБ) |
| 4 | 350 мВ (+5.1 дБ) |
| 5 | 530 мВ (+3.6 дБ) |
| 6 | 750 мВ (+3.0 дБ) |
| 7 | 1.04 В (+2.84 дБ) |
| 8 | 1.47 В (+3.0 дБ) |
| 9 | 2.07 В (+2.9 дБ) |
| 10 | 3.00 В (+3.2 дБ) |
| 11 | 4.2 В (+2.9 дБ) |
| 12 | 6.1 В (+3.2 дБ) |
Таким образом, с учетом погрешности метода измерения, можно утверждать, что за основу производитель взял логарифмическую шкалу с ценой деления 3 дБ на основной части; но с загрублением цены деления при малых сигналах.
С одной стороны, это позволяет несколько расширить динамический диапазон работы индикатора (он составил 39.5 дБ); но, с другой стороны, это сделает менее точными и динамичными показания при малом сигнале.
Иными словами, в децибельном режиме при малом сигнале нижние сегменты будут двигаться медленно и лениво (что и подтвердилось при испытании реальным музыкальным сигналом).
Но в режиме АРУ (AGC) всё работает совсем по-другому. В этом режиме процессор автоматически придвигает средний уровень сигнала к середине шкалы, и картинка получается весьма динамичной при любом сигнале (за исключением выхода сигнала за пределы динамического диапазона).
Несколько слов о частотной полосе индикатора уровня звука.
В области нижних частот есть заметный завал, полоса пропускания по уровню минус 3 дБ начинается от 170 Гц.
В области средних и высоких частот характеристика довольно плоская, с пологим повышением на 20% к частоте 20 кГц.
В целом же характеристика — далеко не идеальная, и реальный уровень сигнала индикатор отобразит не очень точно.
Теперь посмотрим, как индикатор работает с реальным музыкальным сигналом.
Примеры отображения сигнала в режиме АРУ и в трёх разных режимах визуализации (из 6-ти возможных) представлены на следующих видео.
1. Классическое отображение уровня столбиком:
2. Отображение столбиком с фиксацией уровня максимума и последующим его падением вниз:
3. Отображение уровня звука движением двух сегментов:
Краткая инструкция (User Manual) по настройке индикатора уровня звука с описанием режимов
Теперь — обещанная инструкция по настройке, составленная на основе личного опыта.
Для настройки используется единственная кнопка.
Одиночное короткое нажатие ничего не меняет (как мне показалось). Другие, перечисленные далее, варианты меняют настройки циклически, т.е. их нумерация условна (первой можно считать любую из них).
Двойное короткое нажатие меняет яркость. Возможные варианты: слабая, средняя, высокая.
Удержание кнопки нажатой в течение 1-ой секунды меняет режимы отображения. При этом самому считать длительность нажатия не надо: при удержании кнопки нажатой на индикаторе справа вверху добавляется по одному зажженному сегменту каждую секунду. Сегменты нарастают сверху вниз.
1. Классическое отображение столбиком (чем выше сигнал, тем больше зажигается сегментов, как на первом видео).
2. Отображение столбиком с фиксацией уровня максимума и последующим его подъёмом вверх.
3. Отображение двумя сцепленными зажженными сегментами, которые поднимаются вверх или падают вниз в зависимости от уровня сигнала (как на последнем из 3-х видео).
4. То же, что и в предыдущем пункте, но уровень отображается движением только одного сегмента.
5. Отображение столбиком, при этом фиксируется максимум, который затем «стреляет» вверх и «рикошетит» обратно вниз.
6. Отображение столбиком, при этом фиксируется максимум, который затем падает вниз (как на втором видео).
Удержание кнопки нажатой в течение 3-х секунд переключает режим шкалы: логарифмическая (децибельная) или АРУ (AGC).
В режиме АРУ картинка получается более динамичной, размах движения сегментов — высокий, практически во всю шкалу (за исключением случаев выхода сигнала за границы динамического диапазона).
В децибельном режиме движения сегментов — более медленные, а при малом сигнале — откровенно вялые.
В режиме АРУ есть особенность: если индикатор «спугнуть» сильным сигналом, то потом он медленно возвращается к норме, примерно за 20-30 секунд.
Удержание кнопки нажатой в течение 5-ти секунд переключает VU-meter в режим настройки скорости движения сегментов. При этом слева будет столбик высотой от 1 до 7 сегментов, показывающих скорость движения сегментов в рабочем режиме. При этом максимуму скорости соответствует высота в 1 сегмент, а минимуму — в 7 сегментов. Настройка производится короткими нажатиями.
Слева вверху индикатор показывает числом светящихся сегментов номер настраиваемого параметра из списка ниже.
Правый столбик будет «тестовым», т.е. он будет показывать, как работает установленное значение скорости.
Переход (циклический) между настраиваемыми параметрами осуществляется удержанием кнопки нажатой в течение 1 секунды.
Для возврата обратно в рабочий режим нужно снова удерживать кнопку нажатой в течение 5 секунд.
Список настраиваемых параметров скорости движения сегментов:
1. Скорость роста светового столбика.
2. Скорость падения светового столбика.
3. Время удержания пика (одиночного сегмента).
4. Скорость падения пика.
5. Не понял, что это за параметр.
И, наконец, нажатие кнопки в течение 10 секунд — возврат к заводским настройкам.
Итоги, выводы, рекомендации
Главная рекомендация: при мощном источнике сигнала (например, выход усилителя мощности) необходимо VU-meter подключать к источнику сигнала строго через делитель напряжения. Коэффициент деления подбирается «по вкусу» пользователя.
Если пользователь любит тихую и среднюю громкость музыки, то уменьшать напряжение с помощью делителя надо не сильно; а если любит высокую громкость — то уменьшать напряжение надо существенно. В последнем случае не забываем о гуманном отношении к соседям! :)
Теперь — общий итог и область применения
Для каких-то серьёзных целей этот индикатор уровня звука не подходит. Препятствием к этому будут две причины.
Первая — неравномерность АЧХ с сильным спадом на низких частотах.
Вторая — грубый шаг шкалы в децибельном режиме, особенно в области слабых сигналов.
В «плюсы» индикатора запишем широкие возможности настройки внешнего вида и динамики индикации.
Использование светодиодов трёх цветов тоже добавляет позитива этому устройству.
Индикатор вполне подходит для «оживления» внешнего вида радиолюбительских конструкций, что позволит преобразовать их дизайн из «чёрных ящиков» в яркую привлекательную технику.
Тонкости покупки
Купить индикатор можно, например, по этой ссылке. Цена — $8.2 в виде комплекта для сборки или $8.9 полностью собранный. Если у другого продавца этот индикатор найдётся дешевле, то тоже можно брать, но есть «тонкости».
Во-первых, надо обращать внимание, продаётся индикатор полностью собранным или как комплект для сборки (потребуется напаять только светодиодные линейки и разъём). Выбирать надо то, что Вам больше по душе.
Вторая «тонкость» состоит в том, что существует ещё один индикатор с точно такой же конструкцией, но собранный на плате чёрного цвета. У него — другая прошивка и другая реализация режимов. Может, он и не хуже, но данный обзор на него точно не распространяется.
Ситуация осложняется тем, что у некоторых продавцов на разных фото одного и того же индикатора плата может быть и зелёной, и чёрной. Надо внимательно смотреть не только фото, но и описание.
LM3915 – интегральная микросхема (ИМС) производства компании Texas Instruments, реагирует на изменение входного сигнала и выдает сигнал на один или сразу несколько своих выходов. Благодаря своей конструктивной особенности, ИМС получила широкое распространение в схемах индикаторов на светодиодах. Так как светодиодный индикатор на основе LM3915 работает по логарифмической шкале, он нашёл практическое применение в отображении и контроле уровня сигнала в усилителях звуковой частоты.
Не стоит путать LM3915 с её родственниками LM3914 и LM3916, которые имеют аналогичное расположение и назначение выводов. ИМС серии 3914 обладает линейной характеристикой и идеальна для измерения линейных величин (ток, напряжение), а ИМС серии 3916 является более универсальной и способна управлять нагрузкой разного типа.
Краткое описание LM3915
Блок-схема LM3915 состоит из десяти однотипных операционных усилителей, работающих по принципу компаратора. Прямые входы ОУ подключены через цепочку из резистивных делителей с различными номиналами сопротивлений. Благодаря этому светодиоды в нагрузке зажигаются по логарифмической зависимости. На инверсные входы приходит входной сигнал, который обрабатывается буферным ОУ (вывод 5).
Внутреннее устройство ИМС включает маломощный интегральный стабилизатор, подключенный к выводам 3, 7, 8 и устройство для задания режима свечения (вывод 9). Диапазон питающего напряжения составляет 3–25В. Величину опорного напряжения можно задать в пределах от 1,2 до 12В при помощи внешних резисторов. Вся шкала соответствует уровню сигнала в 30 дБ с шагом 3 дБ. Выходной ток можно задать от 1 до 30 мА.
Схема индикатора звука и принцип её действия
Как видно из рисунка, принципиальная электрическая схема индикатора уровня звука состоит из двух конденсаторов, девяти резисторов и микросхемы, нагрузкой для которой служат десять светодиодов. Для удобства подключения питания и аудиосигнала её можно дополнить двумя разъёмами под пайку. Собрать такое простое устройство под силу любому, даже начинающему, радиолюбителю.
Типовое включение предусматривает питание от источника 12В, которое поступает на третий вывод LM3915. Оно же, через токоограничивающий резистор R2 и два фильтрующих конденсатора С1 и С2, идёт на светодиоды. Резисторы R1 и R8 служат для снижения яркости последних двух красных светодиодов и являются необязательными. 12В также приходит на перемычку, которая управляет режимом работы ИМС через вывод 9. В разомкнутом состоянии схема работает в режиме «точка», т.е. происходит свечение одного светодиода, соответствующего входному сигналу. Замыкание перемычки переводит схему в режим «столбик», когда уровень входного сигнала пропорционален высоте светящегося столбца.
Резистивный делитель, собранный на R3, R4 и R7 ограничивает уровень входного сигнала. Более точная настройка осуществляется многооборотным подстроечным резистором R4. Резистор R9 задает смещение для верхнего уровня (вывод 6), точное значение которого определяется сопротивлением R6. Нижний уровень (вывод 4) присоединяется к общему проводу. Резистор R5 (вывод 7,8) увеличивает величину опорного напряжения и влияет на яркость светодиодов. Именно R5 задаёт ток через светодиоды и рассчитывается по формуле:
R5=12,5/ILED, где ILED – ток одного светодиода, А.
Индикатор уровня звука работает следующим образом. В момент, когда входной сигнал преодолеет порог нижнего уровня плюс сопротивление на прямом входе первого компаратора, засветится первый светодиод (вывод 1). Дальнейшее нарастание звукового сигнала приведёт к поочерёдному срабатыванию компараторов, о чём даст знать соответствующий светодиод. Во избежание перегрева корпуса ИМС, не следует превышать ток LED более 20 мА. Все-таки это индикатор, а не новогодняя гирлянда.
Печатная плата и детали сборки
- R1, R5 R8 – 1 кОм;
- R2 – 100 Ом;
- R3 – 10 кОм;
- R4 – 50 кОм, любой подстроечный;
- R6 – 560 Ом;
- R7 – 10 Ом;
- R9 – 20 кОм.
Конденсаторы С1, С2 – 0,1 мкФ. ИМС LM3915 рекомендуется запаивать не напрямую, а через специальную панельке для микросхемы. В нагрузке можно применить ультраяркие LED любого цвета свечения, вплоть до фиолетового. Но это уже личные эстетические предпочтения. Для отображения стереосигнала потребуются две одинаковые платы с независимыми входами. Более подробные данные о LM3915 можно найти в техническом описании здесь.
Работоспособность данного индикатора доказана на практике многими радиолюбительскими кружками и по-прежнему выпускается в виде наборов МастерКит.
Индикатор уровня звукового сигнала на светодиодах. Этот схема является простым индикатором уровня, которая построена на основе микросхемы LM3916. устройство является незаменимым оборудованием для микшера, усилителя или другого звукового оборудования. Устройство позволяет контролировать текущий уровень обработанного сигнала, благодаря чему мы можем избежать перегрузок и связанных с ними искажений.
На входе схемы работает линейный выпрямитель, построенный на основе операционного усилителя TL081. Это позволяет поддерживать высокую точность даже при входных сигналах порядка нескольких десятков мВ. Конструкция печатной платы позволяет разрезать ее на две части и спаять под углом 90 градусов. Это позволит легко изготовить индикатор уровня стерео сигнала из двух подобных схем.
Принципиальная схема индикатора показана ниже:
Плата печатная сделана по технологии лут. Монтаж следует начинать с установки единственной перемычки. Далее следует установить элементы R2 и R3 , расположенные под микросхемой U1 и R1 , расположенный под микросхемой U2. очередность монтажа остальных элементов является произвольным, хотя желательно припаять панельки под микросхемы и индикаторы из-за очень большой плотности элементов. Далее необходимо припаять конденсатор C4 так, чтобы он находился над резистором R4
Если мы хотим сделать стерео индикатор мы можем резать плату в месте между микросхемой U1 и индикатором, и обе части припаять под прямым углом. Это позволит разместить два блока индикатора уровня близко друг к другу.
Читайте также: