Как настроить индикатор уровня сигнала

Светодиодный индикатор уровня звука как украшение радиолюбительской конструкции. Обзор двухканального индикатора, «готового к употреблению»

Содержание

Вступление

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.

Источник

Индикаторы уровня сигнала: описание, принцип работы и фото

Индикаторы уровня сигнала используются для визуальной оценки изменяющегося параметра в промежуточных точках схемы устройства. По их показаниям можно судить о работе отдельных функциональных модулей. Применение индикаторов в усилителях звукового сигнала позволяет установить уровень, достаточный для комфортного прослушивания музыкальных композиций, предотвращая при этом режим работы усилителя за пределами допустимых для него значений.

Основные виды индикаторов

Индикаторы являются составной частью устройств усиления звука. Они позволяют получить визуальную оценку композиции в диапазоне звуковых частот. Для наблюдения уровня сигнала используются как стрелочные приборы, так и устройства, выполненные в виде светодиодных столбцов, изменяющих свои геометрические размеры по мере нарастания или спада звукового сигнала в выбранном частотном диапазоне. Можно выделить основные типы индикаторов:

1. Шкальные, представляющие собой устройства различной степени сложности, в которых для оценки силы звукового сигнала используются стрелочные микроамперметры.
2. Пиковые (светодиодные) индикаторы уровня сигнала, которые могут использовать в своем составе как одиночные элементы, так и светодиодные ленты.
3. Пиковые люминесцентные.

Современные комплексы воспроизведения звуковой информации используют электронные устройства, отражающие целый ряд необходимых параметров. В их схемах применяются те или иные основные типы индикаторов, перечисленных выше.

Простейшие шкальные

Индикаторы этого типа содержат в своем составе электромеханический микроамперметр с током полного отклонения стрелки до 500 мкА. Прибор работает при протекании по обмотке его катушки постоянного тока. Поэтому изменяющийся во времени выходной звуковой сигнал требуется предварительно преобразовать при помощи диодной схемы.

Изменяя величину сопротивления резистора, ограничивающего ток, протекающий через микроамперметр, можно добиться полного отклонения стрелки для максимального уровня звукового сигнала. Шкала градуируется в процентах максимального уровня или в децибелах (дБ) его ослабления.

Шкальные на биполярных транзисторах

Микроамперметры в схемах этих устройств включаются в коллекторную цепь выходных каскадов транзисторных усилителей тока, выполненных по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Количество каскадов усиления определяется минимальным уровнем, на который должна реагировать шкала стрелочного индикатора уровня звукового сигнала. Величина тока полного отклонения стрелки может быть установлена элементами делителя переменного напряжения, поступающего на вход схемы стрелочного индикатора для последующего усиления.

В своем составе схемы содержат выпрямители постоянно изменяющегося сигнала звукового усилителя в постоянный ток для создания более комфортного визуального контроля громкости прослушиваемой композиции. Шкала выполняется с оцифровкой процентного соотношения действующего уровня сигнала по отношению к его максимальному значению. За величину максимального значения выбирается уровень громкости, коэффициент нелинейных искажений которого не превышает допустимой величины и определяется международными стандартами качества.

Шкальные на операционных усилителях

Операционные усилители (ОУ), обладающие высоким входным сопротивлением, вносят в схему измерения минимальные искажения. Стрелочные индикаторы уровня сигнала для усилителя позволяют визуально контролировать минимальные уровни, недоступные простейшим измерителям и схемам с ОЭ.

ОУ используются в качестве преобразователей напряжение/ток или эмиттерные повторители. Электромеханическая головка микроамперметра имеет шкалу, отражающую (как и в предыдущих случаях) ослабление в децибелах уровня измеряемого сигнала относительно его максимального значения.

Индикаторы пиковых значений

Светодиодные индикаторы этого вида выполняются на основе компараторов напряжения уровня входного сигнала. Напряжение на их выходах появляется в момент превышения входным сигналом определенного, заранее установленного элементами схемы значения величины входного сигнала. При этом уровня напряжения, возникающего на выходе компаратора, достаточно для загорания светодиода линейки индикаторов.

Чем большее количество пороговых устройств содержит схема индикатора уровня сигнала, тем меньше будет заметно скачкообразное движение светодиодного столбика по шкале, тем естественнее будет наблюдаемая картинка.

Индикаторы с использованием логических элементов

Эти устройства находят применение в схемах, в которых в качестве элемента, сигнализирующего о достижении входным сигналом уровня, достаточного для срабатывания логического компонента, используется светодиод или LED-сигнализатор. Он будет светиться в течение времени, пока уровень напряжения на входе схемы будет достаточен для открытого состояния логической схемы и, соответственно, протеканию тока через светодиод и для его свечения.

В этих схемах светодиодных индикаторов уровня сигнала используется свойство триггера Шмидта (Шмитта) — сохранять свои устойчивые состояния. В первом из них на выходе силового элемента присутствует положительное напряжение источника питания. Другая ситуация соответствует случаю его закрытого состояния и при отсутствии положительного напряжения на выходе. Таким образом, триггер может служить индикатором уровня сигнала, присутствующего на входе схемы.

Нагрузкой логической схемы выступает биполярный транзистор n-p-n проводимости, включенный по схеме усилителя с общим эмиттером (ОЭ). В его коллекторную цепь включен светодиод, который сигнализирует о превышении уровня входного сигнала , установленного элементами схемы.

Количество используемых триггеров определяет число контролируемых уровней звукового сигнала. 2 или 3 микросхемы, имеющих в одном корпусе по 4 логических элемента, позволяют создать индикатор своими руками, в котором практически не наблюдается ступенчатая зависимость изменения показаний.

Индикаторы уровня на специализированных микросхемах

Интегральная микросхема LM 3915 производится компанией Texas Instruments. Она получила широкое распространение при создании индикаторов уровня сигнала для усилителя. Она контролирует 10 уровней изменяющегося звукового сигнала на основе встроенных компараторов. При этом она провоцирует загорание LED выходных элементов по логарифмическому закону. Это позволяет корректировать восприятие уровня выходного сигнала усилителя в соответствии со свойством органа человеческого слуха.

Низкие уровни часто на слух не воспринимаются. Логарифмический закон позволяет добиться линейного восприятия громкости прослушиваемой музыкальной композиции при изменении ее интенсивности в широком диапазоне. В случае использования двух микросхем появляется возможность создавать LM3915 индикаторы уровня сигнала для стереофонических звуковых систем.

Люминесцентные

Такими индикаторами оснащаются устройства высококачественного воспроизведения звука. Они выполнены в виде готовых панелей, включающих в себя набор специализированных схем, управляемых микроконтроллерами. Их шкалы отображают изменение многих параметров. Часто они являются индикаторами полосовых эквалайзеров, позволяющих корректировать амплитудно-частотную характеристику усилителей звука в широких пределах.

При достаточном уровне опыта изготовления радиолюбительских конструкций такие индикаторы уровня сигнала своими руками могут быть созданы самостоятельно. Надо учесть, что схемы с использованием стильных люминесцентных индикаторов часто требуют применения нескольких источников питания.

Заключение

Материал, изложенный в статье, поможет читателю узнать устройство и назначение разных типов индикаторов уровня. Следует учитывать, что многие из них могут быть изготовлены своими силами из доступных наборов-конструкторов. Устройства стрелочного типа и сегодня повсеместно используются в аппаратах высококачественного воспроизведения звука.

Источник