Светомузыка на AN6884 – от простого к сложному

В этой статье я расскажу о применении популярной микросхемки AN6884. Начнём мы с простого индикатора на 5 светодиодах, который легко может собрать любой начинающий радиолюбитель, а закончим огромным 7-полосным спектроанализатором для тех, кто уже попробовал свои силы в простых схемах и хочет чего-то большего.

Линейка из 5 светодиодов

Рассматриваемая микросхема позволяет управлять шкалой из 5 светодиодов, отображая на ней уровень звукового сигнала. Сигнал не обязательно должен быть звуковым. Но поскольку шкала в этой микросхеме логарифмическая, то она прекрасно подходит для индикации уровня звука.

В даташите авторы предлагают нам такую схему включения микросхемы AN6884:

Напряжение питания Vcc можно подавать в очень широком диапазоне – от 3 до 16 вольт. Мы в наших экспериментах ограничимся 9 вольтами от «Кроны». От напряжения питания зависит только величина сопротивления R, ограничивающего ток через светодиоды.

Резистор и конденсатор, подключенные к 7-й ноге играют роль времязадающей RC-цепочки. Изменяя номинал резистора, можно изменять скорость спадания светодиодной линейки. Если вместо 10 кОм поставить 2…3 кОм, столбик будет двигаться быстрее. Если заменить его на 30 кОм, столбик будет шевелиться намного медленнее. Оптимальным, на мой взгляд, является значение в 8…10 кОм.

Схему можно немного переделать (рис.3). Вместо одного общего резистора R поставить пять отдельных на каждый светодиод. Так можно сделать яркость светодиодов более равномерной. Если используются светодиоды разных цветов, то можно подобрать подходящие резисторы для каждого типа светодиодов. Часто случается, что зелёные и синие светодиоды при одном и том же токе горят ярче, чем красные и жёлтые.

На входе схемы стоит стандартный аудио-разъём 3,5мм. Его общий провод соединён с общим проводом схемы, а один из каналов (левый или правый) подключён ко входной цепи. Важно: если вы хотите брать сигнал с левого и правого канала одновременно, ни в коем случае нельзя их замыкать. О том, как снять сигнал с двух каналов сразу, будет рассказано ниже.

Демонстрация работы схемы:

Добавляем предварительный усилитель

На первый взгляд схема работает неплохо. Однако, есть несколько проблем. Плеер приходится выкручивать почти на максимальную громкость, чтоб линейка диодов загоралась полностью. И кроме того, индикатор отображает общую громкость музыки, а не мигает в такт ритму. В результате индикатор выглядит не очень динамично.

Как это исправить? Поставим предварительный усилитель и фильтр низких частот. Их мы сделаем на операционных усилителях. Возьмём микросхему RC4558. Она поставляется в корпусе DIP-8 и имеет внутри два независимых операционных усилителя – как раз столько нам и нужно.

Структурная схема RC4558:

Схема с усилителем и смешением каналом:

Через резисторы R8, R9 и переменный резистор R10 смешиваются сигналы левого и правого каналов. Операционный усилитель DA2 работает в качестве предварительного усилителя, который увеличивает уровень входного сигнала до требуемого. Коэффициент усиления операционника в таком включении определяется по формуле 1 + R13 / R12. В нашем усилителе это будет 1 + 200 / 10 = 21. Такого усиления вполне достаточно, чтобы зажигать все 5 светодиодов даже при небольшой громкости на входе. Если уровень звука будет слишком большим (все светодиоды будут гореть непрерывно), его всегда можно отрегулировать переменным резистором R7.

В большинстве аудио-схем с операционными усилителями применяется двухполярное питание: имеется земля (нулевой потенциал), положительное напряжение +U и отрицательное напряжение той же величины -U. Это удобно для усиления обработки звукового сигнала, поскольку звук является сигналом переменной полярности.

Но в нашем распоряжении есть только одна 9-вольтовая батарейка. Подключать две батарейки или специальный блок питания будет совершенно нерационально. Поэтому мы создадим искусственную «среднюю точку» – точку, потенциал которой относительно земли будет равен половине напряжения питания.На данных схемах она обозначена в виде треугольника. Средняя точка на рис.6создаётся делителем напряжения резисторах R15 и R16 и конденсатором С4. Чем меньше номинал резисторов R15 и R16, тем более стабилен потенциал в средней точке, но при этом больше ток, идущий через резисторы. В нашем случае будет достаточно резисторов на 1…2 кОм.

Фильтруем низкие частоты

Теперь можно задействовать второй операционный усилитель в составе RC4558 и сделать на нём фильтр низких частот.

На резисторе R14 и конденсаторе С4 собран фильтр низких частот с верхней границей пропускания около 80 Герц. Эта частота называется частотой среза и определяется по формуле 1/(2*Pi*R14*C4). Все составляющие звука ниже 80 Герц проходят через фильтр практически без изменений, а более высокие частоты существенно ослабляются. Причём, чем выше частота, тем сильнее ослабление. Операционный усилитель DA2.2 служит повторителем. Он «повторяет» на своём выходе сигнал, который поступает на его вход. Это делается для того, чтобы элементы, стоящие после фильтра низких частот (это С6, R7, DA1) не влияли на полосу пропускания фильтра.

Теперь с фильтром низких частот схема работает намного интереснее и эффектнее. Столбики прыгают чётко в такт ритму. В этом можно убедиться, сравнив новое видео с предыдущим. В конце ролика – демонстрация работы в темноте. Не пропустите!

Расширяем индикаторы

Можно двинуться дальше и собрать нечто более сложное и впечатляющее. Например, индикатор, состоящий не из 5, а из 10 светодиодов. Существуют два способа это сделать, совместив две микросхемы AN6884.

Первый способ. Совместим два индикатора так, чтобы светодиоды, подключенные к одной и к другой AN6884 чередовались. На рис.9 все нечётные светодиоды подключены к DA1, а все чётные – к DA2.

Допустим, мы соединим входы (8-е вводы) и пустим на них один и тот же сигнал. В этом случае микросхемы будут работать абсолютно синхронно и светодиоды будут включаться парами (HL1-HL2, HL3-HL4 и т.д.)

Нам же надо, чтобы они загорались по очереди – HL1, HL2, HL3, HL4 и т.д. Для этого мы при помощи резисторов R14 и R15 немного ослабляем уровень сигнала на входе одной из микросхем – DA1. Точной подстройкой резистора R14 добиваемся того, чтобы светодиод HL2 загорался после HL1, HL4 загорался после HL3. После подстройки резистор R14 нам больше не надо трогать. Далее общий входной уровень для двух микросхем задаём переменным резистором R13.

Получившийся индикатор более точно отображает уровень звука, чем индикатор на 5 светодиодах.
Важные условия: номиналы резисторов R11 и R12 и конденсаторов С1 и С2 должны быть равны, чтобы столбики нарастали и спадали с одинаковой скоростью.

Второй способ. Поставим две шкалы «друг на друга». Светодиоды с 1-го по 5-й подключены к микросхеме DA1, светодиоды с 6-го по 10-й подключены к DA2.

На вход микросхемы DA2 нужно пустить сигнал, сильно ослабленный, по сравнению с сигналом на входе DA1. Это ослабление, как и в прежнем случае, задаётся резисторами R14 и R15. Подстройкой резистора R15 подбирается такой режим, при котором светодиод HL6 загорается сразу после светодиода HL5.

Такой индикатор будет отображать уровень громкости в более широком диапазоне, чем предыдущие версии.

Строим спектроанализатор

Развивая дальше эти схемы, можно собрать ещё более интересные устройства. Например, многоканальный спектроанализатор – светомузыкальное устройство с прыгающими световыми столбиками, где каждый столбик соответствует определённой полосе частот – от низких до высоких.

Для этого понадобится разместить несколько индикаторов и подключить к ним сигнал через полосовые фильтры, настроенные на различные частоты. К выходу операционного усилителя DA2.1 на рис.8 вместо фильтра низких частот на R14, C4, DA2.2 следует подключить параллельно несколько полосовых фильтров подобного вида:

К выходу каждого фильтра подключается индикатор на двух AN6884.
В таблице приведены значения ёмкостей и сопротивлений для разных полос 7-полосного спектроанализатора. Значения рассчитывались через программу Filter Wiz Pro.

Именно такую схему я собрал четыре года назад, когда ещё только осваивал электронику. На фотографии результат работы. Для сравнения размеров: рядом 17-дюймовый монитор.

И, конечно, видео работы этого аппарата:

И в завершение

Сегодня, если бы я заново делал подобный спектроанализатор, я бы, разумеется, сделал бы его на микроконтроллерах с АЦП и быстрым преобразованием Фурье. Вышло бы намного проще и дешевле. Но для начинающих радиолюбителей будет очень интересно и полезно попробовать свои силы в аналоговых схемах, наподобие этой. Желаю всем тем, кто только начинает свой путь в электронике удачи в этом непростом, но увлекательном деле!

Предупреждение: Проявляйте осторожность при экспериментах со светомузыкальными устройствами, когда подключаете к ним свои айфоны и айподы. Особенно это относится к макетным платам, где устройство ещё не отлажено и могут быть ошибки. Возьмите лучше для экспериментом старый ненужный кассетник или китайский плеер за 300 рублей. Когда-то давно по неопытности я спалил MP3-плеер, нечаянно пустив на его выход 16 вольт со схемы. Будьте внимательнее!

Буду очень благодарен за конструктивную критику.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Анализатор спектра
• Светодиод