VU - квазипиковый индикатор уровня электрических сигналов звуковой частоты

В качестве очередного развлечения со светодиодами WS2812 захотелось изготовить индикатор аудиосигнала. Естественно в начале посмотрел что уже сделано, с какими трудностями сталкиваются разработчики и как их решают. Изучал статьи, описания, обзоры различных индикаторов, как самодельных, так и промышленных и китайских. Оказалось не так просто сделать хороший индикатор, отвечающий всем техническим требованиям. По закону притяжения информации уже ближе к концу разработки натолкнулся на ГОСТ 21185-75 "Измерители квазипикового уровня электрических сигналов звуковой частоты" из которого почерпнул много полезной информации и нашел ответы на вопросы возникшие при проектировании и изготовлении индикатора.

Описываемый индикатор не считаю очень точным измерительным прибором, скорее красивым устройством для оценки уровня сигнала. Хотя старался исходя из возможностей используемых компонентов сделать устройство максимально отвечающее требованиям ГОСТа и других найденных документов. Так же в устройство внес дополнительный функционал, который легко реализуется за счет применения микроконтроллера, вместо жесткой логики или специализированных микросхем. Те кто не хочет сначала читать статью, а желает увидеть результат, рекомендую открыть видео и перемотать его на время 26:28.

Вот такие характеристики мне удалось реализовать в устройстве:

Схема получившегося устройства приведена на рисунке.

Индикатор собран на микроконтроллере ATmega8A. Для оцифровки входных сигналов используется встроенный 10 разрядный АЦП микроконтроллера. Как указано в характеристиках, индикатор рассчитан на входное напряжение 0,775В для уровня в 0Дб. Поэтому выполнять усиления или ослабления измеряемого сигнала на входе не потребовалось. Так как входной диапазон АЦП от 0 до +5 вольт, то для возможности оцифровки положительной и отрицательных полуволн входного сигнала сделано смещение сигнала на +2,5В. Выпрямление сигнала производится в программе. Такое решение позволило отказаться от выпрямления сигнала диодами, или операционными усилителями, что значительно бы усложнило устройство. Отображение уровня осуществляется с помощью светодиодной ленты на последовательных светодиодах WS2812. Все диоды управляются одним выводом микроконтроллера. В каждом диоде есть встроенный регулятор яркости трех кристаллов разных цветов (RGB). Это позволяет программно менять яркость и цвет каждого светодиода. Питание светодиодов производится от отдельного импульсного понижающего стабилизатора напряжения, выполненного в виде отдельного модуля. Модуль покупной, из Китая. Микроконтроллер и оставшаяся схема питаются от линейного стабилизатора напряжения типа 78L05 в корпусе для поверхностного монтажа. Для управления индикатором предназначена одна кнопка. Декоративно кнопка прикрыта металлическим колпачком, установленным на термоклей. В качестве этого колпачка использован контакт от стеклянного предохранителя. Индикатор различает одиночное, двойное и длительное нажатие кнопки. Основные режимы можно изменять с помощью ИК пульта дистанционного режима. Собранная печатная плата показана далее, а чертеж платы в приложении. Печатная плата была изготовлена в домашних условиях методом ЛУТ, поэтому дорожки выполнялись максимально толстыми, для более качественного изготовления платы. А отверстия под выводы электронных компонентов сделаны маленькие, что бы точнее центровать сверло. Если захотите заказать платы на заводе, то перед формированием гербер файлов, необходимо установить нужные диаметры отверстий под выводы компонентов. Рисунки печатных плат в формате PDF сделаны как прямом, так и в зеркальном отображении. Выбирайте нужный вариант для Вашей технологии изготовления. В верхнем слое сделано минимальное количество проводников, так как изготовленная мной плата односторонняя, а эти проводники заменяют проволочные перемычки.

Индикатор выполнен как отдельное, законченное устройство. Корпус напечатан на 3D принтере из черного PLA пластика. В верхнем блоке расположены светодиоды. В нижнем электронная плата, кнопка управления и ИК приёмник для пульта дистанционного управления. Окно ИК приёмника закрывает полупрозрачная крышечка, так же напечатанная на принтере. Блок питания на 12 вольт внешний. Максимально светодиоды могут потреблять ток около 2А (60мА * 32). Благодаря импульсному стабилизатору ток потребляемый от внешнего блока питания не превысит 1А. Для индикации используется два куска светодиодной ленты с плотностью светодиодов 144 штуки на 1 метр. Для их крепления напечатана специальная оправка, в которую и вставляются светодиоды. Светодиоды расположены за оргстеклом толщиной порядка 9 мм. Это оргстекло оклеено с двух сторон тонкой металлизированной (зеркальной) клейкой лентой. Под светодиоды в месте их прилегания, в ней вырезаны отверстия. В результате свет от светодиодов частично выходит наружу через наружный слой ленты, а частично отражается. Затем отражается от внутреннего слоя ленты и повторно частично выходит наружу. И так далее. Таким образом получается не простое единичное свечение светодиода, а интересный световой эффект.

После включения питания, при отсутствии измеряемого сигнала первые светодиоды в каждом канале начинают светиться с минимальным уровнем яркости. Выключенное и включенное состояние индикатора показано на рисунке.

В индикаторе предусмотрено 10 цветовых схем. Цветовые схемы можно последовательно переключать одинарным коротким нажатием на кнопку управления или кнопками 0..9 на пульте дистанционного управления. Условно схемы можно разделить на одно, двух, трех и четырех цветные. В одноцветных схемах сигнал меньше 0 Дб отображается с меньшей яркостью, а выше, с большей яркостью. Уровень сигнала 0 Дб отображается светодиодом №13. Три одноцветные схемы показаны на рисунке.

В двуцветных схемах яркость светодиодов одинаковая на всей шкале. Сигнал до 0Дб отображается одним цветом, а выше другим. Три двухцветные схемы показаны на следующем рисунке.

Трехцветные и черехцветные схемы отображены на следующих рисунках.

Двойное нажатие кнопки управления переключает режимы работы VU, пик и квазипик индикатора. Эти режимы можно так же переключать с помощью кнопок (стрелка влево, стрелка вправо) пульта дистанционного управления.

В первом режиме индикатор работает как VU метр. Светодиоды последовательно включаются с задержкой при увеличении уровня входного сигнала. Так же с небольшой задержкой выключаются при снижении этого уровня. Расчетное время интеграции срабатывания и возврата выбрано соответственно 42 и 321 мс. Это время выбиралось визуально, для получения приятного эффекта на реальном звуковом сигнале.

Во втором режиме максимальное значение VU метра при снижении измеряемого сигнала фиксируется точкой и "спадает" с большей задержкой, чем основной столбик уровня индикатора. Расчетная скорость возврата 163 мс на светодиод. Задержка на возврат действует именно по светодиодам, а не по уровню напряжения, обеспечивает одинаковую скорость движения светодиодов по шкале для более приятного визуального восприятия. Работа основного столбика VU индикатора соответствует первому режиму.

В третьем режиме к первому режиму добавляется квазипиковый индикатор с расчетным временем интеграции 5 мс. Визуально этот уровень отображается 1 светодиодом. При изменяющемся уровне входного сигнала квазипиковый уровень не соответствует уровню VU метра. При резком возрастании измеряемого сигнала светодиод квазипикового уровня может резко "убежать" от столбика VU метра на несколько светодиодов. Возврат индикатора при снижении уровня сигнала происходит с задержкой, как у максимального индикатора во втором режиме.

В четвертом и пятом режимах индикация уровня VU метра осуществляется одним светодиодом, вместо столбика. в четвертом режиме он соответствует максимальному светодиоду столбика в первом режиме , а в пятом максимуму VU метра из второго режима.

Условно, для наглядного восприятия, отличия этих режимов показаны на приведенном рисунке.

Кнопками вверх и вниз на пульте дистанционного управления можно менять яркость индикатора. Яркость меняется сразу. Для сохранения измененной яркости необходимо нажать кнопку "ОК" или зайти в режим настроек и выйти из него длительными нажатиями кнопки управления на индикаторе.

Для изменения других настроек индикатора предусмотрен режим "настройка". Что бы попасть в этот режим необходимо длительно удерживать кнопку управления. Попадание в этот режим отобразится максимальной яркостью свечения последних индикаторов красным цветом. Однократное нажатие кнопки управления приводит к поочередному перебору настроек. Вторая и третья настройка отображается зелёным и синим свечением последних светодиодов. Четвертая и пятая настройки имеют специфическую индикацию, которую рассмотрим позже. Двукратное нажатие кнопки управления приводит изменению выбранного параметра. Изменение параметров сразу влияет на работу индикатора, но в EEPROM микроконтроллера не записывается. Сохранение настроек происходит при выходе из режима настроек длительным нажатием на кнопку управления. Так же сохранить настройки можно нажав кнопку "ОК" на пульте дистанционного управления. Если не нажимать ни какие кнопки, то индикатор сам выйдет в основной режим работы, при этом настройки в EEPROM не сохраняться, но будут использоваться до выключения питания индикатора или до их изменения. Вид индикатора в режимах настройки приведен далее на рисунке.

Красное свечение максимальных светодиодов показывает изменение параметра "Форма". Возможная форма индикатора показана на рисунке ниже.

Так как на индикаторе нет нанесенной шкалы со значениями уровня сигнала, то реализована возможность включения слабой подсветки светодиодов соответствующих уровню 0 Дб и максимальному значению. Включить или отключить эту подсветку позволяет второй параметр настройки, отображаемый зелёными светодиодами. Фоновую подсветку так же можно включать и отключать кнопкой "*" на пульте дистанционного управления.

Третий параметр меняет диапазон отображения индикатора -20..+3 Дб или -40..+4 Дб. Соответствие светодиодов уровням сигнала показано на рисунке.

Как указал ранее, для получения смещения +2,5В в схеме используются стабилитроны TL431. У этих стабилитронов есть заметная погрешность, которая сказывается на результатах измерения и чувствуется индикатором. Для компенсации этих погрешностей используются четвертая и пятая настройки индикатора. Фиолетовая точка в конце одной из шкал показывает включение соответствующего режима. В другой шкале красные точки обозначают края измерительной шкалы. Зелёная точка показывает значение 2,5В. Синяя точка показывает смещение измеренного напряжения в плюс или минус. Каждый светодиод соответствует одному кванту АЦП. Для компенсации погрешности стабилитрона необходимо замкнуть входа индикатора на общий провод. Далее выйти в нужный режим и проверить величину смещения. При правильном значении этой настройки синий светодиод совместится с зелёным и будет голубое свечение центрального светодиода. Если этого не происходит, то необходимо дважды нажать кнопку управления. Программа сама рассчитает нужное смещение.

Фьюзы побитно и байты целиком для программирования микроконтроллера приведены далее.

Настройка устройства

После сборки устройства, без установки микроконтроллера и до подключения светодиодной ленты необходимо проверить работу стабилизаторов напряжения и настроить напряжение импульсного понижающего модуля. Хотя для ленты и светодиодов указано напряжение питания 5 Вольт, на модуле можно установить напряжение порядка 4,1..4,3 вольт. Светодиоды при этом продолжают работать без сбоев, только немного изменяется баланс белого, что не принципиально для данного устройства. Зато заметно понижается потребляемый ток и нагрев компонентов. Линейный стабилизатор желательно выбрать с выходным напряжением ровно 5 вольт. Это напряжение используется в качестве опорного для АЦП и от его точности зависит общая точность работы индикатора. Погрешность стабилизаторов TL431 компенсируется программным способом о чём сказано выше.

Проверив напряжения питания можно установить запрограммированный микроконтроллер или запрограммировать его непосредственно в плате. Для внутрисхемного программирования предназначен разъём Х1. Разъём не соответствует фирменным разъёмам для программирования фирмы Atmel. Его форма и распиновка придумана мною. По опыту изготовления устройств на различных микроконтроллерах AVR, такой разъем гораздо удобнее для трассировки печатных плат, занимает меньше места на плате и полностью выполняет необходимые функции. 

Для дистанционного управления индикатором использован ИК пульт из такого набора приобретенного в Китае.

Как показали эксперименты с другими пультами таких же размеров, они используют одинаковый протокол, коды кнопок управления соответствуют их месту расположения на пульте. Поэтому с большой вероятность для управления подойдет похожий пульт купленный в любом магазине. По этой причине в прошивке не стал предусматривать возможности обучения на другой пульт. По описанию в интернете протокол этих пультов называют "NEC протоколом". 

Использованные источники

1. ГОСТ 21185-75 "Измерители квазипикового уровня электрических сигналов звуковой частоты".

2. NEC протокол инфракрасного управления. https://led-displays.ru/ir/nec_protocol.html

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Индикатор уровня
• Altium Designer
• WS2812