Индикаторы звуковых сигналов.

Автор: Юрий Зотов
Опубликовано 08.04.2008

Часть I. Стрелочные индикаторы.

Стрелочные индикаторы, с колеблющейся в такт музыки стрелкой, вполне современно смотрятся на передних панелях усилителей до сих пор. И если наличие таких индикаторов ранее было действительно необходимо, то сейчас острой нужды в них нет.
Однако, судя по подобным вопросам в сети, любители таких вещей ещё остались. Вот как раз для них и написана эта статья.

1. Стрелочный прибор.

Конструкция.
Конструкция таких приборов разнообразна, однако принципы действия их одинаковы. В пластиковом корпусе размещен магнит цилиндрической формы. По образующей цилиндра установлена магнитная рамка с подпружиненным подвесом и закрепленной стрелкой. С противоположной стрелке стороны устанавливают балансир. В большинстве случаев такой балансир представляет собою капельку припоя, и служит для компенсации центробежных сил стрелки. Поскольку прибор, по своей сути, является механической системой, то и основные характеристики определяются "механикой" измерительной головки.
Хотелось бы отметить ещё одну особенность конструкции стрелочных индикаторов: для возврата стрелки в исходное положение применяется пружина (а это не линейный элемент, зависящий от её жёсткости), в результате шкала измерения прибора так же будет не линейна. В современных измерительных головках применяют многооборотные пружины, с достаточно хорошей гибкостью и нелинейность измерения очень мала, но всё же, мне кажется, стоит об этом помнить.

На рисунке выше представлена измерительная головка модели М6850 как наиболее распространённая и доступная, на данный момент, многим начинающим радиолюбителям. Лично я все свои схемы отрабатывал именно на ней.

Принцип действия.
Всё просто - подал на катушку ток, создалось магнитное поле. Взаимодействие магнитного поля катушки с магнитным полем постоянного магнита, приводит к отклонению катушки (и стрелки) пропорционально протекаемому в ней току. Направление протекаемого тока в катушке определяет направление отклонения стрелки. Отсюда вывод: стрелочный индикатор работает только с постоянным (пульсирующим ) током. Подача переменного тока на индикатор заставит стрелку "дрожать" и не более того.

2. Что измерять.

Ну, вроде бы, всё понятно: измеряем величину переменного напряжения в звуковом тракте. В практике измерений известны: максимальная величина (амплитудное значение) сигнала, средневыпрямленное значение, среднеквадратичное значение сигналов. Мы не будем лезть в глубь теорий, определимся только с тем, что в нашем случае, мы измеряем средневыпрямленное значение. А шкалы наших приборов откалиброваны в децибелах (реже в процентах) от установленного "эталонного" уровня сигнала ("0" dB). То есть, мы будем измерять не саму величину сигнала, а его отношение, к некоторой эталонной величине К=Uэталон./Uизмерен. , выраженной в децибелах. Для перевода измеренных значений в децибелы используют следующую формулу: А= 20 Lg Uэталон./Uизмерен .
Околовсякое. В переносных магнитофонах стрелочный индикатор применялся ещё и для измерения напряжения питающих элементов то есть являлся, по сути своей, примитивным вольтметром.

3. Как измерять.

Из того, что я написал выше, следует логический вывод: чтобы индикатор работал так, как мы того ждём, необходимо преобразовать переменный ток в пропорциональный ему ток постоянный и подать его на измерительную головку. Первое, что приходит в голову, представлено на рисунке:

Как ни странно, но такой индикатор будет работать. После небольшого "ретуширования", он приобретает следующий вид:

И вполне может трудиться, скажем, при измерении выходной мощности какого - либо усилителя мощности. Ну а что, вообще можно сказать о подобной схеме? Работает она следующим способом: избыток сигнала до необходимого значения гасится резистивным делителем R1, R2. Диод преобразует переменный сигнал в постоянный (пульсирующий), путём среза "отрицательной" полуволны звукового сигнала. Полученный таким способом сигнал "сглаживается" на конденсаторе С1 и далее поступает на измерительную головку. Именно от этого конденсатора зависит время реакции и восстановления измерителя. До определённых, конечно, величин... Хороша схема или плоха? Вот её плюсы и минусы.
Плюсы:
1 - простота схемы.
2 - минимум деталей.
3 - не требует источника питания.
Ну вот вроде и всё...
Минусы:
1 - Низкая точность измерения, в силу установленного однополупериодного выпрямителя (VD1).
2 - Малое входное сопротивление, определяемое, в основном, резистором R1. Именно это и позволяет использовать её только с источниками сигнала обладающими низким выходным сопротивлением (как уже указывалось выше - с усилителями мощности).
3 - Малый диапазон измерения. При не больших значениях мощности, колебания стрелки будут практически не заметны.
Очевидно, что для большей универсальности измерителя требуется улучшение схемы. Опять же, первое, что напрашивается, это применение "буфера" с большим входным и малым выходным сопротивлением. Самым простым способом видится использование транзистора, как усилителя постоянного тока.
Вот одна из возможных схем:

Как видно, по сравнению с предыдущей схемой добавлен транзистор VT1, что несколько повысило чувствительность схемы. Однако остальные недостатки остались.
Возможен и другой вариант применения транзистора - в качестве эмиттерного повторителя:

В этом случае мы получаем буфер с высоким входным и низким выходным сопротивлением. Однако, поскольку Кпередачи эмиттерного повторителя не может быть больше единицы, мы не сможем получить от этой схемы повышения чувствительности. Остальные недостатки измерителя так же сохраняются.
Вот мы и подошли к схеме, сочетающей в себе усилительные свойства и низкое выходное сопротивление.

Эту схему (в различных интерпретациях) часто используют в аппаратуре с однополярным питанием. Мною она так же была повторена не однократно и доказала высокую повторяемость и стабильность работы. В ней устранено большинство недостатков, приведённых выше схем. Транзисторный усилитель на VT1, VT2 имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление. Питаться схема может от источника с напряжением от 3 до 25 вольт (зависит от применяемых транзисторов). Не критична к номиналам пассивных элементов. Есть конечно и минусы - однополупериодный выпрямитель VD1, VD2 (обратите внимание, что здесь он реализован по схеме умножителя напряжения). Как следствие - некоторая неточность измерений. Однако простота и универсальность устройства с лихвой компенсируют этот недостаток.
В связи с доступностью интегральных операционных усилителей рассмотренную выше схему можно реализовать и на ОУ.

Как видно в этой схеме активным элементом выступает операционный усилитель. Кроме уменьшения количества пассивных деталей, данная схема практически идентична предыдущей схеме и содержит в себе те же преимущества и недостатки.
Поскольку речь зашла об использовании операционных усилителей в измерителях сигнала, хотелось бы рассмотреть ещё несколько схем их реализации.

Указанные варианты сохраняют преимущества схем описанных выше, но и измеряют уже две полуволны звукового сигнала, за счёт применения диодного моста. Схема, представленная на рисунке справа, к тому же, обеспечивает ЛИНЕЙНОЕ перемещение стрелки измерительной головки, поскольку последняя включена в цепь обратной связи операционного усилителя. Чувствительность индикаторов можно регулировать подбором сопротивления R3. Входное сопротивление индикаторов составляет около 47 кОм. Напряжение питания зависит от типов применяемых ОУ, а в качестве усилителя можно применять практически любые ОУ, с выходными токами более 5mA. Но я бы рекомендовал использовать ОУ с полевыми транзисторами на входе (К140УД8, КР 544УД2 и т.д.). В таком случае, будет возможность повысить входное сопротивление узла простым увеличением номиналов резистивных делителей на входе (R1, R2).

И ещё небольшой нюансик. В приведённых выше схемах индикаторов на ОУ, возможны другие варианты подачи половины питающего напряжения на входы усилителей. При этом их характеристики, практически, не изменятся. Но этот вопрос уже из области схемотехники ОУ. Кроме того, указанные схемы можно питать и двуполярным напряжением питания с минимальными переделками.
На последок хотелось бы рассмотреть измеритель уровня сигнала на высококачественной специализированной микросхеме К157ДА1.
Не смотря на свою "долгую жизнь", на мой взгляд, она всё ещё заслуживает пристального внимания. Эта микросхема содержит в себе двухполупериодный выпрямитель среднего значения сигнала, буферный каскад и преобразователь двуполярного сигнала в однополярный. Основные электрические параметры:

Типовая схема включения микросхемы:

Как видно у микросхемы небольшое количество навесных элементов, что облегчает использование её не только в стрелочных индикаторах, но и в других приборах, о чём будет сказано во второй части статьи. Отмеченное пунктиром на схеме может и не устанавливаться, но стоит заметить, что R3 и R4 при установке, повышают чувствительность измерителя. Так как у микросхемы большой диапазон питающих напряжений, её вполне можно использовать и в переносной (низковольтовой) аппаратуре. Мне она встречалась даже в переносном магнитофоне "Весна-207" (по - моему и в "Весне -212"), "Русь - 207".

4. Что можно улучшить?

Индикаторная головка, является системой механической, а значит с определённым (фиксированным) временем реакции на импульсный сигнал. При подаче сигнала достаточно большой длительности стрелка соответствующим образом на него отреагирует. При приходе на головку импульсного сигнала меньшей длительности, измеритель просто не сможет на него адекватно среагировать. В таких случаях, к обычным стрелочным индикаторам, добавляют индикаторы пикового сигнала, собранных обычно на светодиодах. Пиковый индикатор позволяет фиксировать приход импульса малой длительности с уровнем превышающим некоторый пороговый. О чём сигнализирует вспыхнувший светодиод.
Для работе в "паре" с вышеуказанной микросхемой, наша промышленность выпускала микросхему К157ХП1, представляющую собой два интегральных пиковых детектора, совмещенных с детектором АРУЗа. Но об этом во второй части статьи.

И напоследок представлю ускоряющую RC цепочку, предназначенную для частичного уменьшения (компенсации) времени реакции стрелочного прибора. Я использовал эту цепочку со всеми стрелочными индикаторами, которые я собирал. И вам рекомендую.

Небольшое пояснение к схеме: при импульсах достаточной длительности, ток течёт на стрелочный индикатор по цепи R1, R2, C2. Элементами R2 C2 определяется обратный ход стрелки. При появлении короткого импульса, сопротивление цепи R1, R2 C2 для него достаточно велико, и он проходит на индикатор по ускоряющему конденсатору С1. На практике это выглядит не как "биение" стрелки, но как быстрый подход её в левую часть шкалы, и медленный уход в правую. Номиналы цепи я не указал преднамеренно, поскольку их желательно подобрать строго индивидуально. Однако у меня, при использовании стрелочного индикатора М, их значения были следующие: R1-3,3 кОм, R2 - 1,2 кОм, С1- 0,22 - 4,7 mF, С2-10 - 47mF.

5. Для полноты картины.

Стрелочные приборы могут быть использованы как индикаторы межканального баланса:

Как видно из схемы, ничего сложного здесь нет. На измерительной головке происходит суммирование выпрямленных токов левого и правого каналов. При равном (по модулю) значении, токи взаимно компенсируются, и стрелка индикатора находиться на "0". При некотором превышении уровня сигнала, токи компенсируются не полностью, и стрелка начинает отклонение в соответствующую сторону. Стоит отметить, что такая схема будет нормально работать с тем индикатором, у которого заводом - изготовителем предусмотрено начальное размещение стрелки на середине шкалы. Правда можно использовать и обычные индикаторы, предварительно подав на него смещающее постоянное напряжение. Однако я бы предпочёл просто разобрать индикатор и немного сдвинуть держатель пружинного подвеса в нужную сторону.

6. Заключение.

Я конечно осознаю, что в рамках одной статьи невозможно рассмотреть все способы схемопостроения стрелочных индикаторов. Однако я попытался в доступной форме, без приведения всевозможных формул, изложить только основные, ПРАКТИЧЕСКИ ПРОВЕРЕННЫЕ, способы и схемы их реализации. Те, кто заинтересовались и намерены узнать что-либо побольше обо всём этом, - читайте литературу и посещайте форумы.

Вопросы, как обычно, складываем тут.