Индикатор пикового уровня на ЖКИ

Автор: Pushok62, vo_pushkov@mtu-net.ru
Опубликовано 01.08.2017
Создано при помощи КотоРед.

Описываемая конструкция появилась в результате развития идеи, заложенной в индикатор мощности для аудиокоммутатора [1]. Удачным решением при отсутствии каких-либо надписей на делениях шкалы при использовании символьного жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) было отображение в конце шкалы так называемых «поплавков» одновременно с числовыми значениями выходной мощности. Однако дальнейшему применению индикатора в других устройствах мешали недостатки: невысокая точность измерений, ограниченный диапазон отображаемых уровней входных сигналов (до -30 дБ), всего два значения максимальной выходной мощности усилителя (10 Вт / 100 Вт). При прослушивании аудиозаписей в вечернее время бывает достаточно выходной мощности всего в несколько милливатт – такой уровень индикатор с узким диапазоном при использовании мощного усилителя отобразить не в состоянии, а средства объективного контроля могут быть нужны, чтобы ненароком не помешать соседям. Так, в подобном устройстве на симпатичном, но уже снятом с производства люминесцентном индикаторе ИЛТ4-30М с диапазоном -20..+5 дБ, пришлось устанавливать трёхпозиционный переключатель для выбора максимальной (по уровню 0 дБ) выходной мощности 1 / 10 / 100 Вт (соответственно для вечернего времени / дневного времени / по максимальным возможностям усилителя).

Рассматриваемый индикатор функционирует под управлением микроконтроллера (МК) ATmega8, и позволяет отображать на символьном ЖКИ 1602 (совместимом с контроллером HD44780) пиковый уровень сигнала по логарифмической 20-ступенчатой шкале с шагом -2 или -3 дБ (выбирается перемычкой), что соответствует диапазонам измерения -38 и -57 дБ. В конце шкалы для каждого канала выводятся значения уровней сигнала в децибелах «dB» или в ваттах «W» (в зависимости от установки второй перемычки).

Принцип работы индикатора заключается в измерении с помощью   встроенного АЦП уровней сигналов, поступающих с выходов пиковых детекторов левого и правого каналов, пересчёте их по логарифмическому закону в номер позиции шкалы и отображении на ЖКИ в виде двух горизонтальных линеек. Для удобства восприятия в конце шкалы каждого канала отображаются «поплавки», представляющие собой прямоугольники, которые «зависают» на программно заданное время (1 сек). При увеличении уровня сигнала «поплавок» сразу же перемещается вправо вместе с последним прямоугольником шкалы. При уменьшении уровня сигнала поплавок смещается влево только по истечении времени «зависания». Вместе с «поплавками» в конце шкалы на это же время высвечиваются соответствующие значения уровней сигнала («dB» или «W»), что облегчает считывание показаний.

Если перемычкой выбран режим отображения выходной мощности в ваттах, то кроме калибровки устройства потенциометрами по уровню входных сигналов необходимо с помощью трёх кнопок программно задать целочисленное значение максимальной мощности в ваттах (1…999), соответствующее уровню 0 дБ. Устройство автоматически пересчитает все значения мощности для нижних уровней шкалы, включая милливатты («mW») и микроватты («μW»).

Принципиальная схема устройства:

Основу устройства составляет IC1 – МК ATmega8. Его 10-разрядный АЦП настраивается на использование опорного напряжения от встроенного источника Vref = 2,56В, что позволяет измерять входные напряжения от 0 до Vref с дискретностью 2,5 мВ и обеспечивает их регистрацию в диапазоне -60 дБ. Погрешность пересчёта входного напряжения к дискретным уровням АЦП, рассчитанным по логарифмическому закону (без учёта нелинейности и погрешности самого АЦП), не превышает 5% на протяжении всей 20-ступенчатой шкалы (долей процента – в верхней половине шкалы), кроме одного – самого младшего деления. На этом единственном делении ошибка пересчёта может доходить до 10% при шаге шкалы -2 дБ и до 30% – при шаге шкалы -3 дБ, что можно считать вполне приемлемым, так как основная погрешность измерения определяется не столько дискретностью АЦП, сколько величиной шага шкалы.

Сигналы на входы АЦП поступают с выходов двух полуволновых пиковых детекторов (однополупериодных выпрямителей) на быстродействующих прецизионных операционных усилителях (ОУ) IC2, IC3 типа OP27. Пиковые детекторы построены на основе известной схемы [2], в которой вместо инвертирующего используется неинвертирующее включение ОУ, при котором коэффициент передачи схемы не зависит от выходного сопротивления источника сигнала.

Если напряжения, поступающие с выходов ОУ, превышают хранимые на накопительных конденсаторах C15, C16, последние быстро заряжаются через диоды VD3, VD5. Пока напряжение на входе растёт, петля обратной связи ОУ через эти диоды замкнута, и напряжение на каждом конденсаторе увеличивается пропорционально входному, таким образом, детектор работает в режиме отслеживания сигнала. При уменьшении уровня входного сигнала наступает режим хранения. В оригинальной схеме конденсатор разряжается на виртуальную землю – инвертирующий вход ОУ. В нашем случае конденсаторы C15, C16 разряжаются через резисторы R3, R8, и спад выходного напряжения в режиме хранения определяется экспоненциальным разрядом конденсаторов с постоянной времени (R1+R2+R3)*C15 = (R6+R7+R8)*C16 (при указанных на схеме номиналах – около 0,1 сек). Диоды VD4, VD6 обеспечивают отрицательную обратную связь ОУ в режиме хранения. Это предотвращает насыщение усилителя и значительно сокращает время его перехода в режим отслеживания.

Амплитуда входных сигналов детекторов для достижения уровня 0 дБ: Um = Vref/(R2/R3+1) = Vref/(R7/R8+1). Для синусоидального сигнала действующее напряжение на входе будет при этом составлять примерно Uвх = 0,707 * Um (при указанных на схеме номиналах – порядка 160 мВ – это чувствительность пиковых детекторов).

Балансировка ОУ осуществляется потенциометрами R5, R10. Стабилитроны VD1, VD2 выполняют функции защиты входов МК от перенапряжений, которые могли бы возникнуть при экспериментах с ОУ; допускается их замена на обычные диоды.

Звуковые сигналы с выходов внешнего усилителя поступают на входы детекторов через делители, образованные резисторами R11, R12 (для левого канала) и R13, R14 (для правого канала). Подключение общего провода устройства к выходам усилителя осуществляется через дополнительные относительно высокоомные резисторы (на схеме они показаны с номиналами по 100 Ом), что позволяет при подключении индикатора избежать образования в звуковом тракте «земляной петли».

При подключении ЖКИ HG1 следует обратить внимание, что нумерация выводов питания VSS (1 или 2) и VDD (2 или 1) может различаться у разных моделей. Для ускорения обмена данными с МК, а следовательно – и вывода информации на экран, у индикатора задействован сигнал R/W с программным опросом состояния его готовности.

Внешний источник питания постоянного или переменного тока может иметь напряжение от 6 до 30В. Узел питания состоит из понижающего преобразователя напряжения на микросхеме IC4 MC34063, формирующего выходное напряжение +5В, и инвертора на микросхеме IC5 MAX660 (LMC7660), формирующего выходное напряжение –5В. Для подавления импульсных помех и снижения их влияния на пиковые детекторы в сглаживающих фильтрах применены дроссели L4, L5. Дроссель L3 используется с целью снижения уровня помех, воздействующих на шину питания +5В от инвертора IC5, дроссель L1 – для защиты от помех цепи питания АЦП.

Кнопки S1, S2, S3 (соответственно «–», «Select», «+») используются для задания значения максимальной мощности («Pmax») в пределах от 1 до 999 Вт, соответствующего уровню 0 дБ на шкале, в том случае, если будет применяться режим отображения мощности в ваттах (при установленной перемычке Jmp1). По умолчанию в программе установлено значение Pmax=100 Вт. Вход в режим выбора величины «Pmax» осуществляется длительным (более 1 секунды) нажатием на кнопку «Select», с последующей корректировкой значения кнопками «–» и «+». Подтверждение изменений – повторное длительное нажатие на кнопку «Select», отказ от изменений – одновременное нажатие двух любых кнопок. Выбранное значение «Pmax» сохраняется в EEPROM.

Последовательность настройки индикатора:

• Проверить функционирование преобразователя напряжения +5В (IC4);
• Проверить функционирование инвертора –5В (IC5);
• Установить ОУ пиковых детекторов (IC2, IC3) и провести их балансировку потенциометрами R5, R10, контролируя напряжения на входах «ADC3» и «ADC0» МК относительно «земли» непосредственно около корпуса МК (в пределах не более ±0,5 мВ);
• Подключить шлейф ЖКИ с предварительной проверкой правильности разводки цепей питания. Проверить режим самотестирования ЖКИ (если поддерживается моделью): при подаче питания (без МК) верхний ряд символов индикатора должен заполниться тёмными прямоугольниками, при этом можно подстроить контрастность потенциометром R23 (максимальная контрастность – при нижнем положении движка).
• Установить МК, подключить программатор и запрограммировать МК. Программируются следующие Fuse-биты: SPIEN=0, EESAVE=0, BOOTSZ=00 (size=1024), BODLEVEL=0 (4V), CKSEL=0100, SUT=10 (8 Мгц). После прошивки устройство запустится от источника питания +5В программатора. Отключить программатор.
• Если установлена перемычка Jmp1 «W», то после включения устройства на экране сначала отобразится текущее значение Pmax=100W. Затем экран очистится, и слева появятся символы двух динамиков.
• При необходимости – подстроить контрастность индикатора потенциометром R23.
• Подать на оба входа устройства синусоидальное напряжение с действующим значением, соответствующим максимальному уровню сигнала (можно контролировать мультиметром или осциллографом). При известных выходной мощности усилителя Pmax (Вт) и сопротивлении нагрузки (Ом) действующее значение напряжения (В) рассчитывается как квадратный корень из произведения указанных величин. Частота входного сигнала может быть, например, 1000 Гц, если он снимается с выхода усилителя, или 50 Гц, если для целей калибровки используется вспомогательный понижающий трансформатор с переменным резистором номиналом порядка 10 кОм. За счёт разницы в расчёте величин действующих напряжений реальные значения мощности для сигнала произвольной формы будут отличаться от отображаемых на шкале (для синусоиды), однако, учитывая величину шага шкалы и связанную с ним погрешность измерения, с этим можно смириться.
• Откалибровать шкалы левого и правого каналов потенциометрами R12 и R14 (лучше, если они будут многооборотными) соответственно путём установки уровней отображения на отметках 0 дБ, добиваясь их устойчивого «срабатывания» при увеличении сигнала. При необходимости можно подобрать номиналы ограничивающих резисторов R11, R13. Желательно проверить и при необходимости подкорректировать уровень в других точках шкалы, например, для значений -6 дБ (входное напряжение в 2 раза меньше) и -20 дБ (входное напряжение в 10 раз меньше). При изменении уровня входного сигнала поведение обеих шкал должно быть одинаковым.
• Установить кнопками требуемое значение Pmax, как было описано выше (если будет использоваться).

Заметим, что при снятии или установке перемычек Jmp1, Jmp2 в процессе работы индикатора режим отображения шкалы меняется сразу, и в случае необходимости они могут быть вынесены наружу устройства в виде переключателей. Шкала с шагом -2 дБ смотрится «живее», так как на ней более заметны меньшие изменения сигнала.

Авторский вариант индикатора помещён в защитный корпус BOX-G010 «Мастеркит» размерами 95x135x45 мм:

Файлы:
Рисунок печатной платы в формате Sprint Layout 5
Прошивка МК

Все вопросы в Форум.