Nízkofrekvenþní ekvalizér a spektrální analyzátor Karel BartoĖ Desetipásmový stereofonní ekvalizér je dnes již klasický pĜístroj používaný v audiotechnice k úpravČ nf signálu. V této konstrukci je doplnČn spektrálním analyzátorem, sloužícím k optickému zobrazení úrovnČ signálu, obsaženého v jednotlivých pásmech pĜenášeného kmitoþtového spektra. PĜístroj je svými technickými parametry, užitnými vlastnostmi a komfortem obsluhy plnČ srovnatelný s továrními výrobky. Všechny funkce jsou ovládány mikrospínaþi. Elektronika byla navržena s ohledem na použití bČžnČ dostupných souþástek a pĜi oživování není potĜeba nic nastavovat. Ekvalizér a spektrální analyzátor jsou dva na sobČ funkþnČ nezávislé celky a lze je použít i samostatnČ.
Technické údaje Poþet pásem: 0. StĜední kmitoþet jednotlivých pásem: 32 Hz, 64 Hz, 25 Hz, 250 Hz, 500 Hz, kHz, 2 kHz, 4 kHz, 8 kHz, 6 kHz. Odstup signál/šum: >90 dB. Zkreslení: <0,05 %. Rozsah regulace: min. ±2,5 dB.
Popis þinnosti podle blokového schématu Vstupní sgnál se pĜivádí na vstupní zesilovaþ A (resp. A’), který má jednotkové zesílení a zajišĢuje oddČlení dalších obvodĤ od zdroje signálu a také jejich buzení ze zdroje s malým výstupním odporem. Není-li zaĜazen ekvalizér, je signál odebírán pĜes relé pĜímo z výstupu vstupního zesilovaþe. PĜi poloze kontaktĤ relé, zakreslené na blokovém schématu, je signál vedený pĜes desetistupĖový ekvalizér odebírán z výstupního zesilovaþe A2 (A2’) a pĜiveden na výstupní konektor ekvalizéru, jednak na zesilovaþ A3 (A3’) z jehož výstupu je signál pĜiveden na elektronický pĜepínaþ vstupĤ. Obvod A4 slouží k získání souþtového signálu z levého a pravého kanálu, obvod A5 k zesílení malého signálu z mČĜicího mikrofonu.
Obr. . Blokové schéma
Obr. 2. Schéma napájecího zdroje
Z pĜepínaþe vstupĤ je signál veden pĜes potenciometr, jímž je možno nastavit citlivost, na spektrální analyzátor. Zde je signál deseti pásmovými propustČmi rozdČlen a jeho okamžitá velikost je indikována na displeji složeném z matice 0 x 0 LED. PĜepínací relé, pĜepínaþ vstupĤ, zdroj, funkce „Stand by” a všechny funkce spektrálního analyzátoru jsou Ĝízeny mikrospínaþi pĜes obvod elektronického ovládání.
Napájecí zdroj Ve zdroji (obr. 2) jsou použity dva transformátory. Jejich sekundární napČtí jsou dvoucestnČ usmČrnČna diodami D až D6 a vyhlazena kondenzátory C, C2 a C0. Integrované stabilizátory IO a IO2 stabilizují napČtí pro napájení operaþních zesilovaþĤ. NapČtí +5 V pro napájení obvodĤ CMOS v Ĝídicí jednotce je stabilizováno IO3. Tranzitor T5 spíná napČtí (asi 0 V) pro napájení spektrálního analyzátoru. Je sepnut, je-li na jeho bázi kladné napČtí ze zdroje +6 V. Rezistor R9 a kondenzátor C zajišĢují pomalý nábČh výstupního napČtí – omezí se tak nepĜíjemné pĜechodové jevy. Stejnou funkci má i obvod s T, R3, C3 ve zdroji –6 V a T3, R6, C4 ve zdroji +6 V. Vstup STAND BY slouží k spínání výstupního napČtí zdroje. PĜi úrovni log. 0 na tomto vstupu pracuje zdroj normálnČ, pĜi log. se pĜes R7 a R8 sepnou tranzistory T2 a T4, které vybijí kondenzátory C3 a C4. NáslednČ se otevĜou tranzistory T a T3 a zmenší výstupní napČtí zdroje na výstupech ±6 V a +0 V na ménČ než 2 V a pĜístroj se uvede do pohotovostního stavu. Pro úplné odpojení od sítČ slouží vypínaþ na zadním panelu. PĜi režimu STAND BY bylo napČtí v nČkterých pĜípadech tak velké, že operaþní zesilovaþe ještČ pracovaly a integrované stabilizátory se nadmČrnČ zahĜívaly. Na obr. 3. je uvedena úprava zdroje. Místo stabilizátorĤ IO a IO2 jsou použity tranzistory, které jsou zapojeny jako „násobiþ kapacity”. Výstupní napČtí v režimu STAND BY je menší a tak se výše zmínČná závada neprojevuje. Úpravu lze snadno realizovat na stávající desce s plošnými spoji a zdroj je navíc levnČjší.
Obr. 3. Schéma þásti napájecího zdroje s úpravou
Spektrální analyzátor (obr. 4) Vstupní signál je veden na potenciometr P (umístČný na pĜedním panelu), kterým upravujeme citlivost analyzátoru. Operaþní zesilovaþ A zajišĢuje zesílení signálu a napájení filtrĤ ze zdroje signálu s malým výstupním odporem. Následuje deset pásmových propustí, obdobnČ zapojených, které signál rozdČlí do deseti kmitoþtových pásem. Pásmovou propust tvoĜí v každém bloku F až F0 operaþní zesilovaþ A (A až A0) spolu s rezistory RA, RB a RD a kondenzátory CA a CB, které urþují stĜední kmitoþet pásmové propusti. Jejich odpory a kapacity pro jednotlivá pásma jsou uvedeny v tab. . Signál z výstupĤ A až A0 je usmČrnČn diodami D až D0. Odpor RE s kondenzátorem CC urþují þasovou konstantu nábČhu usmČrĖovaþe. UsmČrnČné napČtí, úmČrné úrovni signálu v daném kmitoþtovém pásmu je pĜivedeno ke vstupu analogového spínaþe (AS až AS0). Spínaþe jsou Ĝízeny obvodem IO (407), což je JohnsonĤv dekadický þítaþ. Na jeho vstup 3 jsou pĜivádČny impulsy (kmitoþet asi 3 kHz) z jednoduchého oscilátoru, sestaveného ze zbylých analogových spínaþĤ AS a AS2. Tyto impulsy jsou þítány a vždy Pásmo 2 3 4 5 6 7 8 9 0
f [Hz] 32 64 25 250 500 k 2k 4k 8k 6 k
RA 30 k 68 k 36 k 8 k 8,2 k 20 k
RB RC RD 5 k 750 k 750 k 7,5 k 390 k 390 k 3,9 k 200 k 200 k 2k 00 k 90 47 k k 75 k ,2 k — 62 k k ,5 k 75 k 2 k 68 k ,2 k 3 k 75 k
RE 2,7 k
na jednom z výstupĤ Q0 až Q9 se objeví úroveĖ log. , která sepne jeden z tranzistorĤ T až T0, spínající sloupec LED, pĜíslušející k danému kmitoþtovému pásmu. SouþasnČ sepne pĜíslušný analogový spínaþ a pĜes nČj je pĜivedeno usmČrnČné napČtí na vstup IO2. Výstupy tohoto obvodu pĜipojí tu LED, která odpovídá pĜíslušnému vstupnímu napČtí. Jednotlivá pásma se pĜepínají postupnČ za sebou, provoz je tedy multiplexní. Displej je možno pĜepnout na páskový nebo bodový provoz pĜivedením napČtí na vývod 9 IO2. Zde je použit tranzistor T, který je Ĝízen z výstupu IO na desce ovládání. PĜi sepnutém T je zobrazení proužkové, pĜi zavĜeném bodové. Odpor rezistoru R8 urþuje velikost proudu svítivými diodami. Rezistory R5, R6 a R7 nastavují referenþní napČtí pro IO2. K výstupu referenþního napČtí jsou pĜipojeny též neinvertující vstupy operaþních zesilovaþĤ A až A a je tak vytvoĜen umČlý stĜed jejich napájecího napČtí, takže není potĜeba symetrického napájení. Rezistory RC v neinvertujících vstupech A až A3 vyrovnávají proudovou nesymetrii vstupĤ u obvodĤ LM324. Pokud použijeme OZ typu TL084, lze je vynechat. CA
CB
47 n 47 n
Ekvalizér Jeden kanál desetipásmového ekvalizéru (obr. 5) je složen z deseti jednotlivých filtrĤ F až F0, které mají shodné zapojení. Jsou Ĝazeny za sebou v sérii, takže vstup prvního tvoĜí zároveĖ vstup ekvalizéru a výstup posledního - desátého - stupnČ je výstupem ekvalizéru. StĜední kmitoþet filtru je urþen odpory rezistorĤ R a R2 a kapacitou kondenzátorĤ C a C2. ZdĤraznČní þi potlaþení kmitoþtového pásma kolem stĜedního kmitoþtu je dáno polohou bČžce potenciometru P. V poloze bČžce uprostĜed odporové dráhy prochází obvodem signál bez úpravy. Je-li bČžec v pravé krajní poloze (u R4), je signál v pásmu stĜedního kmitoþtu filtru zeslaben, je-li v opaþné poloze (u R3) je signál v tomto pásmu zesílen. Amplituda signálu na jiných kmitoþtech se nemČní. Rozsah regulace je možno zmenšit nebo rozšíĜit zmČnou odporu rezistorĤ R3 a R4. Napájecí napČtí pro operaþní zesilovaþe je na desce s plošnými spoji blokováno dvČma kondenzátory 47 μF. V pĜípadČ nestability je možno osadit další blokovací kondenzátory – na desce plošných spojĤ je na to pamatováno.
CC
2,2 μ
2,2 k 33 n 0 n k 4,7 n 3,3 n 680 2,2 n 2,2 n 330 n n 0 n
μ
Obr. 4. Schéma zapojení spektrálního analyzátoru a tabulka souþástek filtrĤ pro jednotlivá pásma
Obr. 5. Schéma zapojení ekvalizéru a tabulka souþástek pro jednotlivá pásma
Pásmo 2 3 4 5 6 7 8 9 0
f [Hz] 32 64 25 250 500 k 2k 4k 8k 6 k
C 2,2 μ μ 470 n 220 n 00 n 68 n 33 n 5 n 6,8 n 3,3 n
C2 220 n 00 n 47 n 22 n 0 n 6,8 n 3,3 n ,5 n 680 p 330 p
R
20 k
R2
20 k
9 k 9 k 20 k
0 k
220 V
Tr1
Tr2 220 V/2 x 9 V; 4,5 VA
D5
220 V/2 x 15 V; 4,5 VA
C7
D6
D1
D2
D4
D3 +
IO2
C8
C1
R4
R5
B
C4
IO1 1
+
E C
C +
B
C3
R3
R2
+
+
R6
C6 T4
R7
+
+
C12
R1
CC
C11
T5
C2 +
IO3
ECB
+
C3
E T2 R8
C5
Obr. 6. Deska s plošnými spoji a rozmístČní souþástek napájecího zdroje
+
1
U
U Rc
IO8
Rc
RD
D6 D1
RE RE
+
C1
IO3
R1
CA CB
RA RB
RB RA
+
+
+
U
Obr. 7. Deska s plošnými spoji a rozmístČní souþástek spektrálního analyzátoru
F2
F7
F3
F6
R6
C2
R8
F1
R23
R4
1
+
U U
IN
1
IO7 1 RD R RD C
CB CA
+
U
RA RB
RE RE D5 D4
RD
IO6
R2
IO4
T10
R5 +
+
+ +
+
F10
F9
F8
F5
RB R3 1
R11
1
R19
C3 1
R7
+
R10
E
U
P/B R20 R21 R22
IO5
C T1
IO1
1 T11
IO2 U
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
R13 R14 R15 R16 R17 R18
F4
R9 C4
R12
+ C5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
+
_+
analyzátoru tím, že zkratuje pĜes AS rezistor R33, þímž se zmČní þasová konstanta vybíjení kondenzátorĤ CC v usmČrĖovaþi a provoz se zrychlí, nebo tím, že AS2 rozepne a vybíjecí odpor se odpojí - funkce „Hold”. ZároveĖ je z výstupu Q (vývod þ. 2 IO8) pĜes R49 pĜivedena log. na vstup „enable” IO6, který odpojí zdroj signálu. Klopný obvod s IO0 ovládá (pĜes T) relé pĜepínající na výstup signál pĜed a za ekvalizérem. Klopný obvod s IO pĜivádí pĜes rezistor R26 úroveĖ log. 0 nebo log. na bázi tranzistoru T ve spektrálním analyzátoru a zajišĢuje tak proužkový nebo bodový provoz displeje. Druhým klopným obvodem z IO je zaĜízení uvedeno do režimu „STAND BY” - napČtím z vývodu jsou pĜes rezistor R25 spínány tranzistory T2 a T4 ve zdroji. Pro indikaci jsou použity LED s malou spotĜebou (2 mA), které mohou být spínány pĜímo výstupy obvodĤ CMOS.
IN
U
F10
A10 +
U
F9
A9 +
U
F8
A8
U
F7
A7 +
U
F6
A6
Dále je uveden popis ovládacích prvkĤ pĜístroje a seznam funkcí.
+
U
F5
A5
U
F4
A4
U
F3
A3 +
F2
U
A2
R1 C1
U
A1
R2
F1
R3
+
R5
C2
R4
OUT
Obr. 8. Deska s plošnými spoji pro ekvalizér a rozmístČní souþástek
Obvody elektronického ovládání Na desce elektronického ovládání (obr. 9) jsou umístČny též vstupní a výstupní obvody ekvalizéru A, A’, A2 a A’2, jejichž funkce již byla popsána u blokového schématu. Z výstupu A je signál veden na vstup prvního filtru ekvalizéru, z výstupu posledního filtru ekvalizéru je signál pĜiveden na A2. Kondenzátory C a C’ slouží pro oddČlení pĜípadné stejnosmČrné složky v signálu. ZmČnou pomČru odporu rezistorĤ R3 a R2 je možno vyrovnat celkový pokles amplitudy signálu za ekvalizérem. Z výstupĤ A2 a A2’ je signál veden jednak na výstup pĜístroje, jednak pĜes A3 a A3’ na vstup elektronického pĜepínaþe. Operaþní zesilovaþ A4
spolu s rezistory R6, R7 a R8 slouží k získání souþtového signálu levého a pravého kanálu, A5 zesiluje signál z mikrofonu. Jako pĜepínaþ slouží analogový multiplexer IO6 (405), který je ovládán z IO7 (4028). Na výstupu þ. 3 (který je propojen se vstupem spektrálního analyzátoru) je pĜítomen jeden ze vstupních signálĤ na vývodech , 3, 4 nebo 5 v závislosti na kódu zvoleném mikrospínaþi, pĜipojenými k obvodu IO7. Zvolený vstup je indikován þervenými LED až LED4. Pro volbu ostatních funkcí slouží IO8 až IO. Jsou to známé dvojité klopné obvody D typu 403. PĜivedením log. na jejich hodinový vstup C se zmČní logická úroveĖ na výstupu Q (Q). Tento zpĤsob pĜepínání je velmi spolehlivý. IO8 ovládá provoz displeje spektrálního
POWER - zapnutí a vypnutí pĜístroje. PĜi vypnutí tímto tlaþítkem zĤstává pĜístroj v pohotovostním stavu (režim „STAND BY”). EQ - je-li zaĜazen do signálové cesty ekvalizér, svítí kontrolní LED nad mikrospínaþem a tahovými potenciometry je možná úprava signálu nf. PĜi následném stisknutí mikrospínaþe LED zhasne a nastavení potenciometrĤ nemá na výstupní signál vliv - ekvalizér je vyĜazen z þinnosti. PĜi tomto stavu analyzátor zobrazuje vstupní signál pĜed ekvalizérem. BAR/POINT - tlaþítkem je možno pĜepínat režim displeje na bodový provoz, kdy v každém sloupci svítí pouze jedna LED odpovídající úrovni signálu v daném pásmu, nebo proužkový provoz, kdy souþasnČ s touto diodou svítí ve sloupci všechny LED pro nižší úrovnČ. FAST/SLOW - pĜepíná se þasová konstanta zobrazení (tj. rychlost, s jakou se mČní údaj na displeji). Rychlý mód je vhodný pro bČžné signály jako Ĝeþ nebo hudba, pomalý používáme pro velmi rychle dynamicky se mČnící signály nebo pĜi akustických mČĜeních. HOLD - po stisknutí mikrospínaþe se provoz spektrálního analyzátoru zastaví a na displeji zĤstává stále zobrazen údaj, platný v okamžiku stisknutí. OpČtným stiskem mikrospínaþe se tato funkce ruší. LEFT - analyzátor zobrazuje kmitoþtové spektrum obsažené pouze v levém kanálu. L + R - analyzátor zobrazuje kmitoþtové spektrum obsažené v souþtu signálĤ levého a pravého kanálu. RIGHT - analyzátor zobrazuje kmitoþtové spektrum obsažené pouze v pravém kanálu. LEVEL - potenciometr umožĖuje nastavit vhodnou vstupní úroveĖ signálu pro vstup spektrálního analyzátoru. MIC - odpojuje vstup analyzátoru od ekvalizéru a pĜipojuje mČĜicí mikrofon.
Tak je možné provádČt rĤzná akustická mČĜení v prostoru. Mikrofon je pĜipojen do vstupu MIC na pĜedním panelu.
Mechanická konstrukce Potenciometry ekvalizéru (20 ks), tlaþítka mikrospínaþĤ (0 ks), indikaþní LED (8 ks), displej spektrálního analyzátoru tvoĜený 0 LED zelené barvy 5x2 mm a potenciometr P jsou upevnČny (pĜipájeny) na desce plošných spojĤ, která tvoĜí subpanel. Ze strany spojĤ jsou k ní kolmo pĜipájeny desky levého a pravého kanálu ekvalizéru a tím je zajištČno jejich
propojení s vývody tahových potenciometrĤ. Mezi pĜedním a zadním panelem jsou 4 rozpČrné tyþky, dvČ spodní jsou þtvercového profilu 7 x 7 mm a je do nich vyĜíznut závit pro uchycení dna a krytu skĜíĖky. Na všechny díly je použit ocelový plech tloušĢky mm, pouze pĜední panel je z duralu tloušĢky 3 mm. Okénko pro displej je vyfrézováno, stejnČ tak jsou vyfrézovány i drážky pro tahové potenciometry šíĜky 3 mm. Až pĜi korekturách jsme zjistili, že pĜi redakþním zpracování þlánku se bohužel vytratila deska s plošnými spoji subpanelu. Tuto desku uveĜejníme v nČkterém z pĜíštích þísel. Redakce
Literatura [] Funkschau 6/86, s. 67. [2] Elektronische Analogschalter. ELRAD þ. 5/990, s. 7. [3] ELEKTOR 9/88, s. 52. [4] Funkschau - Arbeitsblätter. Funkschau 2/84, s. 60. [5] Kabeš, K.: Operaþní zesilovaþe v automatizaþní technice. SNTL: Praha 988. [6] ELRAD þ. /988, s. 54. [7] Obvod pro Ĝízení sloupce svČtelných diod - LM395. KTE magazín. [8] RADIO-ELECTRONICS - 5/85, s. 74. [9] Real-Time Spectrum Analyzer for your Hi-Fi. RADIO-ELECTRONICS 4/85. [0] Audio procesor circuit. Practical Electronics 8/8, s. 26. [] 20 - Kanal-Audio-Analyser. ELRAD þ. 6/990, s. 78. [2] Elektor /86, s. 37. [3] Integrované obvody C-MOS. AR–B þ. 2 a 3/85.
Obr. 9. Schéma zapojení obvodĤ elektronického ovládání
Obr. 0 a . VnitĜní provedení - pohled zezadu a shora
Stabilizovaný zdroj s malým úbytkem
L-IN
R-IN
R1 1
U
U
IO2 R
L
C1‘ 1
IO4
U
R3
STANDBY
U
C11 1 IO3
R2 EQ-IN R2‘ EQ-OUT
+
-+
+
C10 C1
1
R1‘
IO1
R4
R3‘ R5 Re +15 V OUT L R23 R K P T1 + R24 C5 R9 C14 1 R32 R42 C18 MIC IN R25 C2 IO11 B/P 1 C17 R10 R8 U R30 R27 1 C6 R26 R11 M 1 R28 C3 R7 R43 C7 1 U C4 R48 P1 C12 IO9 D1 R12 R14 R33 R38 S 1 C13 D2 U N R36 R R44 D3 R13 T3 C C8 R34 R35 G R20 Q R17 H E A T5 R37 IO8 R15 F R22 C16 B D4 R39 R16 R46 R21 C9 D T4 R18 R49 T2 R19 C15 R40 O
k analyz. (výv.5 IO2)
R47
+
IO6
U
R45 R31
+
IO10
R41
U
+
U
R29
IO5
R5‘ R4‘ R6
PĜi konstrukci hodin jsem byl postaven pĜed problém - výstupní napČtí transformátoru, který jsem chtČl pro napájení použít, bylo pĜi maximálním jasu displeje tak malé, že jsem nemohl použít klasický integrovaný stabilizátor (napĜ. LM37). Navrhl jsem proto zapojení (obr. ), kterému staþí vstupní napČtí jen nepatrnČ vČtší než je saturaþní napČtí regulaþního tranzistoru. Proud procházející rezistorem R otevírá tranzistor T a kolektorovým proudem tranzistoru T se otevírá T2. ZvČtší-li se výstupní napČtí nad velikost nastavenou dČliþem R3 a P, zvČtší se i napČtí na bázi T3. Tranzistor T3 se otevírá a proud tekoucí do báze T2 se zmenší. NáslednČ se pĜivĜou i tranzistory T a T2 a výstupní napČtí se vyrovná. Zesílení, uzavĜené ve smyþce zpČtné vazby, je znaþné - aby se stabilizátor nerozkmital, je nutno doplnit zapojení o kondenzátor C. Trimrem P nastavíme požadované výstupní napČtí. Pro menší výstupní napČtí bude tĜeba zmenšit odpor rezistoru R3. V uvedeném zapojení je rozsah výstupních napČtí od do 6 V. Odpor rezistoru R3 je pĜitom tĜeba mČnit od 2,7 do 33 kΩ. PonČkud neobvyklé výstupní napČtí 4, V jsem zvolil proto, že kromČ napájení hodin zdroj zároveĖ dobíjí založní baterii ze tĜí þlánkĤ NiCd. Pro výstupní napČtí asi 4 V je teplotní závislost výstupního napČtí asi –20 mV/K. Je to zpĤsobeno teplotní závislostí prahového napČtí b-e tranzistoru T3, které se využívá ke stabilizaci. Pro vČtšinu aplikací v bČžných domácích podmínkách však mĤžeme tuto závislost zanedbat. Protože teplotní závislost je vČtší pĜi vČtším výstupním napČtí, je zdroj vhodný spíše pro menší výstupní napČtí. Pro zdroj mĤžeme použít souþástky ze šuplíkových zásob. Jako T a T3 lze použít libovolné kĜemíkové tranzistory n-p-n, tranzistor T2 je tĜeba vybrat s ohledem na pĜedpokládaný odbČr ze zdroje. Pro menší proudy vyhoví napĜ. KF57 (z dovážených typĤ BC640), pro vČtší napĜ. KD36 (BD36). PĜi menším zesilovacím þiniteli tranzistorĤ bude potĜeba zmenšit odpor rezistoru R. Stabilizátor jsem zkoušel pro proudy do 0,5 A. JB
IO7
+
U
Obr. 2. Deska s plošnými spoji obvodĤ ovládání a rozmístČní souþástek
Obr. . Zapojení stabilizátoru
