Проекты : Показометры: спектроанализаторы, тестеры, термометры, измерители, пробники


Тимофей Носов     12 октября 2016 г.

Спектроанализатор ИН-9

Анализа́тор спе́ктра – прибор для наблюдения и измерения относительного распределения энергии электрических (электромагнитных) колебаний в полосе частот (Википедия).

 

Прыгающие в такт музыки столбики света мне с детства нравятся. Периодически посещала идея сделать спектроанализатор и написать алгоритм преобразования Фурье для PIC младшего семейства. В Интернете очень много проектов на светодиодных матрицах; делать на светодиодах было не интересно.

 

На глаза попалась схема спектроанализатора Judith B, собранного Parallax P8X32A-Q44 (1270 руб под заказ в Чип и Дип) с использованием ламп ИН-13. Видео оставило сильное впечатление и окончательно убедило собрать нечто аналогичное. Не вдаваясь в подробности я "хапнул по дешёвке" лампы ИН-9, предполагая, что лампы не сильно отличаются от ИН-13. Предположение было наивным.

 

Итак, чем отличаются лампы:

 

 

ИН-9

ИН-13

цена

<100 руб

>250 руб

длина колбы

140 мм

160 мм

ток индикации

12 мА

4,4 мА

напряжение зажигания

140 В

140 В

кол-во выводов

2

3

яркость свечения

40 нт

30 нт

 

Разница цен в пересчёте на 10 шт вполне ощутимая. Но больше беспокоит ток свечения, т.к. для ИН-9 в пересчёте на те же 10 шт нужно 120 мА. И питание должно быть полупериодным, чтобы светящийся столб в ИН-9 не отрывался (см проблему на видео).

 

Я колебался с выбором варианта питания:

1) питание напрямую от сети 220В,

2) сетевой трансформатор с анодной обмоткой 220В,

3) преобразователь из сетевого 220В в высокое напряжение,

4) преобразователь из 12В в высокое напряжение.

Отсутствие гальванической развязки и тяжёлый трансформатор не придавали оптимизма. Сборка преобразователя из пункта 3 также не радовала; расчёт параметров для TOPSwitch в программе выполняется до 90 вольт.

 

Мощный преобразователь из низкого в высокое можно собрать по двум схемам: двухтактный преобразователь на трансформаторе из блока питания компьютера или преобразователь с дросселем. Было принято решение сделать преобразователь с дросселем, т.к. схема займёт меньше места на плате и проще сделать дроссель, чем достать подходящий трансформатор.

Это несложная и доступная для повторения схема, которая состоит из узлов: блок питания, микрофонный усилитель с формирователем сигнала, драйвер лампы, микроконтроллер PIC16F1827 для обработки сигнала.

  

Блок питания.

Используется ШИМ контроллер MC34063, с помощью которого формируется высокое напряжение. Для накачки дросселя используется полевой транзистор IRF840, в работе не сильно греется (без радиатора), рекомендую удушить жабу и использовать транзистор с током 20А, например, IRFB20N50, STP20NM50 или аналогичные.

 

Для формирования полупериодного напряжения используется самотактируемый полумостовой драйвер IR2151 (IR2152, IR2153) с напряжением собственного питания от 9В. Практика показала, что драйвер IR2151 стабильно работает на нетиповой пониженной частоте. С указанными на схеме номиналами частота работы драйвера 59Гц. Выходные транзисторы STP5N52K3 выбрал такими, т.к. много в наличии; в работе холодные; фланцы не закорачивать и пальцами не трогать.

 

Самая "трудная" деталь схемы это дроссель, его придётся намотать. Для дросселя используется жёлто-белое кольцо; донором для него является дроссель групповой стабилизации в блоках питания компьютера.

Встречаются кольца разных размеров.

 

 

 

Сматываем старые обмотки и очищаем кольцо от лака. У меня обнаружились кольца двух размеров: 27,3х14,5х11,0 и 23,4х14,0х10,0.

 

Рассчитываем индуктивность с помощью калькулятора для MC34064

 

Вбиваем исходные параметры:

– Входное напряжение 12 В

– Выходное напряжение 140 В

– Выходной ток 200 мА (с двойным запасом)

– Напряжение пульсаций 1000 мВ

– Минимальная частота 35 кГц

 

Нажимаем «Вычислить»; появляется сообщение «Максимальный ток преобразователя 5069 мА превышает предел 1500 мА!» - нажимаем Ок. Получаем следующие параметры:

 

Ct = 1053 pF
Ipk = 5069 mA
Rsc = 0.059 Ohm
Lmin = 57 uH
Co = 47 uF
R = 180 Ohm
R1 = 1k, R2 = 91k (115V)

 

Радует, что допустимо иметь индуктивность большего номинала, чем рассчитано.

 

Далее запускаем программу расчета дросселя DrosselRing

 

 

 

Вбиваем исходные данные:

– дроссель другого применения

– индуктивность 57 мкГн,

– номинальный выходной ток 5069 мА (5,07 А)

– напряжение на дросселе, ключ включен 12 В,

– напряжение на дросселе, ключ выключен 128 В (по совету разработчика, 140В – 12В = 128В),

– частота 35 КГц.

 

Выбираем материал кольца -26 MicroMetals Yellow-White. Размер T106 (где 106 дюймы х100), ниже в программе можно наблюдать размеры кольца. Нажимаем «Рассчитать». Лично для меня такое количество вносимых и получаемых параметров избыточно. На чём я акцентировал внимание: температура, число витков дросселя, диаметр провода.

 

Имеем зависимости:

Больше частота – выше температура (этим объясняется выбранная частота 35 КГц).

Меньше размер кольца – больше витков (я взял кольцо 27,3 * 14,5 * 11,0).

Больше индуктивность – больше витков – меньше температура.

 

 

Для обмотки приобрёл катушку провода ПЭТВ-2 диаметром 1,0мм. На фото для сравнения катушка припоя. Отмеряем 120 см. Наматываем руками. У меня получилось 32 витка, лишнее всегда можно смотать. На фото дроссель и рядом оставшийся от 120 см кусочек провода.

 

 

 

Теперь замерим индуктивность вот этим чудо прибором

 

 

И я склонен доверять этому измерителю, т.к. он достоверно показывает маркированные фабричные индуктивности. В итоге получаем 102,2 мкГн. Не знаю, хорошо это или плохо; скорее плохо, т.к. расчёты не совпали с показаниями прибора. Радует, что расчёты для MC34063 указывают на минимальную индуктивность Lmin = 57 uH, а мы измерили больше. Есть стойкое ощущение бесполезности расчётов в DrosselRing.

 

Запускаем преобразователь, накручиваем нужные 140В. Для тестов нагружал преобразователь сопротивлением 1,5 кОм, расчётный ток 140 В / 1500 Ом = 93 мА. Нагружал примерно 1 мин. Напряжение упало до 135В. Диод холодный, дроссель чуть тёплый, транзистор терпимо горячий (без радиатора). Должно работать.

 

На данный момент внешний источник питания 12В 2А у меня Mean Well RS-25-12. Он достаточно дорогой. Планирую купить и попробовать блок питания для светодиодной ленты Smartbuy (он же Jazzway) ZC-BSPS-12V2.1A с ценником 300 руб.

 

 

Микрофонный усилитель.
Способ подачи аудио-сигнала на микроконтроллер был для меня определён – через микрофон. И это продиктовано нежеланием тянуть дополнительные провода к спектроанализатору. Второй аргумент – у меня один линейный выход у компьютера и делать сопли-разветвитель для колонок и для спектроанализатора не хочется. А может быть причина в сильной ностальгии по цветомузыке "Электроника СДУ-3", которая работала от микрофона.

 

При выборе электретного микрофона следует обратить внимание на диапазон рабочей частоты и чем шире диапазон, тем лучше.

 

Микрофонный усилитель собран на операционном усилителе TL082. В отличии от LM358, усилитель TL082 менее шумный. Можно было бы обойтись без регулятора чувствительности, но на практике необходимо оперативно настраивать чувствительность микрофона под текущий уровень громкости окружающих звуков.

 

При подборе деталей уделить внимание резисторам R1 и R2. Эти резисторы задают смещение сигнала к середине питания. Из имеющихся в наличии подберите пару с минимальным разбросом сопротивлений, например, из трёх резисторов 9,97 – 10,08 – 9,95 пару сделать из 9,97 и 9,95.

 

 

Драйвер ламп.
ШИМ сигнал с микроконтроллера сглаживается RC-цепочкой драйвера.

Подстроечным резистором регулируют ток открытия транзистора MJE13001 на максимуме амплитуды (методику настройки см ниже).

 

Резистор 100 кОм в цепи коллектор-эмиттер обеспечивает утечку тока в обход транзистора и приводит к зажиганию и свечению нескольких миллиметров лампы. Во-первых, это короткое свечение несёт декоративную функцию, показывая условный минимальный уровень сигнала. Во-вторых, свечение поддерживает ионизацию газа и лампа моментально реагирует на изменение тока даже при пониженном напряжении.

 

Конструкция внутренних частей лампы простая. У лампы центральный светящийся проводник катод, а сетка вокруг проводника это анод.

 

 

В отличии от ИН-9, у ИН-13 есть третий вывод – вспомогательный катод, который поддерживает ионизацию газа, и благодаря этому катоду свечение не отрывается и начинается от края лампы с простым питанием постоянным током. На фото для сравнения ИН-13 и ИН-9.

 

 

Будут ли работать индикаторные лампы ИН-13 в этой схеме? С большой вероятностью работать будут. Но я не проверял.

 

Важно! Для ввода в эксплуатацию некоторым новым (с хранения) лампам ИН-9 требуется процедура прогрева. При подаче номинального максимального тока 12 мА светящийся столб короткий, рабочий участок не полностью засвечивается. Такую лампу следует прогреть повышенным током, подключив через сопротивление 2 кОм на выход преобразователя. Светящийся столб постепенно увеличится и лампа начнёт нагреваться. Процедура прогрева занимает около 1 минуты.

 

 

Цифровая обработка сигнала.
Алгоритмы обработки сигналов в спектроанализаторах основаны на преобразовании Фурье. Эта интересная задача достойна курсового проекта. Из известных проектов на PIC можно привести три примера.

1) Спектроанализатор на DSPIC30F6012

2) Спектроанализатор на PIC18F4550

3) Спектроанализатор на PIC16F688

Вероятно, есть и другие менее заметные проекты на PIC. Приведённые проекты я привёл в исторической последовательности и можно наблюдать, что для реализации алгоритма достаточно скромных ресурсов.

 

На сайте Микрочипа был обнаружен интересный документ Audio Spectrum Analyzer PIC18FXXX Hands On Workshop, описание из которого (стр.174) легло в основу моего алгоритма. Документ датирован 2002 годом, но, как видим, за это время практических конструкций на "скромных" PIC не появилось.

 

Для проекта был выбран PIC16F1827 – микроконтроллер с самотактированием на частоте 32МГц. Размер программы 1392; оперативки занято 96 байт. И есть участки кода, которые можно упростить (уменьшить размер). Глядя на эти цифры, можно утверждать, что этот проект запустится на более "народных" микроконтроллерах (поддерживаемых JDM-программаторами). В подтверждение этих слов проект был скомпилирован для PIC16F886 и запущен в Proteus; работает бодро (скачать проект).

 

 

Важной характеристикой спектроанализатора является скорость обновления данных, иначе говоря, кадров в секунду (fps). Практика показывает, что для синхронного сопровождения музыки частота обновления должна быть не менее 20-30 кадров. Визуализация с меньшей частотой представляет "кашу", нет синхронности подъема пиков индикаторов в ритм и в такт музыки. В нашем проекте удалось добиться частоты 120 кадров в секунду. Визуальная картинка радует оба глаза.

 

Кнопка в схеме переключает три скорости обновления экрана. После подачи питания всегда самая быстрая первая скорость. На третьей скорости столбики прыгают плавно, но размыто относительно музыки.

 

В минимальной конфигурации для тестов можно собрать эту схему (прошивка общая для ламп и для жк-индикатора)

В нашем случае эта схема совмещена с основной схемой, т.к. места не занимает и очень удобна для настройки. В реальной конструкции этот индикатор не будет монтироваться. Используется индикатор 2х8 типа WH0802A-TMI-CT; можно использовать другие HD44780 индикаторы; 2х16 – тоже будут работать. Для включения подсветки у индикатора припаять два СМД резистора размером 0805 и номиналом 75 Ом.

 

 

 

Для прошивания PIC16F1827 используется PicKit3 (PicKit2 не поддерживает).

 

Ток потребления микроконтроллером и микрофонным усилителем единицы миллиампер; микросхемный стабилизатор 7805 не греется. Подсветка жк-индикатора потребляет 20 мА.

 

Размер печатной платы 172 х 55. Печатаная плата со стройным односторонним рисунком и компонентами для монтажа в отверстия. Честно говоря, использовал крупногабаритные конденсаторы из блоков питания, которым не нашлось места в других конструкциях. Разъемы ламп смонтированы с интервалом 10 мм для удобства макетирования корпуса.

 

 

 

 

 

 

Настройка.
В блоке питания настроить напряжение 150В. Регулятор чувствительности микрофона выставить в среднее положение. Регулятор громкости колонок выставить на низкий уровень громкости. Запустить генератор сигналов Sound_gen.exe. Включить генератор на частоте 1000 Гц.

 

 

Если есть жк-индикатор, можно наблюдать максимальную амплитуду в первом столбце (у жк-индикатора надо будет подстроить контрастность). ЖК-индикатор удобен тем, что для работы спектроанализатора не требуется дополнительных настроек. Подстроечным резистором первой лампы настраиваем высоту светящегося столбца по верхней границе лампы; нужно настроить так, чтобы сопротивление не было сильно перекручено выше границы. Аналогичную процедуру провести на всех частотах (2000, 3000…Гц) для всех оставшихся ламп. Можно запустить несколько раз программу генератора сигналов и в каждом окне включить свою частоту – спектроанализатор будет рисовать включенные частоты.

 

 

 

 

Файлы:
Печатная плата
Прошивка
Исходник
Документация
Эта статья для печати

 

Полезные ссылки:
Попробуй сделать печатную плату на кухне
Собери себе подходящий программатор
Узнай как прошить микроконтроллер прошивкой
Научись программировать и делать прошивки
Задай вопрос или найди ответ в форуме


Назад

Просмотров: 5432

 








 
 
 

В русском Интернете бестолку защищать свои права. Хотите использовать материалы - используйте,
но с письменного согласия авторов. В противном случае будут высланы соответствующие письма
в поисковые системы об ограничении индексации ваших сайтов. Не доводите до греха.