Решил я собрать себе для усилителя звуковой частоты (который собрал ранее) "графический уровень громкости" и, как полагается, еще "защиту акустической системы от постоянного напряжения", все таки сгоревший транзистор дешевле самой акустики, поэтому подстраховка не помешает. Поискав варианты в великом и могучем Интернете, мне попадались только варианты на LM3915 и ее подобных (возможно просто плохо искал), а так же отдельно защитные схемы. Выходит слишком сложно. Первое: нужно по микросхеме на канал (т.е. для стерео их нужно 2 штуки). Второе: LM3915 выполняет лишь свою одну функцию, для схемы защиты придется мутить еще дополнительные детали.
И зародилась мысль,
а что если все это сделать на одной микросхеме?
Поэтому долой LM3915 и ежи с ней!, нам нужен микроконтроллер, который один может не только измерить все каналы аудио, но и бонусом еще будет проверять сигнал на наличие постоянного и/или низкочастотного напряжения.
То есть у нас получиться устройство как бы "2 в 1" всего на одной микросхеме! Заманчиво не правда ли!
Постановка задачи проекта:
- Измерение аудио сигнала, и вывод его уровня на экран.
- Защита АС от постоянного/НЧ напряжения.
Разработка схемы
В качестве МК выбор пал на ATtiny261. Он содержит все что нужно для разрабатываемого устройства: порты ввода вывода для шкалы диодов, многоканальный АЦП для измерения аудио сигнала, встроенный источник опорного напряжения, а так же таймеры необходимые для измерения сигнала в заданные промежутки времени и работы шкалы светодиодов в динамическом режиме.
Основные узлы схемы
Экран шкалы выполнен на 23 светодиодах (LD1-LD23) по 11*2 светодиодов на каждый канал сигнала (левый и правый канал аудио), а также 1 сервисный светодиод, отображающий режим работы. Светодиоды соединяются в матрицу 6*4 и занимают 10 пинов МК.
Для измерения аудио сигнала используется делители напряжения на резисторах, а также два канала АЦП МК, которые занимают 3 пина МК. Это вызвано необходимостью, что будет измеряться переменное напряжение, то есть АЦП будет работать в биполярном режиме, измеряя не только амплитуду, но и знак сигнала.
В качестве узла защиты АС используется оптоключ H11G1 (VQ1) и реле (K1) на 24 Вольта.
Для питания МК используется параметрический стабилизатор (R1, D1), подключенный к основному питанию (+25В).
Для питания реле используется основное питание (-25В).
Схема устройства представлена на рисунке 2.
Краткий принцип работы и обзор схемы
Питание схемы осуществляется от постоянного двухполярного источника питания напряжением +-25В, предполагается, что модуль устанавливается в усилитель звука с подходящим ИП (хотя есть возможность переделать схему в однополярную, поменяв направление включения D2 и VQ1). Но как правило для УМЗЧ с однополярным питанием защита применяется редко, если динамик подключен через разделительный конденсатор.
Питание МК построена на параметрическом стабилизаторе (R1, D1) и фильтре питания C1, C2. Для питания АЦП выполнен дополнительный фильтр на L1, C3. L1 представляет из себя ферритовый фильтр (в принципе, можно обойтись и без него, я пробовал его закорачивать, внешне это практически никак не проявлялось). Следует заметить, что стабилизатор будет рассеивать значительную мощность, при выбранном питании рассеиваемая мощность составит:
Расчет R1:
U(R1) = 25-4,7 = 20,3 В
I(R1) = 20,3/470 ~ 0,043 А
P(R1) = 0,043*20,3 ~ 0,873 Вт
Расчет D1:
U(D1) = 4,7 В
I(D1) ~ I(R1) ~ 0,043 А
P(D1) = 0,043*4,7 ~ 0,202 Вт
Примечание: в расчетах было принебрежено сопротивлением нагрузки. Мощности R1, D1 были взяты с запасом надежности.
По расчетам поидее должен подойти 1ваттный резистор. Но практика показала, что он едва справляется, при длительной работе он темнеет (и превращается в "афро-резистор", прим. автора), даже если он в перспективе и не сгорит от 87% нагрузки, это просто не эстетично. Поэтому желательно поставить резистор "R1" с мощностью рассеивания 2 Ватт или более!
Входящий аудио сигнал (с выхода УМЗЧ) идет на вход делителей напряжения R2-R5 и на контакты реле, C4,C5 служат для защиты входа АЦП от ВЧ помех, выход делителей напряжения соединен к АЦП входам МК. Сопротивления делителя рассчитываются так, чтоб напряжение на входе АЦП не превышало опорное напряжение АЦП. В данной схеме используется внутреннее опорное напряжение МК равное 2,56 Вольт. Предполагается что амплитуда аудио сигнала с выхода УНЧ не превышает 20 Вольт, иначе нужно будет пересчитывать параметры делителя для данной шкалы.
Первый вариант схемы был с общей землей, но как выяснилось это вызывает нежелательный эффект, как я понял, отрицательный полупериод аудио сигнала с усилителя "садится" на цифровую землю, через порт ввода-вывода МК, что срезает отрицательную амплитуду измеряемого аудио сигнала более чем на 50%, работоспособность при этом сохраняется. Поэтому хоть на схеме выше и указаны две земли - аналоговая (gnd_analog) и цифровая (gnd), их все же можно соединить вместе, если вы не хотите собирать отдельную схему (или гальваническую развязку) для питания схемы контроллера.
Шкала светодиодов левого канала состоит из LD1-LD11, R6, R7. Шкала светодиодов правого канала состоит из LD12-LD22, R8, R9. LD23 является сервисным. Резисторы R6-R9 должны быть рассчитаны так, чтоб ток через один резистор не превышал 40мА (ограничение по порту МК =40мА), а суммарный ток через R6-R9 не должен превышать 193мА (ограничение по всем портам МК =200мА). Номиналы на схеме соответствуют необходимым требованиям.
Защита АС выполнена на VQ1, D2, K1, R10. В начальный момент времени на входе оптоключа логический 0 и реле отключено, сигнал на АС не поступает через нормально разомкнутые контакты реле. МК проводит измерение напряжения сигнальных линий и если оно в норме, то МК подает на вход оптоключа логический 1 и реле замыкает контакты, соединяя тем самым выход усилителя с АС. Проверка напряжения сигнала на линиях не прекращается после включения АС, поэтому как только МК обнаружит постоянное напряжение (или низкочастотное, менее 1-2Гц), он посылает на вход оптоключа логический 0 и реле отключается. Последующее включение производится только после сброса питания (выключения и включения схемы).
S1 служит для настройки шкалы. Короткое нажатие переключает режимы работы: Линейная, Логарифмическая, Двоичнаяая (на шкалу подается код АЦП). Длинное нажатие (более 1,5 сек) записывает текущий режим как основной, который будет отображаться при включении.
Параметры элементов неуказанные на схеме: мощность рассеивания резисторов 125 мВт, макс.напряжение конденсаторов 50 В, реле напряжением 24 В и максимальный ток 5А (зависит от максимальной мощности УМЗЧ).
Сборка модуля
Модуль изготовлен на двух платах - сам модуль контроллера аудио сигнала и экран со светодиодами. При сборке следует уделить особое внимание к качеству пайке R4, R5, D1, плохой контакт может привести к появлению высокого (более 5 Вольт) напряжения на портах МК и выход его из строя.
На оновной плате содержится: сам контроллер, три линии питания и релейная защита, на дополнительной плате содержится, две шкалы светодиодов из трех цветов (зеленый, желтый, красный) и сервисный светодиод (синий). Платы соединяются между собой ленточным кабелем с разъемами на концах.
Пример работы шкалы
Данная графическая шкала может работать в трех режимах, режимы управляются с помощю кнопки S1. 1 - Линейный, 2 - Логарифмический, 3 - Двоичный (в этом режиме шкала отображает напрямую код АЦП).
На изображении ниже представлен пример работы уже установленного в УМЗЧ модуля в логарифмическом режиме.
Как видно из картинки, раньше это был DVD Samsung.
Для работы устройства нужно обязательно прошить МК предлагаемой программой! Правильно собранное устройство должно сразу работать. В редких случаях настройка может потребоваться, если есть ложные срабатывания защиты. Для изменения частоты срабатывания защиты перепрошивается EEPROM адрес ".org 1 eep_cnt_err". По умолчанию защитное отключение настроено на частоту ~1,25Гц. Также в EEPROM присутствуют и другие расширенные настройки на усмотрение пользователя. К сожалению, S1 может настроить только режим отображения, для расширенных настроек используется подключение к программатору.
Прошивка МК
Конечно, основное *волшебство* схемы находится в прошивке микроконтроллера, без которой сама схема делать ничего не будет. Однако разбор прошивки выходит за границы данной статьи.
МК работает от внутреннего генератора на 8 МГц.
Необходимо прописать Fuse-биты МК таким образом (жирным шрифтом выделены изменяемые биты, обычным шрифтом - по умолчанию, проставленными с завода):
Будьте внимательны при изменении Fuse-бит МК. Изменение Бит не отмеченные жирным шрифтом, в частности RSTDISBL и SPIEN, может привести к отключению последовательного программирования МК! За дополнительной информацией следует обращаться к даташиту на данный МК.
Fuse High Byte:
RSTDISBL=1 (unprogrammed)
DWEN=1 (unprogrammed)
SPIEN=0 (programmed)
WDTON=1 (unprogrammed)
EESAVE=0 (programmed)
BODLEVEL2=1 (unprogrammed)
BODLEVEL1=0 (programmed)
BODLEVEL0=1 (unprogrammed)
Fuse Low Byte:
CKDIV8=1 (unprogrammed)
CKOUT=1 (unprogrammed)
SUT1=1 (unprogrammed)
SUT0=0 (programmed)
CKSEL3=0 (programmed)
CKSEL2=0 (programmed)
CKSEL1=1 (unprogrammed)
CKSEL0=0 (programmed)
Необходимо прошить .hex и .eep. В пользовательской памяти МК находяться рабочие константы. При желании их можно изменить для настройки работы шкалы, например, можно изменить уровни напряжений включения светодиодов шкалы, динамическую яркость светодиодов, коррекцию ноля шкалы и другие настройки.
Прошивка выполнялась через AVRdude и USBasp программатор. Есть также PonyProg и LPT программаторы. Выбирайте, что нравится.
Этот "графический уровень" работает у меня уже более месяца, и показал свою эффективность.
Прошивку и сам код можно скачать по ссылке:
Материал статьи и прошивка поставляется "как есть", никакие гарантии не предполагаются, используйте это на свой страх и риск.
Для обсуждения данного устройства, добропожаловать в комментарии.
Все материалы статьи разрешено копировать, при условии ссылки на автора Yariko Ookami и оригинальный материал, находящийся на данной странице.
