Что собой представляет микросхема LM3914 и где ее можно использовать? В этой статье мы решим этот вопрос и построим на ее базе вольтметр и измеритель уровня звука - так называемый волюметр (VU-meter).
LM3914 является десятиразрядным аналогово-цифровой преобразователем (АЦП) и предназначена для построения многоразрядных светодиодных индикаторов с линейной шкалой, визуально отображающей величину аналогового сигнала.
Состав и принцип работы
Микросхема имеет в своем составе 10 компараторов. Прямые входы этих компараторов подключаются к источнику опорного напряжения через резистивный делитель (выводы 6 и 4), на инверсные входы через буферный операционный усилитель подается измеряемый сигнал (вывод 5). Поскольку все резисторы делителя имеют один номинал, шкала получается линейной. К выходам компараторов (выводы 1, 10-18) подключаются светодиоды, индицирующие уровень входного сигнала.
Важно! Поскольку выходы компараторов представляют собой генераторы втекающего тока, ограничительные резисторы светодиодам не нужны.
В качестве источника опорного напряжения в микросхеме используется встроенный генератор опорного напряжения (ГОН) с номинальным значением 1.25 В. При необходимости это значение можно увеличить до Uпит. - 2 В при помощи внешних резисторов. Вывод 9 служит для изменения режима работы индикатора – «точка»/»столбик». В первом режиме уровень сигнала отображается одним светодиодом соответствующего разряда, во втором уровень определяется высотой светящегося столбика.
Рассмотри принцип работы микросхемы. На вывод 6 подается напряжение верхнего предела измерения (Uв), на вывод 4 - нижнего (Uн). Они могут лежать в диапазоне от 0 до Uпит. – 1.5 В. Для получения обоих напряжений используется ГОН с соответствующими цепями коррекции. На вход 5 подается аналоговый сигнал, величину которого необходимо измерить.
Пока напряжение на инверсных входах компараторов ниже Uн, все светодиоды погашены. Как только напряжения сравняются, сработает нижний по вышеприведенной схеме компаратор и зажжет светодиод HL1. При дальнейшем увеличении уровня входного сигнала сработает следующий компаратор. Зажжется HL2. Если активирован режим «точка», то HL1 при этом погаснет. Если «столбик» - останется светиться. Последующее увеличение входного сигнала приведет к срабатыванию следующего компаратора и т.д.
Номиналы резисторов делителя подобраны таким образом, что светодиоды будут зажигаться с шагом (Uв – Uн)/10.
Трехдиапазонный вольтметр
При помощи этого несложного прибора можно измерять постоянные напряжения в трех диапазонах:
- 0 – 1.2 В;
- 0 – 12 В;
- 0 – 120 В.
Диапазоны не совсем удобные, но такой выбор обусловлен наглядностью. При желании вы можете изменить эти диапазоны и их количество на свое усмотрение. А сейчас наша задача понять принцип работы этого измерительного прибора. Взглянем на его принципиальную схему.
Поскольку верхний предел самого низкого диапазона выбран 1.25 В, а нижний – 0 В, на выводы 6 и 4 нам нужно подать 1.25 и 0 В соответственно. Для этого достаточно соединить выводы 7и 6, а выводы 4 и 8 соединить с общим проводом, включив внутренний стабилизатор микросхемы по типовой схеме. Пока переключатель S1 стоит в указанном на схеме положении, измеряемый сигнал напрямую проходит на вход микросхемы. Его величина отображается светодиодами LED1 – LED10. Поскольку индикатор десятиразрядный, точность измерения будет составлять 1.25 / 10 = 0.125 В.
Переведя переключатель в среднее положение, мы подключаем к входной цепи делитель R1-R3, причем в одном плече окажется R1, во тором – R2 и R3. Номиналы элементов подобраны так, чтобы входной сигнал ослаблялся в 10 раз. Теперь у нас включен диапазон 0-12 В. Шаг измерения – 1.2 В. Обратите внимание - переключая диапазон, мы не изменяем величины опорных напряжений Uв и Uн (выводы 6,4), а благодаря делителю на вход микросхемы (вывод 5) подается сигнал той же величины, что и в первом диапазоне.
Если мы переведем переключатель S1 в нижнее по схеме положение, то в нижнем плече делителя останется только R3, а входной сигнал будет ослаблен в 100 раз. Включился диапазон 0-120 В с шагом измерения 12 В.
Полезно! Поскольку вывод 9 подключен к плюсу источника питания, микросхема будет работать в режиме «столбик». Для того, чтобы активировать режим «точка», необходимо соединить вывод 9 с минусом источника питания или оставить свободным.
Как изменить опорное напряжение?
Если мы хотим изменить предел измерения нашего прибора, то придется соответственно изменить величину опорного напряжения, прикладываемую к выводу 6 (Uв). Сделать это можно, как было сказано выше, при помощи внешнего резистивного делителя, подключенного между выводами 7, 8 и общим проводом. Выглядеть это будет примерно так:
Ну а рассчитать номиналы элементов делителя можно по формуле:
Uоп = (R2/R1+1)*1,25 + Iref*R2
Где:
- Uоп - необходимое опорное напряжение;
- R1 — резистор между выводами 7 и 8;
- R2 — резистор между выводом 8 и минусом питания;
- Iref – сила тока на выводе 8 (около 0.1 мА).
Индикатор уровня звукового сигнала (VU-метр)
Эта конструкция позволит нам оценить уровень звукового сигнала. Мы включим ее после УМЗЧ параллельно акустической системе, а значит, индикатор будет отображать выходную мощность усилителя.
Но прежде чем начать, необходимо отметить, что микросхема LM3914 не совсем подходит для поставленной задачи. дело в том, что уровень звукового сигнала измеряется в децибелах (дБ), Это логарифмическая единица, хорошо отражающая свойства нашего слуха. Значит нам нужен АЦП с логарифмической зависимостью, а в LM3914 она линейная, поскольку номиналы резисторов делителя выбраны одинаковыми (см. раздел «Состав и принцип работы»).
В принципе, схема работать будет, но показания индикатора не будут соответствовать нашим слуховым ощущениям. Вроде добавили мощности на пару светодиодов, а сила звука увеличилась втрое. В верхнем диапазоне будут противоположные ощущения – зажгли два глазка, а громкость едва увеличилась.
Можно ли как-нибудь решить эту проблему? К сожалению, изменить номиналы резисторов делителя внутри микросхемы нам не удастся. Но вариант есть. Можно использовать собрата LM3914 – микросхему LM3915, в которой номиналы резисторов делителя подобраны по логарифмическому закону. В остальном же принцип работы, цоколевка и назначение выводов у обеих микросхем одинаковы.
На всякий случай. Как было сказано выше, индикатор мощности на LM3914 будет работать, и если вас не смущают вышеописанные неудобства, то можно построить измеритель уровня звука и на ней.
Взглянем на принципиальную схему индикатора выходной мощности УМЗЧ на LM3915. Схема на LM3914 будет выглядеть аналогичным образом.
Резисторы R7, R8 образуют делитель, создающий необходимое опорное напряжение, прикладываемое к выв. 6. Это верхний порог измерения, который составляет порядка 9 В. Нижний порог выбран нулевым (выв. 4).
Сигнал, снимаемый с выхода УНЧ, поступает не эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе T1, выпрямляется диодом D1 и через делитель, образованный резисторами R5, R6 поступает на вход микросхемы. Конденсатор С1 служит для некоторой задержки срабатывания компаратора, как бы замедляя его реакцию. В противном случае он будет резко менять показания и больше утомлять зрение, чем помогать оценить уровень сигнала. Переключатель SO1 служит для переключения режимов «точка»/»столбик». Градуировка «шкалы» индикатора, собранного на LM3915, будет выглядеть следующим образом:
- LED1 – 0.2 Вт;
- LED2 – 0.4 Вт;
- LED3 – 0.8 Вт;
- LED4 – 1.6 Вт;
- LED5 – 3 Вт;
- LED6 – 6 Вт;
- LED7 – 13 Вт;
- LED8 – 25 Вт;
- LED9 – 50 Вт;
- LED10 – 100 Вт;
Важно! Номинал резистора R5 указан для нагрузки 4 Ом. Если у вас восьмиомные акустические системы, то номинал нужно увеличить до 18 кОм.
Вот мы и выяснили, что собой представляет микросхема LM3914. а заодно и познакомились с ее логарифмическим собратом. Теперь собрать измеритель звукового сигнала или простенький вольтметр сможет, пожалуй, каждый, умеющий держать в руках паяльник.
