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LED音量表電路探討,原來里面有這么多內涵

454398 ? 來源:alpha007 ? 作者:alpha007 ? 2022-12-20 13:23 ? 次閱讀

我們可以把音量表看成是一種音樂系統中的均衡器。均衡器中我們可以根據音樂來看到 LED 的躍動,如果如果音樂音量太大,則均衡器會達到峰值,音量太低則達到低谷。我們還可以打造一個音量表實現這一點,借助麥克風,運放和 LM3914 的幫助下,讓 LED 在音量大小的改變下亮滅,如果音量太大,則多個 LED 亮起,如果音量太低則只有個別 LED 亮起。音量表同樣可以用作音量檢測裝置。

電容 MIC 或者說是麥克風都是聲音感應換能器,可以將聲能轉換為電能,因此有了這個傳感器我們可以用聲音來改變電壓。我們一般用該設備來錄音或感知聲音。這種傳感器在手機和筆記本中也多有用到。

確定 MIC 的極性

MIC 有兩個引腳,一個是正極,一個是負極。MIC 的極性可以通過萬用表來判斷。將萬用表的正極探針(將萬用表設置為二極管測試模式)連接到 MIC 的一個引腳,負極探針連接到另一引腳。如果萬用表有度數的話,那么萬用表負極探針接的是 MIC 的正極。還有一種更為簡單的視覺判別法,負極一般有兩到三條焊錫接到外部的金屬外殼上。

所需電子元器件

運放 LM358 和 LM3914(10 位比較器)以及一個 MIC

電阻:100kΩ x2,1kΩ x 3,10kΩ,47kΩ可調電阻

電容:100nF x2,1000uF x1,10 個 LED

電路的原理很簡單;首先 MIC 拾取聲音信號,并將其轉變為與聲音強度成線性關系的電平信號,因此高音量有著高電平,低音量會生成低電平。然后電壓信號通過高通濾波器來濾除噪聲,濾除信號之后通過運放 LM358 來放大,最終將信號通入 LM3914,它的作用類似電壓表,會根據聲音大小來決定亮起的 LED 數。我們來一步步解釋:

1. 用高通濾波器濾除噪聲

MIC 對聲音很敏感,對環境噪聲也很敏感。如果不采取措施的話,放大器也會放大噪聲,那么得到的結果必然是不理想的。所以我們在信號通過放大器前需要用高通濾波器來濾除噪聲。這里使用的是無源 RC 濾波器(電阻 - 電容)。該濾波器設計起來很簡單,只需一個電阻和一個電容。

考慮到我們測量的是音頻的范圍,所以濾波器的設計必須要準確,一定要考慮到濾波器的截止頻率。高通濾波器通過信號的高頻,將其從輸入傳到輸出端,話句話說就是只允許通過高頻,而不是濾波器規定的頻率(截止頻率)。

人耳所能聽到的頻率范圍在 2-2kHz。所以我們所涉及的高通濾波器的截止頻率在 10-20Hz。截止頻率的計算公式如下:

F=1/(2πRC)


通過該公式我們可以根據 R 和 C 的值計算出截止頻率。而我們所需截止頻率為 10-20Hz。

因此我們選取 R=100kΩ,C=100nF,我們就有了 16Hz 左右的截止頻率,也就只允許頻率高于 16Hz 的信號通過,出現在輸出端。這些取值并不是強制的,只是為了頻率計算更為準確或者方便選型而已。

2. 聲音信號的放大

移除了噪聲后,信號就通過運放 LM358 來進行放大。此處我們使用負反饋放大器來放大 MIC 傳來的低幅度信號,讓其達到能被 LM3914 所識別的等級。

輸出電壓的公式如下,Vout=Vin((R1+R2)/R2),有了這個公式就可以確定放大器的增益。MIC 信號在μV 級時,我們不能將其直接傳給電壓表進行度數,因為電壓表無法拾取這么低的電壓。但在 100 增益的運放下,我們可以將 MIC 的信號放大,之后傳給電壓表。

3. 用 LED 實現音量的視覺顯示

我們已經有了濾波并放大后的音頻信號。這個型號需要傳給 LM3914 的 LED 電壓表,用于測量音頻信號的強度。LM3914 是 10 路 LED 的驅動顯示電路。它會根據輸入電壓來確定 LED 的亮滅。

LM3914 還有許多其它用途,可以改為電池保護電路或安培計電路。此處我們只討論電壓表的搭建。

此處 LM3914 是一個 10 級電壓表,意味著在 10 位模式下會有多個變式。芯片感知到輸入電壓后會與參考電壓相比,我們將參考電壓設為“V”。每當輸入電壓身高“V/10”,我們就會多一個 LED 亮起。比如當輸入電壓“V/10”時,LED1 會亮起,輸入電壓“2V/10”時,LED2 也會亮起。以此類推。

電路中的 LM3914

LM3914 的內部電路如下。LM3914 其實就是 10 個比較器的組合。每個比較器是一個運放,其負極引腳的參考的電壓不斷升高。


因為我們參考電壓的值應基于最大測量值,運放的輸出在 0-4V,所以我們需要將 LM3914 的參考電壓設為 4V。

參考電壓有 LM3914 的 RefADJ 引腳上的兩個電阻來決定。

而基于固定阻值來分的參考電壓有個問題,那就是需要電源改變才能改變參考電壓。所以我們將 R2 改為 47kΩ的可變電阻,這樣我們就可以隨心所欲調整參考電壓了。在 4V 參考電壓的情況下,每有 0.4V 的升壓,就會多一個 LED 亮起。這就是 LED 音量表的原理了。

審核編輯 黃昊宇

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