Индикаторы звуковых сигналов. Часть вторая.

Автор: Юрий Зотов
Опубликовано 10.04.2008

Часть 2. Дискретные измерители.

Вот и пришло время выполнять обещанное. В этой части статьи будут рассмотрены приборы фиксирующие только два состояние уровня сигнала: он есть, или его нет.

1. Пиковые индикаторы.

Свою родословную этот тип индикаторов ведёт от времён повсеместного распространения магнитной записи. Там основное назначение устройства было в регистрации превышении максимального уровня записи - "0" dB. Чуть позднее, такой тип индикаторов стали применять в усилителях мощности, и некоторых акустических системах. В усилителях, пиковый индикатор сигнализировал о превышении лимитированного уровня сигнала (клип-детектор, или, проще говоря, регистратор ограничения сигнала), а в АС он сигнализировал о превышении подводимой мощности. Так что такому детектору найдётся место и в наши дни.
Логика работы пикового детектора проста до неприличия: пока сигнал на входе не превышает некоторого значения, светодиод на выходе устройства не горит. Как только величина переменного напряжения превысит установленный уровень - светодиод вспыхивает. Остаётся только выставить этот уровень, и пиковый детектор готов к работе.
На данный момент существует огромное количество схемных реализаций таких устройств. Для начала рассмотрим самый простейший, показанный на рис1.

Как видно из схемы, всё построено на одном транзисторе. Выпрямленное диодом VD1 и "сглаженное" на конденсаторе С1 переменное напряжение подаётся на базу транзистора VT1. Если это напряжение ниже напряжения на эмиттере, то транзистор закрыт и светодиод не светится. При превышении входного напряжения на базе более 4 вольт, транзистор открывается и светодиод зажигается. Отсюда следует, что напряжение открытия транзистора можно выбирать, подбирая стабилитрон VD2. Кстати, стабилизирующую цепь R3,VD2 можно заменить на обычный резистивный делитель, однако в этом случае снизится стабильность показания устройства, поскольку опорное напряжение будет немного "плавать". В любом случае, общее сопротивление этого делителя рекомендую брать в пределах 0,3 - 2 кОм. Сопротивлением R2 производят окончательную калибровку индикатора.
На рисунке 2 представлен ещё один из простейших индикаторов. Он по своим параметрам аналогичен первому, но собран на двух логических инверторах КМОП - логики. Порог срабатывания устройства, определяется внутренним устройством микросхемы и составляет для К561ЛН1 около 2 вольт. В исходном состоянии, при уровне входного сигнала менее порогового на входе первого инвертора присутствует логический ноль. Следовательно на выходе инверторов так же будет ноль, а R6 будет замкнут на "землю". Светодиод VD5 гореть не будет. При превышении входного сигнала пороговый уровень, инверторы переключаться, на выходе появиться высокий уровень и светодиод загорится.
Преимущества приведённых схем - их простота и при невысоких требованиях к точности измерения они вполне работоспособны. Основной недостаток - "не чёткое" срабатывание светодиода, выражающееся в изменении яркости, при приближении уровня входного напряжения к порогу срабатывания. Для частичного устранения этого недостатка в схеме, представленной на рисунке 2, последовательно применены два инвертора.

Дальнейшим улучшением схемы с транзисторами, стала схема, представленная на рисунке 3. Видим, что введён ещё один транзистор VT2 и резистор R7. Собственно, он-то и должен устранить нечёткость срабатывания предыдущего устройства. В момент переключения, когда транзистор VT2 начинает открываться, его коллекторный ток течёт в два направления: на светодиод, и на базу транзистора VT1 через резистор R7. Это ускоряет перевод транзистора VT1 в насыщение и соответственно уменьшает время переключения.
Более совершенное устройство представлено на рисунке 4. Пиковый детектор построен на основе компаратора- устройства сравнения сигнала и отличается небольшим количеством навесных элементов. Работает индикатор следующим образом: на входы компаратора, инвертирующий и не инвертирующий, подаются два напряжения. На инвертирующий - опорное, задаваемое делителями R11, R12, а на не инвертирующий-полученое с детектора. Пока напряжение на не инвертируемом входе не превышает величины опорного напряжения (напряжение на инвертирующем входе), компаратор находиться в выключенном состоянии. То есть на выходе ОУ присутствует низкий уровень, индикатор LED2 не светится. Как только напряжения на входе сравняются (напряжение на не инвертируемом входе сравняется с опорным), компаратор скачкообразно "переключиться". На выходе появиться высокий уровень и через светодиод потечёт ток. Хороша ли эта схема? Да, очень даже не плоха, но имеет свои особенности.
1. Двуполярное питание. Может создать некоторые затруднения при реализации в устройствах с "однополярным" питанием. Но.
2. Двуполярное питание позволяет эффективно сравнивать сигналы вблизи "нулевого" уровня. То есть мы получаем устройство с очень большим диапазоном измерения.
Опять же, в следствии применения двуполярного питания, выходное напряжение ОУ скачкообразно изменяется от +Uпитания до -Uпитания. Это не всегда удобно. Именно по этому на рисунке последовательно со светодиодом установлен диод VD2. Его назначение - защищать светодиод от изменения полярности включения, в то время, когда с выхода ОУ на светодиод поступает отрицательное напряжение.

Принципиально не важно, на какой вход подавать опорное и контролирующее напряжение. Зеркально измениться только логика работы светодиода.

Околовсякое: Как отмечалось выше, в силу большого диапазона измерения, по этой схеме можно сделать "индикатор тишины" ("индикатор паузы"). Светодиод будет гореть, когда сигнал есть, и гаснуть, когда сигнал пропадет. Какая от этого польза? Ну, например, компаратор, в качестве датчика, можно подключить к устройству с выдержкой времени, а оно, в свою очередь, отключит усилитель от сети.

Повысить качественные характеристики и надёжность можно, если применить в качестве компаратора не операционный усилитель, а специализированный прибор. Самый распространённой и доступной, из советских микросхем подобного рода, была К554 СА3А. Это прибор, изначально расчитан на применение в качестве компаратора. По внутренней схемотехники схож по устройству с операционным усилителем, однако отличается от него, в основном, наличием дополнительного каскада на выходе для сопряжения уровней выхода компаратора с уровнями логического "0" и "1" цифровых устройств (ТТЛ и КМОП-логики). Физически, выходной каскад представляет собою транзистор, позволяющий включить его по схеме с общим эмиттером (с коллекторной нагрузкой), так и по схеме эмиттерного повторителя. Желающие поподробней ознакомиться с этим прибором пусть почитают литературу, от себя же ещё добавлю об одной особенности: этот прибор может питаться как от двуполярного питания, с сохранением всех выигрышей такого включения, так и от однополярного питания. Что, несомненно, добавляет плюсов этому прибору. К сожалению, при однополярном питании нижний предел сравнивающих сигналов начинается не от "нуля", а от 0,5V. Это немного снижает диапазон измерений, однако в большинстве случаев, в этом и нет необходимости.

В заключении рассмотрим пиковый детектор построенный на специализированной микросхеме К157ХП1.
Основные технические данные микросхемы:

Микросхема разрабатывалась в линейке предназначенной для аппаратуры магнитной записи, однако с успехом может применятся и как отдельное устройство. Внутри корпуса содержится три функционально не зависимых узла: два пиковых дискриминатора с усилителями токов светодиода и узел вырабатывающий напряжение для управления элементами АРУЗ. Последний, разумеется нам не нужен.
На рисунке 5 представлена принципиальная схема пикового детектора, построенного на основе К157ХП1.

Как видно, схема очень проста и содержит минимальное количество деталей. Единственное о чём можно сказать, это об электролитических конденсаторах. Их ёмкость определяет постоянную времени индикации.
Следующим шагом в развитии пиковых индикаторов стало увеличение числа контролируемых уровней. В дополнение к основному индикатору стали устанавливать ещё один (реже два). Их назначение - сигнализировать о приближении величины к пороговому значению. Обычно диапазон устанавливался в пределах -3 - -6 dB. Установленные в акустических системах, такие индикаторы индицировали о подводимой мощности. Конструктивно, такие приборы представляли собой несколько схем, подключенных к одной измеряемой точке. Каждая ячейка такого индикатора калибруется на соответствующее значение напряжения или мощности.

Последующим развитием рассмотренных выше схем, явились дискретные индикаторы уровня. Они уже позволили контролировать весь звуковой диапазон. На данный момент, это наиболее совершенные устройства, и мы рассмотрим их в следующей статье.

Вопросы, как обычно, складываем тут.