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【每日电路赏析】LED音量表电路

2019-10-16 16:48:26  4950 电路设计 LED MIC 高通滤波 电路
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我们可以把音量表看成是一种音乐系统中的均衡器。均衡器中我们可以根据音乐来看到LED的跃动,如果如果音乐音量太大,则均衡器会达到峰值,音量太低则达到低谷。我们还可以打造一个音量表实现这一点,借助麦克风,运放和LM3914的帮助下,让LED在音量大小的改变下亮灭,如果音量太大,则多个LED亮起,如果音量太低则只有个别LED亮起。音量表同样可以用作音量检测装置。

电容MIC或者说是麦克风都是声音感应换能器,可以将声能转换为电能,因此有了这个传感器我们可以用声音来改变电压。我们一般用该设备来录音或感知声音。这种传感器在手机和笔记本中也多有用到。常见的MIC如下,


确定MIC的极性

MIC有两个引脚,一个是正极,一个是负极。MIC的极性可以通过万用表来判断。将万用表的正极探针(将万用表设置为二极管测试模式)连接到MIC的一个引脚,负极探针连接到另一引脚。如果万用表有度数的话,那么万用表负极探针接的是MIC的正极。还有一种更为简单的视觉判别法,负极一般有两到三条焊锡接到外部的金属外壳上。

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运放LM358和LM3914(10位比较器)以及一个MIC


电阻:100kΩ x 2,1kΩ x 3,10kΩ,47kΩ可调电阻


电容:100nF x 2,1000uF x 1,10个LED




电路图以及原理

音量表的电路原理图如下


该电路的原理很简单;首先MIC拾取声音信号,并将其转变为与声音强度成线性关系的电平信号,因此高音量有着高电平,低音量会生成低电平。然后电压信号通过高通滤波器来滤除噪声,滤除信号之后通过运放LM358来放大,最终将信号通入LM3914,它的作用类似电压表,会根据声音大小来决定亮起的LED数。我们来一步步解释:

1.用高通滤波器滤除噪声

MIC对声音很敏感,对环境噪声也很敏感。如果不采取措施的话,放大器也会放大噪声,那么得到的结果必然是不理想的。所以我们在信号通过放大器前需要用高通滤波器来滤除噪声。这里使用的是无源RC滤波器(电阻-电容)。该滤波器设计起来很简单,只需一个电阻和一个电容。

考虑到我们测量的是音频的范围,所以滤波器的设计必须要准确,一定要考虑到滤波器的截止频率。高通滤波器通过信号的高频,将其从输入传到输出端,话句话说就是只允许通过高频,而不是滤波器规定的频率(截止频率)。高通滤波器如图所示。


人耳所能听到的频率范围在2-2kHz。所以我们所涉及的高通滤波器的截止频率在10-20Hz。截止频率的计算公式如下:
F=1/(2πRC)
通过该公式我们可以根据R和C的值计算出截止频率。而我们所需截止频率为10-20Hz。

因此我们选取R=100kΩ,C=100nF,我们就有了16Hz左右的截止频率,也就只允许频率高于16Hz的信号通过,出现在输出端。这些取值并不是强制的,只是为了频率计算更为准确或者方便选型而已。

2.声音信号的放大

移除了噪声后,信号就通过运放LM358来进行放大。此处我们使用负反馈放大器来放大MIC传来的低幅度信号,让其达到能被LM3914所识别的等级。

经典的负反馈连接如下图所示。


输出电压的公式如下,
Vout=Vin((R1+R2)/R2),有了这个公式就可以确定放大器的增益。

MIC信号在μV级时,我们不能将其直接传给电压表进行度数,因为电压表无法拾取这么低的电压。但在100增益的运放下,我们可以将MIC的信号放大,之后传给电压表。

3.用LED实现音量的视觉显示
我们已经有了滤波并放大后的音频信号。这个型号需要传给LM3914的LED电压表,用于测量音频信号的强度。LM3914是10路LED的驱动显示电路。它会根据输入电压来确定LED的亮灭。

LM3914还有许多其它用途,可以改为电池保护电路或安培计电路。此处我们只讨论电压表的搭建。

此处LM3914是一个10级电压表,意味着在10位模式下会有多个变式。芯片感知到输入电压后会与参考电压相比,我们将参考电压设为“V”。每当输入电压身高“V/10”,我们就会多一个LED亮起。比如当输入电压“V/10”时,LED1会亮起,输入电压“2V/10”时,LED2也会亮起。以此类推。

电路中的LM3914
LM3914的内部电路如下。LM3914其实就是10个比较器的组合。每个比较器是一个运放,其负极引脚的参考的电压不断升高。


因为我们参考电压的值应基于最大测量值,运放的输出在0-4V,所以我们需要将LM3914的参考电压设为4V。

参考电压有LM3914的RefADJ引脚上的两个电阻来决定,如下图所示。左下角同时给到了参考电压的计算公式。


而基于固定阻值来分的参考电压有个问题,那就是需要电源改变才能改变参考电压。所以我们将R2改为47kΩ的可变电阻,这样我们就可以随心所欲调整参考电压了。

在4V参考电压的情况下,每有0.4V的升压,就会多一个LED亮起。这就是LED音量表的原理了。

tigerwang711 2019-10-16 20:14:07
很好的经验分享
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王栋春 2019-10-16 21:34:54
这个电路非常经典 多用作多段位比较环境当中
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xinjihua 2019-10-17 08:13:43
八十年代的老电路。
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李_f3d 2019-10-18 10:58:45
好非常经典
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exkrqo101 3 天前
经典电路,而且介绍详细!
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