矿石收音机论坛

 找回密码
 加入会员

QQ登录

只需一步,快速开始

搜索
查看: 19398|回复: 20

【参赛】模块化双通道峰值保持LED电平表

   关闭 [复制链接]
     
发表于 2011-12-13 15:09:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 轻风 于 2011-12-13 21:09 编辑

【参赛】模块化双通道峰值保持LED电平表(双10-100段任意)

(图片被网页缩小,看不清图片的请点击图片再用鼠标滚轮放大,或者右键单击图片---“图片另存为”---保存在硬盘里查看。)


平时很喜欢听音乐,也喜欢那种随着音乐节奏跃动的电平表,所以打算自己diy个绚烂点的电平表。


由于我对指针的那种不是很感冒,觉得反应速度没LED快,就决定做LED的。


初步的打算是做个显示段数多一点的,至少要双三十段以上,最好能带峰值保持功能(就是瞬间达到的电平最高点的LED灯稍缓慢往下掉落的效果)


想要达到这个效果,全分立(一串二极管串联分压那种)肯定不行,用一堆运放做成比较器电路麻烦也难以实现“峰值”的效果,所以决定用专门的LED驱动ic


经过搜索,常用的找到TA766*KA228*LB140*LM391*等系列的。通过查看每个ICdatasheet(数据表),发现LM391*系列有两种显示模式:dot/bar(点/条),可以通过一个引脚的电平来控制,正好符合我需要。而且单个IC能驱动10LED,其他IC都不完全符合要求。因此决定使用这个系列。


LM3914 datasheet封面图)

幻灯片1.JPG



(插曲:有人也许会问为什么不用单片机来做,刚开始我在这个问题上也纠结了一段时间,单片机虽然硬件简单但是能达到的效果有限,显示精度和速度不易达到全硬件的效果,尤其是LED较多的时候。一次性投入高(例如编程器)。如果靠选用高速高性能单片机来做又有成本过高之嫌,而且一般DIYer不容易仿制。因此决定采用全硬件制作,全面使用常用元件。)

选定LM391*系列之后,接下来需要考虑的是整个电路的结构。


此系列有三种IC,分别是LM3914(线性),LM3915(对数),LM3916(指数),内部分压器的分压比不同。线性适合做电压表,对数适合做信号表,指数适合做功率表。前者级联简单可直接级联,后两者相对麻烦,需要用运放来放大和衰减输入信号。


(内部对比图)

幻灯片2.JPG



本场合选择3915是最适合不过的了(人耳听觉对音量的感知和音量电平大小成对数关系),但是级联时需要用多个运放分别衰减处理每个ic的输入信号才能使整个电平表呈对数规律显示,调试麻烦,尤其是较多ic级联时。


39153916级联图)

幻灯片3.JPG



因此权衡利弊决定选用3914。虽然线性不是很贴合人耳听觉感知规律,但是由于显示段数较多,很大程度上可以弥补。而且线性指示还可以大幅度拓展此表的用途,比如完全可以当电压表、电流表用(类似高级数字万用表的模拟条)。


输入部分打算使用运放放大整形,并使用电容做延迟,产生每个声道的即时信号和峰值信号。使用LM324足矣。


为简化电路、降低成本考虑,决定做成扫描显示的。每个显示周期内扫描4次,分别是两个声道的即时值和峰值。


这样的话使用CD4052模拟开关中的一组作为4选一正好,将上面提到的4种信号按照规定的时序送到LM3914


CD4052的另一组模拟开关控制两只三极管,按照规定的时序分别为两声道LED提供电源。

LM39149脚是模式控制脚,可以采用CD4053模拟开关中的一组开关控制该脚电平,来实现点(峰值)和条(即时值)的控制切换。每个CD4053中有三组模拟开关,可控制3LM3914级联。


根据两个模拟开关需要的控制信号来看,选用CD4060作为控制信号发生器正好能满足需要,而且自带RC振荡器。


(插曲:前面3CD4000系列集成电路的选型看似简单,实际是翻阅大量datasheet才确定下来的。要不就不会有那么多“正好”了。比如CD4060的每个输出口都是推挽形式的,另一个类似器件则是弱下拉,两者输出信号看似相同,但必须选4060否则不能正常工作。)


CD405240534060

幻灯片4.JPG



扫描时序的设计原则是尽可能减少开关切换次数。


然后是洞洞板。按照上面的框架边焊边整理原理图,并解决细节问题。焊接、修改洞洞板过程就不上图了,手工不好没有学习价值。上个最终图。


洞洞板简要攻略:LED部分使用双排针座和两个弯针架空了,要不单面洞洞板无法排下,3914紧挨着排针座,其他元件在附近就近排列,飞线连接就OK了。

(洞洞板图)


幻灯片6.JPG


想要着重说明的是以下几个细节。


1CD4060RC振荡器设置:震荡频率f=0.545/(Rx*Cx)。均使用标准单位(HzohmF)。频率太高或者太低都不行,太高影响显示动态,太低会有闪烁感。15-30KHz之间比较合适。需要着重注意的是Rx不应低于50k欧否则可能起振困难。(很多datasheet并没有提到这点。)Rs2-10Rx即可。


2LED驱动电流设置:Iled=12.5/Rled。(标准单位:安,欧)。注意是点亮瞬间的驱动电流,不是平均电流,所以可以设置在20mA以上。最大0.03A。建议宁大勿小。(根据datasheetLED驱动电流=10倍基准端负载电流。)


3、最大电源电压:最小4.5V(其实3v就能使LED微微发亮了),极限20v(超过20v会直接烧ic)。不需要稳压。实际最大电压受3914耗散约束,Vmax=[136.5*Rled/(6875+Rled)]+Vled+VceVledLED压降,VceLED电源开关管压降。可近似简化为Vmax=0.018*Rled+3。当电压超过的时候3914有过热隐患,(根据datasheetLM3914最大耗散1365mW

实际应用时,能低点就低点,取DC59v之间就行了,温度太高没什么好处。使用AC46v的变压器直接整流滤波即可,不必稳压。或者用电流大点的5v手机充电器之类的开关电源。


4、关于9MODE脚的简要分析(不是很容易理解):参考datasheet截图,内部等效成2个比较器。此脚同时具有点/条模式控制、以及进位控制两个功能。在点模式工作时,两个级连的3914中,高位的3914有任意一个LED点亮时需要熄灭低位3914的最后一个LED

把高位3914LED1驱动脚和低位3914MODE脚连接在一起,并把低位3914LED9驱动脚拉高到Vled,当高位3914有任意LED点亮时,高位LED1驱动脚内有个恒流源将电位下拉,使低位3914内比较器作用,熄灭LED10

MODE脚电压与工作状态关系总结:(Vled小于Vcc,差值就是开关管压降)

Vcc-0.1v<Vmode<Vcc时,芯片处于条模式状态

Vled-0.6v<Vmode<Vcc-0.1v时,芯片处于点模式状态

0v<Vmode<Vled-0.6v时,芯片处于点模式状态,并强制熄灭低位的LED10


(示意图)

幻灯片7.JPG



5、由以上分析,还可以可简化最高位3914的控制,如原理图用三极管取代CD4053控制。三极管截止时,两电阻几乎无电流通过,MODE脚相当于被上拉到Vcc,三极管导通时,MODE脚电压等于Vcc减去1N4148上的压降。

==========================================================================================================================================================================================================================================


1.PNG (171.69 KB, 下载次数: 14)
     
发表于 2011-12-16 19:47:51 | 显示全部楼层
很好!支持一下
回复 支持 1 反对 0

使用道具 举报

     
 楼主| 发表于 2011-12-13 15:22:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 799946503 于 2011-12-13 15:24 编辑

(图片被网页缩小了,看不清图片的右键单击图片--“图片另存为”--保存在硬盘上查看。)


基本原理通过之后开始着手PCB制作。


(以上主要谈理论,以下主要联系实际)

萌生了一个做成模块化的想法,即分开做主板、扩展模块,扩展模块可以任意多个级联在一起,根据需要任意实现双102030、……、100段的显示。


经过多次修改,最终实现的功能如下:


1、双路带峰值保持的LED电平表。每套需要一块主板(起控制作用),和若干块扩展板(起显示作用)。


2、板上运放有6倍多增益,满量程输入电压可以低至0.2v左右。


3、通过调节3296电位器,最大输入信号范围可达正负50v


4、以双10段为单位任意级联扩展,组成双10203040……段电平表,理论最多可达双100段(根据LM3914DATASHEET)。


5、最低供电电压直流4.5v,极限20v,推荐范围59v。不建议太高电压、会使温度过高。


6LED恒流驱动,不必稳压,电源在范围内任意波动依然稳定,因此可直接用经过整流滤波的交流46V左右的变压器。


7、节能,静态电流50mA左右,每双10段的电流最大值150mA左右。双40段、使用5V开关电源、用作音频电平表时,平均功耗一般小于1w


设计的特点如下:


1、把324整形、4060振荡、4052模拟开关、最高位扩展板的模式控制电路做在主板上;391420LED4053模拟开关做在扩展板上。


2、由于显示段数比较多,所以设计的比较紧凑,LED间距2.5mm,可以使用2x3x4或者2x5x7的方形LED,尽量找根部无边的,有边的可能放不下,最简单的方法是用大点的指甲剪把边剪掉,也可以用挫磨平。


3、把那种双排座的脚拔掉(很容易拔的),用来定位LED,可以使LED很整齐。


4LED间最好自己另加隔光措施,效果会更好,可以用黑色记号笔把所有LED侧面涂黑。或者把不透光的纸粘在LED之间等。


5、板子是硬画的,没弄什么网络表。模拟部分走线尽量一点接地。数字部分尽量最短走线。


6、安装固定螺丝时需要在板子两面垫绝缘的垫片,因为设计太紧凑,走线和螺丝孔距离太近。


7、每个扩展板上的LM3914MODE脚交给它的上一位扩展板来控制,能最优利用板子空间。


8、每个扩展板都预留了4053的位置,但每三个扩展板装一个即可,其余的空着不装

=======================================================================================================================

板子到了,开始安装:(以双40段为例)


准备工作:


1、需要烙铁、松香、焊锡等基本工具,要求有一定的焊功,烙铁最好接地。


2、需要万用表(最好是数字的),档次无要求,830都可以,但要熟练基本使用。


3、带着充足的信心及平和的心态。


4、释放身上的静电,可以摸接地的金属机箱、水管等


模块概况:由一块主板(正方形)和若干块扩展板(长方形)组成。把他们连接在一起并适当的设置跳线,装好元件,就能实现带峰值保持的电平指示。每个扩展板增加双10段显示。


第一大步:将主板和扩展板连接在一起:


1、把所有的pcb带有“JAGGY STUDIO”字样的面面向自己,并把主板放在最左边,扩展板依次向右排列,排成一横行,准备连接。


幻灯片8.JPG


2、将所有的pcb连接在一起,利用每个pcb的两个边缘的焊盘进行连接(以下简称“板边连接器”)。这里有“硬连接”、“软连接”两种连接方式,请任选一种适合自己的方法:



①硬连接法:

a、定位:把两个40p双排针座插在在扩展板pcb下面、两行LED的位置上(注意只是插在那里,不要焊上),使扩展板之间的相互位置大致确定;(这样能使装配完成之后的LED排列更整齐)

b、用堆锡法将所有板之间相邻的板边连接器连接在一起。注意:暂时只连接板子之间VEECONVCCGNDMODREFSIG7对连接器。

c、把板子翻过来,在背面把这7对连接器也连接在一起。以增加机械强度。

(主板可以直接凭感觉对准。)


②软连接法:

使用导线、铜线、跳线、剪下来的电阻腿等任意导体,将两板之间相邻的连接器连接在一起。同样只连接上面提到的7对连接器。

(两种方法各有利弊:硬连接法操作简单,但需要细心,连接时要尽可能保持所有板子在同一平面上,利于以后往器材上固定,且连接之后不能受太大扭曲力否则有损坏连接处的可能;软连接法焊接比较麻烦,但板间相对位置更自由,甚至可以把多个扩展板安装在器材的一个曲面上,尽情发挥无限创意。缺点是接下来的装配过程中注意不要频繁弯折连接处,避免导线折断)


幻灯片9.JPG


二、设置扩展板上的跳线:


3、仍然把带有“JAGGY STUDIO”字样的面向自己。

(以下的49步骤,可以看图设置,然后直接进入第三大步。以下的文字说明供参考。)


4、从左往右依次编号:主板编号为M,然后从离主板最近的扩展板开始,向右开始依次编为XYZXYZ……。有多少编多少。


5、在所有编号为XY的板子之间,连接Y1Z1Y0Z0共四个板边连接器。


6、在所有编号为YZ的板子之间,连接Z1Z0共两个板边连接器。


7、在所有编号为X的板子上,连接两个X跳线;在所有编号为Y的板子上,连接两个Y跳线;在所有编号为Z的板子上,连接两个Z跳线,


8、在离主板最近的那一个扩展板上,连接A跳线;在离主板最远的那一个扩展板上,连接B跳线。


幻灯片10.JPG


第三大步:安装元件


9、从扩展板开始安装,把板子元件面向上。先从IC2说起,只有编号为X的扩展板需要安装IC2CD4053)。其余的扩展板均空着不装。还有特例:

当离主板最远的那个扩展板恰好为X时,该板不用装CD4053


10、再安装所有扩展板的R120千欧)、R2(不小于417欧)。R2决定LED的电流,公式:Iled=3.125/R2。(标准单位:安,欧姆)。附速查一览表和取值建议:使用普通有色LED时,建议增加电流,选430欧的;使用透明的高亮LED时,如果LED直接露在面板外面,可以考虑适当增大阻值,避免太耀眼;如果经过黑色有机玻璃之类的深色东西滤光,建议提高亮度选430欧的。


11、安装所有IC1ic座(LM3914)。注意ic缺口方向一致,方向和CD4053是反的。


幻灯片11.JPG


12、扩展板告一段落,开始主板,一般按照元件高度,从低到高的顺序安装。先是电阻二极管之类的,然后是IC座,再然后是电容,电位器,功率管,接线端子等。按照元件位置图装就行了。


元件概况:

IC1 CD4052

IC2 CD4060

IC3 LM324

D1-D7 1N4148(注意正负极)

Q1-Q2 TIP127

Q3 8050

R1-R2R5-R12 20千欧

R3-R4R15-R16R18-R19 3.3千欧

R13 100千欧

R14 470千欧

R17 430

VR1-VR2 10千欧

C1-C2 4.7uf

C3-C4 2.2-10uf(看说明)

C5-C6 22-100uf(看说明)

C7 100uf

C8 220pf221)板上错标成了C18

C9 0.1uf104)不装也可

D8 1N4007(看说明)

接线端子附近还有个未标号元件,看说明。

幻灯片12.JPG

幻灯片13.JPG

幻灯片14.JPG

幻灯片15.JPG

回复 支持 反对

使用道具 举报

     
 楼主| 发表于 2011-12-13 15:29:39 | 显示全部楼层
本帖最后由 799946503 于 2011-12-15 11:53 编辑

(图片被网页压缩,看不清图片的请右键单击图片---“图片另存为”---保存在硬盘里查看。)


说明:有几点需要留意下


C1C2为输入耦合电容,和后面可调电阻组成RC低通滤波器,截止频率f=1/2paiRC(标准单位:赫兹,欧姆,法拉)。为计算方便简化为f=16000/C(非标准单位:赫兹,微法)。用于音频指示一般不小于2.2uf即可。这里用的4.7uf

如果前级输出没有直流分量、或用量测量直流电平时,可以直接短接该电容。


C3C4决定电平显示的响应速度,取值越小反应越迅速闪动速度越快,越灵敏,但闪动太快容易给人晃眼睛的感觉。取值越大反应越平缓,闪动的越慢,但灵敏程度下降。取值范围在2.2-10uf之间比较合适。这里取值4.7uf


C5C6决定电平显示的峰值点的掉落速度,取值越小掉落越快,取值越大掉落越慢。取C3C410倍左右即可。这里取值47uf


④以下电阻最好用数字表挑选,两两配对,选用阻值相近的:(两个阻值互相接近即可:比如20k的,选出了两个都是20.3k的就能用,而不是非要正好20k

R3R43.3k

R5R620k

R7R8 20k

R9R10 20k


⑤关于防电源正负极反接电路:由D8和电源接线端子附近的一个未标号元件组成(以下称为D9),有以下几种装法可自行选择:

a.我有点粗心,经常会把电源接反:请在D9处安装4007,注意极性。D8空着不装。优点是接反电源不会损坏,缺点是浪费电能。

b.我比较细心,接反电源的可能性不大,且我的电源有短路保护功能:请短接D9,在D8处装4007。优点:不浪费电。缺点:电源接反时由4007将电源短路,如果电源不具备保护功能自动关断输出,4007将很快烧毁,进而损坏其他元件。

c.我比较细心,接反电源的可能性不大,但我的电源无短路保护功能(比如变压器直接整流滤波):请在D8处装4007,在D9处装0.几欧的保护电阻(或保险丝)。优点:浪费极少的电。缺点:D9处保护电阻阻值需根据多种因素来计算。电源接反时直接烧坏保护电阻。

d.我很细心,接电源线时有信心不会接反:直接短接D9,不装D8。缺点:一旦接反电源可能有灾难性后果。


⑥显示刷新频率:由C18(丝印错,应为C8)、R13共同决定,计算式f=3550000/(R*C)。(非标准单位:赫兹,千欧,皮法)。R14应取210倍左右的R13

刷新频率一般取100200Hz,太高影响显示动态,太低有闪烁感。这里R13100千欧,R14470千欧,C220皮法。


13、焊接LED,可以用钳子把双排座的脚全部拔掉,(很容易就能拔下来的),用来定位LED,能使LED看起来非常整齐。

注意正负极:板子两排的LED靠外侧的一脚都是正极。(LED极性判断:一般长脚为正极;或者观察封装里面的金属片,一般较小的是正极;圆形的LED的边缘缺口处为一般负极;前几个方法偶尔见有例外的,最准确的方法是,数字万用表放到HFE档,LED插在NPNC-E处,正反插各试一次,能亮的话C孔正极,E孔负极。)

LED比较怕烫,最好几秒内焊好。技巧是提高烙铁温度,迅速焊好,减小加热时间。如果几秒内未能焊好一个脚,宁可用嘴吹几下或者稍等一会让引脚凉下来再焊,也不要延长加热时间。

可以用2x3x4或者2x5x7的方形LED,有些LED根部的边缘太大会装不下,用指甲剪或者挫干掉就行了。


幻灯片16.JPG

幻灯片17.JPG

幻灯片18.JPG


14、把所有板子之间CH1CH2连接器连接在一起,和LED共用焊盘,其实就是两排LED的正极。


幻灯片19.JPG


四、安装完毕,进行调试与优化:


15、把两个3296电位器逆时针拧至少10圈,在VCCGND

处接5V电源(串万用表10A档),此时LED应该全部熄灭

,电流50mA左右。


16、把信号线接在两个输入端子上,慢慢顺时针调节3296电位器,使LED显示点数合适即可。(技巧:设法使信号源处于最大输出幅度的状态,然后仔细调节3296使最高位LED刚好亮起即可。)


17、板上有几处可以优化的地方(不是所有人都需要做,如果你认为你的电平表目前工作状况已经令人满意的话可以略过不看):

①当使用比较灵敏的高亮LED时,如果一路没有输入信号,另一路有输入信号,可能会发现没有输入信号的那路的1个或几个LED被另一路“干扰”,随着另一路很微弱的亮起,白天通常不易察觉。此现象是由于开关管的微弱漏电引起,截止不彻底,解决方法是在开关管b极接上拉电阻,我接的3.3k欧。(直接接在13脚之间)

②当输入信号的电平很大、再突然变得很小时,多数LED都熄灭了,只有峰值点的LED还没有来得及下落。此时可能会发现有的扩展板的第一个LED很微弱的亮起。通常发生在段数非常多的情况下,是由于模拟开关CD4053的内阻造成,解决方法是在39141脚接上拉电阻,我接的20k欧。(直接接在13脚之间)


幻灯片20.JPG


五、装机


18、根据自己机壳安装即可,注意板子螺丝孔的两面需要垫绝缘的垫片,因为走线离螺丝孔太近了。如果使用硬连接法的,注意开孔精度和螺丝松紧程度,不要使板子受扭曲力。段数较多的,螺丝孔会较多,不必每个都用上,能可靠固定即可。

其实这个板子还支持不带峰值显示的普通点状或者条状显示方式,可用C跳线和D跳线来实现,但是这样有点“大才小用”了,不再赘述。


diy实例:4通道40段电平表


曾经有个屏碎的液晶电视,正好能装的下2套双40段的板子,就利用其外壳和固定架做了个音乐电平表。


还可以作为维修电源的电压、电流指示表。(同时克服指针表不直观和数字表刷新慢的缺点。类似有些数字万用表的模拟条)


可以作为温度计、水位计、湿度计等的显示部分。(需要根据传感器变化曲线规律标定。)


视频效果:


http://v.youku.com/v_show/id_XMzMyMzA2NDY4.html
(手机录的,比实际效果要差)
视频上有四首歌,分别采用四中东西作LED滤光
1.凤凰传奇 -深深爱(使用类似光盘袋那种纸)
2.轻音乐-森林狂想曲(使用黑色塑料袋,个人觉得这个效果最好)
3.李贞贤-独一无二(使用普通A4纸,效果不太好)
4.董贞-回到起点(使用红色有机玻璃,效果还行就是看不出颜色了)
模块化的原理图(这个图只是说明原理,没体现出PCB的设计理念,PCB的扩展板是三个板中装1个4053、其他2个空着,然后用几个跳线来设置)
2.PNG

评分

2

查看全部评分

回复 支持 反对

使用道具 举报

     
发表于 2011-12-14 12:12:32 | 显示全部楼层
好!
回复 支持 反对

使用道具 举报

发表于 2011-12-14 12:50:21 | 显示全部楼层
提示: 作者被禁止或删除 内容自动屏蔽
回复 支持 反对

使用道具 举报

发表于 2011-12-15 07:59:12 | 显示全部楼层
这个做得太好了,有剩空板不,出两套给我!
回复 支持 反对

使用道具 举报

     
 楼主| 发表于 2011-12-15 14:24:09 | 显示全部楼层
这个做得太好了,有剩空板不,出两套给我!
yanming2010 发表于 2011-12-15 07:59



    感谢支持,参赛贴尽量不谈交易,已pm。
回复 支持 反对

使用道具 举报

     
 楼主| 发表于 2011-12-15 14:25:19 | 显示全部楼层
感谢楼上所有人支持。。
回复 支持 反对

使用道具 举报

     
发表于 2011-12-16 18:40:25 | 显示全部楼层
支持一下!!!
回复 支持 反对

使用道具 举报

发表于 2011-12-16 18:59:50 | 显示全部楼层
支持支持^_^
回复 支持 反对

使用道具 举报

     
 楼主| 发表于 2011-12-18 14:30:15 | 显示全部楼层
感谢支持。。。
回复 支持 反对

使用道具 举报

     
 楼主| 发表于 2012-1-7 19:30:31 | 显示全部楼层
请问楼主,3914是线性的,能不能在输入前加一级对数放大器,就是用二极管做负反馈的运算放大器,以改变显示 ...
ham88 发表于 2012-1-7 00:27



    理论上是完全可以的,但实际转出来的精度受二极管的影响,而且且不是很贴合对数曲线。最起码两路的二极管要配对。
可以使用专用的对数放大器,TI和MAX好像出过这种IC。
回复 支持 反对

使用道具 举报

发表于 2012-1-17 17:37:09 | 显示全部楼层
这个要支持!!!!
回复 支持 反对

使用道具 举报

     
发表于 2012-3-2 08:09:32 | 显示全部楼层
好强大,支持
回复 支持 反对

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 加入会员

本版积分规则

小黑屋|手机版|矿石收音机 ( 蒙ICP备05000029号-1 )

蒙公网安备 15040402000005号

GMT+8, 2024-4-29 19:15

Powered by Discuz! X3.4

© 2001-2023 Discuz! Team.

快速回复 返回顶部 返回列表