Publicado por el 19 septiembre, 2017 3 comentarios
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CC BY-SA 4.0

Lo cierto es que a la mayoría de la gente le gusta la música, incluso hay quien lo considera un pilar fundamental para la felicidad humana. Yo solo se que me gusta jugar con dispositivos que utilicen una señal de audio como entrada y hagan algo interesante con ella. Un ejemplo de esto es un vúmetro y un clásico entre los electrónicos es montar un circuito de vúmetro con lm3915.



¿ Qué es un vúmetro ?

Un vúmetro es un dispositivo que muestra de manera gráfica el volumen de una señal de sonido, lo puede hacer mediante agujas, píxeles, LEDs o cualquier otra cosa que se te ocurra.

En este vídeo montamos un vúmetro con lm3915 y LEDs tratando de actualizar el original ya visto en otro tutorial añadiendo todas aquellas partes que muchos de vosotros echasteis de menos.

Puedes descargar todos los archivos desde el repositorio en GitHub

Repositorio

Puedes acceder al repositorio del proyecto en GitHub. https://github.com/RinconIngenieril/Vumeter/tree/master

La PCB está diseñada de manera modular y es posible implementar tres tipos de filtro, un paso altos, un paso bajos y un paso banda usando para ello filtros RC de primer orden.

Esquema vúmetro con lm3915

Todos los led se encuentran conectados al circuito integrado lm3915, el cual convierte la señal analógica de entrada en una señal dígital.

El primer LED es el que se encuentra más abajo mientras que el LED que se encuentra más arriba es el número 10.

El led número 10 es el equivalente a 0dB, lo que en términos de tensión para este diseño significa tener 2.58 v en la entrada del circuito LM3915. Mientras que el LED 0 es el equivalente a -27 dB en la señal de entrada, es decir, 115.2 mV de tensión.

Es decir que mientras que la tensión de entrada se encuentre entre 115.2 mV y 2.58 v se verá alguna respuesta en el vúmetro. Como la entrada de tensión al circuito puede ser desconocida, el circuito cuenta con una etapa de amplificación simple. Esta etapa permite adaptar la señal de entrada a la requerida por el lm3915.

Configuración del integrado LM3915

El uso del LM3915 exige el cálculo de dos resistencias encargadas de fijar la tensión de referencia del driver. La tensión de referencia controla la corriente de salida de cada canal (cada LED) y la tensión de referencia superior del driver.

El objetivo, no superar 15mA por canal y 3v de referencia. Podemos usar dos resistencia de R1=1 KΩ y R2=1 KΩ.

Según el fabricante y debido a la fuente de tensión constante de 1,25 v del circuito integrado, la tensión de referencia es:

(1)    \begin{equation*} V_{REF} \ = \ 1.25 \ \cdot ( 1 \ + \ \frac{R_2}{R_1} ) \ + \ R_2 \ \cdot \ 80 \mu A \end{equation*}

Por tanto Vref = 2.58 v

La corriente de cada canal de salida es función de la tensión de referencia

(2)    \begin{equation*} I_{LED} \ = \ \frac{12.5}{R_1} \ + \ \frac{V_{REF}}{2200} \end{equation*}

Por tanto la corriente que el integrado proporciona a cada LED es de 13.67 mA


Diseño del amplificador

Debido a que la tensión de la señal de entrada puede ser desconocida, toca implementar una etapa de amplificación. vamos a usar el integrado LM358 por usar alimentación simple y contener dos amplificadores en el mismo encapsulado.



Considerando que las tensiones de pico de entrada están comprendidas entre 25mV y 250mV y la salida máxima debe ser de Vref = 2,58 , la ganancia del amplificador no inversor deberá estar comprendida entre:

  G_{max} \ = \ \frac{V_{OUT}}{V^{min}_{in}} \ = \ \frac{2.58}{0.025} \ = \ 103.2

  G_{min} \ = \ \frac{V_{OUT}}{V^{max}_{in}} \ = \ \frac{2.58}{0.25} \ = \ 10.32

Como se usa una configuración no inversora del amplificador inversor, la ganancia es:

(3)    \begin{equation*} G \ = \ 1 \ + \ \frac{R_2 \ + \ R_{V1}}{R_1} \end{equation*}

Conociendo las ganancias máximas y mínimas podemos calcular las resistencias. Usando la ganancia mínima y considerando que el potenciómetro tiene valor 0, podemos calcular R1 y R2. Usando los valores anteriores y la ganancia máxima podemos calcular el valor del potenciómetro. Como resultado R1 = 1KΩ R2 = 10kΩ y Rv1 = 100kΩ.

Calculo del amplificador para vúmetro con lm3915

Calculo del amplificador para vúmetro con lm3915

Diseño del filtro paso bajos y paso altos

Para poder representar en el vúmetro solo la parte del espectro audible que nos interese vamos a montar dos filtros de primer orden, un filtro paso bajos y un filtro paso altos. La ecuación que modela este tipo de filtro es:

(4)    \begin{equation*} F_c \ = \ \frac{1}{2 \pi R C} \end{equation*}

El filtro paso bajos actuará con una frecuencia de corte para la banda de paso de 200 Hz y lo implementaremos con un condensador de poliéster de 100 nF. Si despejamos el valor de la resistencia de la ecuación anterior.

(5)    \begin{equation*} R \ = \ \frac{1}{2 \pi F_c C} \ = \ 6216 \end{equation*}

El valor comercial más cercano es de 6k2 Ω, con el cual la frecuencia real del filtro se desplaza hasta 256,7 Hz.

Podemos hacer lo mismo para el filtro paso altos en 2KHz y un condensador de 10 nF. La resistencia será de 7957, cuyo valor comercial será 8k2 Ω.

Filtro en vumetro LED con lm3915

Filtro en vumetro LED con lm3915

Led indicador de encendido

En la placa de circuito impreso se encuentra la posibilidad de colocar el LED D1 y la resistencia R8 para indicar el estado de energía del circuito.

LED de alimentación

LED de alimentación

El LED se alimenta desde el regulador de tensión con salida fija a 5v (lm7805). Debido a que la tensión del LED es de 1,8 v y su corriente de 15 mA debemos colocar una resistencia.

(6)    \begin{equation*} R_8 \ = \ \frac{V_{DD} - V_F}{I_{LED}} \ = \ \frac{5 - 1.8}{15mA} \ = \ 213 \Omega \end{equation*}

El valor comercial más cercano es de 220 Ω. Este valor genera una corriente de 14,55 mA, que se encuentra de los límites del led.

PCB – Circuito impreso

La PCB etá fabricada en PCBWay con los siguientes parámetros de fabricación:

  • Material: FR-4 TG130
  • Grosor: 1.6mm
  • Espaciado mínimo: 6/6 mil
  • Tamaño mínimo de taladro 0.3
  • Máscara de anti-soldadura: Azul
  • Silkscreen: Blanco
  • Acabado superficial: HASL con plomo
  • Cobre: 1 oz

Las dimensiones según del diseño son de 42.2 x 72 mm.

Vúmetro por etapas con lm

Reacción del vúmetro con lm3915

Como opinión personal decir que el circuito funciona bastante bien para estar diseñado con componentes genéricos. La mayoría se pueden conseguir en cualquier tienda de electrónica, quizá el único más difícil de conseguir es el lm3915, para este último puedes recurrir a eBay o Amazon.

El gran problema que he descubierto es que la cámara no reacciona correctamente y no puede grabar el funcionamiento del vúmetro de manera realista. Jugando con velocidad de obturación, apertura de diafragma y frame rate he llegado a la conclusión de que no se aprecia correctamente por que la cámara no llega a cumplir el Teorema de Nyquist sobre el muestro de la señal.

Sin embargo, esto último no es problema del diseño, sino de la cámara con la que grabo.

Si tienes cualquier duda o sugerencia sobre el vúmetro no dudes en dejar un comentario.

 




Sobre el autor
Enrique Gómez
Amante de la ingeniería electrónica, de la comunicación audiovisual y de la divulgación ingenieril y científica. Friki de Star Wars desde el principio. Puedes saber más sobre mi y sobre mis trabajos en enrique.rinconingenieril.es
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