Семиполосный спектроанализатор звука на микроконтроллере. Семиполосный спектроанализатор звука на микроконтроллере 10 полосный анализатор спектра на atmega8

Miguel A. Vallejo

После посещения некоторых web страниц, на которых рассказывалось об анализаторе спектра ISM диапазона 2.4 ГГц на основе модуля CYWM6935 , я попытался создать собственный анализатор, но с некоторыми улучшениями. В тех проектах, что я нашел в сети, использовалась связь с компьютером, либо через параллельный порт, либо через последовательный. Я же хотел сделать анализатор портативным, и решил использовать микроконтроллер и графический ЖК дисплей.

У меня было несколько старых телефонов Nokia, так что я мог использовать пластиковый корпус и встроенный LCD для своего портативного анализатора, но… Сделал ли я так? Давайте посмотрим:

Микроконтроллер: Я выбрал ATMega8 с напряжением питания 3.3 В, поскольку и ЖК модуль, и CYWM6935 питаются напряжением 3.3 В. ATMega8 прекрасно справляется с поставленной задачей, работая даже на низких, внутренних тактовых частотах. Я выбрал частоту 4 МГц, используя внутренний генератор.

ЖКИ: ЖК индикатор взят от сотового телефона Nokia 3410. В нем используется контроллер PCD8544 , работать с которым очень легко. Можно найти множество примеров программ для работы с этим контроллером.

Аккумулятор: Эти телефоны использую LiIon или NiMh аккумуляторы, но с технической точки зрения оба типа эквивалентны. Их диапазон напряжений от 4.2 до 3.6 В. Моей первой идеей было использовать стабилизатор на 3.3 В, но я не нашел ни одного подходящего, и просто включил диод 1N4004 , между аккумулятором и схемой. После этого, за счет падения 0.6 В на диоде, диапазон напряжений питания снизился до 3.6 … 3.0 В. Поскольку указанные для ЖКИ и модуля CYWM6935 напряжения питания должны находиться в пределах от 2.7 до 3.6 В, все будет работать нормально.

Макет

Собрав макет для тестирования модуля и проверки программ микроконтроллера, я столкнулся с первой проблемой. Я нашел в Интернете, что ЖК дисплеи Nokia 3410 и Nokia 3310 использует один и тот же контроллер PCD8544, и, следовательно, могут управляться одной и той же программой. И да и нет. Набор инструкций у обоих ЖКИ, действительно, одинаковый, но форматы экранов разные. Дисплей от Nokia 3310 имеет разрешение 84 × 48 точек, а от Nokia 3410 - 96 × 65 точек, так что подпрограммы управления дисплеем должны быть переписаны с учетом другого формата.

После исправления подпрограмм, вы будете ожидать, что ЖК дисплей заработает, не так ли? Снова нет. Дисплей от Nokia 3410 имеет видимое разрешение 96 × 65 точек, но реальное разрешение внутри контроллера ЖКИ - 102 × 72 точки, и это вам придется учитывать при написании программы.

Вторая проблема была связана с модулем CYWM6935, для которого очень важно строго соблюсти временные соотношения сигналов и выполнить корректную инициализацию. Когда же, наконец, я все сделал правильно, и анализатолр спектра заработал, я увидел на экране сигнал от беспроводной камеры, работавшей на частоте 2468 МГц.

После множества экспериментов, я нашел несколько способов отображения спектров на дисплее. Один для отображения быстрых цифровых сигналов (таких как WiFi, Bluetooth, и т.п.), один для отображения аналоговых сигналов (беспроводные камеры, беспроводные телефоны и т.п.) и один для отображения среднего по всему диапазону значения. Для удобного переключения между этими режимами мне понадобилась пара кнопок. И, поскольку устройство работает от аккумуляторов, не лишним был бы вольтметр, показывающий их напряжение на экране. С помощью АЦП микроконтроллера сделать это было несложно. Окончательная схема для анализатора спектра диапазона 2.4 ГГц была готова:

Монтаж анализатора

В копусе Nokia 3410 много свободного места для монтажа компонентов, но с одним существенным ограничением: высота печатной платы с компонентами не может быть больше 3.3 мм. Это высота оригинальной печатной платы телефона. При использовании SMD компонентов эта проблема решается легко.

Чтобы плата с деталями вписалась по высоте в 3.3. мм, пришлось вырезать в плате отверстия под DIP корпус микроконтроллера ATMega8 и под две кнопки. Сделав отверстия, сделаны, я склеил вместе плату с пластиковым корпусом ЖКИ, а затем припаял проводами узкие контакты дисплея к контактам платы.

Модуль CYWM6935 выше, чем 3.3 мм, но его можно разместить на месте телефонной антенны, если предварительно отрезать от модуля передающую антенну. Все равно, использоваться она не будет.

Разместив все части анализатора, я соединил их тонким монтажным проводом. Вот окончательный вариант. Не слишком красивый, но полностью функциональный:

Осталось завернуть шесть винтов, и анализатор готов.

Окончание читайте

Перевод: /i/Image/wand.gif по заказу

• Подскажите,если кто-то собирал "этот приборчик, как он в работе,есть ли какие нюансы при сборке,можно ли применить вместо модуля CYWM6935, модуль IDWARF-168 со встроенным контроллером ATmega168(вроде он аналог CYWM6935). Хотелось бы узнать побольше информации о нем.! Если кто собирал поделитесь впечатлением?:)
• Неужели даже ни кто и не собирал приборчик. Дело в том,что я прошил ATMega8 ,дисплей не 3410,а прикрутил 3310. Запустил на отладочной получил картинку как у автора,только на строку уже и короче,кнопки режимы отрабатывают,а модуля супрессора,такого нет. Заказал аналог,а он с уже встроенным контроллером 168 мегой, прошивку перекомпеллировал под 168 мегу,пока не прошил,попросту в наличие сейчас ее нет,поэтому и хотел узнать стоит замарачиваться собирать или как?
• Жаль,что нет повторивших его,сегодня прошил 168 мегу,перекомпелированной прошивкой,внутренний кварц установил на 8мгц при прошивки фузов,воткнул в отладочную на место 8 атмеги,все сраслось,дисплей пошустрее стал показывать..Теперь осталось модуль с гуном на 2.4 ггц забрать,дело за этим осталось и железо под 168 мегу собрать,если все срастется,то устройство получится не больше индикатолра 3410 от нокиа. ,короче со спичечный коробок!:) P.S. Все жду с надеждой,кто нибудь да откликнется!
• Привет.Тоже пробую собрать данный девайс но не имел дело с атмегами.Не подскажешь,киким Компилятором преобразовывал файл написанный на C+ в hex?Можешь скинуть HEX для анализатора?Заранее спасибо.
• Во второй части статьи указано, что использовался компилятор AVR-GCC (WinAVR)? в нем компилируете и получаете файл для прошивки микроконтроллера. Ну, либо вам помогут и предложат готовый файл...
• Спасибо за ответ.
• К сожалению отдельный модуль не достал,а достал аналог.С аналогом пока не разобрался. Сейчас есть вот такой приборчик -анализатор спектра, кого заинтересует --вот ссылка на него. http://electronix.ru/redirect.php?http://vrtp.ru/index.php?showtopic=18816&st=690
• Собрал данный анализатор 2.4 ГГц на монтажной плате,без вч модуля...Работает.Теперь нужен вч модуль.
• На данный момент,тоже самое,работает на отладочной,но нет самого глаза прибора!(самого модуля,есть аналог навороченный,нет мозгов его прикрутить!!) . Надо обязательно собрать данный девайс, тем более у меня есть с чем сравнивать.. Вот аналог вч модуля.Может кто,что присоветует?
• подскажи а без модуля вч какая рабочая частота. мне бы надо не более 20кгц. и скинь пожалуйста прошивку если можно с исходником. можно в почту. vskitovich @yandex.ru а то что то не по глазам видно. искал в инете не нашел. хотелось бы тоже такой прибор но для других целей. тем более у тебя он работает хоть и без одного блока. заранее благодарен.

В этой статье приведена принципиальная схема 10-ти полосного анализатора спектра (индикатора), которую можно применить при конструировании каких-либо усилителей, если не устраивают ламповые, простенькие светодиодные, или стрелочные индикаторы. Вообще в сети можно найти огромное множество схем подобного назначения, ну а мы с вами остановимся на более сложном варианте, данная схема построена с применением микроконтроллера Atmega8. Давайте рассмотрим схему:

Кроме микроконтроллера есть еще пара микросхем, это операционный усилитель TL071, на него приходит линейный сигнал, и дешифратор CD4028, аналогом последней является отечественная микросхема К176ИД1. Питается устройство от блока питания, реализованного на интегральном стабилизаторе 7805. Кварц имеет частоту 18 MHz. Также на схеме мы видим кучу транзисторных ключей, управляющих светодиодной матрицей. Схема матрицы показана ниже:

100 светодиодов образуют матрицу 10х10. Частоты, на которые реагирует каждый столб матрицы следующие:

31Hz, 62Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1kHz, 2kHz, 4kHz, 8kHz, 16kHz

С помощью J4 и J5 можно задать режим работы индикации, то есть работа в линейном режиме, в линейном режиме с индикацией пиков, в режиме точек, и режиме точек с индикацией пиков. Вместо этих джамперов для оперативности смены режимов можно установить какие-либо миниатюрные переключатели.

Печатные платы устройства.

С печатной платой в формате LAY пришлось немного повозиться, ни один элемент на ней был не подписан, плата просто имела кучу контактных площадок, соединенных дорожками, поэтому пришлось ее переделать используя свои шаблоны деталей (макросы), полностью отрисовать слой шелкографии с указаниями номиналов элементов.

В переработанном виде платы имеют следующий вид:

Дроссель по питанию микросхемы CD4028 установлен для корректной работы дешифратора, в принципе вместо него можно поставить перемычку (смотри нижний левый угол платы).

Стабилизатор 7805 устанавливается на небольшой радиатор:

Плата в сборе выглядит так:

Все необходимые материалы для повторения индикатора, в том числе прошивку микроконтроллера и информационный файл по установке фьюзов для программы Algorithm Builder вы найдете в архиве. Также в нем есть оригинальная статья из зарубежного журнала, в которой рассматривается этот спектроанализатор, ну и конечно печатные платы блоков в формате LAY6. Размер файла – 6 Mb.

Принципиальная схема блока фильтров и предусилителя ниже на рисунке. Фильтры настроены на следующие частоты: 32Гц, 63Гц, 125Гц, 250Гц, 500Гц, 1кГц, 2кГц, 4кГц, 8кГц, 16кГц.

Печатная плата. Изготавливалась самостоятельно при помощи фоторезиста.

Рекомендации по подбору емкостей- номиналы емкостей лучше подбирать с помощью LCR метра (я пользовался E7-22) нестандартные номиналы получал параллельно или последовательно собирая из стандартного ряда.

Принципиальная схема линейки индикаторов.

Печатная плата в DIP и SMD вариантах все есть в архиве.Платы заказывал на производстве так как дома такие размеры было проблематично сделать (размер в DIP 320х50).
В качестве диода можно использовать любой быстродействующий диод Шоттки. Сопротивление резисторов на светодиоды зависит от типа используемых светодиодов, (надо рассчитать по току), можно использовать любые другие светодиоды с пересчетом или переделкой схемы. ДА есть еще одно замечание- это потребление одной линейки, при задействовании все 40 светодиодов линейка потребляет 40*0,02А=0,8А а все 10 линеек будут кушать при полном задействовании светодиодов 8А!! не забудьте подобрать соответствующий блок питания. Если будете использовать покупной импульсный БП с несколькими входами как правило это +/-12В, +5В, то есть один нюанс с которым я столкнулся, если одноканальные Импульсные БП в большинстве не требуют нагрузку для запуска, то многоканальные требуют, т.е. необходимо нагрузить все каналы чтобы БП запустился.
Настройка.
Настройка заключается в установке равенства чувствительности всех каналов. Нужен генератор НЧ и низкочастотный милливольтметр. На генераторе устанавливают последовательно частоты 32 Гц, 63 Гц, 125 Гц, 250 Гц. 500 Гц, 1 кГц, 2 кГц, 4 кГц, 8 кГц и 16 кГц. Частоты поочередно подают на вход прибора. При этом параллельно выходу генератора НЧ должен быть подключен милливольтметр, по его показаниям нужно следить за тем, чтобы величины напряжения ЗЧ, подаваемые с ГНЧ на всех частотах были одинаковыми (при необходимости регулировать регулятором уровня выхода ГНЧ). Выставляем R42 предварительного усилителя в среднее положение и начиная с частоты 32 Гц на ГНЧ устанавливают такой уровень выходного напряжения при котором в среднем положении R2(блока фильтра 32Гц) горит средний светодиод индикаторной шкалы. Запоминаете этот уровень выходного напряжения ГНЧ. Затем повышаете частоту до 64 Гц. Устанавливаете такой же уровень НЧ с выхода ГНЧ (смотря по милливольтметру), и регулируете R*в фильтре 63Гц так чтобы горел средний светодиод шкалы 63 Гц.
Аналогичные операции проделать на всех других частотах. Предварительно можно точнее установить средние частоты полос, определив среднюю частоту каждого фильтра перестройкой частоты ГНЧ в некоторых пределах относительно указанной частоты на схеме. Затем, если есть существенное отличие, отрегулировать частоту соответствующим изменением емкостей конденсаторов.

Несколько фото процесса изготовления

Данный проект является логическим продолжением проекта "Темброблок с микроконтроллерным управлением на TDA8425". Для расширения функционала я предлагаю вам собрать простой спектроанализатор звука. Анализатор спектра обрабатывает сигнал и на светодиодных шкалах показывает его интенсивность в определенных частотных диапазонах. Итак, ниже схема устройства.

Сердцем устройства является микроконтроллер фирмы MICROCHIP. Это новый представитель семейства 8-ми выводных Flash-микроконтроллеров. Фирма MICROCHIP продолжает разработку и производство передовых продуктов, предоставляющих пользователю большую функциональность и надежность. Контроллер PIC12F675 объединил все преимущества архитектуры микроконтроллеров PICmicro и гибкость Flash программной памяти. При низкой цене и малых размерах этот контроллер обеспечивают функциональность и удобство использования, которые были недоступны ранее.

Аудио сигнал подается на вход микросхемы - симиполосный фильтр японской корпорации ROHM. BA3834F имеет семь полосовых фильтров: 68 Гц, 170 Гц, 420 Гц, 1000 Гц, 2400 Гц, 5900 Гц, 14400 Гц. Выбор соответствующего фильтра осуществляет микроконтроллер PIC12F675.

Выходной сигнал с каждого полосового фильтра оцифровывается микроконтроллером и передается на микросхемы-драйверы (последовательный регистр сдвига с выходной блокировкой). В свою очередь, комбинация сигналов на 74HC595 включает соответствующие светодиоды. Светодиоды сгруппированы в матрицу из 7 столбцов "X" и 16 строк "Y" с общим анодом. Всего 112 светодиодов.

Спектроанализатор конструктивно собран на двух платах - управления и индикации. Ниже рисунок и фото платы управления.

Рисунки печатных плат односторонние; изготавливаются любым доступным способом, например ЛУТ. Обратите внимание - микросхема BA3834F в корпусе SOP18. Она смонтирована со стороны дорожек способом поверхностного монтажа. Далее рисунок и фото платы индикации.

Аноды светодиодов соединены между собой над поверхностью платы и подпаяны к контактным площадкам. Для более удобного соединения были использованы штыревые разъемы типа PLS (однорядные с шагом 2,54 мм); соответственно, для кабеля понадобятся гнезда с контактами типа BLS (однорядные с шагом 2,54 мм) и кримпер 6PK-301U (клещи обжимные) для заделки разъемов на кабель.