|
Voor ongeveer € 30,00 krijgt u dit leuke hebbedingetje, waarmee u de frequentie samenstelling van een audiosignaal zichtbaar kunt maken, in huis. U moet alleen de zestien LED-display's met de nodige zorgvuldigheid op een van de twee printjes solderen en deze PCB's op elkaar monteren. |
Kennismaking met het AK1616 audio spectrum display
Wat is een audio spectrum display?
Geluid bestaat uit allerlei frequenties in het gebied tussen 20 Hz (diepe bastonen) en 20 kHz (voor de meeste mensen onhoorbare hoge tonen). Het kan interessant zijn om te onderzoeken hoe de frequenties die in een bepaald audiosignaal aanwezig zijn over dit brede gebied van 20 Hz tot 20.000 Hz zijn verdeeld. Dat kunt u doen met spectrum analyzers, die het volledig frequentiegebied in een aantal smalle bandjes verdelen. Zij meten hoeveel frequenties die in het geluid zitten in iedere band aanwezig zijn. Via een display wordt de momentane geluidssterkte (de amplitude) in ieder van die bandjes zichtbaar gemaakt.
De AK1616 van het Chinese AK Technology verdeelt het frequentiespectrum in zestien bandjes en toont de momentane amplitude in iedere band onder de vorm van LED-display's die zestien segmenten bevatten. Op die manier krijgt u op 16 x 16 LED's een goed inzicht in de frequentiesamenstelling van het geluid.
 |
| De compleet gemonteerde AK1616 aan het werk. (© Banggood) |
'Bouwpakket' is eigenlijk een te groot woord want de meeste elektronica is, onder de vorm van uiterst kleine SMD-onderdeeltjes, al gesoldeerd op de basis-print. Het enige dat u nog moet doen is zestien LED-display's op de tweede print solderen. Dat is overigens een klus waarvoor u heel veel geduld, zorgvuldigheid en een heel fijne soldeerpunt nodig hebt. De soldeereilandjes staan slechts 2,05 mm uit elkaar en zijn niet veel groter dan 1,3 mm. Een vaste hand en het gebruik van zeer dunne soldeer zijn dus absoluut noodzakelijke attributen.
 |
| Een vaste hand en het gebruik van een fijne soldeerpunt zijn absoluut noodzakelijk! (© 2020 Jos Verstraten) |
Hier is niets op aan te merken. De AK1616 wordt geleverd in een stevig kartonnen doosje en de zestien display's zijn op een stukje piepschuim gestoken zodat de aansluitpennetjes recht blijven. Dat is heel belangrijk, want een display waarvan de pennetjes niet recht staan zult u alleen met heel veel moeite op de print kunnen monteren. De twee printen en de onderdelen zitten in twee antistatische plastic zakjes. Een handleiding ontbreekt echter, de noodzakelijke informatie voor het bouwen van de schakeling en, nog belangrijker, het bedienen van het apparaat moet u dus via Internet (of nu dus via dit artikel) bij elkaar sprokkelen.
 |
| Op deze manier wordt de AK1616 geleverd. (© 2020 Jos Verstraten) |
In de onderstaande foto is samengevat wat u kunt verwachten als u de twee zakjes open maakt. Naast de twee printen van 175 mm bij 50 mm en de zestien LED-display's bevat de levering:
- Vier afstandsbusjes en acht schroefjes voor de montage van de twee printen.
- Drie printconnectoren waarmee u de twee printen onderling verbindt.
- Een USB-voedingskabel met een lengte van 110 cm.
- Een stereo-kabel met een lengte van 150 cm met 2,5 mm connectoren.
- Een verloopconnector van 1 x stereo naar 2 x mono.
 |
| De inhoud van het bouwpakket. (© 2020 Jos Verstraten) |
De ontwerpers van deze schakeling hebben het audio frequentiebereik van 20 Hz tot 20.000 Hz ingedeeld in zestien banden met de onderstaande centrale frequenties:
32 Hz ~ 64 Hz ~ 96 Hz ~ 128 Hz ~ 160 Hz ~ 192 Hz ~ 256 Hz ~ 320 Hz ~ 480 Hz ~ 640 Hz ~ 800 Hz ~ 1.024 Hz ~ 2.048 Hz ~ 4.096 Hz ~ 8.000 Hz ~ 16.000 Hz.
Als u deze zestien frequenties op een logaritmisch ingedeelde frequentie-as uitzet blijkt dat deze niet evenredig over deze as zijn verdeeld. Zo'n logaritmisch ingedeelde as wordt steeds gebruikt als men het gedrag van audio-apparatuur in functie van de frequentie wil meten. De ontwerpers hadden iets meer aandacht moeten besteden aan het verdelen van de zestien centrale frequenties over de frequentie-as.
 |
| De centrale frequenties uitgezet op de standaard logaritmische as. (© 2020 Jos Verstraten) |
In de onderstaande foto hebben wij de belangrijkste componenten op de basis-print van dit audio spectrum display geïdentificeerd. De twee ingangssignalen worden gemengd in een analoge ingangstrap, opgebouwd uit een op-amp'je van het type MV358i. Hart van de schakeling is uiteraard een microprocessor van het type STM32F. Dat is een 32 bit RISC-processor met twee ADC's. Het is logisch om te veronderstellen dat de analoge ingangsspanning rechtstreeks aan een van deze ADC's wordt aangeboden. De rest van de signaalverwerking kan dan softwarematig gebeuren in deze schakeling. Voor het aansturen van de 16 segmenten van de 16 display's worden drie IC's toegepast. De eerst, een ICN2012, staan in de positieve anode-aansturing van de display's. Dit is in feite niets meer dan een 74HC138 3-naar-8 decoder, gevolgd door P-kanaal enhancement mode MOSFET's met een Rds(ON) van slechts 100 mΩ en een maximale stroomcapaciteit van 2,5 A. De acht uitgangen van dit IC besturen de anoden van de display's in acht groepen van twee.
De kathoden van de display's worden naar de massa getrokken via twee SUM2017GAS2 16-kanaal LED-drivers met constante stroombronnen. Ook hier worden de 16 display's in twee groepen gesplitst die ieder door één SUM2017GAS2 worden aangestuurd.
 |
| De elektronica op de basis-print. (© 2020 Jos Verstraten) |
Op de twee smalle zijden van de basis-print zijn soldeereilandjes aanwezig voor het aansluiten van externe drukknoppen (rechts) en voor het extern aansluiten van de ingangsspanningen en de voeding (links). Dat is handig als u de AK1616 in een mooie behuizing wilt inbouwen en dus extern moet aansluiten en bedienen.
De bouw van de schakeling
Opmerking vooraf
Zoals reeds opgemerkt eist het solderen van de drie connectoren en de zestien display's wel enige ervaring met het solderen van apparaten met miniatuur onderdelen. Een soldeerbruggetje tussen twee aanpalende soldeereilandjes is zó gemaakt en het valt niet mee om dergelijke bruggetjes nadien weer te verwijderen zonder de fragiele print te beschadigen.
Stap 1: de drie mannelijke connectoren op de print solderen
Deze moet u monteren op de zijde van de print waar de witte componentenopdruk uitsluitend bestaat uit de rand van de connectoren en de fabrikanten- en type-naam. Solderen moet u deze connectoren dus op de zijde waar later de display's komen. U moet de kant met de kortste contactpennen in de print duwen.
 |
| Het monteren en solderen van de drie connectoren. (© 2020 Jos Verstraten) |
De display's die worden meegeleverd hebben aan één kant slechts twee soldeerpennetjes en aan de andere kant zestien. De twee pennetjes zijn intern verbonden met alle anoden van de LED's. U moet de display's zó op de print monteren dat de rij met twee pennetjes aan de kant komt te zitten waar het plusje op de print staat.
 |
| Het monteren en solderen van de zestien display's. (© 2020 Jos Verstraten) |
Monteer de vier koperen afstandsbusjes op de basis-print en zet vervolgens de display-print voorzichtig op de basis-print en wel zo dat alle pennen van de drie mannelijke connectoren in de gaatjes van de vrouwelijke connectoren op de basis-print vallen. Schroef de display-print vast op de afstandsbusjes.
Het gebruik en de bediening van de AK1616
Aansluiten van de AK1616
U kunt de AK1616 met de meegeleverde voedingskabel aansluiten op een standaard 5 V USB netstekkervoeding. Deze moet wél in staat zijn 600 mA stroom te leveren. Met de tweede kabel verbindt u het apparaat met een audiobron, bijvoorbeeld met de audio uitgangsconnector van uw PC of laptop.
Helaas heeft het apparaat geen mogelijkheid om de gevoeligheid in te stellen. In de definitieve opzet zult u dus moeten werken met een instelpotentiometertje, dat u in serie met de ingang opneemt om het meetbereik van de AK1616 aan te passen aan uw toepassing.
De drie drukknopjes
De basis-print heeft aan de rechterzijde drie drukknopjes met de indicaties 'UP', 'OK' en 'DOWN'. Door het manipuleren met deze drie knopjes kunt u een verbazingwekkende hoeveelheid software-functies van dit audio spectrum display instellen. Betreurenswaardig is dat de Chinese ontwerpers van dit bouwpakket geen enkele moeite doen om al die mogelijkheden van hun creatie goed te beschrijven. Het heeft ons veel tijd gekost om die functies experimenteel uit te zoeken.
Display test
Door de drie drukknopjes minstens twee seconde samen in te drukken moeten alle 256 display-segmenten gaan branden. Op deze manier kunt u uw soldeerwerk controleren. U verlaat deze optie door de 'OK' drukknop minstens twee seconde in te drukken.
Intensiteit van het display
Door de 'UP' of 'DOWN' drukknopjes langer dan één seconde in te drukken kunt u de intensiteit van het display in 15 stappen instellen. Tijdens deze actie ziet u in het display '16000' de actuele waarde van deze instelling weergegeven.
Bottom Display ON/OFF (spaarstand)
Als u de AK1616 opstart met de fabrieksinstellingen gaan de onderste segmenten van alle kanalen oplichten bij geen signaal aan de ingang, het zogenaamde 'Bottom Display'. Als u drie keer snel drukt op de 'OK' knop wordt deze basislijn uitgeschakeld en gaat alleen het onderste segment van het '32' display branden als er geen signaal op de ingang staat. Op deze manier bespaart u dus een heleboel voedingsstroom uit als de AK1616 niet met signaal wordt gestuurd.
Display mode change
Door kort op de 'UP' of 'DOWN' drukknopjes te drukken kunt u door de vier beschikbare display modes scrollen:
- Bar Graph Display
Ieder display geeft de momentane amplitude van het signaal in de eigen frequentieband weer onder de vorm van een thermometer schaal. - Bar Graph Display with Max Hold
De display's houden de maximale waarde van het signaal in hun frequentieband even vast in de positie van het bovenste oplichtende segment. De snelheid waarmee deze maximale indicatie weer wegvalt is in te stellen (lees verder). - Single Dot Display
Alleen het segment dat de maximale momentane waarde van het signaal weergeeft licht op. - Dual Dot Display
Alleen de twee segmenten die de maximale momentane waarde van het signaal weergeven lichten op.
 |
| De vier display modes die u kunt selecteren. (© 2020 Jos Verstraten) |
Als u de AK1616 opstart werkt het apparaat in de zogenoemde 'Real-out' modus. Door twee keer op de drukknop 'OK' te klikken schakelt u om naar de 'Smoot-out' modus. De zestien kanalen hebben in de 'Real-out' modus een vrij smalle bandbreedte rond de centrale frequenties. Als u in deze modus een zuivere sinusspanning met een frequentie van 1.024 Hz aan het apparaat aanbiedt zal alleen de kolom '1024' oplichten. In de 'Smoot-out' modus zal de bandbreedte van de filters groter worden, zodat ook de kolommen '800' en '2048' iets oplichten als u een sinus van 1.024 Hz aanbiedt.
 |
| Het verschil tussen 'Real-out' en 'Smooth-out' modus. (© 2020 Jos Verstraten) |
Als u de 'UP' en 'DOWN' knoppen samen minstens twee seconde indrukt wordt het display omgedraaid. De basislijn wordt verplaatst van de onderste naar de bovenste segmenten van de display's. Weer twee seconden op beide knoppen drukken herstelt de normale stand.
Instellen van de hold- en fall-snelheden van het display
Door langer dan twee seconde op de 'OK' knop te drukken kunt u door drie snelheidsinstellingen scrollen. Het soort instelling verschijnt na iedere druk op deze knop in beeld onder de vorm van de letters 'MFT', 'PHT' en 'PFT'. Bij iedere instelling kunt nu de snelheid met de 'UP' en 'DOWN' knoppen in vijftien stappen instellen. De momentane waarde van de snelheidsinstelling wordt weergegeven op het '64' display, op de overige display's ziet u de invloed van de door u gekozen snelheid. Door weer twee seconde op de 'OK' knop te drukken verlaat u dit menu.
- MFT
'Master Fall Time', de tijd die het display er over doet om van de aangeduide waarde terug te vallen naar nul. - PHT
'Peak Hold Time', de tijd dat een piekwaarde (Max Hold) op het display blijft staan als u als modus 'Bar Graph Display with Max Hold' hebt gekozen. - PFT
'Peak Fall Time' De snelheid waarmee de 'Max Hold' waarde terug valt naar nul.
Terug naar de fabrieksinstellingen
Alle instellingen die u maakt worden in het geheugen van de AK1616 bewaard en blijven actief als u het apparaat weer inschakelt. Door langer dan tien seconde op de 'OK' knop te drukken herstelt u de fabrieksinstellingen.
Het testen van het AK1616 audio spectrum display
De nauwkeurigheid van de centrale frequenties
Deze is uitstekend. In de 'Real-out' modus lichten uitsluitend de segmenten van één display op als u een sinussignaal met exact de frequentie van de betreffende band aanlegt.
Meting van de bandbreedte van het '1024' kanaal
Wij hebben in de 'Real-out' modus een sinussignaal met een frequentie van exact 1.024 Hz aan de ingang gelegd en de amplitude ingesteld tot 14 segmenten van het '1024' display gingen branden. Nadien hebben wij de frequentie van het ingangssignaal stapsgewijs verhoogd en verlaagd tot er minder segmenten gingen branden. Als deze gegevens overzichtelijk in een grafiek worden samengevat krijgt u een mooie indruk van de bandbreedte van deze band. Zoals uit de onderstaande grafiek blijkt is deze eigenschap van de AK1616 uitstekend te noemen. De voor- en de achterflank van de grafiek zijn zeer steil. Maar vreemd genoeg ligt de grafiek niet symmetrisch ten opzichte van de centrale frequentie van 1.024 Hz.
 |
| De bandbreedte van het '1024' kanaal. (© 2020 Jos Verstraten) |
Helaas heeft de AK16161 geen mogelijkheid om de gevoeligheid voor volle schaal uitlezing in te stellen. Deze specificatie wordt zelfs nergens vermeld. Het is uiteraard van belang om te weten hoe groot die basisgevoeligheid is en of deze voor alle banden identiek is. In het ideale geval mag de gevoeligheid immers niet afhankelijk zijn van de band die wordt aangestuurd. De volle schaal gevoeligheid bedraagt, zie de onderstaande tabel, 110 mV voor de meeste banden. Die parameter loopt echter wél wat op voor de vijf laagste frequentiebanden.
 |
| De volle schaal gevoeligheid van de zestien banden. (© 2020 Jos Verstraten) |
U ziet een of meerdere van de zestien segmenten oplichten, maar wat betekent dit feit in de praktijk? Vandaar dat wij de gevoeligheid per segment hebben gemeten bij een frequentie van 1.024 Hz. Omdat dergelijke gegevens altijd in dB worden weergegeven hebben wij de gegevens omgerekend naar deze grootheid. Het referentiepunt was daarbij 0,775 Veffectief = 0 dB.
 |
| De gevoeligheid van de individuele segmenten in dB. (© 2020 Jos Verstraten) |
Bij de meeste praktische toepassingen van deze spectrum analyzer zal een volle schaal spanning van 110 mV te gevoelig zijn. Omdat u deze parameter niet kunt instellen zit er niets anders op dan een weerstandje in serie met de ingang op te nemen. Maar daarvoor is kennis van de ingangsweerstand van de print uiteraard noodzakelijk. Wij hebben deze parameter gemeten door een weerstand in serie met de ingang op te nemen en de spanningsval over deze weerstand te meten. Met de wet van Ohm kunt u dan de ingangsweerstand van de schakeling berekenen. Deze parameter bleek 13 kΩ te bedragen. Als u dus de gevoeligheid moet verlagen tot een volle schaal spanning van bijvoorbeeld 775 mV, dan volstaat het een instelpotentiometer van 100 kΩ in serie met de ingang op te nemen en deze af te regelen op ongeveer 78,5 kΩ.
Onze conclusie over het AK1616 audio spectrum display
Over het nut van een dergelijk gadget kan men uiteraard van mening verschillen en dertig euro is veel geld voor zo'n hebbeding. Maar als u een audio spectrum analyzer nodig hebt of het leuk vindt naar al die knipperende LED'jes te staren, dan is de AK1616 een goede keus. Wij hebben niet veel punten van kritiek kunnen ontdekken. Het enige dat de ontwerpers zouden kunnen verbeteren is de verdeling van de zestien frequentiebanden over het volledige spectrum van 20 Hz tot 20 kHz. Maar in de praktijk hebt u van de ongelijkmatige verdeling geen last.
AK1616, LED muziek audio spectrum indicator
