|
In een ander artikel hebben wij u een zestien-LED bar/dot-display voorgesteld. Zo'n traagheidsloze LED-meter heeft een groot aantal toepassingen, zoals deze Peak Programme Meter waarmee u signaalpieken in een geluidssignaal kunt opsporen en zichtbaar maken. |
Wat is een Peak Programme Meter?
LED-meters zijn ideaal voor het weergeven van audio-pieken
Er zijn ontelbare schakelingen beschreven waarbij een LED lichtkolom wordt aangestuurd door de gelijkgerichte signaalspanning van een laagfrequent versterker. Aan het simpelweg beschrijven van nog eens zo'n LED VU-meter is dus weinig eer te halen en bovendien volstrekt overbodig, want u hebt keuze te over. Anders wordt het als u de normale VU-meter schakelingen kritisch gaat bekijken en vaststelt dat deze de unieke eigenschappen van een LED-schaal nauwelijks waard zijn. Een LED-schaal reageert traagheidsloos op de variaties in de aangeboden spanning. Zo'n meetsysteem is bijgevolg ideaal voor het opbouwen van een echte piekmeter, een apparaat waarmee u iedere oversturing van uw geluidskaart of uw eindversterker, al duurt die oversturing nog zo kort, meedogenloos kunt registreren.
Dat het opbouwen van een goede piekmeter wel wat anders is dan de constructie van een simpel VU-metertje, zal uit de loop van dit verhaal duidelijk worden.
Peak Programme Meter
Een Peak Programme Meter, afgekort tot PPM, is een meter waarmee u de signaalpieken in een geluidssignaal kunt opsporen en zichtbaar maken. Want, zoals onderstaande figuur duidelijk maakt, geluidssignalen zien er heel anders uit dan de gebruikelijke sinusspanningen waarmee u geluidsschakelingen in het lab op de proef stelt. Geluidssignalen zijn dan in wezen wel opgebouwd uit sinusvormige componenten, de som van die harmonischen ziet er alles behalve sinusoidaal uit.
 |
| Een geluidssignaal (boven) en de daaruit afgeleide ideale gelijkspanning voor het aansturen van een PPM-meter. (© 2018 Jos Verstraten) |
De schakeling, die u ontwerpt voor het detecteren van die signaalpieken, moet zowel reageren op positieve als op negatieve pieken. In feite moet het geluidssignaal worden omgezet in een gelijkspanning, die de contouren van het signaal exact volgt. U moet echter rekening houden met de traagheid van uw ogen. De getekende uitgangsspanning volgt het verloop van de pieken, zowel positief als negatief, maar zakt tussen de pieken slechts langzaam naar 0 V. Dat is een absolute voorwaarde die u aan een goede PPM-schakeling moet stellen. Als het geluidssignaal een piekje van bijvoorbeeld 10 milliseconde lengte aanbiedt aan de schakeling en aan de lichtkolom van de LED-meter, dan zou u het even oplichten van de LED-kolom niet waarnemen. Door de uitgangsspanning van de PPM-schakeling niet dadelijk terug te laten vallen naar het signaalniveau na de piek, maar langzaam te laten dalen, blijven de LED's enige tijd de piekwaarde aangeven, zodat u deze spanningssprong rustig kunt aflezen.
Samenvatting
Kort samengevat moet een goede PPM-schakeling dus zowel op positieve als op negatieve signaalpieken reageren. De reactie op een piek moet zo snel mogelijk gebeuren (anders is de piek reeds verdwenen voordat de uitgangsspanning tot de piekwaarde is kunnen stijgen), terwijl de piekwaarde een bepaalde tijd vastgehouden moet worden.
Het klassieke PPM-circuit
De klassieke PPM-schakeling is getekend in onderstaande figuur en is alles behalve ideaal. Wel reageert deze schakeling op positieve én negatieve pieken. De ingangstransformator zorgt voor twee ten opzichte van elkaar gespiegelde spanningen. Als de ingangsspanning ULF positief is, dan zal Ua ook positief zijn en Ub negatief. De diode D1 gaat dan geleiden, zodat de condensator C1 zich via weerstand R1 oplaadt. Bij de negatieve halve sinus van het ingangssignaal is Ua negatief en Ub positief. De diode D1 spert, maar zijn naamgenoot D2 laadt de condensator op tot een spanningswaarde, die enigszins verband houdt met de topwaarde van de negatieve halve sinus.
Met deze schakeling hebt u het probleem van het zowel op positieve als op negatieve pieken reageren opgelost, dank zij het gebruik van een trafo met twee identieke secundaire wikkelingen.
Niet opgelost zijn de gevolgen van de niet-lineaire diode-eigenschappen. De schakeling reageert niet op kleine spanningen en zal bovendien een niet lineair gebied vertonen. Gelukkig geeft de combinatie van een diode met een op-amp de mogelijkheid een ideale gelijkrichter op te bouwen.
 |
| De traditionele schakeling van een PPM-meter. (© 2018 Jos Verstraten) |
Een op-amp streeft naar een minimaal spanningsverschil tussen positieve en negatieve ingang. Op de juiste manier toegepast biedt deze basiseigenschap van operationele versterkers u de mogelijkheid een ideale gelijkrichter op te bouwen. Het schema is getekend in onderstaande figuur. Het gelijk te richten signaal ULF penetreert de op-amp via zijn positieve ingang. De uitgang is rechtstreeks teruggekoppeld naar de negatieve ingang, via een diode. De uitgang wordt afgetakt van deze laatstgenoemde ingang.
Stel dat u een ingangsspanning van 1 mV positief aan de ingang aanbiedt. Deze spanning vindt u terug op de positieve ingang van de op-amp. De negatieve ingang staat op massa-potentiaal. Hij is immers door middel van de weerstand R1 met de massa verbonden. De op-amp zal ernaar streven het spanningsverschil van 1 mV tussen zijn beide ingangen te compenseren. De uitgang zal dus zó positief worden, dat de diode D1 gaat geleiden en een positieve spanning van 1 mV doorkoppelt naar de negatieve ingang. De condensator C1 zal zich dan ook tot deze spanning opladen.
Conclusie: de spanning over C1 volgt tot op de millivolt nauwkeurig de spanning op de ingang van de schakeling. De nare eigenschappen van de diode zijn door de op-amp verdoezeld.
Als de ingangsspanning negatief wordt, dan zal de uitgangsspanning gelijk blijven aan nul. De diode spert immers, zodat de negatieve ingang van de op-amp nooit lager kan worden dan het massapotentiaal. De condensator C1 zal er echter zorg voor dragen dat de spanning op de uitgang van de schakeling niet naar nul gaat, maar ongeveer gelijk blijft aan de topwaarde van de voorafgaande positieve piek. De lading van de condensator kan immers slechts mondjesmaat afvloeien naar massa via de weerstand R1. De waarde van die weerstand bepaalt zodoende de terugloop traagheid van de uitgangsspanning van de detector.
 |
| Een ideale gelijkrichter is samengesteld uit een op-amp en een gelijkrichtdiode. (© 2018 Jos Verstraten) |
Als u alle informatie, tot nu toe verzameld, combineert kunt u een reële indruk krijgen van de voor de opbouw van een goede PPM-schakeling noodzakelijke schakelblokken. Op de eerste plaats hebt u een fasedraaier nodig, die het ingangssignaal omkeert. Dan kunt u met de gelijkrichters zowel de positieve als de negatieve pieken de baas. Natuurlijk kiest u niet voor een oud-modische trafo. Met een op-ampje is immers een veel betere en eenvoudiger fasedraaier te realiseren. Daarnaast zullen er wel twee ideale gelijkrichters volgens bovenstaande figuur noodzakelijk zijn, eentje voor de positieve en eentje voor de fasegedraaide negatieve toppen.
Maar alvorens we de verschillende delen van het blokschema gaan bespreken een paragraafje over het voeden van op-amps.
De instelling van operationele versterkers
Als u uitgaat van een symmetrische voeding kunt u met operationele versterkers op een zeer eenvoudige manier diverse schakelingen opbouwen. Naast de op-amp hebt u bijvoorbeeld maar drie weerstanden nodig voor het ontwerpen van een goede versterker, zie onderstaande figuur. Het ingangssignaal wordt aangeboden op de positieve ingang. Deze is door middel van de weerstand R1 ingesteld op de helft van de voedingsspanning. Omdat de voeding symmetrisch is, is die helft gelijk aan 0 V, het volstaat dus deze ingang door middel van een weerstand met de massa te verbinden. De versterking van de trap is afhankelijk van een terugkoppeling van de uitgang naar de negatieve ingang. De spanningsdeler R2-R3 koppelt een deel van de uitgangsspanning terug naar de inverterende ingang.
 |
| Een eenvoudige versterker met symmetrische voeding. (© 2018 Jos Verstraten) |
De LED-meter van ons nabouwproject 'zestien LED bar/dot-display', de uitleesunit van onze PPM, heeft echter slechts één voedingsspanning van 12 V positief. Schakelingen met op-amp's worden dan veel gecompliceerder. Gelukkig kunt u uit één positieve voedingsspanning toch een soort symmetrische voeding voor uw achtpoten afleiden. Als u namelijk door middel van een weerstand en een zenerdiode uit de 12 V voeding een spanning genereert die precies gelijk is aan de helft van de totale voedingsspanning, dan kunt u die spanning beschouwen als een kunstmatig nulpunt tussen de massa en +Ub. De massa wordt dan een kunstmatige negatieve voedingsspanning voor de op-amp's, het knooppunt van zenerdiode en weerstand wordt de kunstmatige massa en de positieve spanning Ub blijft uiteraard de positieve voedingsspanning voor de schakelingen.
Een en ander is toegelicht in het schema van onderstaande figuur. Deze figuur geeft een versterkertrap die op deze manier is opgebouwd. De positieve ingang van de op-amp is door middel van de weerstand R1 ingesteld op de helft van de voedingsspanning, op het kunstmatige nulpunt, dus. Het signaal wordt door middel van een scheidingscondensator C1 op deze instelling gesuperponeerd. De terugkoppeling van uitgang naar de negatieve ingang is eveneens met dit kunstmatig nulpunt verbonden. Zonder signaal op de ingang zullen alle aansluitingen van de op-amp op de helft van de voedingsspanning zijn ingesteld. Als u wél signaal aanbiedt zal het uitgangssignaal symmetrisch rond het kunstmatig nulpunt gaan variëren, zie de rechter grafieken.
 |
| Het werken met een 'virtueel nulpunt', waardoor een symmetrische voeding wordt gesimuleerd. (© 2018 Jos Verstraten) |
De praktische schakeling
Het blokschema van de schakeling
Onderstaande figuur geeft het volledige blokschema van de PPM-schakeling. Het ingangssignaal wordt aangeboden aan een voorversterker, waarmee u de gevoeligheid van de schakeling op iedere gewenste waarde vanaf 150 mV volle schaal kunt instellen. Na de voorversterker volgt de fasedraaier, die het versterkte ingangssignaal omvormt tot twee gespiegelde spanningen. Deze twee signalen worden door twee topgelijkrichters onder handen genomen. De twee gelijkgerichte uitgangsspanningen sturen de laadcondensator C1 via de weerstanden R2 en R3. Over de condensator ontstaat een positieve gelijkspanning, waarvan de waarde de signaalpieken trouw volgt. De laatste trap van het blokschema, de nulniveau hersteller, eist enige toelichting. De schakeling wordt op de beschreven manier gevoed uit de +12 V voedingsspanning. Dat heeft tot gevolg dat alle spanningen gesuperponeerd zijn op de helft van de voedingsspanning. De gelijkgerichte signaalspanning U6 zal bijgevolg ook op de helft van de voedingsspanning zitten. Dat is niet zo leuk, want een en ander heeft tot gevolg dat bij 0 V signaal op de ingang er toch een gelijkspanning van ongeveer +6 V over de condensator C1 staat. U kunt deze spanning niet zonder meer aan de ingangsklemmen van de LED-meter aanleggen. De spanning zou de meter 'naar de hoek sturen'. Niet de eerste, maar de laatste LED zou gaan branden. Kortom: u moet er voor zorgen dat alleen maar de gelijkgerichte signaalspanning naar de LED-print wordt gestuurd.
Vandaar de extra schakeltrap, die nuttige meetspanning en instelspanning van elkaar scheidt. Vergelijking van de grafieken U6 en U7 maakt een en ander duidelijk.
 |
| Het blokschema van de schakeling met de signalen op de relevante punten. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het schema van de ingangsversterker is getekend in onderstaande figuur. Het ingangssignaal wordt via de scheidingscondensator C1 aangeboden aan een instelpotentiometer R1, waarmee u de gevoeligheid van de schakeling kunt instellen. Deze potentiometer ligt niet aan de echte massa, maar aan het kunstmatig massapunt +½Ub. Voor het ingangssignaal maakt dat niets uit, omdat dit kunstmatige punt via een grote condensator met de echte massa verbonden is en dus voor wisselspanningen goed is ontkoppeld. De weerstanden R3 en R4 stellen de versterking van de op-amp in op een factor elf.
De werking is als volgt. Stel dat de positieve ingang van de op-amp op een spanning van +1 V staat. De op-amp stuurt zijn uitgang zo, dat dezelfde spanning terug is te vinden op de negatieve ingang. Omdat R4 tien maal groter is dan R3, zal de uitgangsspanning elf maal groter zijn dan de spanning op de positieve ingang. Over R3 valt dan 1 V, over R4 10 V.
 |
| De schakeling van de ingangsversterker. (© 2018 Jos Verstraten) |
De fasedraaier, zie onderstaande figuur, is net zo eenvoudig als de voorversterker. Nu wordt echter het signaal toegevoerd aan de negatieve ingang van de op-amp, terwijl de positieve ingang is verbonden met het kunstmatige nulpunt. De weerstanden R1 en R2 zijn gelijk. In rust, dus zonder ingangssignaal, staat de negatieve ingang ook op de helft van de voedingsspanning. Dat is immers de instelspanning op de uitgang van de voorversterker. Er heerst geen spanningsverschil tussen beide ingangen, ook de uitgang zal zich op dit potentiaal bevinden. Als de ingang 1 V positiever wordt, dan zal de op-amp zich zo instellen dat het spanningsverschil tussen de ingangen toch gelijk blijft aan nul. Dat kan alleen als de uitgang van de schakeling 1 V negatiever wordt. Dan heerst er spanningsevenwicht, over R1 en R2 valt 1 V, de negatieve ingang blijft op het kunstmatige nulpunt.
Conclusie: de spanningsvariaties op de ingang en de uitgang zijn absoluut gezien even groot, alleen de richting van de afwijking is tegengesteld. Wordt de ingang positief ten opzichte van het kunstmatige nulpunt, dan wordt de uitgang even veel volt negatief ten opzichte van dat punt. Hetgeen een ideale fasedraaier inhoudt. De ingang van de schakeling is meteen ook de tweede uitgang. Op beide uitgangen vindt u dus twee in fase gedraaide spanningen terug, klaar voor verwerking door de topgelijkrichters.
 |
| Het schema van de fasedraaier. (© 2018 Jos Verstraten) |
De totale gelijkrichterschakeling is getekend in onderstaande figuur. De twee operationele versterkers worden op hun positieve ingangen aangestuurd door de signalen afkomstig van de fasedraaier. De twee uitgangen gaan met de reeds bekende terugkoppeldioden naar de negatieve ingangen. Deze ingangen kunnen zonder meer rechtstreeks met elkaar worden verbonden. Immers, de schakeling heeft niet tot taak de contouren van de aangeboden spanningen precies te volgen. Het enige dat van belang is, is dat de pieken op het ingangssignaal wel doordringen tot de uitgang.
Dat gebeurt zonder meer. De dioden gaan geleiden als de spanning op de samengevoegde negatieve ingangen kleiner wordt dan de spanning op een van de positieve ingangen. Welke diode gaat geleiden wordt bepaald door die positieve ingang die positiever wordt dan de uitgangsspanning. Bij vergelijking van dit schema met het basisschema valt op dat twee weerstanden ontbreken: de laad- en ontlaadweerstanden voor de condensator. Als laadweerstand gebruiken we de uitgangsimpedantie van de op-amp's. De ontlaadweerstand is hier niet getekend, omdat die verwerkt is in het laatste blok van de schakeling, de niveauhersteller.
 |
| Het praktisch schema van de topgelijkrichters. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het volledig schema van de PPM-schakeling is getekend in onderstaande figuur. U herkent onmiddellijk de diverse afzonderlijk besproken deelschakelingen. Alleen de laatste trap rond IC5 is niet behandeld, maar dat is een gewone verschilversterker. Deze trekt de halve voedingsspanning af van de uitgangsspanning van de topdetectoren, zodat het nulpunt zonder problemen wordt hersteld.
De positieve ingang van op-amp IC5 is door middel van een spanningsdeler aangesloten op de laadcondensator C3. R9 en R10 vormen tevens de ontlaadkring voor de condensator. De negatieve ingang gaat naar een identieke spanningsdeler, die geschakeld is tussen de uitgang en de kunstmatige massa. Omdat de vier weerstanden gelijk zijn, zal op de uitgang het spanningsverschil verschijnen tussen de condensatorspanning en de kunstmatige nul. Dat verschil is niets anders dan de gelijkgerichte signaalspanning. Deze stuurt rechtstreeks de ingang van de LED-meter.
Het voedingsspanningsnetwerk is opgebouwd uit de weerstand R1, de zenerdiode D1 en de condensator C1. De voedingsspanning is +12 V, de helft valt over R1 en de tweede helft over de zenerdiode van 6,2 V. De kunstmatige massa staat dus inderdaad op de helft van de beschikbare voedingsspanning.
 |
| De volledige praktische schakeling van de PPM-meter. (© 2018 Jos Verstraten) |
De bouw van de schakeling
De print voor de PPM-schakeling
De twee onderstaande figuren geven de print en de componentenopstelling van deze schakeling. De print is iets groter dan deze van de LED-meter uit 'zestien LED bar/dot-display' en moet niet als sandwich op de LED-meter worden gemonteerd, maar er achter. De nieuwe print past precies achter de LED-print en drie kleine draadbruggetjes kunnen zorg dragen voor de onderlinge verbindingen.
 |
| De print voor de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het gebruik van de schakeling
De schakeling zal het vaakst toegepast worden als piekmeter bij het digitaliseren van analoge audio en als oversturingsindicatie bij eindversterkers. Door middel van de instelpotentiometer R2 kunt u de gevoeligheid van de meter aanpassen aan de specifieke toepassing. De schaal van de LED-meter wordt uiteraard in decibel geijkt. Onderstaande figuur geeft een impressie van de door ons aan het prototype gemeten schaalindeling. De spanningsdrempels van de LED-print worden met de twee instelpotentiometers op de print afgeregeld op 0 V en 2 V. Bij 2 V uitgangsspanning van de PPM-schakeling moet de lichtkolom dus volledig uitgestuurd worden.
 |
| De schaalijking van de PPM-meter. (© 2018 Jos Verstraten) |
Referentie
Beschrijving van de zestien LED bar/dot-display schakeling
Micsig DP10013 Differential Probe
