Измеритель уровня

leoniv — 15.02.2020

Одной из "фишек" ранних моделей магнитофонов "Электроника" и "Олимп" был измеритель уровня сигнала на газоразрядных индикаторах ИН-13. Когда-то это было круто - столбики с непрерывно изменяющейся длиной. Но сегодня этот тусклый и размытый индикатор совсем не смотрится на фоне новой светодиодной индикации счетчика ленты. Надо что-то делать.



Газоразрядные индикаторы сегодня многим нравятся. На них теперь мода. На цифровых собирают часы, на линейных делают термометры. Писком моды сейчас являются часы с газоразрядными цифрами и индикацией секунд на декатроне. В то же время для индикации уровня сигнала "аналоговые" газоразрядные индикаторы подходят плохо.



Такие индикаторы обладают рядом недостатков: низкой яркостью свечения, нечеткой границей светового столба, невысокой точностью. На недостатки измерителей уровня на базе индикаторов ИН-13 указано в литературе, например, в книге А. В. Никонов. Измерители уровня звуковых сигналов. "Радио и связь", 1981.





Существуют много разных приборов индикации. Это и стрелочные приборы, и газорязрядные индикаторы, и вакуумно-люминисцентные индикаторы, и светодиодные. Теперь можно даже использовать цветные графические дисплеи. Есть и более экзотические варианты, например, "зайчиковые" приборы.



Штатный измеритель уровня имеет и другие недостатки. Для подсветки шкалы используются лампочки накаливания, которые имеют малый срок службы и невысокую яркость. Схема управления имеет свои проблемы. Применяется однополупериодное выпрямление звукового сигнала, что может привести к ошибкам измерения уровня. Время интеграции не соответствует принятому стандартом значению, что проявляется в виде занижения показаний по сравнению с образцовыми приборами. Диапазон индицируемых уровней сигнала недостаточно широкий, особенно с учетом перегрузочной способности современных лент.

К переделке аппарата можно подходить по-разному. Можно менять все подряд, даже внешнее оформление. А можно оставить стиль прежним, просто немного освежив аппарат. Я выбрал второй путь. Поэтому никакие TFT-дисплеи не рассматриваю. Возможно, потом будет другой проект, где все самое современное будет уместно. Ну а пока решил применять только то, что могло быть использовано в конце 80-х. В то время уже полным ходом для управления аппаратами использовались микроконтроллеры, а наряду с электронными счетчиками на светодиодных семисегментных индикаторах широко применялись и светодиодные индикаторы уровня. Например, вот индикатор флагманского Akai GX-747:



Вид этого индикатора довольно обманчивый - каждый светодиод зеленого цвета имеет два выступа и кажется, что это два светодиода. На самом деле их тут всего по 24 на канал.

Короче говоря, по стилю лучше всего подходят светодиодные индикаторы. Наиболее удобно использовать готовые сборки светодиодов. Наиболее распространены сборки на 10 элементов, но существуют еще на 8, 5 и 4 элемента.



Положительным свойством газоразрядного индикатора ИН-13 является отсутствие дискретности столбика. В зависимости от уровня сигнала он может принимать любую длину. Индикаторы на светодиодах имеют ограниченное количество светящихся элементов, поэтому длина столбика может принимать только ряд дискретных значений. Чтобы минимизировать этот недостаток, количество элементов в линейках должно быть большим. Если использовать сборки светодиодов с шагом 2.54 мм, то в штатное окно индикатора помещается линейка из 35 элементов. Довольно неплохо, но хотелось бы еще больше.

Если внимательно посмотреть на дизайн передней панели магнитофона "Электроника-004", то бросается в глаза большое количество пустого места вокруг измерителя уровня.



Это недостаток, который можно исправить, причем с выгодой - линейки измерителя можно сделать длиннее. Для установки нового измерителя уровня потребуется увеличение окна в передней панели. Аналогичная операция требовалась и для установки электронного счетчика ленты. Для фотоприемника ДУ требуется еще одно окошко. Все эти окна закрываются темным оргстеклом. В результате на панели появляются 3 новых прямоугольных окна, расположенных почти по диагонали. Эти окна не затрагивают участков панели, где имеются надписи. В целом стиль магнитофона сохраняется.



Основными характеристиками измерителей уровня являются время интеграции и время обратного хода. Время интеграции определяет скорость реакции измерителя на быстрые изменения уровня сигнала. Если время интеграции большое (порядка 300 мс), получается измеритель среднего уровня: так называемый VU-meter. Такой измеритель не будет реагировать на относительно короткие пики сигнала, которые могут вызвать перегрузку канала записи-воспроизведения. Поэтому его использование нежелательно. Когда в качестве устройства индикации применялись стрелочные приборы, время интеграции не могло быть сделано маленьким из-за инерционности подвижной системы. Поэтому часто VU-meter комбинировали с более быстродействующим пороговым индикатором пиковых значений на одном или нескольких светодиодах. Применения быстродействующих устройств отображения информации, таких как газоразрядные индикаторы или светодиоды, сняло проблему получения малых времен интеграции и позволило строить пиковые или квазипиковые измерители.

Чаще всего для измерения уровня сигнала в звуковых трактах используют измерители квазипикового уровня. В отличие от настоящих пиковых измерителей (true-peak), которые в теории имеют нулевое время интеграции, для квазипиковых измерителей это время определено стандартами.

Казалось бы, надо стремиться к минимально возможному времени интеграции, чтобы индикатор мог регистрировать самые короткие пики сигнала, не допуская перегрузки тракта. Такой подход используют в цифровых трактах, где даже кратковременная перегрузка приводит к нежелательным последствиям. Поэтому там обычно используют индикаторы пикового уровня. Для аналоговой магнитной записи кратковременная перегрузка может быть вообще не слышна. Если стремиться полностью избавиться от перегрузки на пиках сигнала, придется занижать средний уровень записи, что наоборот приведет к более заметной на слух проблеме - ухудшению отношения сигнал/шум. Поэтому для аналоговой магнитной записи есть смысл выбрать некое оптимальное значение времени интеграции измерителя уровня. Не такое большое, как у VU-meter, но чтобы он допускал кратковременные перегрузки, незаметные на слух.

Время интеграции для квазипиковых измерителей определяется как длительность одиночной тональной посылки частотой 5 кГц, при которой показания достигают -2 дБ (примерно 0.8) от установившегося значения. Такое определение дает ГОСТ 21185-75 и стандарт IEC 60268-10: "...the duration of a burst of sinusoidal voltage of 5000 Hz at reference level which results in an indication 2 dB below reference indication". Этими стандартами для квазипиковых измерителей определяется значение времени интеграции 5 мс. Более ранний ГОСТ определял время интеграции 10 мс, но при этом должен был достигаться уровень -1 дБ, что практически соответствует значениям 5 мс и -2 дБ, т.е. разницы в этих стандартах нет.

Квазипиковые измерители обычно построены следующим образом: входной сигнал поступает на выпрямитель, желательно двухполупериодный, на выходе которого получается сигнал, равный модулю входного сигнала. Далее следует пиковый детектор и сглаживающая RC-цепочка с разными постоянными времени зарядки и разрядки. Время зарядки связано с временем интеграции, а время разрядки - с временем обратного хода. В составе измерителей среднего уровня не было пикового детектора, там сигнал с выпрямителя подавался сразу на сглаживающую RC-цепочку. Поэтому VU-meter имеет только одну постоянную времени.

Время интеграции численно не равно постоянной времени зарядки сглаживающей RC-цепочки. Если на выходе пикового детектора включить RC-цепочку с постоянной времени зарядки 5 мс, то уровень 0.8 будет достигнут за время примерно 20 мс. Моделирование показывает, что уровень 0.8 достигается за 5 мс для цепочки с постоянной времени зарядки примерно 1.25 мс. Т.е. время интеграции составляет примерно 4 tau зарядки RC-цепи.



Что, впрочем, можно прочитать и в книгах.



Тем не менее, в штатной схеме магнитофона "Электроника-004" постоянная времени зарядки RC-цепочки сделана близкой к 5 мс. Что уже дает увеличенное в 4 раза время интеграции по сравнению со стандартным. Но там ситуация еще хуже - применен однополупериодный выпрямитель, в результате уровень 0.8 достигается за время примерно 40 мс! Вероятно, это и есть причина заметной разницы показаний на реальном музыкальном сигнале штатного измерителя и внешнего измерителя типа RTW 1206N, где время интеграции выдержано точно. Хотя при калибровке на синусоидальном сигнале их показания совпадают.

Кроме времени интеграции квазипиковые измерители имеют еще время обратного хода, которое значительно больше. Это время определяет, как быстро показания будут уменьшаться после прекращения действия пика сигнала. Если это время сделать маленьким (например, равным времени интеграции), то показания индикатора будут слишком быстро "дергаться", что затруднит их считывание. Для измерителей среднего уровня такой проблемы не стояло из-за их невысокого быстродействия. Там можно было обойтись одной постоянной времени. В быстродействующих квазипиковых измерителях надо искусственно замедлять сброс показаний, чтобы оператор смог считать информацию.

Время обратного хода определяется как время, через которое после снятия сигнала показания индикатора уменьшаются на 20 дБ. И оно тоже не равно постоянной времени разрядки RC-цепи, а составляет примерно 2.3 tau. Значение времени обратного хода задано стандартами. Оно отличается для индикаторов разного назначения. Для индикаторов первого типа, которые служат для контроля уровня сигнала при его оперативной регулировке (это как раз случай регулировки уровня записи в магнитофоне), время обратного хода должно составлять 1.7±0.3 сек. Соответственно, постоянная времени разрядки RC-цепочки должна быть примерно 740 мс.

Чаще всего можно встретить аналоговую реализацию измерителя. Она получается довольно громоздкой и содержит довольно сложно реализуемые с хорошей точностью узлы: пиковый детектор, линейно-логарифмический преобразователь. В настоящее время проще всю обработку сигнала производить внутри микроконтроллера, подавая на вход АЦП непосредственно звуковой сигнал. Распространенные микроконтроллеры семейства AVR не слишком хорошо подходят для этой задачи, так как имеют относительно медленный АЦП (максимум 15 кГц при 10-ти разрядах). Более подходящими являются контроллеры STM32.

Программная реализация измерителя позволяет реализовать сразу несколько режимов работы. Это измерение среднего уровня (VU), среднеквадратического уровня (RMS), квазипикового уровня (QPPM) и настоящего пикового уровня (True Peak). Одновременно можно реализовать вывод, например, средних значений непрерывным столбиком и пиковых в виде одного горящего сегмента. Для каждого варианта индикации можно независимо задавать время интеграции и обратного хода, а также форму индикации (столбик, точка, обратный ход точки или ее исчезновение и т.д.). Для хранения настроек можно использовать энергонезависимую память. Там же можно хранить таблицы перекодировки в логарифмический масштаб, что позволяет создавать шкалу любого вида (например, S-образную с растяжкой интервала вблизи 0 дБ).

Как вариант, результат цифровой обработки можно выводить не на светодиодные шкалы, а на встроенный ЦАП микроконтроллера. К его выходу можно подключить измеритель уровня на основе стрелочных индикаторов. Благодаря цифровой обработке становится возможным отображать квазипиковый уровень, хотя и с некоторой задержкой из-за инерционности подвижной системы. Шкала стрелочных приборов может иметь любую градуировку, зависимость будет задаваться таблично, как и для светодиодного варианта.

Как обычно, легче всего идут механические работы, потом электронные, и на последнем месте - программирование. Пока лишь грубо набросал структуру программы, но как это реализовывать, пока представляю очень смутно. Задача схожая с обработкой звука, которой я никогда не занимался. Насколько я представляю, нужно с помощью DMA заполнять кодами АЦП два буфера (для левого и правого каналов). Затем по прерыванию полуготовности DMA данные читать и обрабатывать. Первое, что надо сделать, это убрать постоянную составляющую. Наверное, подойдет простейший IIR-фильтр 1-го порядка. Хотя по теме "DC removal filter" находится подозрительно много материалов, наверное, не все так просто. Дальше выпрямление - вычисление абсолютного значения. Потом НЧ-фильтрация с программируемой постоянной времени (еще один IIR-фильтр), затем пиковый детектор, после чего можно сильно уменьшить частоту дискретизации. А на начальном этапе она должна быть довольно высокой, чтобы в режиме True Peak не пропускать короткие пики. В цифровой технике проблему пропуска Inter-Sample Peaks решают минимум учетверенной частотой дискретизации. Тут на это вряд ли хватит ресурсов, пока планирую 96 кГц, а там посмотрим. В схему врисовал STM32F100 (24 МГц), но, боюсь, придется ставить STM32F103 (72 МГц).



В медленном домене все проще, там с помощью еще одного IIR-фильтра надо сформировать время обратного хода, сделать перекодировку в логарифмический масштаб и вывести все это на индикатор. В общем случае сделать все это надо для четырех каналов - по два на стереоканал, так как непрерывная линейка и "летающая" точка в общем случае могут отображать разные вещи.

Ну и чтобы совсем закрыть тему измерителей уровня, можно еще добавить индикацию уровня громкости (LUFS), что потребует частотного взвешивания. Оно определено стандартом ITU-R BS.1770. В любом случае, было бы полезно иметь возможность частотного взвешивания. В хороших магнитофонах показания измерителя уровня в режиме записи отображает уровень с учетом частотной коррекции тока записи. Например, индикаторы магнитофона Tandberg TD-20A имеют гордую надпись "Equalized peak reading":



Благодаря цифровой обработке сигнала аналоговая часть схемы сильно упрощается. Входной сигнал надо лишь масштабировать в соответствии со шкалой АЦП. Ограничение спектра тут не требуется, сам магнитофон представляет собой хороший anti-alias фильтр. Поскольку АЦП однополярный, требуется сместить сигнал на половину шкалы. Это удобно сделать с помощью дифференциального усилителя. Кроме всего прочего, он обеспечит дифференциальный вход, что позволит снять сигнал с источника без влияния помех, действующих между землей источника и землей индикатора. Это полезное свойство, так как индикатор приходится питать от "цифрового" источника +5 В, общий провод которого имеет заметные помехи относительно "аналоговой" земли.

Светодиодные линейки и отдельные светодиоды трафаретов подключаются к выходам сдвиговых регистров, включенных цепочкой и подключенных к порту SPI микроконтроллера. Индикация - статическая, чтобы избежать помех. Полную схему можно посмотреть на моем сайте.

Конструктивно измеритель представляет собой две печатные платы, которые скрепляются с помощью резьбовых стоек. Электрическое соединение осуществляется с помощью разъема PLS/PBS, имеющего 10 контактов. На плате индикации установлены светодиодные линейки, отдельные светодиоды, а также сдвиговые регистры. На плате процессора установлен микроконтроллер вместе со всеми вспомогательными схемами. Платы нарисованы вместе и разделены неполной фрезеровкой, чтобы их заказывать как одну.



Между линейками расположены светодиоды подсветки шкалы. Ниже - светодиоды подсветки транспарантов, на которых можно отображать не относящиеся к измерению уровня режимы магнитофона. Для этого измеритель имеет порт связи (RS-485) с блоком управления магнитофона.

На шкале будут нанесены метки и цифры уровней, а также трафареты с обозначениями режимов. Пока там символы T0 - T9, потому что еще точно не знаю, что понадобится. Есть еще одно не совсем очевидное предназначение шкалы. Вид линейки, собранной из нескольких светодиодных сборок, сильно портит неровный край. Отдельные сборки при монтаже оказываются чуть смещенными, но даже маленькое смещение хорошо заметно. Если сверху наложить маску, которая прикроет края сегментов, то она сделает линейку идеально ровной. К тому же, так можно уменьшить высоту сегментов, что весьма желательно с точки зрения дизайна.



Проблемное место - изготовление шкалы. Было бы идеально сделать ее фтовыводом (типа фотошаблона для печатных плат) - он дает идеально непрозрачный черный. Всякие варианты с принтерами (струйным и лазерным) я пробовал, все они дают результат так себе. Черный просвечивается. Но где заказать услугу фотовывода, пока не нашел.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив