Wyświetlacz widma audio – ESP32 i 399 WS2812B

[Gieneq]

Spinoff projektu lampki RGB:

Postanowiłem założyć osobny temat, bo tu najpewniej wiele się będzie działo. Od strony mechaniki projekt jest właśnie w realizacji wiec skorzystałem z czasu i zabrałem się za głębsze wniknięcie w temat filtrów i wzmacniaczy analogowych. Postaram się przekazać potomnym wiedzę zdobytą podczas zmagań ze wzmacniaczem operacyjnym.

Analogowy sygnał audio

Po pierwsze musiałem dowiedzieć się z jakim sygnałem mam do czynienia. W urządzeniu źródłami sygnału będą wejście jack i mikrofon. Podpiąłem jacka do oscyloskopu, Roll mode, Coupling DC (bo i tak nie ma składowej stałej, ale można się upewnić włączając Coupling DC), odpaliłem muzykę na max głośność i wyszło to:

Amplituda 2,5 działki - 1,25 V, całkiem sporo. Planuję użyć układu w logice 3,3V więc przy przesunięciu do połowy napięcia zasilania sygnał jak znalazł i to bez wzmacniacza. Gorzej z mikrofonem – podłączyłem układ polaryzujący z rezystorów 1k, 4k7 i kondensatora 100nF i uzyskałem takie pomiary:

Amplituda 2 działki - 100 mV czyli 10x mniej niż z jacka i nie jest to gwarantowana wartość, domyślam się że może być różnie więc koniecznie potrzeba zbudować wzmacniacz.

Przełączanie źródła sygnału

Mam zamiar użyć gniazda z przełącznikiem - w momencie wetknięcia wtyku rozłączają się styki normalnie zamknięte i następuje przekierowanie źródła sygnału z mikrofonu na jacka. Urządzenie ma działać na mono więc zwieram linie przez rezystory:

Trzeba jakoś dostosować sygnał z mikrofonu tak by był podobny do tego na jacku.

Wzmacniacze operacyjne

Akurat niedawno kupiłem kilka sztuk AS358 - podwójnego OP Ampu:

Przy zakupie interesowało mnie żeby układ działał przy zasilaniu 5V i tak też jest:

Wzmocnienie 100dB wygląda ciekawie, wiadomo nie w całym paśmie:

W dokumentacji można znaleźć schemat wzmacniacza nieodwracajacego:

W tym przypadku wzmocnienie wynosi k = 1 + R2/R1 czyli na ilustracji wyszło 11 V/V. Mnie interesuje wzmocnienie około 10-20, więc za R2 dałem 47k uzyskując k = 22,3 V/V. Jeżeli okaże się, że jest to za dużo i sygnał będzie ucinany to dodałem jeszcze w szeregu potencjometr 47k.

Jaki sygnał należy podać na wejście nieodwracające? W przypadku zasilania niesymetrycznego 0–5 V należy podać sygnał obciążony wartością stałą tak by amplituda zmieściła się w przedziale 0–5 V. Zatem sygnał z mikrofonu należy przesunąć o 2,5 V. Można to zrobić oddzielając sygnał kondensatorem i podając sygnał zmienny na dzielnik rezystorowy z 2 podobnych oporników.

Trzeba tylko pamiętać aby dobrać elementy tak, aby nie wpływały negatywnie na sygnał audio – kondensator w szeregu jest częścią filtru RC górnoprzepustowego (ma to sens, bo jest on po to aby odciąć składową stałą o zerowej częstotliwości). Więc wzór f = 1/(2πRC) może się przydać.

Wiem, że budowanie na płytce stykowej układów analogowych, w których występują zmienne przebiegi jest złym pomysłem, ale na etapie wstępnych eksperymentów nie jest tak źle:

Zamiast mikrofonu podałem sygnał audio z komputera, aby sprawdzić zależność wzmocnienia od częstotliwości. Znowu korzystam z generatora sygnału sinusoidalnego online:

Automatyczny pomiar amplitudy w oscyloskopie jest tu bardzo przydatny:

Niestety powyżej 10 kHz płytka stykowa zaczęła dawać o sobie znać 😞 Niemniej wzmocnienie jest ok - jak widać dla pierwszego przebiegu 45 Hz jest to 720mV/24,8mV = 29 V/V, a dla 14,6 kHz jest to 15 V/V choć w tym drugim nie jest to pewne. Tłumienie na pewno daje o sobie znać, dlatego przy kolejnym eksperymencie postaram się wyrównać wzmocnienie, ale to już na polutowanej płytce, żeby pomiary były wiarygodne.

 

 

[_LM_]

1) roll mode działa bez wyzwalnia podstawy lepiej użyć tryby normal

2) sygnał z wyjścia słuchawkowego dobrze jest obciążyć wstepnie oporem 32r(takim jak impedancja słuchawek) 

3) 358 jest wolnym OPampem, nawet typowy lm072 jest wielokrotnie szybszy. Mimo to 358 powinien wystarczyć dla takiego zastosowania 

4) aby uzyskać sensowne poziomy wzmocnienia lepiej zbudować dwa stopnie o mniejszym wzmocnieniu, przy okazji będzie mniej szumów. 

5) pomiędzy polami stykowymi stykówki 😉 występują pojemności rzędu pikofaradów (mierzyłem to kiedyś) więc nie sądzę aby miały aż taki wpływ na ten sygnał zwłaszcza że z żadnej strony nie występują jakieś ogromnie impedancje sygnału. 

6) NIE ZNAM SIĘ AŻ TAK NA UKŁADACH ANALOGOWYCH ale na szczęście mam pod ręką odpowiedni zasób literatury aby móc podpowiedzieć co można poprawić 🙂

[Gieneq]

@_LM_ dziękuję za komentarz 🙂 

1 - a z tym to się akurat nie zgodzę, żeby tylko zobaczyć że coś się dzieje i ma jakąś amplitudę to czasem się przydaje. Na tym oscyloskopie sam się włącza, gdy zejdzie się podstawą czasu poniżej jakiegoś progu.

2 - tego nie kojarzę, gdzieś w necie trafiłem na info żeby zewrzeć kanały rezystorem, wziąłem 2k. Jak to powinno w takim razie wyglądać, bo z tego co czytałem o łączeniu sygnałów to przed węzłem trzeba dać rezystory w szeregu. Wtedy od węzła do masy ten R_L 32R?

3 - dzięki za info, porównam. 072 też mam 🙂 albo miałem.

4- tu właśnie wpadłem na pomysł, żeby wyrównać wzmocnienie w paśmie. 2 filtry na wysokie i niskie częstotliwości ze wstępnym wzmocnieniem w pasmie przepustowym, dla wyższych częstotliwości większe wzmocnienie. Na wyjściu suma i.. no właśnie, pewnie kolejny wzmacniacz.

 

 

[_LM_]

2) najpierw obciążasz oba kanały po 32r(czy tam innym dopasowaniem) a potem robisz sumę na kolejnych rezystorach. Trudno mi w tej chwili rozwinąć odpowiedzi, jeśli nie pojawi się nic konkretnego i nie zapomnę to jutro będzie więcej szczegółów. Ad oscyloskop... Poza trybem roll, to aby wychwycić unikalne kawałki sygnału masz zapewne jakąś funkcję która zapmiętuje x próbek na wyświetlaczu. Coś jak w starych osc, lampa z pamięcią

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Gieneq]

Znalazłem w "szufladzie" układ wzmacniacza audio TDA2822, który robi dokładnie to co potrzebuję. Jeden stopień dałem dla mikrofonu żeby podbić te +- 50mV do +-1V podobnego do sygnału z jacka. Na wyjściu będzie jeszcze jeden stopień z mniejszym wzmocnieniem, żeby wykorzystać drugą połówkę układu i rozbić całość na 2 kroki tak jak sugerował @_LM_

Dla częstotliwości 50 Hz wzmocnienie jest około 60, dla 20 kHz nawet wyższe - wyszło około 90.

Z rezystorami chyba wiem o co chodzi, poeksperymentuję. W dokumentacji układu TDA nie jest zbyt wiele, ale jest podobny schemat, w którym w obciążeniu jest równoległa impedancja:

[Gieneq]

Aktualizacja - projekt wzmacniacza

Wybranie układ TDA2822 wydaje się dobrym pomysłem więc przygotowałem projekt wzmacniacza:

Tymczasowo zamiast mikrofonu podłączam za U_in wyjście audio, żeby przetestować przenoszenie wybranych częstotliwości.

Wzmacniacz składa się z 2 etapów wzmocnienia:

• dla mikrofonu, który powinien dostosować amplitudę sygnału do tej z wejścia jack,
• dla sygnału za gniazdem jack (czyli z mikrofonu lub jack).

Stąd, najpierw sprawdzam amplitudę sygnału z jack - pomiar punktów Test B i Test C na schemacie.

Dla niskich częstotliwości udało się wyskoczyć poza obszar pracy wzmacniacza i widać wyraźnie clipping na różowym przebiegu (punkt test B), dlatego zakładam mniejszą amplitudę 1 V - czyli nie mogę dać muzyki na pełen regulator. Żółty przebieg to napięcie wyjściowe (test C) regulowane potencjometrem 10k. Zauważyłem, że w takim układzie sam potencjometr pracuje w bardzo wąskim przedziale blisko masy (opór części potencjometru przy masie jest bliski 0) więc dodałem dodatkowy rezystor 220k przy wejściu sygnału, dzięki czemu na potencjometr trafia mniejszy prąd, mniejszy spadek napięcia, pracujemy w węższym przedziale napięć więc można kręcić gałką w pełnym zakresie.

Może być. Widać że wzmocnienie jest podobne, dla:

• 21 Hz wynosi 4,08 V/V,
• 20 kHz wynosi 4,19 V/V.

Teraz można przejść do dostrojenia potencjometru przy mikrofonie. Wybieram więc parę punktów test D (różowy) i test B (żółty). Zakładam że amplituda wejściowa sygnału to 50 mV (tyle miała amplituda w układzie z mikrofonem).

Więc wyciągam jack (zwierając linię wzmocnienia mikrofonu), w punkcie D ustawiam amplitudę na 50 mV i kręcę potencjometrem tak, żeby na wyjściu (test B) uzyskać max 1V.

Znowu sprawdzam wzmocnienie dla:

• 21 Hz, które wynosi: 18,75 V/V,
• 20 kHz, które wynosi 21,3 V/V.

Widać, że dla obu stopni wyższe częstotliwości mają większe wzmocnienie, co akurat jest korzystne - w testowanym sprzęcie wyższe częstotliwości są bardziej tłumione.

Charakterystyki całego wzmacniacza nie będę wykreślał - zrobię to dla układu zmontowanego na PCB. Na razie sprawdzam zależność między sygnałem wejściowym (punkt test D), a sygnałem wyjściowym (punkt test C). Odpalam muzykę, znowu katowany kawałek "Walking o a dream" i wzmocnienie wygląda ok, a potencjometr faktycznie przycisza:

Po przełożeniu jacka do właściwego gniazda też działa jak należy. Zostaje test z mikrofonem.

Dosztukowałem układ rezystorów polaryzujący mikrofon i wyjście podłączyłem do U_in. Bez ruszania potencjometrów ruszyło od razu, tylko lekko clipuje od dołu. Widocznie założenie 50 mV było błędne.

Ciężko przewidzieć jaka będzie amplituda sygnału mikrofonu bez jakiejkolwiek normalizacji - klaśnięcie powoduje impuls o wartości peak-to-peak 1,64 V, więc lepiej nie klaskać...

W sumie nie mam pomysłu jak to analogowo uciąć, na ten moment nie wiem wśród jakich częstotliwości miałbym szukać i wydaje mi się, że filtr pasmowy tego nie załatwi. Co mi przychodzi do głowy to zmniejszenie wzmocnienia tak by na ADC trafiała zdecydowanie mniejsza amplituda - tu i tak nie jest bardzo istotna ogromna rozdzielczość. Jeżeli typowa głośność mieściłaby się w zakresie powiedzmy 1/4 ADC to pozostały zakres przydałby się do reagowania na szpilki. Pomyślę, ale jak zawsze chętnie zapoznam się z radami bardziej doświadczonych.

Edit: w sumie klaskanie może się przydać - detekcja klaśnięć żeby włączyć urządzenie. Pomyślę jeszcze o ewentualnych źródłach szumu, ale ten sygnał i tak zostanie ostatecznie uproszczony i niektóre składowe zleją się ze sobą.

 

Edytowano Listopad 22, 2021 przez Gieneq

[pmochocki]

Dnia 19.11.2021 o 21:18, Gieneq napisał:

Jaki sygnał należy podać na wejście nieodwracające? W przypadku zasilania niesymetrycznego 0–5 V należy podać sygnał obciążony wartością stałą tak by amplituda zmieściła się w przedziale 0–5 V. Zatem sygnał z mikrofonu należy przesunąć o 2,5 V. Można to zrobić oddzielając sygnał kondensatorem i podając sygnał zmienny na dzielnik rezystorowy z 2 podobnych oporników.

Jako, że się nie znam, to się wypowiem. W teorii niektórzy robią to tak:

Cytat z "Wzmacniacze audio. Przewodnik konstruktora" autorstwa Jerzego Gołaszewskiego.

PS: Bardzo ciekawy worklog. Będę śledził postępy prac i uczył się przy okazji. 

[_LM_]

Do mikrofonu potrzebujesz trzech układów: wzmacniacza, limitera i kompresora. Trudne? Nie 🙂 są gotowe układy któryś z ssm2010... Coś około tego spełnia wszystkie te funkcje. Co do wypłaszczania harakterystyki to się nie wypowiem, ale czy nie można tego zrobić programowo? 

[_LM_]

Przepraszam kolego @Gieneqdokładniej to chodziło mi o ten układ https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&url=https://serwis.avt.pl/manuals/AVT2312.pdf&ved=2ahUKEwiAwaPLp6z0AhWCuYsKHX51De0QFnoECAUQAQ&usg=AOvVaw2owWn4BQwrhax7VJkrmc1V

[Gieneq]

@_LM_ dziękuję popatrzę. W końcu coś z AVT/EWD pojawiło się na forum 🙂 prawie te czasy, w których kierowano do konkretnego numeru EDW.

42 minuty temu, pmochocki napisał:

Jako, że się nie znam, to się wypowiem.

@pmochocki  Prawidłowo, wygląda jak początek drogi wzdłuż krzywej Krugera-Dunninga 😉 Ja też się nie znam, ale próbuję swoich sił. Przejrzę to co podesłałeś i przy kolejnej iteracji dam znać.

[_LM_]

14 minut temu, Gieneq napisał:

W końcu coś z AVT/EWD pojawiło się na forum 🙂 prawie te czasy, w których kierowano do konkretnego numeru EDW.

Nie ukrywam że dzięki edw nauczyłem się podstaw elektroniki, pierwszy numer kupiłem w 96 roku mam go do dziś 🙂 co prawda konkretnych numerów już nie pamiętam ale jak ktoś pyta, to potrafię skojarzyć czy temat pytania był kiedykolwiek poruszany w czasopiśmie jeśli tak, to dość szybko umiem znaleźć interesujący artykuł. 

[pmochocki]

Układ SSM2165 jest "obsolete", ale link od @_LM_ bardzo fajnie opisuje zagadnienie, a w praktyce można zastosować współczesny odpowiednik: SSM2167. 

[Gieneq]

Aktualizacja - pudełko płytek dotarło. Chińczyk się rzucił, 6 płytek do WS2812B gratis! Teraz lutowanie, tylko ~500 diod po 4 wyprowadzenia - 2000 tyś lutowań 😄 Wreszcie nalutuję się tak że się odechce. 

[Gieneq]

Podejrzanie bezproblemowo poszło. Lutowanie nie było tak pracochłonne jak się spodziewałem, 3 wieczory i zrobione. O dziwo tylko 2 styki diod niezłapały, przelutowałem i działa.

[Gieneq]

Aktualizacja, działa! Nawet na 1 rdzeniu ESP32 da się uzyskać 20 FPS przy 512 punktach FFT. Postaram się wyciągnąć więcej, to co jest teraz wygląda ok, ale brak tu płynności. Popracowałem trochę nad rozłożeniem kubełków FFT i jest neiźle ale coś 3 pasek oszukuje.  Przy przyzwoitym ustawieniu jasności na 20% pobór prądu przez wszystkie 399 LED to około 3A, zasilacz jest dobrany z zapasem na 20A.

W nagrodę dostał się Barbados - akurat przypasował do funkcji barwy 😄 🌈

Na filmie podłączyłem ESP32 do AUXa i dalej przejściowo do głośnika, jest też na drugim kanale ADC podłączenie do mikrofonu i działają bardzo podobnie. Z Ali kupiłem moduł mikrofonu z regulacją głośności i działa naprawdę dobrze 🙂 

Przyszła też płytka FPGA o której wspominał @FlyingDutch sipeed tang nano 4k, ale nie mam jeszcze czasu na rozgryzienie tego. Usiądę to tematu jak skończę wersję na ESP32 i wtedy będę mógł porównać czy to co uda się osiągnąć z FPGA będzie dużo lepsze.

Czekam też cały czas na obudowę, niestety przez pandemię jest problem z zaopatrzeniem we wszystko i czas realizacji wydłużył sie z 15 dni do ponad 5 tygodni, ale podobno części wyświetlacza są już gotowe i wygrzewają sie w piecu relaksacyjnym 🏖️

 

 

Edytowano Grudzień 15, 2021 przez Gieneq