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| Reinhard Kutzner |
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Aussteuerungsmeßgerät mit Leuchtdiodenskala
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| Aussteuerungsmeßgeräte
für Tonbandgeräte besitzen meist eine logarithmische
Skaleneinteilung im dB-(Dezibel-)Maßstab [1]. Da ein normales
Zeigerinstrument eine lineare Anzeigecharakteristik aufweist,
muß das Signal entweder auf elektrischem Wege vor der
Anzeige logarithmiert werden, oder die Skala wird in einem stark
verzerrten Maßstab gezeichnet. Eine Alternative ist eine
logarithmische LED-Skala. |
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Vorbemerkung
Die elektrische Logarithmierung ist aufwendig und teuer, und
außerdem sind derartige Schaltungen auch recht temperaturempfindlich.
Dazu kommt noch, daß eine Logarithmierung für jeden
Kanal gesondert durchgeführt werden muß.
Beim LED-Peakmeter, das in diesem Beitrag vorgestellt wird,
genügt eine Steuerschaltung für viele Kanäle.
Die abgemagerte Version zum Nachbau ist für zwei Kanäle
dimensioniert. Die Funktionsblöcke sind in Bild 1 dargestellt.
Das Konzept ist für maximal 70 Elemente der Anzeige ausgelegt.
Die Leuchtdioden werden in Form einer Matrix geschaltet. |
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Bild 1. Blockschaltbild
für das LED-Peakmeter |
70 Anzeige-Elemente
Will man lediglich Übersteuerung anzeigen, so genügt
im Prinzip eine einzige Leuchtdiode, die immer dann aufleuchtet,
wenn es ohnehin schon viel zu spät für eine Korrektur
des Pegels ist. Soll das Meßerät aber zum Beispiel
auch dazu verwendet werden, einen Tonkanal zu pegeln oder ein
Tonbandgerät einzumessen, so ist eine Anzeige erforderlich,
die höchstens ± 0,25 dB Fehler aufweist.
Die Anforderungen liegen bei professionellen Geräten noch
höher, aber für den Amateur dürfte dieser Wert
sicherlich ausreichend sein. Bei 70 Segmenten kann nun die Pegelzuordnung
so eingeteilt werden, daß ein dB auf mehrere Segmente
aufgeteilt wird.
Vorteile eines Peakmeters
Das VU-Meter, wie es üblicherweise in Kassettenrecordern
und Tonbandgeräten eingebaut wird, ist vom Entwurf her
so ausgelegt, daß man daran die Lautstärke des Programms
ablesen kann (VU kommt von volume unit = Lautstärke-Einheit).
Bei kleinen Pegeln reagiert ein VU-Meter im allgemeinen gar
nicht, -und bei lauten Spitzen schwingen die Zeiger wie wildgewordene
Dreschflegel hin und her.
Das VU-Meter hat einen Vorteil: es ist billig. Die Nachteile
des VU-Meters sind durch elektronische Maßnahmen nicht
einfach zu beheben.
Ein Spitzenspannungsmesser zeigt aufgrund seiner hohen Anstiegsgeschwindigkeit
auch kurze Impulse unverfälscht an. Durch den langsamen
Rücklauf der Anzeige bleibt dem Auge genügend Zeit,
um den Wert der Aussteuerungspitzen abzulesen. Das VU-Meter
zeigt eine Art "Mittelwert der Aussteuerung" an, der
von der Trägheit des Zeigers und der Masse der Spule kommt.
Da dieser Mittelwert ein paar dB unter den Spitzenwerten des
Signals liegt, wird zuwenig angezeigt, man kompensiert dies
dadurch, daß man dem VU-Meter einfach einen Vorlauf gibt,
das heißt, man macht es einfach ein paar dB empfindlicher.
Dieser Vorlauf wird Lead genannt. Das benötigte Lead hängt
stark von der Statistik des Programm-Materials ab, man hat deshalb
einen Kompromiß zwischen Sprache und Musik geschlossen
und stellt das Lead auf 8...9 dB ein. Im Unterschied dazu ist
die Anzeige des Spitzenspannungsmeßgeräts immer gleich
dem Spitzenwert, egal ob es Sprache oder Musik anzeigt, und
unabhängig vom Lautstärke-Eindruck. Der Lautstärke-Eindruck
hängt im wesentlichen vom Mittelwert des Tonsignals ab
(ähnlich dem VU).
Für die Vollaussteuerung von Tonbandgeräten ist die
Höhe der Spitzenwerte von besonderem Interesse, da von
einem bestimmten Pegel an der Klirrfaktor stark ansteigt. Beim
Pegeln (Einmessen) von Tonbandgeräten muß der Unterschied
zwischen VU und Spitze genau beachtet werden: das VU-Meter zeigt
bei ca. -9 dB unter der Vollaussteuerung Null an! Der Pegel,
bei dem das VU-Meter Null anzeigt, wird Operating-Level genannt
(im Unterschied zum Peak-Level, der Vollaussteuerung). Im Deutschen
gibt es keine so richtig passende Bezeichnung, da im Studio
ohnehin nur der Spitzenwert zum Einmessen benutzt wird.
Gestaltung der Skala
Nach den Forderungen der DIN-Norm [1] soll das Peakmeter einen
Anzeige-Umfang von 55 dB und eine Auflösung von 0,25 dB
haben. Da man diese Forderungen nur schwer unter einen Hut bekommen
kann, behilft man sich damit, daß man im Bereich von 0
dB die volle Genauigkeit der Auflösu realisiert. Die restliche
Skala quetscht man dann auf Kosten der Genauigkeit zusammen.
Beim LED-Peakmeter ist das genauso, denn pro dB müßte
man streng genommen 4 Leuchtdioden anordnen, um die geforderte
Genauigkeit zu erhalten, also für die gesamte Skala über
200 Stück. Deshalb wird in der Mitte der Skala der Maßstab
umgeschaltet und eine gröbere Stufung von Anzeigeschritten
verwendet. Bild 2 zeigt die Skalen-Gestaltung: Im Bereich von
+5 dB bis zu -10 dB werden pro dB 2,5 Punkte angezeigt, im Bereich
von -10 dB bis zu -42 dB wird ein Punkt pro dB angezeigt.
Diese Verhältnisse können nach Belieben variiert werden.
Die mathematischen Grundlagen zur Berechnung einer eigenen Anzeigecharakteristik
findet man in [2] und [3]. |
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Bild 2. Vorschlag
zur Gestaltung der Skala |
Beim LED-Peakmeter richtet sich die Dimensionierung
nach der verlangten Genauigkeit. Mit 70 Segmenten wird im interessierenden
Bereich, um 0 dB herum, die Anzeige hinreichend genau. Diese
70 Segmente werden im Zeitmultiplex nacheinander getastet, so
daß nur durch die Taktfrequenz die Einschwingzeit des
Instruments festgelegt wird.
n = Anzahl der Segmente
fT = Taktfrequenz
Bei 70 Segmenten und einer Taktfrequenz von 7,0 kHz kommt man
auf eine Einschwingzeit von 10 ms. |
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Die Rampenfunktion
Die Bauelemente zur Bestimmung der logarithmischen Kennlinie
des Systems sind: 1 C, 3 R, 2 Transistoren, 1 Zenerdiode. Bild
3 zeigt den Analogteil der Schaltung für die Rampenfunktion. |
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Bild 3. Schaltung
des Analogteils zur Gewinnung der Rampenspannung |
Die Rampe läuft während 70 Taktintervallen
von 5,6 V Anfangs-Wert auf einen durch R1 und R2 beeinflußbaren
Wert herunter. Nach 70 Taktintervallen erfolgt einen Takt lang
Reset durch die Steuerschaltung an Punkt 7: Der Transistor T1
erhält über den Basiswiderstand einen 0-V-Impuls,
er wird leitend und entlädt den Kondensator C.
Nach dem Impuls geht der Transistor wieder in den gesperrten
Zustand, und der Kondensator C (6,8...10 nF) wird wieder aufgeladen.
Den Spannungsverlauf an Punkt 12 zeigt das Schirmbild-Foto (Bild
4), auf dem auch der Reset-Impuls (obere Kurve) zu sehen ist.
Die untere Kurve zeigt den Ausgangsimpuls des Komparators LM
239, wenn die Spannung an Punkt 12 (im folgenden "Rampe"
genannt) mit einer "Eingangsspannung" verglichen wird.
Die Rampe wird an den invertierenden Eingang des Komparators
gelegt. Solange Ur größer ist als die Eingangsspannung,
bleibt der Komparatorausgang auf Null Volt. |
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Bild 4. Oszillogramme;
Reset-Impuls, Rampe und Komparatorausgang |
Der Rampenknick
Bei einer beliebigen Taktzahl kann der Rampenknick einprogrammiert
werden. Eine entsprechende Kombination von "Zehner"-
und "Einer"-Takt wird an den beiden Johnson-Zählern
4017 (Bild 5) abgegriffen und durch eine Und-Schaltung verknüpft.
Das Ausgangssignal setzt das JK-Flipflop 4027 und schaltet R2
als zusätzlichen "Entladewiderstand" an den Kondensator
der Rampenfunktion (Punkt 8). Wenn nun R2 zugeschaltet wird,
ändert sich die Rampenspannung mit einer größeren
Geschwindigkeit, und der dB-Maßstab wird damit gröber
geteilt.
Der Zähler zählt vorwärts, sein Ausgangssignal
muß aber so bewertet werden, als würde er rückwärts,
von 70 nach Null zählen. Dabei gilt die Festlegung daß
die LEDs so angeordnet sind, daß die höchste Segmentzahl
dem höchsten Pegel entspricht. Während die Zähltakte
von 70 nach Null laufen, wandert das Anzeigesegment von rechts
nach links, von +5 dB nach -40 dB.
Steuerung der Balkenlänge
und Regelung der Helligkeit
Der Komparatorausgang (Punkt 5) steuert eine Stromregelschaltung,
die den Emitterstrom der Katoden-Treibertransistoren in Abhängigkeit
von dem vorgegebenen Sollwert regelt. Solange der Komparatorausgang
auf + 12 V liegt, fließt ein Strom durch die Leuchtdiode,
der zu der eingestellten Spannung am + -Eingang des Operationsverstärkers
proportional ist: dazu mißt der Widerstand R6 den Strom,
der Spannungsabfall wird auf den invertierenden Eingang des
OPs gegeben, der die Differenz zum + -Eingang ausregelt.
Der Komparatorausgang wird beim Takt Null automatisch zurückgesetzt,
weil die Rampe dann mit Sicherheit größer als das
Eingangssignal ist (Ausnahme: wenn das Gerät total übersteuert
ist).
Der Strommeßwiderstand R6 darf nicht zu groß sein,
damit der Spannungsabfall und damit auch die Verlustleistung
in Grenzen bleibt. Eine Spannung von 0, 2 Volt reicht als Eingangssignal
für den Operationsverstärker vollkommen aus.
Mit dem Potentiometer P1 (P2) kann die Stromstärke und
damit die Helligkeit der Anzeige eingestellt werden.
Rl hat Einfluß auf beide Teile der Rampe. Deshalb ist
zuerst Rl so abzugleichen, daß von dem Bezugspunkt "Vollaussteuerung"
(+ 5 dB) ausgehend ein Pegelwert von-10 dB oder -20 dB (vor
dem Knickpunkt) mit Hilfe von Rl abgeglichen wird. Dann wird
ein kleinerer Pegel (unterhalb des Knickpunkts) mit Hilfe von
R2 abgeglichen.
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Bild 5. Schaltbild
des Logikteils |
LED-Anzeige
und Treiber
Während die Rampe abläuft, zählt ein Johnson-Zähler
(4017) die Taktimpulse. Seine Ausgänge steuern über
die Treiber die "Einer", die Anoden der LED-Matrix
an. Die Steuerung der "Einer"-Seite erfolgt für
beide Kanäle gemeinsam, man muß nur die Treibertransistoren
so auslegen, daß sie auch den maximalen Strom aushalten:
im Taktverhältnis von 1:10 müssen sie n-mal den Strom
eines Kanals steuern. Der Strom eines Kanals ist aber = Anzahl
der Segmente x 5...10 mA x Anzahl der Kanäle.
Die Steuerung auf der Katodenseite kann wegen der Längen-Modulation
des Balkens nur für einen Kanal erfolgen. Zweckmäßig
ist der Einatz von ICs mit Mehrfach-Darlingtons (z. B. ULN 2003).
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LED-Array
Im Innern der Matrix sind jeweils 10 Katoden und 10 Anoden
der Leuchtdioden miteinander verbunden (Bild 6). Die Anode
des ersten Segmentes ist mit den Anoden der Segmente 11,
21, 31... usw. verbunden, nach außen geht für
alle gemeinsam ein Anschluß A1. Bild 7 zeigt den
Matrix-Aufbau des Verfassers.
Auf der Katodenseite sehen wir, daß die Katoden
der ersten 10 Segmente alle miteinander verbunden sind,
dies ist der 00- "Zehner"-Anschluß. Wird
nun z. B. der 00- "Zehner"-Anschluß auf
Masse gelegt und gleichzeitig an den A5- "Einer"-Anschluß
eine positive Spannung über einen Vorwiderstand angeschlossen,
so kann nur durch die fünfte Leuchtdiode Strom fließen
-das fünfte Segment leuchtet auf.
Jedes beliebige Segment der Matrix wird auf diese Weise
angesteuert. Nacheinander werden die "Einer"
durch einen "Ringzähler" angesteuert, während
die, "Zehner" mit 1/10 der Taktfrequenz des
"Ringzählers" für die Einer angesteuert
werden. Das wird durch die beiden HEF 4017 auf sehr einfache
Art und Weise gelöst. |
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Bild 6. Schaltung
des LED-Arrays |
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Bild
7. Matrix einer Zeile mit 70 LEDs |
Inbetriebnahme
Zuerst prüft man den Oszillator. Wenn der Oszillator nicht
schwingt, oder irgendwann stehen bleibt, brennt irgendeine Leuchtdiode
durch. Schwingt der Oszillator einwandfrei, sollte die Zählerschaltung
ohne die Anzeige geprüft werden.
Der ordnungsgemäße Ablauf der Rampe und das Schalten
des Komparators wird geprüft (siehe Oszillogramm in Bild
4). Dann werden anstelle der Anzeige einige Ersatzwiderstände
angeschlossen, damit die Funktion der Helltast-Schaltung geprüft
werden kann. Erst wenn dies funktioniert, wird die LED-Matrix
angeschlossen. Da es sich um Multiplexsteuerung handelt, kann
die Funktion nur mit einem Oszilloskop kontrolliert werden.
Kalibrieren und Messen
Wie mit R1 und R2 der Maßstab der Rampe eingestellt wird,
wurde bereits beschrieben. Bevor diese Einstellung vorgenommen
werden kann, müssen Vorverstärker und Gleichrichter
überprüft und eingestellt werden. An den Eingang des
Vorverstärkers wird ein Nf-Signal gelegt, das der maximalen
Anzeige (+5 dB) entsprechen soll. Dieses Signal kann mit einem
Multimeter gemessen werden. Als Meß-Signal soll am Ausgang
des Gleichrichters nun die maximale Rampenspannung eingestellt
werden: die Spannung der Zehnerdiode = 5,6 V. Alle Segmente
leuchten!
Dieses Signal wird nun um 10 dB oder 20 dB abgeschwächt
und der Abgleich der Rampe weitergeführt.
Hinweise zum Aufbau
Wegen der Multiplexfrequenz muß die Schaltung in ein abgeschirmtes
Gehäuse eingebaut werden. Auch auf ein sauberes Abblocken
der Versorgungsspannung ist zu achten, sonst vagabundiert die
Multiplexfrequenz in der ganzen Schaltung umher. |
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Literatur
[1] DIN-Norm 45 406. Beuth-Vertriebs-GmbH, Berlin, Köln.
[2] Bronstein: Taschenbuch der Mathematik, Teubner-Verlag, Leipzig.
[3] Tietze, Ch.; Schenk, Ch.: Halbleiter-Schaltungstechnik.
Springer-Verlag. |
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Stichworte zum
Inhalt
LED-Peakmeter, logarithmische Skala, Rampenknick, LED-Matrix. |
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FUNKSCHAU 1980, Heft 6 Seite
113 ff.
Herzlichen Dank an die
Funkschau für die Erlaubnis, diesen Artikel hier zu
veröffentlichen. |
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