Proyecto 5: Analizador de espectro de sonido

Analizador de espectro de sonido

En esta ocasión aplicaremos la teoría y pruebas vistas en el proyecto 3 a un proceso real, con el cual deseamos poner el practica los conocimientos adquiridos, para esto se propone realizar un analizador de espectro de sonido, este es un dispositivo que permite ver las magnitudes y frecuencias de una señal, atreves de su representación en la matriz led diseñada en el proyecto 1 y 2. En esta queremos representar 5 bandas de frecuencias distintas las cuales serán las columnas y 5 niveles de amplitud los cuales serán las filas.

Para esto se tenia que separar inicialmente las frecuencias que íbamos a medir, así que se realizaron diferentes filtros conectados en paralelo para esta primera etapa la cual llamamos etapa de entrada y bandas de frecuencias. Para poder conectar las distintas bandas en paralelo es importante tener en cuenta que es necesaria una etapa de acople a la señal de entrada, esto para evitar distorsiones entre bandas, por esto se usa un amplificador inversor como entrada, en este caso con una ganancia de 2 para darle mas visibilidad a las señales pequeñas en amplitud (la ganancia se puede varia según la necesidad o ajustes a detalles que se desee en la aplicación).

Etapa 1: Entrada  y Bandas de frecuencia

Luego de tener nuestro acople de señal se prosigue ahora si con el diseño e las bandas de nuestro filtro, estos filtros son una variación del filtro pasa banda MFB explicado en el proyecto 3, la razón de la variación es debido a que se desea tener un filtro de banda angosta para evitar que estas se mezclen o interfieran unas a otras por eso se usan las siguientes ecuaciones de diseño a cambio y modelo:

Ecuaciones de diseño filtro Banda angosta

Modelo filtro banda angosta

Con esto en cuenta pasamos a los cálculos para los filtros que deseábamos en nuestras bandas siendo estas 500Hz, 2kHz, 4.2kHz, 7.9kHz y 16kHz. Es importante tener en cuenta que la ganancia, de estos filtros esta pensada para ser 1 por esto ambos capacitores serán de la misma magnitud (esto en la practica se compruebe que es falso ya que los filtros tienden a atenuar de un 10% a un 50% la señal, mientras que su simulación muestra una ganancia igual a 0.7), 

Simulación filtro pasa banda angosto Fc = 16kHz

Análisis en barrido de frecuencias filtro pasa banda angosto Fc = 16kHz

Tras tener nuestras bandas las cuales separan nuestra señal en 5 frecuencias, tenemos que determinar una manera de poder cuantificar la magnitud de esta señal por lo que, propusimos un circuito de valor absoluto o también conocido como rectificador de onda completa con operacional, este circuito se encarga de trasladar la mayor parte de la potencia en las distintas frecuencias a una frecuencia aproximada a 0, la cual podemos medir como un nivel DC. En cuestión el modelo del circuito usado es el siguiente:

Circuito Valor absoluto

Este circuito consta de dos amplificadores operacionales el primero funcionara como rectificador y el segundo esta configurado a manera de seguidor de voltaje o buffer, las dos resistencias con las que cuenta son de la misma magnitud y normalmente se configuran de 10kOhms, esto para generar un divisor de tensión el cual llevara parte de la señal a la salida del diodo y la otra parte a la entrada inversora del primer operacional para invertirla dándole un desfase de 90° y luego rectificar con el diodo dejando pasar solo la parte positiva que se encontrara con la primera parte de la señal que o paso por el operacional así logrando la rectificación de onda completa, ya el seguidor de voltaje se encarga de reunificar la señal y de funcionar como etapa de acople para una próxima etapa, es importante recordar que este circuito fue necesario implementarlo para cada banda con el fin de cuantificar su amplitud en un nivel DC.

Al tener ya los niveles DC de cada etapa llegamos a la decisión de implementar un grupo de cinco comparadores lo que nos generaría un problema si usáramos esto para cada banda ya que tendríamos 25 comparadores y nuestra matriz led cuenta solo con 10 entradas de control, por lo que se decidió multiplexar las 5 salidas de cada banda aun solo grupo de comparadores dando así dando 5 salidas que serán las de control de filas y dejando los de control de columnas a el contador. Y al conmutar a cierta velocidad se vera la magnitud para cada columna correspondiente.

Circuito para multiplexación 

El circuito anterior usa un oscilador NE555 para generar una señal de reloj que moverá el contador 74LS160, este contador esta diseñado para estar truncado en 5, lo que hace que cuente de 0 a 4 y el 5 será un estado transitorio para volver a reiniciar el conteo, por esto logra pasar por los 5 estados que deseamos luego este conteo pasara a un decodificador 74LS138 que se usara como demultiplexor dejando pasar una señal alta 5V, para el estado correspondiente, esta señal ira aun integrado CD4016 el cual es un swicht analógico que conmuta con la señal de control que generamos anteriormente. De esta manera logramos pasar las distintas señales a un solo grupo de comparadores.

Etapa final swicht analógico, sumador y grupo de comparadores

Ya para terminar el diseño se unen las señales atreves de un sumador el cual se encarga de modificar la ganancia individual de cada banda según sea necesaria para su ajuste dejar un balance de entada de señal inicial y nivel DC de 1:1 y dar la salida al grupo de comparadores. Estos últimos cuentan con un arreglo de resistencias para fijar el voltaje de comparación.

Para el montaje en físico de este circuito se dificulto dada la extensión de este y las diferentes etapas necesarias, por lo que se recomienda montar etapas por separadas probar individualmente y luego unir y calibrar. En nuestro caso por cuestiones de tiempo logramos hacer funcionar dos bandas con todas las etapas mencionadas anteriormente. 

Video prueba proyecto 5 dos bandas funcionales

Anexos

Esquemático completo