Circuito para convertir al LM3914 en medidor logarítmico
Hasta hace un tiempo se podían utilizar los LM3915 para realizar un medidor con barras de leds, pero se discontinuaron. Si bien todavía se pueden conseguir, es una solución a corto plazo. En mi caso, usar conversores RMS con salida logarítmica (de la familia de los THAT), me solucionó el tema permitiéndome utilizar los LM3914.
Ya que los medidores con escala lineal dan un display muy incómodo, no representando bien la relación de amplitud (el rango dinámico) de una señal de audio.
Bien ¿entonces qué hacemos? Los escasos LM3915 que se puedan conseguir, son de fuentes dudosas, o caros, solo queda sucumbir a los LM3914, dando escalas no óptimas para audio Y en un entorno de medidores por software y con las normativas de sonoridad actuales, medir el nivel en audio requiere dos cosas básicas, medir RMS (tema ya tratado en un articulo anterior), y tener una indicación lineal en dB, o sea logarítmica.
De allí que se me ocurrió pensar, ¿no se podrá hacer un medidor logarítmico con los LM3914?
Debo decir que no lo vi nunca en ningún lado, esta solución podría haber aparecido hace 20 años… pero a nadie se le ocurrió. !!!
Primeramente podríamos analizar lo que hace este IC, que es comparar la tensión de entrada con la de referencia a través de un divisor resistivo en 10 pasos entre las patas 4 y 6. Y SIEMPRE se utiliza un voltaje de referencia constante, ya que trae una tensión muy estabilizada para este propósito en la pata 7. De allí que al ser lineal el divisor resistivo interno, los 10 pasos sean todos iguales.
Entonces la idea fue ver como variar la tensión de referencia para ir ampliando los pasos. Pensando en un display con 3 integrados (emulando al que se construiría con LM3915) para obtener 30 dB de rango.
Desarrollo
Inicialmente deduje que la referencia debería arrancar desde unos 50 mV, con el primer IC alcanzando unos 100 mV, el segundo en 400 mV y el tercero en 1250 mV, utilizando la referencia estabilizada de la pata 7 de 1250 mV.
La figura 1 muestra la secuencia necesaria en cada referencia para obtener una salida “lineal” en dB.
Figura 1: Tensiones de referencia para barrer 30 dB con 3 módulos.
Esta solución parece ser interesante, es “mejor que nada”. Pero las líneas se alejan en el medio de cada IC donde el error es mayor. Y el primer módulo requiere menos de 100 mV en el comparador y esto es muy poco, el fabricante sugiere no usar menos de 300 mV por problemas de offset interno y corrientes de polarización, y en este el paso entre Leds es de unos pocos milivolts, lo que hace que el display funcione mal, un desastre.
Por lo que busque otra solución. Y entonces se me ocurrió este concepto que les presento, ¿qué pasaría si varío la tensión de referencia con la señal de entrada? De manera que a medida que la señal aumente, también lo haga la referencia. De esta manera al aumentar la tensión de referencia, incremento el paso entre los Leds y mejoro su exactitud.
Figura 2: Variación necesaria sobre Vref. Para obtener una escala logarítmica en 30 LEDs
En la figura 2 se observa en Azul la referencia constante típica de la aplicación de este IC y en Azul más claro la pendiente lineal del encendido de los Leds y en Rojo oscuro la referencia “dinámica” , dando en Rojo claro la pendiente de encendido resultante en los Leds.
Luego de análisis, cálculos en Excel, simulaciones en el Multisim, etc. Llegué a una implementación que modifica la tensión de referencia, logrando que los pasos entre Leds aumenten progresivamente. Simple y elegante.
El primer IC debe iniciar a una tensión correspondiente a -30 dB. Y luego la referencia ira aumentando para emular la respuesta logarítmica. Por lo que analicé cómo deberían variar las tensiones en cada uno de los tres integrados del diseño.
La figura 3 muestra en una gráfica simplificada (diríamos rústica), de cómo debería ser la variación de la referencia para cada IC, mostrando los puntos de intersección. La curva Verde corresponde a la tensión mínima del IC1, la Azul a la referencia superior del IC1, la Amarilla a la del IC2 y la Gris a la del IC3. La Roja es la tensión de entrada, que barriendo el display va encendiendo los leds progresivamente. Como imaginarán hay mucho más trabajo intelectual que el aquí detallado, así que les muestro las ideas conceptuales y los resultados exitosos, para que se entienda el concepto, que es lo más interesante del proyecto.
Figura 3: Variación requerida en las tensiones de referencia
Si observamos en el punto A, esta intersección es donde se enciende el primer LED, en el punto B pasa al segundo IC, en el punto C pasa al tercer IC y el punto D marca el fondo de escala, suponiendo que la tensión máxima es de 1,2V.
Pero, aquí me encontré con el problema de que la baja tensión en el primer IC, no se puede usar en la práctica, no anda. El fabricante sugiere no usar menos de 300 mV. Entonces no queda otra opción más que subir las tensiones de referencia, haciendo que el máximo sea mayor a 1,25V.
El LM3914 tiene la particularidad de poder subir su tensión de referencia con un divisor resistivo entre la pata 7 y la pata 8. Así con 1K + 1K entre ambas, logré tener 2,5V de referencia, subiendo toda la curva.
Como las referencias van conectadas en serie (el esquema típico de aplicación), uniendo los pines 4 y 6 entre los IC, y si cada uno tiene unos 7,5 K de resistencia interna efectiva, los tres IC tendrán 22,5k en total.
Si no hay ningún otro aporte, las tensiones serán 1/3 en cada uno. Por lo que agregué una resistencia a tierra de 8k2 para subir la pata 4 del primero a unos 80 mV (-30dB) y otra de 10K para bajar la tensión del último, desde su pata 7 a la 6, que es donde comienza la comparación. Para poder bajarla a unos 300mV para el inicio de la escala. Quedando entonces una rama de 5 resistencias: 10k + (7,5k) + (7,5k) + (7,5k) +8k2. Los valores entre paréntesis corresponden a los valores de resistencia en los comparadores internos de cada IC.
Tenemos elegidas las tensiones para el inicio de la escala, el tema ahora es ver como agregar la tensión de entrada. Para lo cual incluí una resistencia a la pata 6 del tercer IC desde la entrada. Calcule que para dar la variación necesaria se requiere una relación de 5:1, y si tengo 10K del pin 7 al 6, elijo entonces 2K2 para esta resistencia. Esta hará toda la magia, variando la referencia en función de la entrada.
Luego encontré que debía aumentar también la pendiente del segundo IC, por lo que agregué otra resistencia de 10k entre la entrada y el pin 6 de este IC.
Quedando el circuito como el presentado en la figura 4. Donde las letras A, B, C, y D indican las 4 tensiones de referencia que se mostraron en la figura 3.
Figura 4: Esquema de resistencias utilizado.
Durante las pruebas en el taller encontré que los últimos 5 leds requerían aumentar más la tensión de referencia para ajustarse a la escala logarítmica del final, por lo que agregue un diodo entre la entrada y el pin 8 de manera de forzar un aumento de la referencia cuando la tensión de entrada supera los 1,8V.
Quedando el esquema completo calculado en el Excel, como el siguiente:
Figura 5: Esquema final del Conjunto de resistencias calculado
Figura 6: Simulación de las tensiones de referencia en el Multisim
En el simulador, monté el circuito y verifiqué los valores que obtendría en cada IC a medida que la tensión de entrada aumenta. En este caso la tensión de entrada es una rampa de 0 a 2,5V que es la máxima tensión del comparador y por ende el fondo de escala
Realice las mediciones del prototipo montado en el Protoboard y tabule los valores en Excel, obteniendo la siguiente gráfica:
Figura 7: Variación de cada tensión de referencia, versus la tensión de entrada para los 30 leds.
Aquí las líneas Azul, Naranja, Gris y Amarillo indican los valores de las tensiones de referencia de cada IC y la línea Negra indica la tensión de entrada, mostrando su buena respuesta logarítmica.
Luego, en las pruebas realizadas en el laboratorio con el circuito montado en el Protoboard, comparé la lectura obtenida, contra un display realizado con LM3915 (donde el paso de 1dB está garantizado por los comparadores internos y es bastante preciso), conectados ambos en paralelo al mismo circuito excitador QRMS. Así pude comprobar la exactitud de su comportamiento dinámico. Les paso unos sencillos videos tomados con mi teléfono en el taller que los muestra funcionando con música, de manera dinámica. Creo es la mejor forma de mostrar su perfecto desempeño:
Video 1:
Video 2:
Ya que estaba también lo compare contra un display lineal, o sea uno con los LM3914 en la configuración típica. Entonces podemos comparar la diferencia que hay entre la presentación de un display lineal y uno logarítmico, me pareció muy interesante.
Video 3:
Comento que la plaquetita sobre el Protoboard de los dos primeros videos es una cableada con tres LM3915, y en el tercero es una con LM3914 en configuración estándar, o sea con la tensión de referencia constante.
Conclusiones
Espero haberles demostrado que aplicando esta sencilla red de 4 resistencias y un diodo se puede hacer un excelente display logarítmico a partir de los LM3914, para tener buenos medidores de sonoridad, o sea, económicos, sencillos y con una escala lineal en dB, con un rango de tensión de entrada de 0 a 2,5V.
Una limitación que encontré es que es imposible utilizar el modo punto por las bajas tensiones de referencia que impiden el encendido de los leds más bajos. Lo siento, funciona solo en barra. Sino, habría que aumentar más las tensiones de trabajo y me iría de mi concepto de usar una alimentación USB de 5V para todo el conjunto.
Entonces, con este esquema, más el conversor QRMS, el multiplexor de entradas y el filtro K, se puede realizar un medidor que sea un Loudness Meter cumpliendo todas las características necesarias, a muy bajo costo y ANALÓGICO! Que es lo mejor de todo, único en el mundo!
Espero que este diseño les resulte interesante como para que decidan aplicarlo en su próximo artilugio sonoro.
Hasta hace un tiempo se podían utilizar los LM3915 para realizar un medidor con barras de leds, pero se discontinuaron. Si bien todavía se pueden conseguir, es una solución a corto plazo. En mi caso, usar conversores RMS con salida logarítmica (de la familia de los THAT), me solucionó el tema permitiéndome utilizar los LM3914.
Ya que los medidores con escala lineal dan un display muy incómodo, no representando bien la relación de amplitud (el rango dinámico) de una señal de audio.
Bien ¿entonces qué hacemos? Los escasos LM3915 que se puedan conseguir, son de fuentes dudosas, o caros, solo queda sucumbir a los LM3914, dando escalas no óptimas para audio Y en un entorno de medidores por software y con las normativas de sonoridad actuales, medir el nivel en audio requiere dos cosas básicas, medir RMS (tema ya tratado en un articulo anterior), y tener una indicación lineal en dB, o sea logarítmica.
De allí que se me ocurrió pensar, ¿no se podrá hacer un medidor logarítmico con los LM3914?
Debo decir que no lo vi nunca en ningún lado, esta solución podría haber aparecido hace 20 años… pero a nadie se le ocurrió. !!!
Primeramente podríamos analizar lo que hace este IC, que es comparar la tensión de entrada con la de referencia a través de un divisor resistivo en 10 pasos entre las patas 4 y 6. Y SIEMPRE se utiliza un voltaje de referencia constante, ya que trae una tensión muy estabilizada para este propósito en la pata 7. De allí que al ser lineal el divisor resistivo interno, los 10 pasos sean todos iguales.
Entonces la idea fue ver como variar la tensión de referencia para ir ampliando los pasos. Pensando en un display con 3 integrados (emulando al que se construiría con LM3915) para obtener 30 dB de rango.
Desarrollo
Inicialmente deduje que la referencia debería arrancar desde unos 50 mV, con el primer IC alcanzando unos 100 mV, el segundo en 400 mV y el tercero en 1250 mV, utilizando la referencia estabilizada de la pata 7 de 1250 mV.
La figura 1 muestra la secuencia necesaria en cada referencia para obtener una salida “lineal” en dB.
Figura 1: Tensiones de referencia para barrer 30 dB con 3 módulos.
Esta solución parece ser interesante, es “mejor que nada”. Pero las líneas se alejan en el medio de cada IC donde el error es mayor. Y el primer módulo requiere menos de 100 mV en el comparador y esto es muy poco, el fabricante sugiere no usar menos de 300 mV por problemas de offset interno y corrientes de polarización, y en este el paso entre Leds es de unos pocos milivolts, lo que hace que el display funcione mal, un desastre.
Por lo que busque otra solución. Y entonces se me ocurrió este concepto que les presento, ¿qué pasaría si varío la tensión de referencia con la señal de entrada? De manera que a medida que la señal aumente, también lo haga la referencia. De esta manera al aumentar la tensión de referencia, incremento el paso entre los Leds y mejoro su exactitud.
Figura 2: Variación necesaria sobre Vref. Para obtener una escala logarítmica en 30 LEDs
En la figura 2 se observa en Azul la referencia constante típica de la aplicación de este IC y en Azul más claro la pendiente lineal del encendido de los Leds y en Rojo oscuro la referencia “dinámica” , dando en Rojo claro la pendiente de encendido resultante en los Leds.
Luego de análisis, cálculos en Excel, simulaciones en el Multisim, etc. Llegué a una implementación que modifica la tensión de referencia, logrando que los pasos entre Leds aumenten progresivamente. Simple y elegante.
El primer IC debe iniciar a una tensión correspondiente a -30 dB. Y luego la referencia ira aumentando para emular la respuesta logarítmica. Por lo que analicé cómo deberían variar las tensiones en cada uno de los tres integrados del diseño.
La figura 3 muestra en una gráfica simplificada (diríamos rústica), de cómo debería ser la variación de la referencia para cada IC, mostrando los puntos de intersección. La curva Verde corresponde a la tensión mínima del IC1, la Azul a la referencia superior del IC1, la Amarilla a la del IC2 y la Gris a la del IC3. La Roja es la tensión de entrada, que barriendo el display va encendiendo los leds progresivamente. Como imaginarán hay mucho más trabajo intelectual que el aquí detallado, así que les muestro las ideas conceptuales y los resultados exitosos, para que se entienda el concepto, que es lo más interesante del proyecto.
Figura 3: Variación requerida en las tensiones de referencia
Si observamos en el punto A, esta intersección es donde se enciende el primer LED, en el punto B pasa al segundo IC, en el punto C pasa al tercer IC y el punto D marca el fondo de escala, suponiendo que la tensión máxima es de 1,2V.
Pero, aquí me encontré con el problema de que la baja tensión en el primer IC, no se puede usar en la práctica, no anda. El fabricante sugiere no usar menos de 300 mV. Entonces no queda otra opción más que subir las tensiones de referencia, haciendo que el máximo sea mayor a 1,25V.
El LM3914 tiene la particularidad de poder subir su tensión de referencia con un divisor resistivo entre la pata 7 y la pata 8. Así con 1K + 1K entre ambas, logré tener 2,5V de referencia, subiendo toda la curva.
Como las referencias van conectadas en serie (el esquema típico de aplicación), uniendo los pines 4 y 6 entre los IC, y si cada uno tiene unos 7,5 K de resistencia interna efectiva, los tres IC tendrán 22,5k en total.
Si no hay ningún otro aporte, las tensiones serán 1/3 en cada uno. Por lo que agregué una resistencia a tierra de 8k2 para subir la pata 4 del primero a unos 80 mV (-30dB) y otra de 10K para bajar la tensión del último, desde su pata 7 a la 6, que es donde comienza la comparación. Para poder bajarla a unos 300mV para el inicio de la escala. Quedando entonces una rama de 5 resistencias: 10k + (7,5k) + (7,5k) + (7,5k) +8k2. Los valores entre paréntesis corresponden a los valores de resistencia en los comparadores internos de cada IC.
Tenemos elegidas las tensiones para el inicio de la escala, el tema ahora es ver como agregar la tensión de entrada. Para lo cual incluí una resistencia a la pata 6 del tercer IC desde la entrada. Calcule que para dar la variación necesaria se requiere una relación de 5:1, y si tengo 10K del pin 7 al 6, elijo entonces 2K2 para esta resistencia. Esta hará toda la magia, variando la referencia en función de la entrada.
Luego encontré que debía aumentar también la pendiente del segundo IC, por lo que agregué otra resistencia de 10k entre la entrada y el pin 6 de este IC.
Quedando el circuito como el presentado en la figura 4. Donde las letras A, B, C, y D indican las 4 tensiones de referencia que se mostraron en la figura 3.
Figura 4: Esquema de resistencias utilizado.
Durante las pruebas en el taller encontré que los últimos 5 leds requerían aumentar más la tensión de referencia para ajustarse a la escala logarítmica del final, por lo que agregue un diodo entre la entrada y el pin 8 de manera de forzar un aumento de la referencia cuando la tensión de entrada supera los 1,8V.
Quedando el esquema completo calculado en el Excel, como el siguiente:
Figura 5: Esquema final del Conjunto de resistencias calculado
Figura 6: Simulación de las tensiones de referencia en el Multisim
En el simulador, monté el circuito y verifiqué los valores que obtendría en cada IC a medida que la tensión de entrada aumenta. En este caso la tensión de entrada es una rampa de 0 a 2,5V que es la máxima tensión del comparador y por ende el fondo de escala
Realice las mediciones del prototipo montado en el Protoboard y tabule los valores en Excel, obteniendo la siguiente gráfica:
Figura 7: Variación de cada tensión de referencia, versus la tensión de entrada para los 30 leds.
Aquí las líneas Azul, Naranja, Gris y Amarillo indican los valores de las tensiones de referencia de cada IC y la línea Negra indica la tensión de entrada, mostrando su buena respuesta logarítmica.
Luego, en las pruebas realizadas en el laboratorio con el circuito montado en el Protoboard, comparé la lectura obtenida, contra un display realizado con LM3915 (donde el paso de 1dB está garantizado por los comparadores internos y es bastante preciso), conectados ambos en paralelo al mismo circuito excitador QRMS. Así pude comprobar la exactitud de su comportamiento dinámico. Les paso unos sencillos videos tomados con mi teléfono en el taller que los muestra funcionando con música, de manera dinámica. Creo es la mejor forma de mostrar su perfecto desempeño:
Video 1:
Ya que estaba también lo compare contra un display lineal, o sea uno con los LM3914 en la configuración típica. Entonces podemos comparar la diferencia que hay entre la presentación de un display lineal y uno logarítmico, me pareció muy interesante.
Video 3:
Comento que la plaquetita sobre el Protoboard de los dos primeros videos es una cableada con tres LM3915, y en el tercero es una con LM3914 en configuración estándar, o sea con la tensión de referencia constante.
Conclusiones
Espero haberles demostrado que aplicando esta sencilla red de 4 resistencias y un diodo se puede hacer un excelente display logarítmico a partir de los LM3914, para tener buenos medidores de sonoridad, o sea, económicos, sencillos y con una escala lineal en dB, con un rango de tensión de entrada de 0 a 2,5V.
Una limitación que encontré es que es imposible utilizar el modo punto por las bajas tensiones de referencia que impiden el encendido de los leds más bajos. Lo siento, funciona solo en barra. Sino, habría que aumentar más las tensiones de trabajo y me iría de mi concepto de usar una alimentación USB de 5V para todo el conjunto.
Entonces, con este esquema, más el conversor QRMS, el multiplexor de entradas y el filtro K, se puede realizar un medidor que sea un Loudness Meter cumpliendo todas las características necesarias, a muy bajo costo y ANALÓGICO! Que es lo mejor de todo, único en el mundo!
Espero que este diseño les resulte interesante como para que decidan aplicarlo en su próximo artilugio sonoro.
