Цветомузыка «DECOR»

В схеме четырёхканальной ЦМУ полосовые фильтры построены на тональных декодерах LMC567CN, поэтому частотные каналы имеют узкую полосу пропускания. Фоновый режим реализован на контроллере от китайской новогодней гирлянды. Элементы схемы размещены в корпусе от абонентского громкоговорителя «Россия», а в роли светового излучателя — миниатюрная декоративная люстра, поэтому ЦМУ получила название «DECOR». Внешний вид устройства показан на фото: Связь с источником звука – акустическая посредством микрофона. На корпусе установлены регуляторы для оптимизации работы фильтров, кнопочные выключатели для изменения режимов работы и светодиодные индикаторы наличия управляющих сигналов. Принципиальная схема показана на рисунке:

Источник питания Особенностей не имеет и выполнен на трансформаторе Т1, диодном мостике VD6 и стабилизаторе напряжения DA6. Конденсаторы С27 и С29 сглаживают пульсации. Для включения ЦМУ используют выключатель SA4, при этом напряжение ~220V поступает на симисторные усилители мощности, а напряжение питания +5V от стабилизатора на все узлы схемы. Предохранитель FU1 защищает схему от случайного замыкания в цепи ламп или трансформатора.

Микрофонный усилитель с глубокой АРУ Выполнен на микромощном операционном усилителе DA1, ток потребления которого задаётся резистором R7. Делитель R3, R4 устанавливает половину напряжения на неинвертирующем входе IN1 (выв.3), а конденсатор С3 дополнительно устраняет пульсации или помехи. Резистор R6, включенный между выходом OUT (выв.6) и инвертирующим входом IN2 (выв.2) задаёт необходимый коэффициент усиления. Электретный микрофон BM1 получает питание через фильтр R1, С1. С выхода OUT DA1 усиленный сигнал через R8 и С5 поступает на активный детектор VT2, R9, С6, который управляет делителем R2, VT1. Конденсатор С6 периодически подзаряжается, увеличивая напряжение на затворе VT1. Это приводит к уменьшению сопротивления перехода сток-исток транзистора, а значит и выходного напряжения усилителя DA1. Инерционность системы АРУ определяется номиналами С6 и R9, а выходное напряжение усилителя регулировкой подстроечного резистора R10. Схема микрофонного усилителя заимствована из [л.1], неоднократно собиралась и показала хорошие результаты работы. 3. Частотные фильтры С выхода OUT DA1 усиленный и ограниченный на уровне ~300…400mV звуковой сигнал через разделительные конденсаторы С7, С9, С17 и С19 поступает на частотные фильтры, выполненные на микросхемах DA2 – DA5. Микросхема тонального декодера LMC567CN [л.2] выполнена по CMOS-технологии и является функциональным аналогом биполярной микросхемы LM567CN, о которой подробно рассказано в [л.3,4]. Структура микросхемы показана на рисунке: Из структурной схемы видно, что сигналы от ГУН (VCO, Voltage-Controlled-Oscillator) поступают на амплитудный (AMPL DET.) и фазовый (PHASE DET.) детекторы через делители частоты на два. Поэтому, для правильного декодирования, ГУН должен быть настроен для работы с удвоенной частотой входного сигнала. Центральная частота ГУН задаётся резистором Rt (TIMING RESISTOR) и конденсатором Ct (TIMING CAPACITOR), которые подключаются к выводам 5 и 6. Центральную частоту Fosc в зависимости от Ct и Rt рассчитывают по формуле:

Fosc = 1 / 1,4 * Rt * Ct Hz
тогда частота входного декодируемого сигнала Finput будет определяться из выражения:
Finput = Fosc / 2 = 1 / 2,8 * Rt * Ct Hz (2).
Пример: рассчитаем центральную частоту ГУН для фильтра в канале низкой частоты (DA2, см. принципиальную схему) при максимальном и минимальном сопротивлении переменного резистора R12. В формулу (1) значение номинала Rt будем подставлять в килоомах, а Ct – в микрофарадах, поэтому результат получим в килогерцах.
Для R12 = 150К (движок R12 в нижнем по схеме положении):
Fosc =1 / 1,4 * (R14 + R12) * С8 = 1 / 1,4 * (68К + 150К) * 0,033мкФ = 1 / 10,0716 = 0,0993кГц,
Результат после округления: Fosc = 100Гц.
Для R12 = 0 (движок R12 в верхнем по схеме положении):
Fosc = 1 / 1,4 * R14 * С8 = 1 / 1,4 * 68К * 0,033мкФ = 1 / 3,1416 = 0,318кГц,
Результат после округления: Fosc = 320Гц.
Следовательно, частота декодируемого сигнала (Finput = Fosc/2) для фильтра НЧ регулируется в полосе 50Гц – 160Гц. Задав в выражениях (1) или (2) требуемую частоту в килогерцах при известном номинале Rt, можно найти ёмкость Ct или наоборот, имея в наличии известный Ct, можно вычислить необходимый для требуемой частоты номинал Rt:
Ct = 1 / 1,4 * Fosc * Rt = 1 / 2,8 * Finput * Rt мкФ (3);
Rt = 1 / 1,4 * Fosc * Ct = 1 / 2,8 * Finput * Ct КОм (4).
Расчетный результат – это идеальный случай, фактически на результат влияют разбросы параметров устанавливаемых элементов или внешние факторы. В таблице показаны расчётные и измеренные результаты полученных частот Fosc для всех фильтров с номиналами элементов Rt и Ct, указанных на принципиальной схеме ЦМУ:

Кроме того, на полосу пропускания декодера влияет ёмкость конденсатора С1, который подключается к выводу 1 (OUTPUT FILTER). Этот конденсатор вместе с внутренним сопротивлением Rвыв.1 = 40КОм формирует выходной фильтр. Чем больше ёмкость С1, тем более узкий диапазон частот лежит в полосе захвата декодера. При выборе ёмкости С1 надо учитывать скорость нарастания выходного напряжения амплитудного детектора и передачу пульсаций на выход компаратора. Говоря проще, при большой ёмкости С1 лампа в канале будет загораться «редко», т.е. только в случае, когда частота входного сигнала будет соответствовать выражению «Finput=Fosc/2». Лампа в канале будет загораться «часто», если конденсатор С1 имеет малую ёмкость, т.е. полоса пропускания будет широкой, и декодироваться будут также сигналы с близкими к «Fosc/2» частотами. Если С1 не устанавливать, то лампа в канале останется постоянно включенной. В схеме ЦМУ ёмкости конденсаторов С11, С14, С21 и С24 подобраны исходя из компромисса между динамичностью работы и разделением каналов. Оптимизация работы фильтров (и, следовательно, ламп в каналах) осуществляется переменными резисторами R12, R13, R18 и R19. Если движок этих резисторов перемещать вверх (по схеме), то центральная частота ГУН будет увеличиваться. Так как ёмкости конденсаторов С11, С14, С21 и С24 не изменяются, то одновременно будут сужаться полосы пропускания фильтров. Таким образом добиваются более чёткого разделения каналов. Резисторами R14, R15, R20 и R21 задано оптимальное разделение при среднем положении движков переменных резисторов. Вывод 2 (LOOP FILTER) является комбинированным – выходным для фазового детектора и входным для управления петлёй ФАПЧ (PLL). Конденсатор С2 вместе с внутренним сопротивлением Rвыв.2 = 80Ком образует циклический фильтр. Если входная частота лежит в полосе захвата петли ФАПЧ, то фазовый детектор вырабатывает сигнал, фильтруемый конденсатором С2 и поступающий в ГУН, из-за чего частота ГУН приводится в соответствие с выражением «Fosc=Finput*2» (обнаружение сигнала). Происходит режим захвата. Конденсатор С2 определяет пропускную способность во всём диапазоне обнаруженных частот (LDBW). При недостаточной ёмкости С2 режим захвата неустойчив, т.к. петля ФАПЧ имеет малое время захвата – выход декодера может переключаться из одного состояния в другое. Увеличение ёмкости С2 повышает помехоустойчивость за счёт более длительного времени захвата и сужения его полосы по сравнению с полосой, лежащей в диапазоне обнаружения. Декодеры в фильтрах ЦМУ работают в музыкальном (или речевом) диапазоне, напряжение которого имеет непредсказуемые частотные характеристики, поэтому конденсаторы С12, С15, С22 и С25 установлены одинаковой емкости — только для улучшения помехоустойчивости. Конденсатор С4 (см. структурную схему), подключаемый к выводу 4 (Vs) – блокировочный. Конденсатор на плате должен размещаться как можно ближе к выводу питания, и необходим на частотах выше F=50кГц. В данном случае декодеры работают с частотным диапазоном, имеющим верхнюю границу не более F=20кГц, поэтому конденсатором можно пренебречь. К выходам декодеров OUT (выв.8) подключены нагрузочные резисторы R16, R17, R22 и R23, которые вместе с конденсаторами, соответственно, С13, С16, С23 и С26 образуют интегрирующие цепочки. Их назначение – из импульсного напряжения сформировать сигналы с низким логическим уровнем. Когда выходы декодеров активированы, внутренние N-канальные полевые транзисторы периодически разряжают конденсаторы, поэтому, пока на входах декодеров присутствуют сигналы, лежащие в их полосе захвата, на выходах будут сигналы с низким логическим уровнем. Эти сигналы поступают на четыре элемента «НЕ» DD1.1 – DD1.4, с выходов которых через резисторы R27 – R30 проинвертированные сигналы поступают на токовые ключи VT4 – VT7. В стоковую цепь транзисторов через токоограничивающие резисторы R38 – R41 включены светодиоды симисторных оптронов VQ1 – VQ4. Оптроны, в свою очередь, управляют мощными симисторами VS1 – VS4 и обеспечивают гальваническую развязку от сети ~220V. Симисторы управляют включением ламп накаливания EL1 – EL4. Светодиоды HL1 – HL4 отображают наличие управляющего сигнала в каналах и имеют декоративное назначение. 4. Фоновый режим В этот режим ЦМУ переключается автоматически при очень тихом звуке или его отсутствии. Режим представляет собой восемь световых эффектов, формируемых микросхемой DD2 «FLASHER CONTROL», размещённой на платке из текстолита и залитой компаундом. Внешний вид DD2 показан на фото, а подробности в [л.5]. Выходы инверторов DD1.1 – DD1.4 объединены через диоды VD2 – VD5 по схеме «ИЛИ». Сигналы складываются на резисторе R26, который устанавливает низкий уровень напряжения на входе элемента DD1.6 при закрытых диодах. При отсутствии звукового сигнала конденсаторы, подключенные к выводам 8 декодеров, заряжаются до напряжения питания. Когда напряжение достигнет порога переключения элементов DD1.1 – DD1.4, на их выходах установится напряжение лог.0. Диоды VD2 – VD5 закроются. Низкий уровень с резистора R26 переключает элемент DD1.6 и на его выходе устанавливается напряжение лог.1. Это напряжение через резистор R24 заряжает конденсатор С28 до порога переключения элемента DD1.5. Постоянная времени при указанных на схеме номиналах R24, C28 составляет Т=0.8…1,2сек. и предназначена для задержки включения фонового режима при кратковременных перерывах между звуковыми фрагментами. После переключения элемента DD1.5 на его выходе появляется лог.0, который закрывает транзистор VT3. С катода VD7 полуволны выпрямленного напряжения с периодом следования Т=0,02сек. через резистор R33 поступают на вход SYNC (выв.10) контроллера DD2. Резистор R25 обеспечивает низкий уровень напряжения в моменты перехода сетевого напряжения через ноль, т.е. когда диод VD7 закрыт. На выходах OUT1 – OUT4 (выв.8–выв.5) формируются импульсные последовательности с изменяемой скважностью согласно текущей программе. Через развязывающие диоды VD9 – VD12 эти импульсы поступают на транзисторы VT4 – VT7. На выходах DD1.1 – DD1.4, как отмечалось выше, уровни лог.0, поэтому резисторы R27 – R30 теперь формируют низкий уровень напряжения на затворах транзисторов в моменты отсутствия сигналов на выходах DD2, т.е. при закрытых диодах VD9 – VD12.. Резистор R32 определяет ток напряжения питания DD2: Iраб = Uпит/R32 = 5V/6800 Ом = 0,74mA. При появлении в помещении звука достаточной громкости на резисторе R26 сформируется напряжение с высоким логическим уровнем и элемент DD1.6 переключится — на его выходе появится лог.0, который через прямосмещённый диод VD1 быстро разрядит конденсатор С28. На выходе DD1.5 появится лог.1 и транзистор VT3 откроется. Своим переходом сток-исток он зашунтирует вход синхронизации. Работа DD2 заблокируется и на выходах OUT1 – OUT4 установится низкий уровень напряжения. Диоды VD9 – VD12 закроются, и схема световых эффектов не будет влиять на работу ЦМУ. 5. Назначение выключателей SA1, SA2, SA3 и кнопки SB1 Если замкнуть выключатель SA1, то конденсатор С6 быстро зарядится до напряжения питания, которое поступит на затвор транзистора VT1 и полностью откроет его. Сигнал с микрофона BM1 окажется зашунтированным, поэтому фоновый режим выключаться не будет. Таки образом, выключатель SA1 предназначен для включения световых эффектов на постоянное время работы. Если замкнуть выключатель SA2, то на затвор транзистора VT3 перестанет поступать напряжение с выхода элемента DD1.5 и работа контроллера DD2 блокироваться не будет. В этом случае на затворы транзисторов VT4 – VT7 управляющие сигналы поступают как от декодеров, так и от контроллера. Таким образом, выключатель SA2 предназначен для микширования работы ЦМУ и световых эффектов. Если замкнуть выключатель SA3, то диоды VD7 и VD8 вместе с диодами отрицательного плеча мостика VD6 образуют двухполупериодный выпрямитель. На вход синхронизации SYNC контроллера DD2 с катодов диодов VD7, VD8 поступят полуволны выпрямленного напряжения с периодом следования Т=0,01сек. Это удвоит частоту работы контроллера DD2. Таким образом, выключатель SA3 увеличивает в два раза частоту переключения ламп и скорость смены световых эффектов Кнопка SB1, подключенная к входу SEL (выв.2) контроллера предназначена для выбора желаемого светового эффекта. 6. Детали и конструктив Микрофон BM1 типа МКЭ-3 устанавливался в отечественных кассетных магнитофонах и обладает довольно широким частотным диапазоном F = 50…15000Гц. Допускается установка двухвыводных электретных микрофонов, при этом последовательно с плюсовым выводом необходимо установить дополнительный резистор, задающий рабочий ток и исключающий влияние конденсатора С1 на выходной сигнал. Операционный усилитель КР140УД1208 можно заменить на ОУ типа КР140УД1408, но он не имеет вывода регулировки тока потребления. Уровень выходного напряжения микрофонного усилителя ~U = 300…400mV устанавливают подстройкой резистора R10. Транзисторы КП501А меняются на КП504А, КП505А или токовые ключи КР1014КТ1А(В), транзистор КТ3107А на КТ361Б. Диоды КД102 можно применить с любой буквой или заменить кремниевыми маломощными, например, типа КД103, КД521 или КД522. Выпрямительный мостик КЦ407А можно заменить любым с минимальным прямым током через диоды I=100mA или диодами в мостовом включении. Вместо микросхемы К561ЛН2 можно использовать любые микросхемы КМОП-структуры с функциями «НЕ», «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ» с учётом числа корпусов. Оптроны АОУ163А и симисторы BT137-600 меняются на соответствующие импортные или отечественные аналоги. Вообще, выходные каскады управления лампами могут быть реализованы по любой известной схеме. 

Лампы EL1 – EL4 производства PHILIPS с цоколем Е14 и мощностью 40Вт. Лампы имеют цветную колбу, которая внутри с тыльной стороны покрыта зеркальным напылением. В качестве светоизлучателя приспособлена китайская декоративная потолочная люстра. На корпус (абонентский громкоговоритель «Россия») она крепится в перевёрнутом виде. Предварительно на корпусе устанавливается крепёжное соединение: Далее устанавливается сама люстра и фиксируется гайками-колпачками: На задней и боковой стенках корпуса расположены выключатель (кнопка с фиксацией) SA3, предохранитель FU1 и микрофон BM1: Провода от ламп, проходят через отверстия в текстолите, выполняющего роль крепёжной пластины. Переменные резисторы размещены на верхней половинке корпуса и соединяются с платой многожильным шлейфом: Список литературы: 1. «Радиолюбителям. Полезные схемы», И.П. Шелестов, книга 4, изд. «СОЛОН-Р», Москва, 2001 2. «LMC567 Low Power Tone Decoder» National Semiconductor, даташит, June 1999 3. «РАДИО, СДУ на тональных декодерах» журнал №11, 2011 4. «LM567/LM567C Tone Decoder» National Semiconductor, даташит February 2003 5. Тема «СДУ в сетевом удлинителе», сайт «РАДИОСХЕМЫ» Цоколёвка используемых элементов приведена на рисунке: