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Pr13. Analizador de Espectro para música

 
En el mercado se pueden encontrar numerosos "analizadores de espectro" a la venta, así como esquemas disponibles en línea, que resultan ser realmente un fraude.

Al aplicarles un barrido de frecuencias, se hace evidente que cada banda opera de manera arbitraria, sin corresponderse con las frecuencias de referencia, característica fundamental de un auténtico analizador de espectro.

En esta ocasión nos enfocaremos en la construcción de un pequeño analizador de espectro analógico real, modular, compuesto por 5 bandas con 5 LED por banda.

Con los conocimientos adquiridos en este proyecto, no solo podrás ensamblar este analizador específico, sino que también serás capaz de crear tu propio analizador analógico con la cantidad que desees de bandas y LED por banda.

 


EL DISEÑO

 

 

Hay múltiples formas de abordar el diseño de un analizador de espectro.
Se ha optado por una sencilla para lograr un diseño más asequible y, por tanto, más fácil de aprender.

La idea principal ha sido la de crear un diseño práctico que cumpla con las siguientes premisas:
servir como ejemplo didáctico de cómo construir un analizador de espectro analógico y, una vez ensamblado, proporcionar entretenimiento observando el comportamiento frecuencial o espectral de la música.

A la vez, se ha buscado que no fuera algo muy complicado de construir, ni algo muy costoso o aparatoso .

Para cumplir con estos objetivos se ha optado por un pequeño analizador de cinco bandas, con cinco LED por banda.

Es importante destacar que no se trata de un analizador de gran precisión y, por lo tanto, no es muy adecuado para utilizar como equipo de laboratorio.

El panel frontal, mostrado en la fig. superior,  mide 14 x 11 cm.

 


ESQUEMA Y PCB

 

El esquema propuesto corresponde a cada uno de los módulos. Van a ser cinco módulos iguales.
Si lo separamos por bloques obtenemos lo mostrado en la fig. Siguiente:


A la izquierda, en anaranjado, tenemos el primer operacional (½ TL082) que se encarga de amplificar la señal de entrada y de adaptarla al circuito siguiente.

En el centro, verde, aparece el filtro pasa banda (½ TL082) encargado de dejar pasar un estrecho rango de frecuencias hacia el vúmetro. Es el corazón del analizador.

A la derecha, en azul, se muestra el circuito vúmetro (AN6884 o KA2284) que tiene como misión encender/apagar los LED destinados a la visualización.


Lista de componentes para cada módulo:

 

Abajo, vista de la PCB de un módulo. Lado de pistas (izquierda) y lado de componentes (derecha).
Medidas reales: 10 x 2,5 cm.






Descargar PDF con la PCB, frontales y otros

 

 

 

EL MONTAJE


Este analizador requiere hacer una división (filtrado) de la banda total de frecuencias musicales (de 20Hz a 20KHz) en varias partes o sub-bandas. En este caso, en cinco sub-bandas centradas en: 50Hz, 200Hz, 800Hz, 3KHz, y 12KHz.

 

Como se observa en la fig. A, los filtros pueden tener diferentes anchos de banda, el verde es el más amplio y el azul el más estrecho.
Un analizador de espectro eficaz necesita filtros estrechos para distinguir claramente cada una de sus bandas.

En la fig. B, se ilustra cómo deben ser los filtros para un analizador de espectro analógico de cinco bandas: cinco filtros estrechos con frecuencias centrales distintas distribuidas a lo largo de la banda de audio, evitando superposiciones.

Para ampliar nociones sobre este tipo de filtros mira la lección: Filtro pasa banda activo, tipo MF.
En esta lección se proporcionan herramientas para diseñar filtros teórico-prácticos para las frecuencias que desees.



Cada uno de los cinco módulos necesarios lleva los mismos componentes indicados en el esquema, a excepción de los dos condensadores Cx.


El módulo de 50Hz, según tabla adjunta, llevará dos condensadores Cx iguales de 12nF.
El módulo de 200Hz, llevará dos condensadores Cx iguales de 3,3nF.
Etc.

La otra tabla, “10 bandas (teórico)”, es una tabla con los cálculos teóricos de los valores de Cx para construir un analizador de diez bandas con los componentes de este esquema. Estos valores son teóricos y no corresponden a valores comerciales



Una vez ensamblados y probados individualmente los cinco módulos, ya se pueden conectar uno a uno al panel frontal para completar el montaje del analizador.



El conexionado general se realizará según se muestra en la fig. superior.
Es importante tener en cuenta que los componentes fuera de los módulos no están incluidos en la lista de componentes.


El conector de entrada de señal de audio (In) es un conector estéreo.

Las dos resistencias de 15K se utilizan para mezclar los canales izquierdo y derecho del estéreo, obteniendo así un canal mono con la información combinada, ya que nuestro analizador es mono.
Se podría construir un segundo analizador para utilizar cada uno en su propio canal estéreo.

El potenciómetro de 47K es necesario cuando la señal de entrada es demasiado fuerte; de lo contrario, puede omitirse conectando directamente la unión de las dos resistencias a la entrada "IN" de los módulos.

La conexión a masa (GND) de la entrada de cada módulo se deja sin conectar a nada, como se muestra en la figura.
Dado que la "GND" de audio ya está conectada a la "GND" de alimentación, no es necesario realizar esta conexión. Así se evitan posibles bucles entre las masas.

Aunque el analizador puede funcionar con un rango variable de tensiones para Vcc, se recomienda utilizar una alimentación simple de 12V DC.



Para verificar el funcionamiento de cada módulo, es necesario suministrarle alimentación (12V), introducir una señal de audio moderada en la entrada (IN y GND), ajustar el potenciómetro y observar el comportamiento de los LED.

Si se desea realizar una verificación más exhaustiva, se puede conectar un generador de baja frecuencia (real o virtual) a la entrada, con una señal senoidal, y realizar barridos de frecuencia mientras se observa la activación de los LED, tal como se muestra en la fig. inferior.

Pondremos el potenciómetro al máximo e iremos probando con diferentes frecuencias.

Cuando veamos que se encienden los LED, regularemos el potenciómetro para que el número máximo de LED encendidos sean (p. ej.) tres, y seguiremos probando con otras frecuencias.

Apreciaremos que, con un determinado número de frecuencias contiguas, se encienden más LED en comparación con las otras frecuencias (la señal medida por los LED es más fuerte). Esto nos está indicando que estamos dentro del ancho de banda real del filtro.
De esa pequeña banda de frecuencias pasantes, la del medio (aprox.) es la frecuencia central (fo) del filtro.

Ejemplo: si el mayor número de LED se encienden con un rango de frecuencias de 700Hz a 900Hz, la frecuencia del medio de ambas, 800Hz, será la frecuencia central (fo).

Esto nos sirve para saber a qué frecuencia concreta está centrado el filtro de ese módulo.


Importante:
Debido a los valores comerciales utilizados y a las tolerancias de los componentes, las frecuencias centrales (fo) de este analizador seguramente no van a ser muy precisas respecto a las de referencia: 50Hz, 200Hz, 800Hz, 3KHz, 12KHz. No obstante, se aproximarán lo suficiente para que cumpla con su función prevista.

 

 

 

AMPLIACIONES

 

 

Ahora ya conoces los entresijos de un analizador de espectro analógico de cinco bandas, con cinco LED por banda.

Como el diseño creado es modular, nos permite jugar con la cantidad de módulos para crear un analizador de tres bandas, siete bandas, diez bandas, o las que queramos. Sólo será necesario calcular los dos condensadores Cx de cada módulo para adaptar sus valores a las nuevas frecuencias centrales (fo) del filtro.

En la lección mencionada: Filtro pasa banda activo, tipo MF, se indica como calcular Cx para cualquier frecuencia.
Además, si lo prefieres, tienes allí una sencilla hoja de cálculo para que haga ese trabajo. Le metes unos cuantos datos y obtienes automáticamente los valores necesarios para Cx.


Si, por el contrario, lo que buscas es construir un analizador con una cantidad de LED por banda mayor que cinco, NO te servirán estos módulos.
Necesitarás hacer un nuevo diseño, pero puedes aprovechar este diseño como base. Lo único que debes cambiar es la parte del vúmetro, todo lo demás te sirve como está.

En la fig. inferior se indica, en amarillo, la parte del circuito que debe ser cambiada.



Una posible opción para ampliar los LED aprovechando estos módulos sería fabricar otro circuito con un segundo vúmetro y colocarlo a continuación de cada uno de los módulos. Ver fig. siguiente:


Se tomará la misma señal de la entrada del primer vúmetro y se la aplicará a la entrada del segundo vúmetro con un potenciómetro (resistencia ajustable) de por medio. Este potenciómetro se ajustará para que el primer LED del segundo vúmetro se encienda después de que estén encendidos todos los LED del primer vúmetro.

Si la señal de entrada es lo suficientemente fuerte para manejar ambos vúmetros, funcionará bien la cosa.

 

 

¿Deseas ir más allá? Pues, sigue leyendo.

 



Tienes montones de vúmetros montados (o en kit) a la venta en Internet, con infinidad de variantes: número y tipos de LED, colores, modos gráficos… a precios bastante asequibles.

He probado uno de mis módulos con el vúmetro de 32 LED que aparece en la fig. superior y ha funcionado perfectamente.

Se podría diseñar una PCB con tantos filtros (amplificador + filtro) como bandas sean necesarias y conectar la salida de cada uno de ellos a su vúmetro externo para construir un analizador de espectro a medida.
Esta PCB estaría basada en el mismo esquema de este proyecto (sin la parte del vúmetro) y con los mismos componentes, no sería necesario cambiar nada.


Los auténticos analizadores de espectro suelen ser un poco (o bastante) caros. Me refiero a los NO profesionales ni de laboratorio, como es el caso de este. Los baratos son simples juguetes de lucecitas.
Con las ideas presentadas en este proyecto, es posible construir un analizador de espectro para música de aceptable calidad a un precio razonable que no tiene nada que envidiar a los comerciales.




Por si quieres ahorrarte trabajos con las PCB, mira esta entrada del Blog:

PCBs made in Hong Kong: mi experiencia

Ahí explico como pedir que te fabriquen las PCB en la empresa china JLCPCB. Tienen muy buena calidad y precio, pero puedes optar por pedirlas a otra empresa diferente.


Si te decides por la fabricación profesional te dejo, abajo, los ficheros GERBER para los módulos y el panel frontal de este analizador de espectro. Son válidos para JLCPCB y desconozco si lo son también para otras empresas; supongo que sí.

- Gerber de los módulos.

- Gerber del panel frontal.


Te advierto que la fabricación PCB del frontal es un poco cara en JLCPCB (sobre todo por los coste de envío), porque el pedido mínimo es de cinco piezas y sólo es necesaria una. Aunque, si consigues compartir las PCB sobrantes o vas a fabricar más analizadores, el precio por unidad sale bastante bien.





Arriba, una imagen con los diseños del frontal y los módulos que he pedido fabricar a JLCPB. Son los mismos que van incluidos en los gerber adjuntos.

Los colores que se ven son los que yo he escogido, pero puedes elegir otros cualquiera entre los varios disponibles. Subes el fichero gerber y, luego, seleccionas el color que deses.





PRUEBAS FINALES



El siguiente gráfico nos muestra los valores obtenidos con nuestro prototipo de analizador.
Ahí podemos ver como responden en la práctica los filtros de cada banda.


Los valores utilizados para Cx son esos valores comerciales que se referencian.

La frecuencia central “fo (teórica)” es un valor obtenido del cálculo aplicando las fórmulas (con esos valores de Cx).
La “fo (práctica)” es el valor sacado de las mediciones prácticas en los módulos reales.

Si comparamos ambas fo podemos ver que se aproximan bastante a pesar de las variaciones que provocan las diferentes tolerancias de los componentes. Aunque se han utilizado resistencias de tolerancia del 1%, los condensadores empleados no eran de gran precisión.

Como se comenta en la lección sobre filtros de la que ya hablamos, sería posible hacer un reajuste de los filtros jugando con el valor de la R6 del esquema para afinar más su fo con la buscada, pero no es imprescindible hacer esto si el analizador se va a utilizar únicamente para observar el comportamiento de la música.


El ancho de banda virtual
(BWv) medido en cada filtro es el obtenido exclusivamente sobre la parte superior plana del filtro, a 0dB. Si midiéramos a -3dB obtendríamos el ancho de banda real (que es el que nos dan las fórmulas), de mayor anchura que este virtual.

Dado que el Q de cada filtro no es muy alto (anda sobre 2), el filtro práctico no es picudo como se muestra en azul en la fig. A vista más arriba. En realidad sería algo intermedio entre el rojo y el azul de la misma figura, con una parte plana arriba.

El ancho de banda (BWv) que tiene que ver con esa parte plana se corresponde con el rango de frecuencias que el filtro deja pasar con la misma amplitud.

Es decir, si pasan de 750Hz a 950Hz con la máxima amplitud, la frecuencia central (fo) será de 850Hz pero se encenderán el mismo número de LED con cualquier frecuencia dentro del rango de 750Hz a 950Hz (entre ellas la de 800Hz).

Por esta razón, no es algo vital la afinación de los filtros para un centrado perfecto cuando el analizador se va a utilizar para el fin previsto.

 




Bueno… parece que hemos llegado al final.
Espero que te diviertas con este proyecto y que disfrutes con su uso ;-)

Si tienes alguna duda, sugerencia, etc., déjate caer por nuestro Foro de Proyectos, ok?.


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