带记忆功能的频谱显示器

频谱显示器能直观地显示出声音的频率成分，装在音响设备上，不仅有利于正确地调节音调，而且起到极好的装饰作用。本文介绍的带记忆功能的频谱显示器，采用LED（发光二极管）矩阵显示，把音频分成七个频带，用九级电平显示，采用动态扫描技术，具有节省器件、省电、易于装配的优点，为了获得良好的显示效果，加入了自动电平控制，克服了大信号“满屏”和小信号时“暗屏”的现象：此外本电路还特设了“记忆”功能，可通过开关随意控制，接通“记忆”，使频谱显示“固定”下来。以便仔细地分析信号的频率成份。故本显示器还可用于一般的音频分析和教学活动。

本显示器主要由信号混合放大，自动电平控制，带通滤波器、电子开关，LED电子驱动，脉冲分配选通、LED矩阵，电源等部分组成。图1是电原理图。IC\(_{1}\)-4等构成隔离放大器，左右信号通过R1、R\(_{2}\)混合，经C1送入IC\(_{1－4}\)作反相放大。R1、R\(_{2}\)阻值选得较大，以减小对分离度的影响。信号经IC1－4放大后分为两路，一路经C\(_{2}\)、D1、D\(_{2}\)，及C3倍压整流产生反映信号强弱的直流电压，经R\(_{7}\)加到BG1基极，由BG\(_{1}\)放大后再控制BG2的CE极间电阻，相应地控制输入到IC\(_{1－4}\)的信号强弱，从而稳定输出电平，另一路加到由IC1－1～IC\(_{1－3}\)、IC2～1～IC\(_{2～4}\)及周围元件组成七级二阶带通滤波器，作分频处理。

带通滤波器的基本电路如图2所示，这是一个有源二阶带通滤波器，通过对R\(_{a}\)、Rb、R\(_{c}\)及Ca、C\(_{b}\)的选取，就能决定带通滤波器的频率特性；一般取Ca=C\(_{b}\)=c。其中心频率f0和增益A可按下式计算：

通常情况下，调R\(_{c}\)改变A，调Rb改变Q值，同时改变C\(_{a}\)、Cb调整f\(_{0}\)。本电路中七个频段的中心频率按2.5倍频程规律分别取为60Hz、150Hz、400Hz、1kHz、2.5kHz、6kHz、15kHz。IC1、IC\(_{2}\)用正负电源对称电源供电。

信号经带通滤波器分频后；通过二极管和电容器，各自整流滤波，得到反映各自频带信号强弱的直流电压。整流管采用硅开关二极管，死区电压较高，为了克服死区电压的影响。故由R\(_{9}\)和D3组合得到0.3V的稳定电压，加到IC\(_{1}\)、IC2的同相输入端，使带通滤波器的输出端对地直流电压为0.3伏，减小硅开关二极管死区电压的影响。

经整流滤波后的直流电压分别加至由IC\(_{3}\)、IC4组成的七个电子开关的输入端，电子开关的导通与否受脉冲分配器IC\(_{6}\)的控制，每次只允许一个开关导通，各电子开关输出端并接于一点，输出到LED电平驱动器的输入端，R31是泄放电阻，R\(_{32}\)、R33决定IC\(_{5}\)内部放大器的增益，R35给IC\(_{5}\)内部基准电压提供电流，IC5采用LB1405仅为五级电平指示，为了充分利用其内部功能，本电路增加了四组放大电路，利用IC\(_{5}\)内部放大器的信号，使驱动LED数增到九级，BG3的控制信号取自IC\(_{5}\)的内部放大器输出端，BG4－BG\(_{5}\)的控制信号均取自内部缓冲级输出，各自通过适当的电阻分压，使其在一定的电平下导通。BG7～BG\(_{15}\)均为缓冲级，接LED矩阵的负端。

BG\(_{23}\)、BG24等组成多谐振荡器产生时钟脉冲，频率由C\(_{25}\)、C26及R\(_{61}\)、R62决定。按图1电路取值时f\(_{0}\)=760Hz。输出脉冲接至脉冲分配器IC6的时钟入口14脚。输出端Q\(_{0}\)～Q6一方面控制电子开关IC\(_{3}\)～IC4的导通，另一方面经R\(_{53}\)～R59加到BG\(_{16}\)～BG22的基极，经BG\(_{16}\)～BG22作功率放大后接到LED矩阵各频段的正端。LED矩阵在IC\(_{5}\)与IC6共同作用下，使对应的LED发光。例如：当IC\(_{6}\)的Q0为高电平“1”时，BG\(_{18}\)输出高电压，400Hz的那列LED正极得到电压，同时，IC3－3导通，C\(_{2}\)0上的电压加到IC5上，由IC\(_{5}\)驱动400Hz列的LED作相应显示。指示出400Hz信号电平的大小当多谐振荡器输出下一个脉冲时，Q0变为低电平，Q\(_{1}\)为“1”，BG17输出高电压，150Hz的那例LED正极得电；同时IC\(_{3－2}\)导通，C19上的电压加到IC\(_{5}\)，由IC5驱动150Hz的LED，指示出150Hz频段的信号强弱……；依此类推，当IC\(_{6}\)Q6由“1”变为“0”时，6脚Q\(_{7}\) 为“1”，复位端（15脚）得到高电位，IC6复位，Q\(_{0}\)又变为“1”，重新开始了新的循环。

由于时钟频率达760Hz，作用于每频段的发光二极管的扫描频率都大于108Hz，因人眼的视觉暂留作用，LED看起来是持续发光的，不会有闪烁的感觉。由于采用了动态扫描技术，使引向LED板的引线大力减少，给线路板的设计带来很大方便，也有节电、节省元件的好处。

K为“记忆”按钮，当按下K时，K\(_{a}\)接通，输入信号旁路到地，Kb断开，使泄放电阻R\(_{31}\)断开，C18～C\(_{24}\)只能通过D4～D\(_{1}\)0、IC5 泄放电荷，因IC\(_{5}\)输入阻抗很高，D4～D\(_{1}\)0的反向饱和电流极微，故时间常数τ=RC很大，C18～C\(_{24}\)上的电压能延续一段时间，使LED矩阵能保持在K按下瞬间的显示状态；若采用优良的电容器和二极管，可保持“记忆”状态30秒钟。

电源采用正负8伏对称电压供给IC\(_{1}\)、IC2，正电压经隔离二极D\(_{11}\)后，供给缓冲放大管BG16～BG\(_{22}\)。经BG25等作电子滤波器及稳压后供给IC\(_{3}\)、IC4、IC\(_{5}\)、IC6及多谐振荡器。采用分部供电后，可大大减少各部分的干扰。

变压器次级带中心抽头，双6伏，功率大于3W即可。C\(_{18}\)～C24应采用漏电小的品种。二极管D\(_{4}\)～D10采用反向饱和电流小的型号。若没有开关管，可用普通硅二极管代替。带通滤波器中的电阻、电容误差不要太大。IC\(_{1}\)～IC2用LM324四运算放大器。IC\(_{3}\)、IC4是四模似电子开关，可用MC14066或CD4066，IC\(_{6}\)是十进制脉分配器，用CD4017、MC14O17或C187均可。IC5是五级LED电平驱动器，采用LBl405。BG\(_{3}\)的β＞300，BG4、BG\(_{5}\)的β＞100，其余三极管β＞50即可。D3采用一个PN结完好的低频锗三极管。也可用锗二极管。DW用6伏的稳压管，如2CW6。K宜采用双刀双掷的微动开关。

电路中采用了CMOS电路，焊接过程中，注意烙铁不要带电！全部零件安装无误后，再通电试验。用高阻耳机串接一只0.1μF的电容器，接到BG\(_{24}\)的集电极，应能听到音频叫声。若无声说明多谐振荡器没有起振。可能是电压没有加到振荡器上,或是晶体管有问题。接下去可进行下一步调试,适当调节R9，使最下排LED接近点亮阈值，然后将本机输入端与收录机线路输出插孔连接，当信号较弱时，调R\(_{23}\)使有少量LED发光，当强信号到来时，调R7，使LED不致全亮。若有整段LED不亮，应检查这一频率的电子开关是否正常，带通滤波及整流部分是否正常。调试时注意LED是否顺序发亮，必要时可改变BG\(_{3}\)～EG6的β或分压电阻的大小。使某行的点燃阈值改变。以上功能调好后，可检查记忆功能，输入一段信号，按下K，LED矩阵应保持原来的显示状态一段时间，否则说明相应的整流二极管或电容器不良。经以上调整后，本装置即可上机使用。

为使整机小巧玲珑，本装置采用三块印刷线路板安装：其中有一块双面矩阵板，用于安装LED和行驱动三极管，图3a为正视图，图3b为正面透视图，LED矩阵行间隔2mm，各频段间隔3mm，发光二极管正极穿过图3a中的空心圆圈焊在背面的铜箔上，负极则焊在正面的铜箔上。注意发光二极管正极不可与正面铜箔相碰。必要时可用套管隔开。电子开关及驱动部分线路板如图4所示。分频部分线路板如图5所示。各印板间用软线相接，可以叠放，以减少空间。(郑毅清)