LED Audio Spectrum Analyzer

[Mike2k]

Hi iedereen,

Ik ben redelijk nieuw met electronica maar vind het onwijs leuk om er mee te spelen.
Heb al heel wat gedaan met ledstrips enzo maar dat was niets meer dat het in elkaar zetten van kant en klare pakketjes.

Nu wil ik graag een led spectrum analyzer gaan maken. Op youtube staan een hoop filmpjes zoals deze:
YouTube: Handmade LED Spectrum Analyzer 1 - YouTube (erg leuk, maar ik wil eigenlijk een bredere)
YouTube: New audio spectrum analyzer - YouTube (helaas is mijn italiaans niet zo goed)

Zo zijn er nog veel meer, maar deze is toch wel het mooiste:
YouTube: My Big Blue 32 Band Audio Spectrum Analyzer Lady Gaga - YouTube

Nu is dit een mooie schakeling voor een beginner zoals ik:
http://home.deds.nl/~doze...semod/audiovu/audiovu.htm
Niet te duur om te maken en goed te overzien.

Mijn vraag is alleen, kan ik zoiets ook uitbreiden om een spectrum analyzer te krijgen?
Ik zou dan meerdere circuits moeten maken waarbij elk circuit op een bepaalde frequentie reageert toch?

Wat ik heb gelezen is dat het ook met bijv een Arduino, PIC of Atmega kan alleen dat zijn microprocessors en ik denk dat dat op dit moment nog wat te hoog gegrepen is voor mij...

Weet iemand hoe dat moet?

[timberleek]

voor een spectrum analyzer moet je eerst het ingangssignaal filteren naar aparte frequentiebanden. en dan per freq band een vu meter plaatsen.
het zou kunnen met dat schema, er komt alleen nog een rij filters voor.

hier kun je wel een idee krijgen om de filters op te bouwen:
http://www.circuitsonline.net/artikelen/view/30

je kan hem ook volledig opbouwen, maar hij is redelijk groot doordat ze alleen gebruik hebben gemaakt van standaard onderdelen. met zo´n vu meter ic is dat makkelijker

[Mike2k]

Hmm..ik kwam dit ook nog tegen:
http://arduino.cc/forum/index.php?topic=61916.0

Ik denk dat dat wel de manier is omdat je dan een redelijk eenvoudig circuit overhoud. Jammer alleen dat hij 'maar' 7 frequenties aan kan.

Uiteindelijk is dit wat ik wil maken:
YouTube: Audio spectrum analyzer. LM3915 and MSGEQ7. - YouTube
Nu alleen nog het schema ervan opzoeken...

Hebben jullie een idee hoe dit moet ?

[ Voor 36% gewijzigd door Mike2k op 30-09-2011 10:51 ]

[Bartjezz]

Mike2k schreef op vrijdag 30 september 2011 @ 09:30:
Hi iedereen,

Ik ben redelijk nieuw met electronica maar vind het onwijs leuk om er mee te spelen.

Hmm... Ik kan me voorstellen dat je dit heel erg vet vind (vind ik ook hoor!), maar je zult toch echt wel veel van elektronica af moeten weten, wil je alles fatsoenlijk kunnen berekenen... Nu wil ik je niet de moed in de schoenen praten/schrijven, maar je gaat hier een hele zware dobber aan krijgen! Misschien kun je als basis een 8 kanaals analyser maken en van daaruit verder bouwen. Klein beginnen en langzaam groter uitbouwen zou ik zeggen!
Ohja, veel succes, ik ga je volgen! (mits je eraan begint natuurlijk...)

[Cascade]

Ligt er aan welke weg je wil bewandelen. Er zijn (denk ik) twee uitersten: 1. 'analoog', met een bandpass filter voor elke frequentieband in combinatie met een VU-meter, dit is gewoon erg veel werk; voor 32 banden zijn dan ook 32 schakelingen nodig, allemaal met correcte dimensionering van de componenten, of 2. 'digitaal', met een processor die jouw tijddomein signaal omzet naar het frequentiedomein door een Fouriertransformatie (zie o.a. FFT, waar ongetwijfeld al genoeg source code voor is om te kunnen doen).

Ik zou voor 32 banden toch echt voor dat laatste kiezen. Behalve dat je dan een basisschakeling voor de processor moet toepassen, zul je zelf (deels) de software moeten schrijven en moeten verzinnen hoe je al die LEDs gaat aansturen.

De grap van die 7-bands spectrum analyzer die je laat zien in het filmpje is de chips die daar gebruikt zijn: je hebt de MSGEQ7 chip om audio te 'verdelen' in 7 frequentiebanden, en de LM3915, een standaard VU-meter die een analoog signaal omzet in een aansturing voor de LEDs. De rest is een kwestie van timing. Wil je dit gebruiken, dan moet je de datasheets van de chips lezen, begrijpen en kunnen toepassen. Wil je meer frequentiebanden, dan kijk je naar ICs zoals de MSGEQ7 die meer banden aankunnen, zijn die er niet dan komt je weer terecht bij zelf bedachte oplossingen.

[Mike2k]

Na jullie comments gelezen te hebben denk ik dat het beste voor een PIC18 kan gaan.

Ik ga aan de hand van datasheets en google proberen een schema te maken,,,zodra ik wat heb meld ik me weer....

Alvast bedankt!

[HBlekkenhorst]

Zelf heb ik samen met een klasgenoot ook een analoge spectrum analyzer gebouwd. In het begin stonden wij voor het zelfde probleem (lees: uitdaging), de keuze tussen analoog en digitaal. Een digitale oplossing vraagt meer kennis van programmeren en z-transformaties, waar een analoge oplossing meer vraagt van je kennis in basis elektronica en PCB design.

Als je interesse hebt in de schema's, pcb designs in Eagle kun je me een email sturen op wblekkenhorst at gmail dot com

En natuurlijk, een foto zegt meer dan 1000 woorden.




Edit: even wat extra uitleg. Deze spectrumanalyzer is "modulair" opgebouwd, in principe is deze oneindig uit te breiden, elke kolom krijgt vanuit de 'mainboard' het zelfde signaal aangeboden, inclusief Vcc en GND. Elke kolom heeft een eigen bandpassfilter welke simpel opgebouwd is uit een paar opampjes en een klein RC-netwerkje. Het enige wat je hoeft te doen om deze spectrum analyzer uit te bouwen is de mainboard layout uit te breiden, waardoor je eigenlijk bijna een onbeperkt aantal filters er op kunt zetten.

Ook beschikt het mainboard over PWM door middel van een NE555, waardoor de helderheid van de LEDs aan te passen is.

[ Voor 37% gewijzigd door HBlekkenhorst op 03-10-2011 13:01 ]

[timberleek]

hij lijkt heel erg op de spectrum analyser die op CO.net staat. die was ook op zo'n manier opgebouwd

[DaWaN]

Leuk om die analoge oplossingen te zien.

Wanneer je een beetje handig bent met C hoeft het denk ik niet te moeilijk te zijn om een goede digitale spectrum analyzer te bouwen.
Tegenwoordig heb je voor 15 euro al een dikke 168MHz microcontroller met hardware floating point en inclusief een FFT lib:
http://www.st.com/internet/evalboard/product/252419.jsp

Daarmee moet het maken van een spectrum analyzer echt een peule shil zijn.
Ik ben op dit moment zelf ook met zo'n microcontroller bezig waar ook een LCD op zit, ik zou eens kijken of ik ook even een spectrum analyzer ermee in elkaar draai zodra de hardware af is

[Part]

Als een LCD ook goed is:
http://www.waitingforfrid...e_Audio_Spectrum_Analyser

[Mike2k]

@part: die lcd versie was ik ook tegen gekomen. ziet er erg goed uit, vooral ook vanwege de korte onderdelenlijst.

Punt is alleen wel dat hij echt met ledjes moet kunnen....(ben gekke dingen van plan)

@HBlekkenhorst:
Dat ziet er cool uit...die staat inderdaad ook op CO...
hoe heb je die bandpassfilters opgebouwd? met een eigen LM3915?

Dat lijkt mij bij een volledig analoge schakeling wel het makkelijkste toch ?

Waar ik aan zat te denken is om een enkele LM3915 te gebruiken icm met een MSGEQ7 om de frequenties te filteren.

Die MSGEQ7 kan 7 kanalen aan, in stereo opstelling zijn dat dan 14 kanalen..leuk zat om mee te beginnen.
Dat ding heeft wel een strobe nodig om te wisselen tussen kanalen.

Wat mij dan het makkelijkst lijkt is om die LM3915 alle 7 rijen leds te laten aansturen waarbij per strobe 1 kanaal wordt geactiveerd door een transistor.

Elke rij leds heeft dan een eigen transistor. Door de timer (NE555) wordt het kanaal van de MSGEQ7 gewisseld en moet de juiste transistor aangezet worden.

Alleen dat laatste kom ik niet uit...hoe zorg ik ervoor dat, op het moment dat de NE555 een pulse afgeeft, eerst transistor 1 wordt aangezet, dan 2, dan 3 enz...

PS: als ik met het modulaire ontwerp van HBlekkenhorst zou gaan zou ik zoiets moeten maken toch: http://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_4.html

[ Voor 6% gewijzigd door Mike2k op 04-10-2011 14:56 ]

[DaWaN]

Mike2k schreef op dinsdag 04 oktober 2011 @ 14:52:
@part: die lcd versie was ik ook tegen gekomen. ziet er erg goed uit, vooral ook vanwege de korte onderdelenlijst.

Punt is alleen wel dat hij echt met ledjes moet kunnen....(ben gekke dingen van plan)

Dat is eenvoudig te doen lijkt mij ? Met een paar standaard 74HC595 schuifregisters kun je al hoop LED's aansturen, je zult alleen de software van de PIC moeten aanpassen.

[Mike2k]

Ah...ik heb het gevonden...na even zoeken....het moet een CD4022B zijn.

Als ik deze aan een NE555 timer hang schakelt hij telkens een andere uitgang...Dat gekoppeld met een MSGEQ7 en een LM3915 en ik kan telkens een andere rij aanzetten. Als ik dat snel genoeg die valt het niet op en lijkt het of alle rijen continue aanstaan.

Vanavond een schema'tje van proberen te bakken...

[Sissors]

DaWaN schreef op dinsdag 04 oktober 2011 @ 15:50:
[...]


Dat is eenvoudig te doen lijkt mij ? Met een paar standaard 74HC595 schuifregisters kun je al hoop LED's aansturen, je zult alleen de software van de PIC moeten aanpassen.

Yep, en als zelfs een standaard 8-bit PIC het kan, kan alles het.

[HBlekkenhorst]

Mike2k schreef op dinsdag 04 oktober 2011 @ 14:52:
@HBlekkenhorst:
Dat ziet er cool uit...die staat inderdaad ook op CO...
hoe heb je die bandpassfilters opgebouwd? met een eigen LM3915?

Dat lijkt mij bij een volledig analoge schakeling wel het makkelijkste toch ?

Waar ik aan zat te denken is om een enkele LM3915 te gebruiken icm met een MSGEQ7 om de frequenties te filteren.

Dit is niet een ontwerp van CO, hoewel we wel een klein beetje inspiratie hieruit geput hebben, is het toch helemaal een eigen ontwerp!

De filters zijn gewoon simpele OpAmp-bandpassfilter met een relatief lage Q-factor. Een hele hoge Q-factor wil je niet, want dan worden de filters te 'smal' om een bepaalde range te laten zien. Je wil bijvoorbeeld namelijk niet dat een bepaald filter alleen puur alleen 1kHz laat zien, maar bijvoorbeeld 950Hz tot ~1050Hz, waar de volgende bijvoorbeeld het weer op pakt van 1050Hz~ tot een volgende frequentie, ect.

Hier staat wel een interessant stukje met uitleg over het type bandpassfilters wat wij gebruikt hebben, het kopje Band-Pass circuits.

Voor de 'VU-meter' zijn verschillende oplossingen, kan ook met OpAmps met een referentiespanning per led, of bijvoorbeeld een LM3915.

Edit: In de link die je zelf hebt gevonden wordt gebruik gemaakt van een passief LC-filter, hier ben ik zelf niet zo'n fan van. Actieve-bandpass filters zijn makkelijker met minder componenten te realiseren, waar, naar mijn mening, de Q-factor en de center-frequentie makkelijker te berekenen zijn.

Aanrader is het programma FilterPro van Texas Instruments!
http://www.ti.com/tool/filterpro

[ Voor 13% gewijzigd door HBlekkenhorst op 06-10-2011 15:44 ]

[Flake]

HBlekkenhorst schreef op donderdag 06 oktober 2011 @ 15:32:
Edit: In de link die je zelf hebt gevonden wordt gebruik gemaakt van een passief LC-filter, hier ben ik zelf niet zo'n fan van. Actieve-bandpass filters zijn makkelijker met minder componenten te realiseren, waar, naar mijn mening, de Q-factor en de center-frequentie makkelijker te berekenen zijn.

Agreed. Op bepaalde frequenties heb je, afhankelijk van je componentkeuze, een goeie resonantiefrequentie te pakken en dat kan de boel goed in de war brengen (onjuiste waardes of de boel opblazen). Kun je vrij eenvoudig simuleren. Als je dat goed wil simuleren dan neem je de impendantie en capaciteit van je spoel ook mee.

Als alternatief op Filterpro wil ik ook National Semiconductors Webench aandragen, ook een erg mooi pakket.

[Mike2k]

Ik ben eruit....Ik wil het ontwerp van HBlekkenhorst combineren met een NE555, een LM3915 en een CD4022B

Dat in blokken van 8 en ik heb een modulaire spectrum analyzer die ik kan uitbreiden met blokken van 8...

[edit]
Ik heb een eerste schema'tje af...alle waardes kloppen niet en in Yenka zit helaas geen LM3915 dus ik kan hem nog niet helemaal afmaken maar zouden jullie aan kunnen geven of ik zo op de goede weg ben ?



De transistors moeten naar een dubbele LM3915 gaan die het signaal omzet naar 20 ledbars
Ik denk alleen wel dat ik de transistors na de leds moet zetten om het signaal niet te vervuilen ?

[ Voor 53% gewijzigd door Mike2k op 09-10-2011 23:36 ]

[Flake]

Dat is een verrekt irritant schema, erg slecht leesbaar (waar zijn je ledjes en je ingangssignaal?), en volgens mij gaat dit al niet werken. Die 555 moet een oscillator voorstellen, die 4022 een octale teller om al die torren sequentieel in geleiding te krijgen, maar de emitter van die torren hangen nergens aan de grond. Er kan dus geen stroom van collector naar emitter lopen en al helemaal niet van emitter naar collector want die wordt geblokkeerd door interne diodes bij een tor.

Die opamp schakelingen zijn geen filters maar differentiators, waar de + ingang floatend is (???) en volgens mij zijn die diodes bij de ingang van iedere differentiator overbodig.

[Mike2k]

@Flake...
Het schema is inderdaad verre van af en is inmiddels ook al weer aangepast helaas heeft yenka geen LM3915 in de software zitten dus vandaar dat deze ontbreekt.

Ik heb het volgens mij wel goed in mijn hoofd zitten alleen komt het er op papier nog niet zo goed uit...

[Flake]

Componenten die niet in je pakket zitten is niet meer dan normaal. Als ze er wel in zitten heb je mazzel. Ik ben verder niet bekend met Yenka (gebruik vooral LTspice) maar daar kun je met een slimme manier omheen werken.

Als je naar de datasheet van de 3915 kijkt in de internal diagram (blz 7) dan zie je dat de SIG IN pin binnenkomt in een interne opamp met nog eens een extra weerstand. Niets anders dan een hoogohmige ingang dus. Die sig in pin kun je dan in principe vervangen met een flinke weerstand (100K-1M) naar ground en boven die weerstand kun je dan het signaal simuleren wat je aanbiedt op die pin. Als je verder de specificaties in de datasheet volgt dan kun je op die manier voorspellen wat jouw schakeling gaat doen.

Ik wil best een handje helpen en je schema reviewen maar dan moet je er wel voor zorgen dat het fatsoenlijk leesbaar en ook af is. Dus geef duidelijk je voedingslijnen aan, waar je het audiosignaal aanbiedt en waar je die weerstand ter vervanging van de 3915 hebt geplaatst.

[Mike2k]

@Flake...je hebt gelijk....ik was iets te enthousiast met posten. Ik heb inderdaad de datasheet van die LM3915 nagekeken en daar staat ook bij hoe dat ding intern werkt en dat heb ik al nagebootst. Ik zal mijn schema vanavond verder afmaken en verduidelijken

[Flake]

Je hoeft niet die hele tekening over te nemen, die is expres niet volledig (bedrijfsgeheimen he) en dat heeft ook geen zin. Die tekeningen zijn bedoeld zodat je een vereenvoudige werking van het schema kunt nabootsen (dingen als in- en uitgangsimpendantie van de pinnen). Daar kun je dus de informatie uithalen dat je de ingangspin kunt vervangen door een hoge weerstand. Begin gewoon met een simulatie, zorg ervoor dat de hele schakeling die voor die 3915 komt klopt.

[Mike2k]

Daar istie dan!

Toch maar overgestapt op LTSpice...


Wat vinden jullie ervan?

Ik heb nog wel moeite met het niet laten kruisen van lijnen...hebben jullie daar tips voor ?

[Flake]

Ziet er netjes uit hoor.
Q9 t/m Q15 is naar mijn idee fout. Er hoort stroom te lopen van collector naar emitter, je hebt de collector aan de + van de opamp hangen en dat is een ingang. Dat ding kan dus nooit geleiden.

Kijk goed wat je aan de basis van de torren hangt. De basis heeft een vaste spanning van Ue+0.7V, de stroom door de basis bepaalt de stroom door de collector. Je hebt nergens aan je bases, collectors en emitters een weerstand hangen dus dat klopt waarschijnlijk ook niet. Je filters zijn ook niet goed want dit zijn nog steeds differentiators en geen filters en die 555 moet op een bepaalde frequentie oscilleren dat de time based multiplexing niet waarneembaar is (laten we zeggen minimaal 600Hz).

Smijt dan voor de grap eens een vsin (of vblok, nog leuker met harmonischen) op je audio ingang en kijk wat je ledjes doen

[Mike2k]

Thnx voor de feedback!

Nu je het zegt, die q9 tm 15 klopt inderdaad niet..

Over die filters...die heb ik gebouwd volgens het voorbeeld in de link van HBlekkenhorst (http://www.swarthmore.edu...FilterBkgrnd/Filters.html)
Wat doe ik dan niet goed?

De leds zijn zo wel goed aangesloten toch ?

[Flake]

Er zit een kritisch verschil tussen het filter wat jij aan het bouwen bent en wat Blekkenhorst doet. Aan de foto kun je zien dat hij een bipolaire voeding gebruikt. Jij wil single supply werken volgens je tekening. Kan, maar dan moet je wel een 2,5V referentie aan de + ingang van je opamp hangen. Dit vind ik een heel mooi documentje met single supply opamp schema's. Vergeet alleen niet de condensator op de uitgang om je DC offset van 2,5V te verwijderen. Let dan wel goed op de keuze van je opamp. Een 741 heeft bijvb veel meer spanningsruimte nodig dan single supply kan bieden, dus pak een opamp die dan iig rail to rail kan. Dan heb je aan 5V wel genoeg.

Je LEDjes zijn niet goed. Stroom moet lopen en loopt van een uitgang door je component via ground terug naar je bron. De - van je bron hangt niet aan ground en bij de leds heb je ook nergens een ground om de stroom terug te laten lopen naar de bron. Je hangt twee outputs aan elkaar en daar kan dus nooit een stroom lopen. Bedenk ook even goed wat je LEDs moeten gaan doen. Dat raster wat jij hebt getekend gaat een resultaat leveren wat jij niet wil denk ik.

[Mike2k]

Heb het document doorgenomen...erg informatief..Ik zie dat voor mijn ontwerp er nog wat extra componenten nodig zijn...

Wat is eigenlijk beter qua performance? een split of single supply?

Overigens klopt het wel wat je zegt Flake... "volgens de tekening"
Ik heb op dit moment ongeveer voor de helft door waar ik mee bezig ben maar vind het echt interessant en wil het graag leren...ben dus ook erg blij met jullie hulp!

Als het beter is om een bipolaire voeding te gebruiken, ga ik me daar op inlezen en de tekening aan passen...maakt me niet uit hoelang het duurt, als het eindresultaat maar goed is toch ?

Wat betreft die ledjes:
De bedoeling is dat bij elke tick van de NE555 er 1 filter en 1 verticale rij ledjes geactiveerd wordt. De ledjes worden voorzien van spanning en de LM3915 sinked deze volgens de tekening:


Dan klopt het toch wat ik teken?

[edit]
In het document zie ik wel dit staan:
Gain controlled by R4 and R5
R4 > 100 * R5
Q hard to control; need mismatched
Resistors; also affects gain
Bij het stukje "Single Opamp Implementations"

Betekent dat niet dat ze minder geschikt zijn ?

[ Voor 11% gewijzigd door Mike2k op 12-10-2011 11:20 ]

[Sissors]

Ik heb nog wel moeite met het niet laten kruisen van lijnen...hebben jullie daar tips voor ?

Je kan dmv labels ze aan elkaar hangen (als je twee verschillende lijnen zelfde label geeft gaat hij ervan uit dat ze aan elkaar zitten).


In principe kan het even goed werken met split of single supply. Split supply betekend wel dat je een negatieve voeding nodig hebt, en single supply betekend dat je een offset aan het signaal moet meegeven. Als je singly supply doet met zelfde spanning als je split zou hebben per supply, dan heb je dus maar de helft van de spanningsruimte, en dat is wel weer een nadeel.

[Mike2k]

Dit project heeft, wegens tijdgebrek een tijdje stilgelegen maar is nu weer helemaal terug!

In plaatst van de schakeling volledig analoog te bouwen ben ik met een arduino gaan spelen.
Hieronder wat filmpjes van wat ik tot nu toe heb gedaan:

[ Voor 6% gewijzigd door Mike2k op 31-01-2012 16:07 . Reden: video tags vergeten ]

[SuperSjoerd]

Mike2k schreef op dinsdag 31 januari 2012 @ 16:06:
Dit project heeft, wegens tijdgebrek een tijdje stilgelegen maar is nu weer helemaal terug!

In plaatst van de schakeling volledig analoog te bouwen ben ik met een arduino gaan spelen.
Hieronder wat filmpjes van wat ik tot nu toe heb gedaan:

[video]

[video]

[video]

Heb je ook pics van hoe het eruit ziet i.c.m. de arduino... youtube is namelijk geblokkeerd hierzo

[Mike2k]

SuperSjoerd schreef op woensdag 01 februari 2012 @ 08:53:
[...]


Heb je ook pics van hoe het eruit ziet i.c.m. de arduino... youtube is namelijk geblokkeerd hierzo

Nee, op dit moment niet aangezien ik nu aan het werk ben...;)
Zal er zsm wat plaatjes van maken...