LED音量表电路

geren2014

我们可以把音量表看成是一种音乐系统中的均衡器。均衡器中我们可以根据音乐来看到LED的跃动，如果如果音乐音量太大，则均衡器会达到峰值，音量太低则达到低谷。我们还可以打造一个音量表实现这一点，借助麦克风，运放和LM3914的帮助下，让LED在音量大小的改变下亮灭，如果音量太大，则多个LED亮起，如果音量太低则只有个别LED亮起。音量表同样可以用作音量检测装置。

电容MIC或者说是麦克风都是声音感应换能器，可以将声能转换为电能，因此有了这个传感器我们可以用声音来改变电压。我们一般用该设备来录音或感知声音。这种传感器在手机和笔记本中也多有用到。常见的MIC如下，

确定MIC的极性

MIC有两个引脚，一个是正极，一个是负极。MIC的极性可以通过万用表来判断。将万用表的正极探针（将万用表设置为二极管测试模式）连接到MIC的一个引脚，负极探针连接到另一引脚。如果万用表有度数的话，那么万用表负极探针接的是MIC的正极。还有一种更为简单的视觉判别法，负极一般有两到三条焊锡接到外部的金属外壳上。

所需电子元器件：

运放LM358和LM3914（10位比较器）以及一个MIC

电阻：100kΩ x 2,1kΩ x 3,10kΩ，47kΩ可调电阻

电容：100nF x 2，1000uF x 1，10个LED

电路图以及原理

音量表的电路原理图如下

该电路的原理很简单；首先MIC拾取声音信号，并将其转变为与声音强度成线性关系的电平信号，因此高音量有着高电平，低音量会生成低电平。然后电压信号通过高通滤波器来滤除噪声，滤除信号之后通过运放LM358来放大，最终将信号通入LM3914，它的作用类似电压表，会根据声音大小来决定亮起的LED数。我们来一步步解释：

1.用高通滤波器滤除噪声

MIC对声音很敏感，对环境噪声也很敏感。如果不采取措施的话，放大器也会放大噪声，那么得到的结果必然是不理想的。所以我们在信号通过放大器前需要用高通滤波器来滤除噪声。这里使用的是无源RC滤波器（电阻-电容）。该滤波器设计起来很简单，只需一个电阻和一个电容。

考虑到我们测量的是音频的范围，所以滤波器的设计必须要准确，一定要考虑到滤波器的截止频率。高通滤波器通过信号的高频，将其从输入传到输出端，话句话说就是只允许通过高频，而不是滤波器规定的频率（截止频率）。高通滤波器如图所示。

人耳所能听到的频率范围在2-2kHz。所以我们所涉及的高通滤波器的截止频率在10-20Hz。截止频率的计算公式如下：

F=1/（2πRC）

通过该公式我们可以根据R和C的值计算出截止频率。而我们所需截止频率为10-20Hz。

因此我们选取R=100kΩ，C=100nF，我们就有了16Hz左右的截止频率，也就只允许频率高于16Hz的信号通过，出现在输出端。这些取值并不是强制的，只是为了频率计算更为准确或者方便选型而已。

2.声音信号的放大

移除了噪声后，信号就通过运放LM358来进行放大。此处我们使用负反馈放大器来放大MIC传来的低幅度信号，让其达到能被LM3914所识别的等级。

经典的负反馈连接如下图所示。

输出电压的公式如下，

Vout=Vin（（R1+R2）/R2），有了这个公式就可以确定放大器的增益。

MIC信号在µV级时，我们不能将其直接传给电压表进行度数，因为电压表无法拾取这么低的电压。但在100增益的运放下，我们可以将MIC的信号放大，之后传给电压表。

3.用LED实现音量的视觉显示

我们已经有了滤波并放大后的音频信号。这个型号需要传给LM3914的LED电压表，用于测量音频信号的强度。LM3914是10路LED的驱动显示电路。它会根据输入电压来确定LED的亮灭。

LM3914还有许多其它用途，可以改为电池保护电路或安培计电路。此处我们只讨论电压表的搭建。

此处LM3914是一个10级电压表，意味着在10位模式下会有多个变式。芯片感知到输入电压后会与参考电压相比，我们将参考电压设为“V”。每当输入电压身高“V/10”，我们就会多一个LED亮起。比如当输入电压“V/10”时，LED1会亮起，输入电压“2V/10”时，LED2也会亮起。以此类推。

电路中的LM3914

LM3914的内部电路如下。LM3914其实就是10个比较器的组合。每个比较器是一个运放，其负极引脚的参考的电压不断升高。

因为我们参考电压的值应基于最大测量值，运放的输出在0-4V，所以我们需要将LM3914的参考电压设为4V。

参考电压有LM3914的RefADJ引脚上的两个电阻来决定，如下图所示。左下角同时给到了参考电压的计算公式。

而基于固定阻值来分的参考电压有个问题，那就是需要电源改变才能改变参考电压。所以我们将R2改为47kΩ的可变电阻，这样我们就可以随心所欲调整参考电压了。

在4V参考电压的情况下，每有0.4V的升压，就会多一个LED亮起。这就是LED音量表的原理了。