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よーやくでけた。ニキシーオーディオメータの基本回路実験終了。


ロシア製ニキシーバーグラフ管 『IN-13』 長さ160mm 径11mm

一週間も更新をさぼって何をしていたかというと、dsPICを使ったオーディオ帯域スペクトルアナライザーの開発をしていました。N2Mまで日がないので必死です。

ニキシーバーグラフ管はニキシー管と同じように、高電圧をかけるとオレンジ色に点灯します。陽極と陰極が長いため、電圧が低いと先の方が点灯しません。この電圧勾配を利用して点灯する長さを制御します。


blog_20081003-2.jpg
ぐちゃぐちゃの配線。

とりあえず、要となる機能の開発が済んだので、ここで纏めます。
 1.dsPICを使ってオーディオ信号から周波数成分を計算する。(高速フーリエ変換)
 2.PWMでニキシーバーグラフ管にかかる電圧を制御する。
この二つさえ達成できれば後は簡単。L/Rの2チャンネルを8成分の周波数を取って、2×8本=16本。この数だけ制御回路を作ります。

dsPICの開発環境は以前にも書いたとおり、C言語で行います。FFT等のDSP機能をライブラリの関数だけで実現できるので、難しいことを考える必要はありません。


電子制御・信号処理のための dsPIC活用ガイドブック (CD-ROM付)電子制御・信号処理のための dsPIC活用ガイドブック (CD-ROM付)
(2006/08/15)
後閑 哲也

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PIC業界では有名な後閑先生の本。dsPICの内部モジュールの使い方や、各種レジスタの情報が丁寧に纏められています。これ一冊でdsPICのほとんどの機能を使うことができます。これからdsPICに手を出そうとしている方は、リファレンスマニュアルとして一冊必ず購入すべきです。
ただ、Microchipの仕様書や日本語マニュアルがそのまま載せられているのは著作権的に良いんでしょうか?米の企業は怖いでよ・・・



■高速フーリエ変換(FFT:ファーストフーリエトランスフォーム)
音声信号におけるフーリエ変換とは、時間波形から周波数成分の振幅を求める計算。
"高速"フーリエ変換はコンピュータの演算に適した計算方法で、2のベキ乗の分解能に限り、高速に計算することができます。
サンプリング周波数16kHzで変換ポイント数「2の8乗=256」であれば、16kHz/256=62.5Hz間隔でその振幅を求めることができます。

相変わらず、PICシリーズはRAMの容量が少なく、メモリ領域を自動で割り当てると、あっという間に容量不足となります。それらをチマチマ調整して、FFTを256ポイントで処理できるようになりました。
dsPICはXメモリとYメモリに分かれていて、30Fシリーズの一番大きな型番で合計8kByte、XYで半分づつです。FFT関数が展開するメモリ空間はYメモリでなくてはならず、dsPICが処理できるFFTのポイント数はYメモリのバイト数÷4が限界です。
例: RAM合計:2kByte → Y:1kByte → 1024/4 = 256ポイント
サンプリングしたデータを保持する変数や、処理すべき機能にメモリが必要となるので、解析できるポイント数はもっと減ってしまいます。

FFTの手順はこれだけ。

AD変換で256ポイント分のアナログ値を16kHz=62.5usの間隔で取り込む。

取り込んだアナログ値の始まりと終わりの連続性を得るために窓関数を適用する。

このデータを高速フーリエ変換する。

得られた結果を納めた配列を、ビット逆順に並べ替える。

周波数順に並んだ複素数データの絶対値を自乗する。

こんな感じです。


■ニキシーバーグラフ管をPWM制御する回路を考える。
そのまま、バーグラフ管のカソードをスイッチングしただけでは、光の長さが短くなるにつれて暗くなります。これは、ニキシー管が思った以上に高速にスイッチできるためで、パルス幅に応じて暗くなります。もっと過渡的に光る物だと勘違いしてた。こう、一定の電圧をかけると下からゆっくり昇って、切るとゆっくり下がるみたいな。

本来、バーグラフ管は印加する電圧を制御して、光の長さを制御します。ですから、パルス幅を変えただけでは長さに変換することはできません。これに気がつくまで2時間ほどかかりました・・・。
じゃあどうするよ。



blog_20081003-4.gif
コンデンサ入れたらいいじゃないか。

ということで、カソードとGND間に高耐圧電解コンデンサを4.7uF入れるとPWMの出力が平滑されて、パルス幅に応じた電圧に変換されました。トランス式のACアダプタと同じですね。基本ですよ基本・・・。


ということで、必要な基礎技術の実験が終わったので、あとは基板を設計するだけです。
基板外注が間に合わないので、ユニバーサル基板で作ります。


N2Mでお披露目しますので、是非参加してくださいね。
(ところでニコニコ技術部wiki落ちてないですか?)
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tag : ニキシー管

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