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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS

Diseño de un Ecualizador digital de 3 bandas

Proyecto Fin de Carrera 13 Antonio Andújar Caballero

Capítulo III: DESCRIPCIÓN FUNCIONAL




3. DESCRIPCIÓN FUNCIONAL. En el ecualizador digital diseñado se distinguen varios módulos diferenciados tanto física como funcionalmente: 3.1) Etapa de adaptación de impedancias y amplificadora a la entrada del circuito. 3.2) Etapa de control. 3.3) Etapa ecualizadora. 3.4) Etapa de adaptación de impedancias a la salida del circuito. 3.5) Dispositivo LCD.




3.1. Etapa de adaptación de impedancias y amplificadora a la entrada.

El primer bloque del ecualizador, realiza la función de adaptación de impedancias, junto a una etapa amplificadora (GANANCIA) que disminuirá/aumentará el nivel de la señal de audio a la entrada de nuestro circuito (Figura 3).

Basándonos en la idea de que dicho ecualizador abarcara el mayor campo posible de uso en cuanto a instrumentos musicales (micrófonos dinámicos y resto de instrumentos), colocamos a la entrada una impedancia de 47K mediante el circuito de adaptación de impedancias, prácticamente una medida universal en audio.

La ganancia del AO es variable mediante el potenciómetro digital

GANANCIA, y se ajustará al valor necesario para tener un adecuado nivel de señal. Este AO de la entrada tendrá la ganancia total del ecualizador, o sea, que el resto de los AO tendrían que sumar una ganancia de 1. Con esto se consigue que la relación señal/ruido final sea menor, por lo tanto este ecualizador tendrá menor ruido de fondo, es decir, mayor calidad de audio.

Figura 3. Etapa de adaptación de impedancias y amplificadora a la entrada del circuito de ecualización.

El valor del potenciómetro GANANCIA es de 50K.




3.2. Etapa controladora. Como hemos comentado anteriormente, el microcontrolador utilizado es el PIC 16F876A de Microchip (Figura 4). Al principio barajamos la posibilidad de usar el PIC 18F452, pero se eligió el primero porque se ajustaba mejor al número de I/O que necesitábamos. Además, este microcontrolador posee 256K de EEPROM, suficientes para almacenar las 5 memorias que presenta el ecualizador.

Figura 4. Microcontrolador PIC 16F876A.

La comunicación entre la etapa controladora y la etapa ecualizadora,

es decir, entre el microcontrolador y los potenciómetros digitales, se realiza mediante el protocolo SPI.

La comunicación SPI consiste en un bus de tres líneas, sobre el cual

se transmiten paquetes de información de 8 bits. Cada una de estas tres líneas porta la información entre los diferentes dispositivos conectados al bus. Cada dispositivo conectado al bus puede actuar como transmisor y receptor al mismo tiempo, por lo que este tipo de comunicación serial es full duplex. Los datos son transferidos en bloques de 8 bits, en donde el bit más significativo (MSB) se transmite primero.

En nuestro caso solo enviamos información del PIC a los potes (para

que cambien de posición), pero no en sentido contrario. De esta manera solo es necesaria una línea de datos (DATOS), una línea de reloj (CLOCK) y otras dos de chipselect (CS1 y CS2) (ver figura 5).




Figura 5. Esquema de control.

El protocolo SPI (Figura 6) para modificar la posición de uno de los

potenciómetros es el siguiente:

1) Activa el potenciómetro que se quiera modificar (GA-GR o ME-AG) colocando un 1 en su CS, y se desactiva el que no se va a modificar colocando un 0 en su CS. 2) Comienza la transmisión de datos en tres bloques de 8 bits (ver hoja de características del potenciómetro). El valor de dichos datos dependerá de la operación que realicemos; subida o bajada. La transmisión de los datos del PIC al potenciómetro se encuentra sincronizada mediante la señal clock. 3) Una vez terminada la transmisión de datos se coloca el CS a nivel 0.

Figura 6. Protocolo general de comunicación SPI.




El conexionado de los pines del microcontrolador se presenta a

continuación en la tabla 1.

PIN SEÑAL DESCRIPCIÓN 1 MCLR Reset 2 RA0 I/O 1 del puerto A 3 RA1 I/O 2 del puerto A 4 RA2 I/O 3 del puerto A 5 RA3 I/O 4 del puerto A 6 RA4 I/O 5 del puerto A 7 RA5 I/O 6 del puerto A 8 Vss Ground reference 0V 9 OSC1 Oscillator Crystal input 4MHz 10 OSC2 Oscillator Crystal output 4MHz 11 RC0 I/O 1 del puerto C 12 RC1 I/O 2 del puerto C 13 RC2 I/O 3 del puerto C 14 RC3 I/O 4 del puerto C 15 RC4 I/O 5 del puerto C 16 RC5 I/O 6 del puerto C 17 RC6 I/O 7 del puerto C 18 RC7 I/O 8 del puerto C 19 Vss Ground reference 0V 20 Vdd Positive supply +5V 21 RB0 I/O 1 del puerto B 22 RB1 I/O 2 del puerto B 23 RB2 I/O 3 del puerto B 24 RB3 I/O 4 del puerto B 25 RB4 I/O 5 del puerto B 26 RB5 I/O 6 del puerto B 27 RB6 I/O 7 del puerto B 28 RB7 I/O 8 del puerto B

Tabla 1. Distribución de pines para el microcontrolador PIC 16F876A.

Para la programación del PIC 16F876 hemos necesitado de un circuito

programador auxiliar que trabajase con dicho microcontrolador.




En nuestro caso hemos utilizado el PIPO2, un programador bastante

sencillo y realmente barato (en torno a los 2€ frente a los 25€ que cuesta uno comercial). 3.3. Etapa ecualizadora. Para este bloque de ecualización, diseñamos un circuito de ecualización de tres bandas, para realzar/atenuar las frecuencias graves, medias y agudas de la señal de audio (Figura 7).

No se utilizó un circuito que dividiera la señal en un número mayor de bandas porque este proyecto se encuentra enfocado hacia el control del circuito de ecualización mediante el PIC. Además, el aumentar el número de bandas (al fin y al cabo de potenciómetros) no aportaría nada adicional a nuestro diseño.

Figura 7. Etapa ecualizadora y sumadora.

Una vez que la señal ha pasado por la primera etapa y tiene un nivel adecuado, es separada en tres bandas de frecuencia y procesada de forma independiente mediante los tres potenciómetros digitales; GRAVES, MEDIOS




y AGUDOS. El control de dichos potenciómetros es llevado a cabo por el PIC.

Finalmente, y una vez procesadas cada una de las bandas por separado, se reconstruye la señal de salida mediante un sumador.

Al igual que el potenciómetro de GANANCIA, los potenciómetros de

GRAVES, MEDIOS Y AGUDOS también son de 50K. Para el desarrollo de este proyecto, hemos utilizado los potenciómetros digitales DS1867 de Dallas/Maxim. La elección de este integrado responde a varias cuestiones: 1) Reducido espacio. Se trata de potenciómetros duales, es decir, en cada integrado tenemos dos potenciómetros, por lo tanto solo necesitamos dos integrados para tener cuatro potenciómetros: GANANCIA, GRAVES, MEDIOS y AGUDOS. 2) Económicas. La casa Dallas/Maxim ofrece muestras gratuitas de gran parte de su oferta en productos. 3) Número de posiciones. La posición de los potenciómetros digitales es modificada mediante pulsadores, por lo que no podía excederse en número de posiciones, ni tampoco ser escaso porque de esta manera perdería precisión. Por tanto elegimos un término medio; 256 posiciones. En la tabla 2 se recoge la función de cada uno de los pines del DS1867:

PIN SEÑAL DESCRIPCIÓN 1 Vb Substrate bias 0V 2 H1 High end of Resistor 1 3 L1 Low end of Resistor 1 4 W1 Wiper end of Resistor 1 5 RST Serial Port Reset Input 6 CLK Serial Port Clock Input 7 GND Ground 0V 8 DQ SDI 9 Cout No function




10 L0 Low end of Resistor 0 11 H0 High end of Resistor 0 12 W0 Wiper end of Resistor 0 13 Sout No function 14 Vcc Power supply +5V

Tabla 2. Distribución de pines para el potenciómetro dual DS1867.

En el circuito de ecualización elegido, aparecen cuatro amplificadores operacionales. Para nuestro diseño, seleccionamos los OP271 (dual) y OP471 (cuádruple) en lugar de los TL072 y TL074 que aparecen en la figura 7, por cuestión de muestras gratuitas facilitadas por el fabricante. La distribución de los pines de los amplificadores operacionales se muestra a continuación (ver tablas 3 y 4).

• Para el OP271:

PIN SEÑAL DESCRIPCIÓN 1 OUT A Salida del AO A 2 - IN A Entrada negativa del AO A 3 + IN A Entrada positiva del AO A 4 - V Alimentación -12V 5 + IN B Entrada positiva del AO B 6 - IN B Entrada negativa del AO B 7 OUT B Salida del AO B 8 + V Alimentación +12V

Tabla 3. Distribución de pines para el amplificador operacional dual OP271.

• Para el OP471:

PIN SEÑAL DESCRIPCIÓN 1 OUT A Salida del AO A 2 - IN A Entrada negativa del AO A 3 + IN A Entrada positiva del AO A 4 + V Alimentación +12V 5 + IN B Entrada positiva del AO B 6 - IN B Entrada negativa del AO B 7 OUT B Salida del AO B 8 OUT C Salida del AO C




9 - IN C Entrada negativa del AO C 10 + IN C Entrada positiva del AO C 11 - V Alimentación -12V 12 + IN D Entrada positiva del AO D 13 - IN D Entrada negativa del AO D 14 OUT D Salida del AO D

Tabla 4. Distribución de pines para el amplificador operacional cuádruple OP471.

3.4. Etapa de adaptación de impedancias a la salida. En esta etapa del ecualizador, lo que intentamos es colocar a la salida del mismo la menor impedancia posible para que esta, a su vez, pueda funcionar con cualquier entrada (ver figura 8).

Figura 8. Etapa de adaptación de impedancia de salida.




3.5. Dispositivo LCD.

Para poder controlar correctamente las operaciones que estamos realizando, hemos añadido un LCD 16x2 que nos muestra en pantalla las posiciones de cada uno de los cuatro potenciómetros en todo momento (ver figura 9). La elección de un LCD en lugar de un display de LED se debe a varios factores determinantes. 1) El principal motivo hace referencia a la necesidad de uso de pines del micro, demasiado elevado para los LED alfanuméricos (aparte de la complicación a la hora de realizar el firmware para el manejo y representación en los alfanuméricos), mientras que para el LCD solo necesito seis pines manejándolo mediante un bus de 4 bits. 2) En cuanto a costos, es más económico el LCD y más sencillo de conseguir. 3) La presentación en el LCD otorga una calidad final al producto superior al de LED. 4) Con respecto a los consumos, los LCD casi no poseen con respecto a los de LED, en los cuales sería de varios mA.

Figura 9. Dispositivo LCD.




En la tabla 5 se recoge la distribución de los pines para nuestro

modelo de LCD, el CMC1 16x2;

PIN SEÑAL DESCRIPCIÓN 1 Vss Ground Terminal 2 Vdd Supply Terminal 3 Vee Power Supply for LCD Driver 4 RS Register Select Signal 5 RW Read/Write Selection 6 E Enable Signal 7 D0 Data Bus Line 8 D1 Data Bus Line 9 D2 Data Bus Line 10 D3 Data Bus Line 11 D4 Data Bus Line 12 D5 Data Bus Line 13 D6 Data Bus Line 14 D7 Data Bus Line 15 - BL Led Backlight ground 16 + BL Led Backlight Power Supply

Tabla 5. Distribución de pines para el LCD CMC1 16x2.

Al encender nuestro ecualizador, la pantalla LCD nos muestra la posición en la que se encuentra cada uno de los cuatro potenciómetros: GANANCIA, GRAVES, MEDIOS y AGUDOS. Como se trata de potenciómetros de 256 posiciones, dividimos el rango de posición en dos: de -127 a -1 si estamos atenuando la banda, y de +1 a +127 si estamos amplificando la banda. En la posición 0, el potenciómetro ni atenúa ni amplifica la señal. Al pulsar el botón CAMBIO, parpadeará el potenciómetro que esté seleccionado, y presionando los pulsadores SUBE y BAJA, modificaremos el valor del potenciómetro en cuestión. Al cargar/almacenar la memoria mediante MEMO, aparecerá un mensaje señalando la operación realizada; Memoria cargada/Memoria almacenada.




Por otro lado, al cargar cualquiera de los cuatro presets que presenta

el ecualizador, el mensaje visible será el de Preset Cargado.

3.6. Funcionamiento del ecualizador. Con el encendido de nuestro ecualizador, comienza la ejecución del programa contenido en el PIC, colocando cada uno de los cuatro potenciómetros (GANANCIA, GRAVES, MEDIOS y AGUDOS) en la última posición almacenada.

En la pantalla del LCD aparece la posición actual de cada uno de los potenciómetros, y el programa queda a la espera de que interactuemos con el ecualizador.

Dicha comunicación tiene lugar a través de los ocho pulsadores de que dispone el circuito:

SUBE - Aumenta en una posición el valor del potenciómetro que esté activado en ese momento. BAJA – Disminuye en una posición el valor del potenciómetro que esté activado en ese momento. CAMBIO – Pasa de un potenciómetro a otro, en el siguiente orden: GRAVES,

MEDIOS, AGUDOS y GANANCIA. El potenciómetro que se encuentra seleccionado parpadea en la pantalla, y es en el tiempo en que dura dicho parpadeo cuando son susceptibles de modificación mediante los dos pulsadores anteriores de subida y bajada de posición. MEMO – Este pulsador posee dos funciones dependiendo del tiempo de pulsación:

• Si está presionado durante un tiempo inferior a 2 segundos: Carga en los cuatro potenciómetros el valor previamente almacenado en memoria del microcontrolador.

• Si está presionado durante un tiempo igual o superior a 2 segundos:

Almacena la posición de los cuatro potenciómetros en un registro de la memoria del microcontrolador.




PRESET 1,2,3,4 – Carga en los cuatro potenciómetros el valor del preset pulsado. Estos presets son configuraciones de fábrica no modificables, similares a los presets rock, pop, etc. en los equipos de sonido. La representación de la posición de los potenciómetros de GRAVES, MEDIOS y AGUDOS está comprendida en un rango de -127 a +127, siendo la posición 0 la de posición intermedia, en la que no actuaría el potenciómetro; ni acentuaría ni atenuaría.

El potenciómetro de GANANCIA, también de 256 posiciones, usa una escala de 0 a 256, es decir, desde el silencio hasta el máximo volumen.

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