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自作で音楽に合わせて伸び縮みするLEDのスペアナを自作しようと思っています。大きさは壁にかけて観賞用にしたいので、大型を作ろうかと思い、約 縦50センチ 横:1メートル ぐらいのを作ろうかと思っています。入力はCDコンポの後ろのスピーカーコードから引っ張ってきます。回路はオペアンプでバンドパスフィルターを自作しようと思っています。(大きさが大きいのでかなり大量に)そこで質問ですが、観賞用のスペアナを作る時はバンドパスフィルターと何が必要ですか?バンドパスフィルターだけでは作れないと思うのですが、LEDの制御装置は必要ないのですか?必要なものを教えてください。あと観賞用のスペアナの作り方が載っているホームページを教えてください。

次に何Hzは何dBにあたいする。とはわかりますがバンドパスフィルターの何の電子部品を変えるとHzを変えることができますか?もしもコンデンサと抵抗でHzが変わるなら
コンデンサは?Fにして抵抗は?Ωにすると?Hzになる
という決まりがあるなら教えてください。決まりが載っているホームページがあったら教えてください。予算は関係なしでお願いします。

長々と書いて申し訳ないです。よろしくお願いします。

gooドクター

A 回答 (7件)

>コンデンサは?Fにして抵抗は?Ωにすると?Hzになる


この計算は結構複雑なので、以下の計算サイトを利用したほうがいいでしょう。ANo.4 の 【BPF1~BPF10の抵抗・コンデンサの値】 は、その計算サイトを使って計算したものです。以下にバンドパスフィルタ(BPF)の設計方法を書いておきますので、この手順で GISAKU さんのお好みのスペアナを設計してみてください。

【BPFの設計手順】

(1) 中心周波数 f0 を決める
ます最初に、可聴域をいくつのバンドに分割するかを決めます。グラフィックイコライザは可聴帯域(20Hz~20kHz)を7分割、10分割、15分割、30分割するものが一般的です [1] 。しかし趣味でスペアナを作るのであればこの分割法にこだわらなくてもいいと思います。ANo.4 の表の中心周波数は可聴帯域を10分割した 「 1 oct 」 の場合に相当します。

1オクターブ(周波数2倍の範囲)を N 分割する場合、中心周波数 f0 [Hz] は
   f0 = 1000*{ 2^( k/N ) } ---- (1)
となります。k は整数です。[1] で1/3 oct というのは、1オクターブを3分割したものなので、可聴領域での f0 はN = 3 としたときの k = -16 から k = 13 に相当します。ANo.4 は1オクターブを 1分割した場合(N = 1 )なので、可聴域での中心周波数は
   k = -5     -4    -3   -2    -1    0   1    2   3    4
   f0 = 31.25Hz、62.5Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、8kHz、16kHz
の10個になります。

式(1) は1kHzを中心とした周波数分割の方法ですが、趣味の回路であればそれにこだわる必要はありません。例えば、各バンドの中心周波数 f0 の最小値を fmin [Hz]、最大値を fmax [Hz] として、fmin から fmax を N 分割( N ≧ 2 )する場合、各バンドの中心周波数 f0 [Hz] は次式で計算できます。
   f0 = fmin*[ ( fmax/fmin )^{ ( k - 1 )/( N - 1 ) } ]  k = 1, 2, ・・, N fmin = 20Hz、fmax = 20kHz、N = 16 の場合は
   f0 = 20Hz、31.7Hz、50.2Hz、79.6Hz、126.2Hz、200Hz、317Hz、502Hz、796Hz、1.26kHz、2kHz、3.17kHz、5.02kHz、7.96kHz、12.6kHz、20kHz
となります。このように、まず最初に、スペアナの各バンドの中心周波数 f0 の値を決めておきます。

(2) BPFのQ値を決める
スペアナを構成するBPFは、(1)で決めた f0 を中心周波数とするものになりますが、隣接するバンドの周波数成分を通さないように、f0 の間隔に応じてBPFの選択度を決めます。分割数が大きいほど鋭い特性の(Q値の大きい)BPFが必要になります。具体的には、隣接する中心周波数の中間での利得が、それぞれの中心周波数での利得の半分になるような透過特性のフィルタとします。このようなBPFの透過特性を全て重ね合わせたとき、全体の透過特性がほぼフラットになります。BPFのQ値は次式で計算します。
   Q = √(3)*( fmax/fmin )^{ 1/2/( N - 1 ) }/[ ( fmax/fmin )^{ 1/( N - 1 ) } - 1 ] ANo.4 のように、fmin = 31.25Hz、fmax = 16kHz、N = 10 の場合には Q = 2.45 となります。fmin = 20Hz、fmax = 20kHz、N = 16 の場合には Q = 3.73 となります。

(3) BPFの抵抗とコンデンサの値を決める
[2] のサイトの下半分にある 「通過中心周波数からCR定数の選定と伝達関数」 というところで、以下の手順でBPFの抵抗とコンデンサの値を計算します。この計算は各バンド( f0 )に対して行います。Q値は(2)で求めた値を使います。
   ・「通過中心周波数」のところにバンドの中心周波数 f0 を Hz 単位で入れる
   ・「通過中心周波数における利得 」 に -1 以下(-2 や -5 )の数値を入れる
     → ANo.4 では この数値は -1 としています(BPFは反転回路なので利得はマイナス)。
       BPFの利得を大きくする場合には-2 や -5 など、数値を大きくすればいいのですが
       あまり大きいとオペアンプの出力が飽和するので入力電圧の大きさ(音量)を考えて
       オペアンプの出力電圧のピーク値が10V未満になるような値にしてください。
   ・「クオリティファクタ」 の左側のボタンをチェックし、Q= のところに (2)で計算したQ値を入れる
   ・その下の C1 = 、C2 = のところにコンデンサの値を F 単位で入れる(0.1μFなら 0.0000001)。
     → ANo.4 では C1 = C2 とし、なるべく同じコンデンサを使うようにしています(ここに数値を
       記入しなければ、C1 と C2 の値も計算してくれます)。
   ・R系列を12に変更する
     → これは抵抗の系列ですが、大きい数値の系列のものは入手しづらいので、標準的なE12系列
      とします。ANo.4 の [2] で紹介した金属皮膜抵抗(精度1%)は E12系列の抵抗です。
   ・「計算」をクリック(利得とQ値が不適当な場合にはエラーとなります)
     → ページの左側にRとCの値が出てきます。このとき、抵抗の値は全て1kΩから1MΩの範囲に
       なるようにしてください。この範囲に入らないときは C の値を変えてください。
       ここには、抵抗やコンデンサの値と一緒に、通過中心周波数 f0 や通過中心周波数における
       利得 K 、Q(クオリティ・ファクタ)の値も表示されますが、ここで出てくる特性はE24系列の
       抵抗値で実現できるBPFの特性で、入力した設計値(目標値)と多少異なります。

【LEDレベルメータの感度調整法】

LEDレベルメータの入力にある半固定抵抗は各バンドの感度を等しくするためのものです。上で求めたBPFの中心周波数での利得はほぼ1dB以内の誤差に入っていますが、これは抵抗やコンデンサの値に誤差がない場合で、実際には誤差があるので各BPFの利得は同一になりません。フラットな特性にしたい場合には、入力信号に「白色雑音」を入れて、LEDレベルメータの表示が各バンドで同じになるように半固定抵抗を調整します。普通の人は白色雑音発生器など持っていませんが、世の中には変わったサイトがあって、白色雑音を出しているサイトがあります。[3] のサイトに行くと、「ザー」という音の白色雑音がPCのスピーカから出てきます。大きな○をマウスで左右に動かすと音量を調整できます。その下の3つの○はノイズの種類を選択するもので、ピンク色の○をクリックすると「ピンクノイズ」に、茶色の○をクリックすると「赤色ノイズ」になります(木造家屋の中で聴く雨音のようです)。LEDレベルメータの調整では、白い○の「ホワイトノイズ(White Noise)」を使ってください。PCからノイズ音が出ている状態でPCの音声出力端子をCDコンポの入力に接続して、スピーカ端子にスペアナを接続してLEDの表示が同じになるように半固定抵抗を調整します(普通の音量でLEDが半分程度点灯するように調整すると良いと思います)。スピーカの音量を変えるとLEDの表示が変わりますが、音量が変わってもLEDの表示値は各バンドでほぼ揃っているはずです(レベルメータ用ICの特性にバラツキがあるので完全には揃いません)。

[1] グラフィックイコライザの周波数バンド http://ottotto.com/sound/12/geqfreq.htm
[2] 多重帰還型BPF設計ツール http://sim.okawa-denshi.jp/OPtazyuBakeisan.htm
[3] ホワイト雑音発生サイト http://simplynoise.com/
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EDレベルメータの部分を自作するときは以下の回路を参考にしてください。

BPF・整流・平滑回路の配線図も書いておきます。平滑回路はANo.4 のと1箇所違います(1kΩの抵抗を追加)。LEDの消費電流は1回路あたり最大100mA、10バンドで1Aとなりますので、レベルメータの電源にはそれなりの電流容量のものをお使いください。オペアンプの±電源をACアダプタで簡単に作るには、過去の質問(http://sanwa.okwave.jp/qa4190778.html)が参考になります。なお、レベルメータのGNDとBPF・整流・平滑回路のGNDは電気的に接続してください。

        緑 緑  緑  緑  緑  黄  黄  黄  赤  赤
     ┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
     │ 1| 2│ 3│ 4│ 5│ 6│ 7│ 8│ 9│10│  C ← LEDのpin近くに実装
     │┏┿━┿━┿━┿━┿━┿━┿━┿━┿━┿┓┷ GND
     │┃▼  ▼  ▼  ▼  ▼  ▼  ▼  ▼  ▼  ▼┃10連LED
     │┗┿━┿━┿━┿━┿━┿━┿━┿━┿━┿┛← pin配置に注意(上から見たpin配置ではない)
     │20│  │  │  │  │  │  │  │  │  │11
     │  │┏┷━┷━┷━┷━┷━┷━┷━┷━┷┓
     │  │┃18 17  16  15  14  13  12 11  10 ┃
     │  │ )          LM3915           ┃← ICを上から見たときのpin配置
     │  │┃1  2   3  4   5  6  7  8   9  ┃
     │  │┗┯━┯━┯━┯━┯━┯━┯━┯━┯┛
     │  └─┘  ├C ┤  ├C ┤  └─┤  │  └→ open だと Dot 表示、3pinにつなぐと Bar 表示
     ├───── ) ─┘  │  │     R  │
     │       ├───┴─- ) ──-┴─┤     C = 0.1μF(積層セラミック)---- ICのpin近くに実装
     │       │         └────→VR    R [kΩ] = 125/ILED[mA] --- ILED = 10mA なら R = 1.2kΩ
    Vcc      GND                 │     VR(半固定抵抗) = 1kΩ~100kΩ --- レベルメータの感度調整用
   (3V~25V)   (0V)         入力 ──┘

 【LEDレベルメータ(ログスケール表示)】

 +15V ──┬─────────────┬────────
        │                    │
    ┌──)─┬─→ レベルメータ ┌──) ─┬─→ レベルメータ入力へ
   +│   │  1kΩ           +│   │  1kΩ
   Cout  │  ├─┐         Cout  │  ├─┐
   -│   │  ↑ 100kΩ       -│   │  ↑ 100kΩ
    ├ C ┤  ├←┤  ┌─┐   ├ C ┤  ├←┤  ┌─┐
    │ ┏┷━┷━┷━┷┓│   │ ┏┷━┷━┷━┷┓│
    │  )   LM358    ┃│   │  )   LM358    ┃│← 上から見た
    │ ┗┯━┯━┯━┯┛│   │ ┗┯━┯━┯━┯┛│  ときのpin配置
    ├── )─ )─┴C ┤  │   ├── )─ )─┴C ┤  │           
    │   ├R3┤    │  │   │   ├R3┤    │  │  ↑、← = ダイオード(1S4148)
    │   ├─ ) ──- )─┘   │   ├─ ) ──- )─┘  Cout = 1μF~10μF(電解コンデンサ)
    │   Cf Cf    │      │   Cf  Cf    │     C = 0.1μF(積層セラミック)---- ICのpin近くに実装
    ├ R2 ┼─┘    │      ├ R2 ┼─┘    │     Cf = 0.1μF/0.01μF(フィルム) --- ANo.4 の表のC
    │   R1       │      │   R1       │
 IN ─ ) ─-┴───── )──── ) ─-┴───── ) ───
    │            │      │           │
 GND┴────────)────┴────────)───
                 │                    │
 -15V ────────┴─────────────┴───

 【BPF・整流・平滑回路の配線】

[1] ログスケールLEDレベルメータ用制御IC(LM3915)
   価格(320円) http://www.e-ele.net/CatalogLevelMeterIC.html
   データシー(英語)ト http://www.e-ele.net/DataSheet/LM3915.pdf
[2] 赤色10連LED(B-1000SR)
   価格(120円) http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=%2 …
   pin配置 https://akizukidenshi.com/images/org/parab1000.jpg
[3] 緑・黄・赤色10連LED(B-10005G3Y2E)
   価格(150円) http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=%2 …
   pin配置(ページの一番下) http://amahime.main.jp/led/main.php?name=led
[4] 半固定抵抗
   価格(30円) http://www.sengoku.co.jp/modules/sgk_cart/search …
[5] 積層セラミックコンデンサ
   価格(10個で100円) http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=%2 …
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ANo.4 です。


ANo.4 に余計な文章が入ってました。以下は削除してください。
   「入力信号をスピーカ端子から取るのであれば、上の図の「アンプ」は不要です(CDコンポの後ろの端子をR1に直接接続すればいいです)」

以下の文章も(入力アンプ部を除く)は削除してください。
   【部品価格(入力アンプ部を除く)】
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可聴周波数帯域を、例えば10個に分割して、それぞれの周波数バンドのレベルを表示するには、以下のように10個のバンドパスフィルタ(BPF)と半波整流・平滑回路、10個のレベルメータが必要です。



              BPF1
              (31.9Hz)
              ┌───┬────┐ 
               C     R3      │ 半波整流・平滑1
入力 ┬─── R1 ─┼─ C─┴┤-\   │
    │         R2      │   > ┴─┤+\ 
    │         ┷     ┌┤+ /     │   > ┬─┐
    │               ┷       ┌┤-/  ▲  ▼ ← 小信号用ダイオード
    │                       ├────┘ │
    │                       └── 100k ─┼─→ レベルメータ1
    │                                 │+
    │                                Cout (1μF~10μF)
    │                                 │-            
    │                                 ┷ GND
    ├─→ BPF2 ─ 半波整流・平滑2 ─→ レベルメータ2
     ・   (64.7Hz)
     ・
    └─→ BPF10 ─ 半波整流・平滑10 ─→ レベルメータ10
        (16.3kHz)

【BPF1~BPF10の抵抗・コンデンサの値】
        BPF1  BPF2 BPF3 BPF4 BPF5 BPF6  BPF7 BPF8 BPF9  BPF10  
  f0 [Hz]│ 31.9  64.7  128   247  531  950  2.06k  4.24k 7.77k 16.3k
  ───┼───────────────────────────────
  C [F] │ 0.1μ  0.1μ  0.01μ 0.01μ 0.01μ 0.01μ 0.01μ  0.01μ  0.01μ  0.01μ
  R1 [Ω]│ 56k  27k  150k  68k  33k  18k  8.2k  4.7k  2.2k  1.2k
  R2 [Ω]│ 33k  18k  68k   47k  22k  12k  5.6k  2.7k  1.5k  680
  R3 [Ω]│120k   56k  330k  150k  68k  39k  18k  8.2k  4.7k  2.2k

入力信号をスピーカ端子から取るのであれば、上の図の「アンプ」は不要です(CDコンポの後ろの端子をR1に直接接続すればいいです)。レベルメータの回路は示していませんが、信号レベルに応じて10個のLEDが点灯するキットが資料 [6] にあるのでそれを使ったほうが良いと思います(レベルメータのところはキットを使わずに、LM3915とドットマトリクスLEDを使って10バンドを一括表示することもできます)。上の回路のバンドパスフィルタの利得は1です。オペアンプの電源電圧は±15Vです。半波整流・平滑回路の電解コンデンサ Cout は表示の応答速度を決めるもので値が小さいほど応答が速くなります。

GISAKUさんは「自作で音センサーを作りたい!」で価格が2万円未満を希望されているので、価格も以下の表に載せておきます。バンドパスフィルタ部分だけだと全部で1450円ですが、レベルメータはキットだと1個1000円になるので10バンドで1万円になります。

【部品価格(入力アンプ部を除く)】
  OPアンプ    LM358(2回路入り)×10個 5個入りで100円のを2セット(200円)
  抵抗       1周波数につき4本×10 = 40本(800円)
  コンデンサ    0.1μF×2 = 30円、0.01μF×8 = 120円
  ダイオード    1S4148×10 50本入りで100円
  電解コンデンサ 10本(200円)
  ─────────────
  合計       1450円

[1] オペアンプ(LM358)
  価格(5個で100円) http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=%2 …
  データシート(日本語) http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM358.pdf
[2] 金属皮膜抵抗(精度1%) http://www.sengoku.co.jp/modules/sgk_cart/search …
[3] フィルムコンデンサ(0.01μF:10円、0.1μF:15円) http://www.sengoku.co.jp/modules/sgk_cart/search …
[4] 小信号用ダイオード(1S4148、50本で100円) http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=%2 …
[5] 電解コンデンサ http://www.sengoku.co.jp/modules/sgk_cart/search …
[6] LEDレベルメータキット(対数表示)1個1000円 http://blog.livedoor.jp/siliconhouse/archives/51 …
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電子回路として、バッファー・フィルター・コンパレーター・ディスプレイドライバー・パワーサプライの各回路が必要です。



コンパレーターは、15mAのLEDを直接ドライブできる、5段または10段のLEDレベルメーター用ICが市販されているので、LEDドライバーの必要はありませんが、ディスプレイに大型のLEDを使用するときは、LEDの数だけTrが必要になります。
リニア表示と対数表示があります。
http://www.e-ele.net/CatalogLevelMeterIC.html

フィルターは、~60Hzの低音・60Hz~500Hzの中低音・500Hz~2KHzの中音域・2KHz~8KHzの中高音・8KHz~の高音、ハイパス・ローパス・2~3オクターブカバーのバンドパスx3 、設計が簡単で部品が少なくて作れるOPアンプフィルターで、-3dBクロスの5バンド位でよいと思います。
ステレオ仕様で10段レベル表示で作れば、最高100個点灯します。

バッファーは、OPアンプで入力感度VRをつけて20dBもあれば充分です。

電源部は、OPアンプ用と、LEDドライバ内臓のコンパレータICを駆動するため、全点灯を想定してLEDの消費電力の2倍位は、確保したいです。

オペアンプのフィルターやバッファー用の非反転・反転アンプの設計方法、電源回路は、検索すれば、たくさんヒットします。
ご自身の技量に合ったサイトを参考にされてください。
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数ヶ月前「電子工作が詳しい方教えてください!!」でお答えした者です(その他趣味のほう)。

何の返事もありませんでしたが、「その他AV機器」で解決したのでしょうか(同じキットも紹介しましたが)。専用ICとPICマイコンを使ったものですが、最小部品で作るのなら参考URLのようなものがあります。

参考URL:http://nonchansoft3.at.infoseek.co.jp/audio/spec …
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どこかで見かけた質問ですね。

まだ諦めてない方?

教えてくれったって、その知識レベルでは
教わったからといって一発でお望みの物ができるような
カンタンな話ではありませんよ。
程度の違いこそあれ、「自動車の作り方を教えて下さい」って言ってるような
ものです。
なにからなにまで指導してもらおうというのなら、
こんな場でタダで教わろうというのも虫がよすぎます。

そんなに作りたいなら、有料でプロに設計から何から指導してもらえば
教えてくれますよ。
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この回答へのお礼

すみません。本を読んでもよくわからなくて・・近くにいる電子工作が詳しい方に聞いて見ます。すみませんでした。

お礼日時:2008/08/06 03:20

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