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Dernière mise à jour : 05/09/2010Présentation
Le présent article décrit une méthode pour réaliser un analyseur de spectre à LED. Il ne présente pas de schéma tout fait et exploitable, mais explique le principe général et permet de voir par où commencer. Le modèle expliqué correspond à un analyseur 10 bandes, avec un espace de un octave entre chaque bande. Chaque bande dispose d'un affichage sur 10 LED, espacées chacune de 3 dB : la plage dynamique couverte couvre donc 30 dB pour chaque bande.Qu'est-ce qu'un analyseur de spectre ?
La plupart des électroniciens savent ce qu'est un oscilloscope, mais un moins grand nombre sait ce qu'est un analyseur de spectre. Et c'est normal, puisque l'analyseur de spectre est un appareil dont on a vraiment besoin pour des besoins précis, et qui coute souvent bien plus cher qu'un oscilloscope. On est donc moins pressé d'en acquérir un, surtout quand on débute. L'analyseur de spectre permet de voir les signaux électriques qu'on peut voir sur un oscilloscope, mais d'une autre manière. Là où l'oscilloscope montre l'amplitude d'un signal sur une dimension temporelle, l'analyseur montre l'amplitude du même signal sur une dimension fréquentielle. Au lieu de parler de base de temps pour l'oscilloscope (par exemple 1 ms par division horizontale), on parle de "span" (par exemple 5 kHz par division dans le domaine BF, ou 100 MHz par division dans le domaine HF). Les deux copies d'écran qui suivent montrent des graphes différents, et pourtant c'est le même signal qui est analysé, à savoir un signal périodique triangulaire de 5 kHz pas très propre (peu importe son amplitude dans le cas présent).Ecran d'oscilloscope
Sur la copie d'écran d'oscilloscope qui suit, le signal triangulaire est représenté sous la forme "amplitude en fonction du temps". C'est ce qui permet de voir comment il évolue au fil du temps qui s'écoule. Un oscilloscope peut être vu comme un "ralentisseur", qui permet de voir sans se presser, un signal qui évolue tellement rapidement que l'on n'aurait pas la capacité en temps normal de pouvoir l'observer.
On dit du signal ici observé qu'il est triangulaire, car son amplitude varie linéairement, selon une droite, pour aller d'un minimum à un maximum, puis le maximum atteint, redescendre au minimum, et ainsi de suite. On dispose donc d'une représentation visuelle de la forme de l'onde. Et en mesurant le temps qui sépare deux pointes (ou deux creux, ou encore deux passage par zéro - le centre vertical), on peut en déduire la fréquence du signal.
Ecran d'analyseur de spectre
L'écran de l'oscilloscope est génial car il permet de voir la forme de l'onde, et c'est pourquoi cet appareil est souvent appelé l'oeil de l'électronicien. Mais cette vue ne permet pas de tout voir, ou pour être plusprécis elle permet de ne voir les signaux que sous une forme bien précise. La copie d'écran de l'analyseur de spectre qui suit permet montre qu'on peut obtenir des informations supplémentaires sur le signal observé, que l'on voit maintenant sous forme de "raies". Chacune de ces raies représente une composante spectrale qui n'est rien de plus qu'un signal sinusoïdal pur. Une analyse de spectre se fait dans une bande de fréquence donnée, par exemple entre 0 et 100 kHz (la plage qui nous intéresse réellement dépend du domaine dans lequel on travaille, audio ou hautes fréquences).
Dans l'exemple présent, il y a beaucoup de raies, car le signal analysé n'est pas parfait (il s'agit d'un signal triangulaire qui comporte plusieurs signaux de fréquence différentes - fondamentale et harmoniques) et ce signal n'est pas "propre" (un peu de bruit y est superposé). Ce type d'écran permet de montrer le signal d'un point de vue fréquentiel, sur un nombre de "tranches de fréquence" qui peut varier de quelques unités (par exemple 10) à plusieurs dizaines de milliers. Bien entendu, plus le nombre de tranches (on parle aussi de bandes) est important, et plus grande est la résolution (on peut voir les choses plus finement). Sans entrer dans les détails, on peut préciser que l'analyse spectrale d'un signal périodique peut s'effectuer de deux manières :
- en passant par un filtre passe-bande dont on fait "glisser" la fréquence centrale;
- par une décomposition de fourrier (FFT, Fast Fourrier Transform), après conversion analogique / numérique.
Toujours sans entrer dans les détails, indiquons qu'il existe plusieurs types de mesures qui pour un même signal analysé peuvent donner des résultats visuels un peu différents. Il convient donc de savoir comment fonctionne un analuseur de spectre si on veut interpréter les résultats de façon correcte.
Analyseur de spectre à LED
La construction d'un analyseur de spectre est assez complexe, mais si on se contente d'un nombre limité de bandes d'analyse, le système n'est pas forcément très complexe à mettre en oeuvre. Au lieu d'utiliser un filtre glissant ou un processeur pour assurer la décomposition de Fourrier, on peut très bien utiliser en même temps plusieurs filtres passe-bandes simples (analogiques), chaque filtre travaillant de façon individuelle. En adoptant cette méthode, on peut fabriquer soi-même, avec tout de même un minimum de patience et de composants, un analyseur de spectre à 10 bandes (à l'octave) ou même 30 bandes (au tiers d'octave). Dans ces conditions, quelques barreaux de LED montés en vumètre permettent de produire des "raies" d'amplitude variable, en fonction des composantes spectrales detectées dans le signal analysé. Ce type d'appareil peut accomplir des missions bien différentes :- mesure de la réponse en fréquence d'un équipement audio ou d'un local d'écoute, en y associant un générateur de bruit et un microphone (le plus linéaire possible);
- impressionner ses invités, en faisant office de très joli gadget.
La discussion qui suit porte sur un analyseur de spectre à LED à 10 ou 16 bandes, spécifique audio, qui utilise des filtres "discrets".
Synoptique
Il est un peu gros mais reste lisible.
Principe de base : le filtrage
Il consiste à utiliser un filtre BF pour chaque bande audio que
l'on souhaite analyser. Les filtres sont de type passe-bande, sauf pour
ceux concernant le bas du spectre et le haut du spectre, qui peuvent
être respectivement de type passe-bas et passe-haut (ceci dit ils
pourraient eux aussi être de type passe-bande). Toutes les
entrées des filtres sont reliées en parallèle, et
chaque filtre reçoit la totalité du spectre audio. Ce
n'est qu'en sortie des filtres que l'on dispose de "tranches de
spectre". Le premier filtre (de type passe-bas) présente une
fréquence de coupure à 32 Hz, et tout ce qui se trouve
au-dessus de cette fréquence est fortement
atténué. Le second filtre (de type passe-bande),
travaille avec une fréquence centrale de 64 Hz, avec une largeur
de bande de quelques dizaines de Hz. Le troisième filtre (de
type passe-bande), travaille avec une fréquence
centrale de 125 Hz, avec une largeur de bande de quelques dizaines de
Hz. Etc. Chaque filtre se voit donc confier la tâche de ne
laisser passer qu'une partie du spectre sonore, avec pour chacun une
largeur de bande qui permet un recouvrement des bandes,
modéré mais suffisant. Voir par exemple la page Filtre
BF 009.Redressement
La sortie de chaque filtre fournit un signal BF qui ne comporte que les composantes spectrales que veut bien laisser passer le filtre, et est directement suivie d'un redresseur qui produit une tension continue dont l'amplitude est proportionnelle à l'amplitude du signal alternatif présent en sortie du filtre. Cette étape est nécessaire pour permettre l'affichage d'un niveau sur une échelle de LED, que ce soit sous forme de barre ou sous forme de point. Tous les redresseurs (il y en a donc autant qu'il y a de filtres) sont rigoureusement identiques. Voir par exemple les pages Redresseur vumètre 004 et Modulateur lumière 006.Affichage LED style vumètre
On dispose en sortie des redresseurs, de tensions continues directement exploitables pour attaquer des circuits vumètre. Pour dix filtres et dix redresseurs, il nous faut donc dix vumètres identiques. Que l'on utilise un vumètre constitué d'AOP ou d'un circuit spécialisé tel le LM3915, cela fait tout de même beaucoup de monde, et revient assez cher à fabriquer. Une astuce, permettant de limiter le nombre de composants total, consiste à utiliser un seul vumètre au lieu de dix, et à commuter de façon très rapide l'entrée de cet unique vumètre vers la sortie de chaque filtre, les uns après les autres. Il faut faire assez vite pour que l'oeil ne se rende compte de rien, mais la vitesse minimale à adopter peut sans problème être prise en charge par des composants classiques et économiques (en pratique, une fréquence de commutation de l'ordre de 1 kHz à 10 kHz est amplement suffisante). Chaque colonne de LED, qui représente une bande spectrale donnée, ne s'allume donc qu'une fois sur dix périodes. Si on travaille en mode barre, on aura donc au maximum 10 LED allumées à la fois à un instant donné. Et si on travaille en mode point, une seule LED pourra être allumée à tout instant, ce qui permet d'envisager une alimentation sur pile.Remarque : pour ce genre d'application, l'usage d'un pilote de LED de type multiplexé (UAA170 ou UAA180, vumètre 012) ne peut pas convenir. Il faut impérativement que toutes les sorties LED soient individuelles. L'usage d'un microcontrôleur de type PIC peut aussi être envisagé, là encore si aucun multiplexage n'est mis en oeuvre, car multiplexer un circuit déjà multiplexé est plutôt compliqué !
Nombre de bandes
Le nombre de bandes d'analyse est ici de 10, mais les circuits utilisés autorise une extension aisée à 16 bandes. On fait usage en effet d'un multiplexeur analogique de type "4 vers 16", qui dispose de 16 voies de commutation, une seule pouvant être active à la fois (elle dépend de la valeur d'un mot codé en binaire sur 4 bits). Pour s'initier à ce genre de montage, on peut aussi se limiter à 5 bandes...Fréquence centrale des filtres
Il existe des valeurs de fréquence centrale des filtres habituellement utilisées dans les analyseurs de spectre audio ainsi que dans les égaliseurs du même domaine. Ces valeurs sont les suivantes :Pour une analyse sur bande d'un octave / 10 bandes (fréquence doublée à chaque bond vers le haut du spectre) :
31 - 63 - 125 - 250 - 500 - 1000 - 2000 - 4000 - 8000 - 16000
Pour une analyse sur bande au tiers d'octave / 30 bandes (fréquence doublée tous les trois bonds vers le haut du spectre) :
25 - 31 - 40 - 50 - 63 - 80 - 100 - 125 - 160 - 200 -
250 - 315 - 400 - 500 - 630 - 800 - 1000 - 1250 - 1600 - 2000 -
2500 - 3150 - 4000 - 5000 - 6300 - 8000 - 10000 - 12500 - 16000 - 20000