用LM3915芯片设计一款音量电平指示器

笔者最近看到了一篇关于多级比较器搭建电压指示器的文章，突然想起德州仪器也有一款类似结构的芯片。早在5年前，笔者曾使用过该芯片做过相关设计。笔者认为该芯片在要求指示LED数量不多的情况下是非常好的一款电平指示芯片。接下来笔者以LM3915为例，详细介绍一下如何使用LM3915设计一款音量电平指示器。

LM3915是一款具有模拟电压指示的集成电路，它内部集成的LED驱动器可以同时驱动10路LED指示灯。每路驱动电平相差阶梯3dB，该芯片提供30dB的动态指示范围。该芯片同时提供点状和条状的指示状态，用户可以根据情况自行选择显示模式。该芯片驱动的LED也无需限流电阻，芯片内部集成电流调节电路，内部集成基准电压范围为1.2V至12V。这在简化单路设计上很实用。整个芯片采用最低3V、最高25V的单电源供电。LM3915静态电流非常小，在无输出时静态电流只有2.4mA（5V供电的状态）。芯片信号最大输入可达±35V。LM3915与LM3914在使用上十分类似，区别在于LM3914是线性电平指示，而LM3915是对数电平指示，两种芯片可根据输入信号的电平性质进行选择。用户可根据项目需求级联芯片设计，这样可以扩展显示电平至90dB的动态范围。一般情况下，音频信号使用对数电平指示芯片来指示音量声压级别。图1是LM3915的参考电路图。图2是LM3915的参考电压配置公式。图3是芯片内部结构图。

图1 LM3915参考电路

图2 参考电压配置公式

图3 芯片内部结构图

下面介绍下LM3915的工作原理，根据图3所示的电路结构。芯片管脚1、10、11、12、13、14、15、16、17、18为LED驱动管脚，因为输出脚是OC门（集电极开路）结构，故LED应该采用上拉式接法。由于内部存在电流调节机制，LED电流由芯片内部电路限流调节。电路结构总体采用多比较器同步比较的方式，基准电压送进由多电阻组成的阶段分压网络，分压的节点电压被送入比较器的同向输入端。比较器的反向输入端接输入信号电平。5脚为信号输入端，输入的信号经缓冲器后送入比较器网络，信号为0V时，所有比较器反向输入端为0，故所有比较器的输出为高电平，LED均不发光；当信号存在电压时，由于电压随音量不断变化，电压的变化将导致比较器输出状态不断变化，部分比较器在某一时刻存在同向输入端电压小于反向输入端的情况，此时，部分比较器输出低电平，LED点亮。信号电压越高，点亮的LED越多，根据此原理LM3915可以很好的显示输入信号的电压变化。表1是LM3915的管脚定义。

表1 LM3915管脚定义

管脚	定义	管脚	定义
1	LED1	10	LED10
2	V-电源地	11	LED9
3	V+电源正	12	LED8
4	RLO内部地	13	LED7
5	SIG信号输入	14	LED6
6	RHI参考电压	15	LED5
7	REFOUT基准输出	16	LED4
8	REFADJ基准调整	17	LED3
9	MODE模式选择	18	LED2

图3当中的参考电压设置是整个电路的重点，内部参考电压是在7脚和8脚之间存在一个1.25V的基准电压，由于电压恒定，恒定的电流流过设置电阻R2，公式见图4。

图4 参考电压设置公式

根据图4所绘的电阻配置关系可知，R1上的电压始终是1.25V，根据此电压可以得到R1上的电流。同样根据电流关系可知R2上的电压，R1和R2的电压加在一起就是芯片基准调整出的电压。利用设置出的参考电压可以调节10个LED的显示量程。例如，可将参考电压设置成输入信号的最大电压，这样设置的好处是在芯片输入任何幅度信号的情况下，LED的指示范围都在设置的指示范围内，不会出现超幅度点亮的情况。

LM3915最具特色的功能应该就是模式选择功能，9脚可以对芯片的显示模式进行设置，9脚悬空为点状显示，9脚接3脚为条状显示。由于LM3915仅对正电压进行指示，如果输入的是交流信号，则芯片仅对正半周进行电压指示。建议在信号输入之前加一级检波电路，检波电路可以有效将交流信号转换成一个相对稳定的电压。对于稳定的正弦波信号，检波出的电压应该是个恒定的电压。9脚同时也应用于多片LM3915的级联显示。接下来提供一份应用电路图，该电路适合动态显示音频信号的电平值。图5是应用电路图。

图5 音量电平指示电路

该电路音频通过P3耳机接口输入，RP1可以调节输入音量电平的大小，模式选择通过P2的排针和跳帽来设置，断路P2是条状显示模式，开路P2是点状显示模式。由于需要方便地调节测量范围，电路没用使用内部的基准电压，而是使用可变电阻RP2分压出一个预置电压，此电压送进第6脚。可以调节电位器使6脚电压和输入信号的最大值进行匹配。该电路搭建简单，使用十分方便，可以集成进其它的电路设计当中。LM3915还可以应用在其它功能电路当中，比如：光照指示、震动指示、高频场强指示、电压表等场景。希望大家动手试试这款芯片。

北京 车政达