3.6 Компрессор

Компрессор – устройство, предназначенное для сжатия динамического диапазона сигнала. Динамический диапазон сигнала есть отношение его максимального по абсолютной величине значения к минимальному, выраженное в логарифмической мере:

. (3.6.1)

Под уровнем напряжения p понимается выраженное в децибелах отношение напряжения U к некоторому заданному напряжению U₀:

. (3.6.2)

Заданным напряжением U₀ является напряжение на заданном сопротивлении R₀ при условии, что на нем рассеивается мощность P=1 мВт.

На рис. 3.6.1 изображена идеализированная амплитудная характеристика устройства, где а – начальное усиление, - угол наклона.

В соответствии с обозначением на рис. 3.6.1 справедливы выражения:

(3.6.3)

где =tg - показатель сжатия (расширения),

K=10^a/20 – начальное усиление.

При =45⁰ (=1) реализуется линейное устройство, при   45⁰ (1) реализуется компрессор, при   45⁰ (1) – экспандер.

На Рис. 3.6.2 изображена характеристика компрессора в линейном масштабе, из рассмотрения которой следует, что коэффициент передачи компрессора уменьшается при увеличении абсолютной величины входного сигнала.

На Рис. 3.6.3 изображена линейно-ломаная аппроксимация характеристики компрессора.

Рис. 3.6.4. Модель схемы компрессора

На Рис. 3.6.4 изображена компьютерная модель схемы диодно-резистивного компрессора на ОУ, реализующая линейно-ломаную аппроксимацию характеристики компрессора. Схема содержит два комплекта резистивно-диодных цепей, обеспечивающих получение характеристики компрессирования при положительных и отрицательных значениях U_вх.

При относительно малых абсолютных значениях входного сигнала (U_вх) диодные ключи D1-D4 закрыты напряжением смещения, подаваемым через резисторы R_3-3-1, R_3-2-1, R_3-2-2, R_3-3-2, коэффициент передачи схемы К₁ определяется только резисторами R_2-1 и R₁:

. (3.6.4)

При увеличении абсолютного значения U_вх открываются ключи D2 (D3), параллельно резистору R_2-1 подключаются резисторы R_2-2-1 (R_2-2-2), коэффициент передачи (K₂) уменьшается.

При дальнейшем увеличении абсолютного значения U_вх открываются ключи D1 (D4) и подключаются резисторы R_2-3-1 (R_2-3-2), ещё более уменьшая коэффициент передачи (K₃).

К₁ > K₂ > K₃ . (3.6.5)

Задание

На базе операционного усилителя (ОУ) реализована схема компрессора входных сигналов, передаточная характеристика которого для положительных значений U_вх аппроксимируется тремя отрезками прямых:

Uвых =

1,5 Uвх; 0 < Uвх < 2 , 1,0 + Uвх; 2 < Uвх < 4 , 2,33 + 0,67 Uвх; 4 < Uвх < 6 .

Входное сопротивление компрессора R_вх = 20 кОм.

1). Рассчитайте величины сопротивлений резисторов в цепях отрицательной обратной связи (ООС) ОУ, считая, что ключи в цепях ООС идеальны.

2). Для каждой i-ой ветви рассчитайте:

• сопротивление диода

• ток диода

• напряжение на диоде

• сопротивление резистора смещения

3). В программе MC7 введите модель функциональной схемы компрессора (Рис.3.6.4), используя рассчитанные значения сопротивлений резисторов. Источник входного сигнала V4 находится в программе:

Component/Analog Primitives/Waveform Sources/V.

4). Войдите в режим анализа DC. Установите пределы для V4: Variable 1, Auto, Range 8,-8. Постройте передаточную характеристику компрессора U_вых (U_вх) (Рис. 3.6.5 - верхний график).

Рис. 3.6.5. Передаточная характеристика компрессора (верхний график) и производная от dU_вых / dU_вх (нижний график)

5). Коэффициент передачи на каждом отрезке линейно-ломаной аппроксимации характеристики компрессора равен тангенсу угла наклона характеристики, то есть равен производной от U_вых по U_вх . В точке перегиба характеристики должен быть скачёк значения производной.

Для точного измерения коэффициента передачи и фиксации точек перегиба на всех участках передаточной характеристики постройте характеристику зависимости производной от U_вых по U_вх. По оси X записывается v(In), по оси Y записывается del(v(Out))/del(v(In)) (Рис.5 - нижний график).

6). Изменяя сопротивления соответствующих резисторов в модели функциональной схемы компрессора, добейтесь соответствия характеристики (Рис. 3.6.5 - нижний график) заданию. Выберите номиналы резисторов из стандартного ряда Е96 (±1%), введите в схему и постройте характеристики, соответствующие Рис. 3.6.5.

7). В модели (Рис. 3.6.4) замените источник входного сигнала V4 на генератор Sine Source (F=1k A=6).

8). В режиме анализа Transient (время анализа 2 m) постройте на одном графике временные характеристики U_вх (t) и U_вых (t).

9). В режиме анализа Transient \ DSP Parameters \ Limits для второго периода сигнала U_вых :

• Установите число точек (Number of Points) =11;

• Постройте спектральную характеристику;

• Измерьте коэффициент гармоник по второй … десятой гармоникам и общий К_г .

• Результаты анализа по данному пункту представьте в виде спектральных графиков и в табличном виде.

10). Оформите документы «Схема электрическая принципиальная» (Э3) и «Перечень элементов» (ПЭ3).

11). Разработайте печатную плату [5].