8.5.3. Регуляторы тембра
Регуляторы
тембра (РТ) в устройствах звуковоспроизведения
имеют регулируемые АЧХ на нижних и на
верхних частотах [7, 17-20]. Диаграммы Боде
регулятора тембра (рисунок
8.12) для крайних положений регулятора
показывают, что в области средних частот
(~1кГц) передаточная функция остается
неизменной. на
крайних частотах (20Гц, 20 кГц) ее можно
регулировать (обычно в пределах 12…20
дБ).
График модуля передаточной функции
можно
приближенно рассматривать состоящим
из нескольких участков, каждый из которых
представляет собой характеристику
независимого фильтра 1-го порядка с
крутизной 6 дБ/окт. При симметричном
подъеме и спаде передаточная функция
РТ имеет вид
.
(8.10)
Переменный
коэффициент
определяет вид реализуемой обработки
спектра: при максимально возможном
подъеме
;
без подъема или спада
;
при максимальном спаде
В реальных
регуляторах тембра области регулирования
ограничиваются значениями коэффициентов
:
,
(8.11)
причем для симметричных регуляторов:
,
а
.
(8.12)
Заметим,
что частоты
изменяются при изменении
,
так как частоты нулей и полюсов
передаточной функции для НЧ и ВЧ
определяются равенствами:
,
и
,
.
(8.13)
Соотношения (7.7, 7.8) при предельных значениях позволяют определить граничные частоты регулировки тембра по НЧ и по ВЧ:
,
и
,
.
(8.14)
Пассивные регуляторы тембра работают как частотно-зависимые делители напряжения. Они обладают большим собственным затуханием (не менее требуемой глубины регулировки тембра) [7, 17-20] и связанными с этим недостатками по ухудшению отношения сигнал/шум.
Активные регуляторы тембра обычно строятся по схеме инвертирующего каскада на ОУ [7, 17-20]. Такие регуляторы имеют существенные преимущества по сравнению с пассивными регуляторами тембра.
1)
В нейтральном положении регуляторы
имеют равномерную АЧХ во всей полосе
частот при
затухани
0дБ
(коэффициент усиления
),
благодаря чему нелинейные искажения и
вносимые регуляторами шумы снижаются
(отношение сигнал/шум
увеличивается).
2) Регуляторы имеют низкоомный выход, что снижает частотные искажения регулятора на ВЧ за счет входной емкости следующего функционального модуля.
3) В активных регуляторах возможно (и целесообразно!) применение более дешевых потенциометров с линейной характеристикой регулирования.
4) Активные регуляторы обеспечивают симметричность областей подъема и спада частотной характеристики (при симметричной схеме).
Заметим, что в простейшем случае активный регулятор тембра может быть построен на одном транзисторе по схеме с общим эмиттером [7, 17]. Простейшие регуляторы по НЧ и по ВЧ могут быть построены на основе схем инвертирующих каскадов (с RC-делителями в цепях обратной связи) [7].
а
ктивный
симметричный регулятор тембра по нижним
частотам может
быть выполнен на основе инвертирующего
каскада (Рисунок 8.13).
Анализ коэффициента передачи инвертирующего каскада
(8.15)
позволяет определить пределы регулирования (подъем/спад) и частоты, определяющие пределы изменения диаграммы Боде такого регулятора (рисунок 8.12):
;
,
.
(8.16)
Схема
активного
симметричного регулятора тембра по
верхним частотам
на основе инвертирующего каскада
представлена на рисунке 8.14.
Резисторы
в ней ставятся для обеспечения пути
протекания входного тока инвертирующего
входа ОУ (заметим, что схема может
использоваться и с одним резистором
в верхнем плече делителя цепи ОС).
Коэффициент передачи регулятора
.
(8.17)
пределы
изменения диаграммы Боде такого
регулятора
(Рисунок 8.12) при
приближенно определяются
следующими равенствами:
,
(8.18)
причем
ошибка в определении пределов не
превышает 5 … 10% при
;
,
.
(8.19)
Практически можно использовать только один из резисторов (подключенный между выходом и инвертирующим входом ОУ).
Типовая схема активного симметричного регулятора тембра по нижним и верхним частотам представлена на рисунке 8.15 [7].
При
расчетах АЧХ на НЧ
обычно пренебрегают
сопротивлением развязки
,
а в области частот
- и
емкостью конденсатора
.
Таким
образом,
как и в случае, рассмотренном выше
(Рисунок 8.13), пределы регулирования
диаграммы Боде на НЧ можно определить
по соотношениям (8.16).
Регулятор
верхних частот
(ВЧ).
При расчете регулятора ВЧ нельзя
пренебрегать влиянием низкочастотного
регулятора, так как в этой области частот
конденсатор
является шунтом для сопротивления
.
Между точками А,
В и
С
резисторы
,
и
соединены звездой (рисунок
8.13). После пересчета звезды в треугольник
рассчитывается коэффициент передачи.
При условии, что
,
которое на практике всегда удовлетворяется,
максимальные пределы регулирования и
частоты
и
описываются приближенно выражениями:
,
,
.
При
расчете элементов схемы задают
максимальные пределы регулирования на
НЧ и ВЧ (
и
)
и одним из сопротивлений, например
.
Затем
по заданной нижней рабочей частоте
регулятора тембра рассчитываются
и
для
регулятора НЧ. По выбранному
и
по
верхней рабочей
частоте
рассчитывается
,
и
для регулятора ВЧ.
Заметим,
что увеличение
в 3…5 раз по сравнению с рекомендованным
[7]
,
приводит к уменьшению ошибки расчета
пределов регулирования АЧХ на ВЧ с 2…3
дБ до 0,5 1 дБ.
С
одной стороны, для защиты
выхода предыдущего функционального
модуля от перегрузки величины
и
следует
выбирать по возможности наибольшими
(минимально допустимое сопротивление
нагрузки ОУ обычно больше 0,6…5кОм),
так как
определяет сопротивление нагрузки
предыдущего функционального модуля
канала звуковоспроизведения [17].
С другой стороны - в целях
уменьшения шума сопротивления этих
резисторов следует выбирать как можно
меньшими.
В случае, когда максимальные пределы
регулирования тембра не превышают 20
дБ
(
),
прикидочный
приблизительный расчет можно
проводить по формулам:
,
,
,
,
,
,
где значения сопротивлений резисторов в кОм, а частот - в Гц.