Фильтры, подобные вышеприведенным, можно с успехом применять и в своих разработках, и в своих экспериментах. Например, при экспериментах с громкоговорителями можно использовать простые регуляторы тембра, которые можно и упростить в некоторых случаях. Программа позволит вам понять, что нужно (и как этого добиться), если вы хотите получить определенные изменения в работе регулятора.

Получение двух-полярного напряжения из одно-полярного мы рассмотрим ниже. А то, как включить операционный усилитель в схему с одним источником питания, рассмотрим сейчас.

Рис. 11.8. Включение операционного усилителя с одно-полярным питанием

Применять операционный усилитель для усиления постоянного тока с таким включением неудобно, но для усиления переменного тока это вполне подходящий вариант. Можно делитель напряжения R4R5 заменить парой подходящих стабилитронов. Схема включения операционного усилителя получается достаточно «классической».

Снижение шумов и автоматическая регулировка

Самый надежный способ избавиться от вредных привычек – это никогда их не приобретать. Это же можно отнести и к проблеме шумов. Если схема достаточно хорошо продумана, если приняты все меры по уменьшению шумов, то применять какие-либо устройства, снижающие уровень шумов, нужды не будет. Исключения составляют те случаи, когда вы получаете шумы в «обязательном» порядке, а их количество вас явно не устраивает.

Во времена повсеместного применения магнитофонов борьба с шумами магнитной ленты шла не шуточная. Большим трудом давалось снижение шумов на несколько децибел. Наиболее успешно этот процесс проходил на Dolby-фронте. Шумоподавители этого класса работали по компадерному принципу. Перед записью на ленту сигнал сжимался с помощью схемы компрессора, что позволяло записать его «над уровнем» шума ленты, а при воспроизведении сжатый сигнал «расширялся» с помощью экспандера, работающего с «зеркальными» параметрами расширения по отношению к компрессору. За счет этого шумы отодвигались на задний план достаточно существенно. Существовало несколько вариантов построения схем шумоподавления, которые отличались, например, тем, что исходный сигнал проходил через несколько каналов, каждый из которых работал в своей полосе частот. С появлением цифровых методов записи все эти устройства отошли в сферу профессиональной деятельности, а любители, если и используют эти схемы, то, надеюсь, применяют для этих целей готовые микросхемы.

Вместе с тем некоторое представление об устройствах снижения уровня шумов по моему мнению должен иметь каждый любитель. Никогда не знаешь, с чем ты столкнешься в своей практике. Даже в профессиональной деятельности, которая, согласитесь, гораздо жестче регламентирована, решение тех или иных задач, время от времени уводит далеко в сторону от проторенной дороги. А любитель с его неподдельным интересом ко всему на свете видит проторенные дороги только во сне.

Сейчас я совершенно уверен в двух вещах: при необходимости вы всегда найдете подходящую схему, и при желании сами сможете ее собрать и настроить. Поэтому не буду приводить схем, даже функциональных, а вместо этого предлагаю рассмотреть некоторые элементы подобных схем в предположении, что вам известны базовые идеи (где-то слышали, или прочитали, или придумали сами).

Что вы могли об этом услышать? В первую очередь об особенностях восприятия человеком мешающего воздействия шума, что особенно характерно для верхней части звукового диапазона. К особенностям этого восприятия можно отнести эффект маскирования шума полезным сигналом. Если в звуковом фрагменте присутствуют сигналы достаточной громкости с частотами выше 2-3 кГц, то человек не слышит сопутствующих шумов в этой части звукового спектра. Они становятся слышны только при тихих звуках или в их отсутствии. С другой стороны, все тихие звуки, как правило, не имеют ярко выраженных обертонов. И если мы в отсутствии громких звуков и звуков высоких частот ограничим частотный диапазон усилителя, скажем, выше нескольких килогерц, то шумы будут подавляться и не будут нам мешать. Такова идея, она может оказаться несостоятельной, но я хотел бы показать, как можно подступиться к ее проверке, используя то немногое, что было написано в предыдущих главах.

Впервую очередь посмотрим, как мы могли бы управлять полосой воспроизводимых частот. Представим, что мы собрали одну из схем регулятора тембра, описанных выше. У нас есть регулятор высоких частот, выполненный на переменном резисторе. Мы включаем музыку, и когда звук тихий и нет ни колокольчиков, ни тарелок, мы «убираем» высокие частоты, а с появлением высоких звуков прибавляем их. То есть, появляется две задачи: первая требует выделить высокие звуки с оценкой их громкости, вторая «покрутить» регулятор высоких частот.

Вкачестве базы для построения схемы используем предварительный усилитель. Решая первую задачу, сигнал со входа этого усилителя мы отправим на фильтр, который срезает низкие частоты, скажем, от 6 кГц и ниже. После фильтра мы поставим выпрямитель (похожий на детектор приемника). Теперь выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя будет пропорционально громкости высоких частот в исходном сигнале. Проверим это.

Рис. 11.9. RC-фильтр

Как видно на диаграмме, низкие частоты не будут присутствовать на выходе фильтра. Теперь добавим выпрямитель, диод, и посмотрим, что у нас происходит на частоте 10 кГц.

Рис. 11.10. Сигнал с фильтра после выпрямления

Как и следовало ожидать, мы получили «пульсирующее» напряжение на выходе. Оно не вполне подходит для цели управления, но мы знаем, что пульсации на выходе выпрямителя устраняются добавлением сглаживающего конденсатора.

Рис. 11.11. Сглаженное управляющее напряжение

Впрямь, конденсатор помог. Можно увеличить его значение, что приведет к еще лучшему «сглаживанию». Но... отчего-то напряжение увеличивается странным образом. Оно не сразу принимает нужное значение, а плавно поднимается к нему по образовавшимся «ступенькам», оставшимся от пульсаций. Чем больше мы будем увеличивать конденсатор, тем дольше придется ждать, когда напряжение достигнет своего значения. Применяя такую схему для получения управляющего напряжения мы сталкиваемся с некоторыми проблемами. С одной стороны, мы хотели бы использовать в качестве управляющего не очень «дергающееся» напряжение, с другой стороны, мы хотели бы, чтобы схема достаточно быстро реагировала на изменение ситуации. Чтобы оценить реакцию схемы на происходящие изменения, я попробую заменить в предыдущем эксперименте источник переменного напряжения с частотой 10 кГц на источник прямоугольных импульсов с частотой, скажем, 4 кГц (период 500 мкС), оставив остальную часть схемы без изменений. Быть может, страхи мои беспочвенны, а сомнения напрасны, тогда в качестве конденсатора можно использовать электролитический конденсатор большой емкости.

Почему мне приходит в голову использовать источник прямоугольных импульсов? Думаю, потому, что резкий переход от низкого уровня напряжения к высокому, и наоборот, более всего ассоциируется у меня с понятием реакции схемы на внешнее воздействие. С помощью генератора прямоугольных импульсов легче заметить наличие собственных колебаний в параллельном LC-контуре. С его помощью легче было оценить влияние интегрирующей RC цепи. Не помогут ли прямоугольные импульсы и сейчас?

Рис. 11.12. Оценка динамических качеств схемы

Что я могу сказать, каждый импульс быстро заряжает конденсатор, после каждого импульса конденсатор медленно разряжается, не успевая разрядиться полностью, и за время около 3 мС он успевает зарядиться почти полностью. Достаточно этого или нет? Не знаю. Я хочу попробовать заменить источник прямоугольных периодических импульсов на источник одиночного прямоугольного импульса, но даст ли мне это больше?

Рис. 11.13. Реакция схемы на одиночный импульс

И что? Пока ничего нового. Да, каждое изменение уровня будет приводить к появлению управляющего напряжения, которое быстро появляется, которое затем медленно убывает, и за время в несколько миллисекунд все заканчивается. Достаточно ли этого?

Не знаю, но пока оставим и будем считать, что у нас есть управляющее напряжение (чтото управляющее нам нужно в любом случае).

Рассмотрим работу схмы тембра высоких частот.

Рис. 11.14. Фильтр, обрезающий высокие частоты

Не самый-самый, но остановимся на этом фильтре, который при значениях R1 = 99 кОм и R2 = 10 кОм (R2 = 10 кОм!) имеет следующую амплитудно-частотную характеристику:

Рис. 11.15. АЧХ при втором положении регулятора

Такую АЧХ вполне можно считать линейной. Теперь наша задача формулируется так: какой из известных нам элементов мы можем применить для изменения его сопротивления от 10 кОм до 1 кОм при изменении управляющего напряжения?

Выше я уже говорил, что в усилителе мощности транзистор в некотором смысле можно рассматривать как регулируемое сопротивление, почему бы мы мне не повторить эту «крамольную» мысль еще раз! Транзистор, на базу которого мы подадим управляющее напряжение, мы используем для замены R2. Еще лучше, это я знаю, будет работать в этом качестве полевой транзистор. Не знаю только, получится ли эта замена в программе Qucs. Уж очень много я от нее хочу.

Рис. 11.16. Применение транзистора в качестве управляемого резистора

Диаграмма напоминает мне рисунок 11.14. А вот другая диаграмма, полученная при изменении напряжения V2 с 1 В на 10 В.

Рис. 11.17. АЧХ при изменении напряжения в базовой цепи транзистора Не совсем, возможно, то, что нужно, но что нужно, я и сам еще не знаю, однако нет

сомнений, изменение базового тока меняет характер АЧХ фильтра. Что и требовалось.

Итак, шумоподавитель, изобретением которого мы занимались, в общих чертах «нарисовался»: фильтр для выделения высоких частот из сигнала, выпрямитель для получения из этих частот управляющего напряжения, и регулятор АЧХ тракта с применением транзистора, управляемого от выпрямителя.

Я не вижу особого смысла продолжать построение шумоподавителя, при необходимости лучше взять готовую микросхему, а все приведенные эксперименты нужны были только для того, чтобы понять сущность работы схемы, получить дополнительный опыт работы со схемами, но более всего мне хотелось показать, как транзистор играет роль управляемого резистора.

Аэто мне нужно для рассказа об еще одной разновидности предварительного усилителя

—с автоматической регулировкой уровня, что мне нужно для плавного перехода к разговору об автоматическом регулировании и автоматике вообще. Но вначале автоматическое регулирование уровня громкости (впрочем, чего угодно).

Рис. 11.18. Предварительный усилитель с автоматической регулировкой усиления

На схеме полевой транзистор входит в делитель напряжения, образующий отрицательную обратную связь. Отношение сопротивления резистора R2 к сопротивлению исток-сток транзистора определит коэффициент усиления каскада по напряжению. В свою очередь, сопротивление полевого транзистора определится напряжением на его затворе, полученном за счет выпрямления выходного напряжения диодом D1.

На первой диаграмме видно, что напряжение выпрямителя (ctrl) первоначально равное нулю возрастает до -1.3 В, закрывая транзистор, что увеличивает сопротивление его канала. А на второй диаграмме видно, что пока напряжение на затворе равно нулю, выходное напряжение (амплитуда) около 2 В. С появлением запирающего напряжения на затворе (время на диаграмме 1 мС) напряжение на выходе усилителя падает. Если в схеме менять входной сигнал от источника V1 в пределах от 300 мВ до 600 мВ (изменение в два раза), то выходное напряжение изменится очень незначительно. Что и демонстрирует возможность автоматической регулировки усиления. Реальные схемы, применяемые для этих целей, отличаются не столь разительно от приведенной, а автоматическая регулировка усиления используется и в телевизорах для оптимизации уровня радиосигнала, и в радиоприемниках, и в телефонах, словом, везде где можно или нужно автоматически регулировать сигнал. А зачем его вообще регулировать автоматически, зачем нужна автоматика?