Проектирование аналоговых устройств

111

достереофонического эффекта, расширители стереофонической базы, звукопроцессоры).

РЧХ путем электронной обработки сигналов позволяют придавать звуковому материалу самые разнообразные эффекты звучания.

Особых требований по отношению сигнал/шум к РЧХ на активных элементах (транзисторах, ОУ) обычно не предъявляется в связи с тем, что ставятся они в тракте звуковоспроизведения с нормализованным (достаточно высоким — 0,5—1.0 В) уровнем обрабатываемого сигнала [17, 18].

8.5.2 Частотно-зависимые регуляторы громкости

Из физиологии слуха [18] известно, что при снижении уровня громкости человек хуже воспринимает составляющие звука в областях низких и высоких частот звукового диапазона. Частот- но-зависимые регуляторы громкости предназначены для выравнивания громкости звучания звуковой картины в соответствии с субъективными свойствами слуха человека. Как правило, это выравнивание состоит в искусственном подъеме составляющих нижних и верхних частот при малом уровне звука. Коррекция громкости, соответствующая кривой субъективного восприятия (см. рис. 6.13), реализуется с помощью физиологических регуляторов громкости (ФРГ). Такая регулировка позволяет улучшить субъективно воспринимаемую звуковую картину при низких уровнях громкости. Во всех устройствах звуковоспроизведения предусмотрена возможность отключения ФРГ (ФРГ, регулятор субъективной громкости, регулятор громкости с тонкомпенсацией — синонимы). Это связано с определенными проблемами их использования [7, 17]. В частности: при заданном положении регулятора заранее не известна субъективная громкость; реализованная в каждом конкретном звуковоспроизводящем устройстве частотно-зависимая характеристика регулировки громкости (по экономическим причинам) является аппроксимированной; нелинейная характеристика чувствительности слуха требует (теоретически) дополнительного «сжатия» сигнала, зависящего от уровня звука. Кроме того, коррекция АЧХ осуществляется с помощью минимально-фазовых цепей, хотя до сих пор неясно, чувствите-

112

лен ли слух человека к фазовым искажениям, которые возникают из-за однозначной связи между АЧХ и ФЧХ; многие музыкальные инструменты при исполнении громких и тихих пассажей издают звуки с разной окраской тембра.

Пассивные ФРГ выполняются на основе RC -цепей с плавно или ступенчато регулируемым сопротивлением [7, 17—20]. Для этой цели разработаны специальные переменные резисторы с дополнительными выводами (число этих выводов может быть в серийных переменных резисторах от одного до четырех), к которым подключаются корректирующие цепочки. Недостатками пассивных ФРГ являются значительные вносимые потери и связанное с ними ухудшение отношения сигнал/шум каналов звуковоспроизведения. Свободными от этих недостатков являются активные ФРГ.

Активный ФРГ может быть реализован на электронном потенциометре [7], модель которого может быть представлена заменой электронно-управляемого аттенюатора на потенциометр

(рис. 8.10).

Рис. 8.10 — ФРГ на электронном потенциометре

Для того чтобы регулятору громкости придать частотную зависимость, соответствующую слуховому восприятию, один входной канал делают частотно-независимым, а второму — придают желаемые свойства, обеспечивающие коррекцию при минимальном уровне выходного сигнала (рис. 8.11).

113

K,дБ

−6дБ / октава

Kо1

v =1

Kо2 +6дБ/ октава

Рис. 8.11 — Диаграммы Боде ФРГ на электронном потенциометре для крайних положений регулятора

Расчетные соотношения для крайних значений положения регулятора:

Подъем АЧХ в области нижних частот определяется импедансом Z4 , а в области верхних частот — импедансом Z3 . Удоб-

ство такого регулятора состоит в том, что он позволяет дополнительно вводить ослабление сигнала изменением отношения R2 / R1 при v =1. Благодаря этому расширяются пределы возможной регулировки усиления. Подобный принцип построения ФРГ используется в ряде фирменных программно-управляемых ФРГ [7].

115

Переменный коэффициент α определяет вид реализуемой обработки спектра: при максимально возможном подъеме α =1; без подъема или спада α = 0.5; при максимальном спаде α = 0. В реальных регуляторах тембра области регулирования ограничи-

нении α, так как частоты нулей и полюсов передаточной функции для НЧ и ВЧ определяются соотношениями:

зволяют определить граничные частоты регулировки тембра по НЧ и по ВЧ:

симые 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 затухании 0дБ (коэффициент усиления Kо = 1), благодаря чему нелинейные искажения и

вносимые регуляторами шумы снижаются (отношение сигнал/шум увеличивается, что и позволяет не учитывать его при оценках и расчетах отношения сигнал/шум для проектируемого устройства).

116

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 харак-

теристикой 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]. Регуляторы тембра по НЧ и по ВЧ строятся по схемам инвертирующих каскадов на ОУ (с RC-делителями в цепях обратной связи), как обеспечивающих почти идеальную симметрию пределов регулирования [7].

Активный симметричный регулятор тембра по нижним частотам на основе инвертирующего каскада представлен на рис. 8.13.

Рис. 8.13 — Схема активного регулятора тембра по НЧ

Анализ выражения для коэффициента передачи инвертирующего каскада

117

позволяет найти пределы регулирования и частоты, определяющие пределы изменения диаграммы Боде такого регулятора (рис.

8.12):

Схема активного симметричного регулятора тембра по верхним частотам на основе инвертирующего каскада представлена на рис. 8.14. Резисторы Rш в ней ставятся для обеспече-

ния пути протекания входного тока инвертирующего входа ОУ. Коэффициент передачи регулятора

Рис. 8.14 — Схема активного регулятора тембра по ВЧ

Пределы изменения диаграммы Боде и характерные частоты такого регулятора (рис. 8.12) (при Rш >> (R1 + R2 ) ) приближенно

Практически можно использовать только один из резисторов Rш , подключенный между выходом и инвертирующим вхо-

дом ОУ. Ошибка в определении пределов такого регулятора не превышает 5…10 % при Rш > (10...20) ×(R1 + R2 ).

118

Типовая схема активного симметричного регулятора тембра по нижним и верхним частотам на одном ОУ пред-

ставлена на рис. 8.15 [7].

+–

Рис. 8.15 — Схема симметричного активного регулятора тембра

При расчетах АЧХ на НЧ обычно пренебрегают сопротивлением развязки Rк , а в области частот f < f2н — и емкостью

конденсатора C1. Таким образом, как и в случае, рассмотренном

выше (рис. 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 конденсаторы C1 шунтируют сопро-

тивление R2 . Между точками А, В и С резисторы R1, R1 и Rк со-

единены звездой (рис. 8.13). После пересчета звезды в треугольник рассчитывается коэффициент передачи. При условии, что R4 >> (R1 + R3 +2Rк ) , которое на практике почти всегда удовле-

творяется, максимальные пределы регулирования, частоты f1в , и f2в описываются приближенно выражениями [7]:

119

Примечание. Заметим, что увеличение сопротивления резистора Rк в 3…5 раз, по сравнению с рекомендованным в [7] Rк = R1 , 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 сопротивлений резисторов R1 и R3 следует выбирать по возможности бóльшими

(минимально допустимое сопротивление нагрузки ОУ обычно не менее 0,6…5 кОм), так как R1 определяет сопротивление нагруз-

ки предыдущего функционального модуля канала звуковоспроизведения [17]. С другой стороны — в целях уменьшения шума сопротивления этих резисторов следует выбирать как можно мéньшими. Поскольку регуляторы тембра работают при высоких номинальных значениях напряжений сигналов (0,5…1,0 В) [17, 18] в большинстве практических случаев второе ограничение можно не учитывать (см. подразд. 6.5).

В случае, когда максимальные пределы регулирования тем-

где значения сопротивлений резисторов в кОм, а частот в Гц.