11.15. Измерители уровня

Звукорежиссер, формируя сигналы 3В, оценивает художественные качества звучания, руководствуясь слухом, эстетическими взглядами, опытом. Никакие измерительные приборы не могут заменить слуха, вкуса, опыта звукорежиссера. Однако субъективный контроль дополня­ют объективным, поскольку электрические параметры сигналов должны удовлетворять жестким техническим требованиям. Наибольшие уровни сигнала не должны превышать значения, при котором нелинейные ис­кажения становятся заметными, наименьшие должны быть значитель­но выше уровня шумов и помех. Для поддержания примерно одинако­вой громкости речи и музыки необходимы определенные соотношения их электрических уровней. Дополнительные требования в отношении уровней сигналов, их временных и фазовых сдвигов предъявляет стереофония. Для объективного контроля сигналов используют измерители уровня, стереогониометры и стереокоррелометры.

Измеритель уровня (ИУ) – особый электронный прибор со стан­дартизованными или нормируемыми временными (динамическими) па­раметрами. Он предназначен для оценки уровня (величины) сигнала в динамическом режиме с целью контроля результатов регулирования уровней в процессе формирования частей программы, а также для про­верки соответствия уровней заданным номинальным значениям в раз­личных точках канала 3В на испытательных (измерительных) сигналах, передаваемых до начала сеанса вещания.

Главное отличие ИУ от обычных электронных вольтметров пе­ременного тока – наличие в выпрямителе интегрирующей (зарядно-разрядной) цепи с накопительной емкостью. Она играет роль своеобраз­ной ячейки памяти для фиксации огибающей выпрямленного значения импульсных напряжений, отображающих сигнал 3В. Наличие зарядно-разрядной цепи позволяет "запоминать" значение даже кратковремен­ных импульсов сигнала 3В на время, необходимое для того, чтобы опе­ратор (звукорежиссер) мог прочесть и осознать показания прибора, сле­дящего за огибающей пиков напряжения сигнала.

Измерители уровня классифицируют по принципу действия, виду измеряемых значений уровня, области применения.

По принципу действия и виду подводимого к ИУ сигнала разли­чают приборы: аналоговые с аналоговым же показывающим прибором ПП (рис. 11.61,а), аналоговые с дискретным ПП и предшествующим ему АЦП (рис. 11.61,б), аналого-цифровые с аналоговым и цифровым вхо­дами (рис. 11.61,в). Структурные схемы содержат входную цепь ВЦ, УЗЧ, выпрямитель – детектор В, интегрирующую (зарядно-разрядную) цепь ИЦ, логарифматор Лог, усилитель постоянного тока УПТ и пока­зывающий прибор ПП. Логарифматор и УПТ в некоторых видах ИУ отсутствуют. В комбинированных, аналого-цифровых приборах анало­говый сигнал, преобразованный в цифровую форму с помощью АЦП, а цифровой непосредственно подводятся в логическому устройству ЛУ, выполняющему операции выпрямления, интегрирования и логарифми­рования, и далее через дешифратор ДШ к дискретному ПП в виде све­тодиодной матрицы.

Входная цепь содержит трансформатор или фазоинверсный симметрирующий каскад и регулятор чувствительности. Первый служит для перехода от симметричной контролируемой цепи к несимметричной це­пи ИУ, второй – для изменения чувствительности до такого значения, при котором отметка шкалы 0 дБ соответствовала бы номинальному уровню в контролируемой точке тракта. Вместо названных узлов ВЦ может содержать операционный усилитель с дифференциальным вхо­дом и регулятором усиления. При этом варианте ВЦ отдельный УЗЧ может отсутствовать.

Чтобы ИУ не шунтировал контролируемую цепь и тем самым не на­рушал диаграмму уровней при подключении в различные точки тракта, например, пульта звукорежиссера, входное сопротивление ИУ должно быть, по крайней мере, на порядок больше сопротивления цепи в точке его подключения Практически оно обычно равно 5 кОм и даже больше.

Усилитель звуковых частот служит для того, чтобы для выпрямле­ния сигнала использовать линейный, а не квадратичный (начальный) участок вольтамперной характеристики диодов и чтобы устранить влия­ние нелинейности входного сопротивления выпрямителя на контроли­руемую цепь.

Выпрямитель, как правило, двухполупериодный. Это исключает зависимость показаний ИУ от полярности включения диода при изме­рении уровней сигналов, осциллограмма которых несимметрична отно­сительно оси времени.

Эквивалентная схема выпрямителя с интегрирующей цепью пока­зана на рис. 11.62 (она аналогична эквивалентной схеме выпрямите­ля АРУ). Здесь VD – идеальный вентиль, r – сопротивление це­пи заряда, включающее в себя выходное сопротивление предыдущей цепи Ri, и сопротивление диода б прямом направлении Rд. Тогда з = rC = (Ri +RД)С. Постоянная времени цепи разряда р =RС. Подбором элементов R и С устанавливают желаемый временной режим.

Логарифматор необходим, когда желают получить примерно ли­нейную шкалу уровней, градуированную в децибелах,

Усилитель постоянного тока необходим для возможности подачи на ПП (например, микроамперметр) тока и мощности, достаточных для его срабатывания, и исключения воздействия (реакции) ПП на инте­грирующую цепь.

В качестве ПП применяют магнитоэлектрический микроамперметр со стрелкой или перемещающимся по шкале световым пятном ("зайчи­ком"), газоразрядную трубку, шаговые дискретные индикаторы (ШДИ) со светодиодной матрицей. Последний вид ПП получил за рубежом название барграфиндикатора. Для управления ШДИ при небольшом числе элементов используют АЦП параллельного типа, при большом – последовательного типа.

Широко распространены ПП, шкала которых состоит из цепочки светодиодов. В пределах рабочего диапазона их шкала собрана из светодиодов зеленого или желтого цвета, а в области превышения номи­нального уровня – из светодиодов красного цвета. Шкалы ИУ распо­лагают горизонтально или вертикально.

Шкалы большинства ИУ проградуированы в относительных зна­чениях уровня, иногда – в значениях коэффициента модуляции т (рис. 11.63). Вблизи отметки 0 дБ шкала обычно растянута, чтобы уве­личить точность отсчета уровней вблизи опасной области превышения номинальных уровней. Необходимую чувствительность устанавливают установочным регулятором УР на входном измерительном (испытатель­ном) сигнале постоянной интенсивности.

По степени усреднения (интегрирования) выпрямленного напря­жения различают измерители пиковых, квазипиковых, средних, ми­нимальных уровней. Приборы пикового типа следят за вершинками импульсов, измерители минимальных уровней фактически показывают уровень шумов в паузах сигнала. Чаще всего используют измерите­ли квазипикового типа (англ. название peak program meter, сокращен­но РРМ). Чтобы обеспечить одинаковость показаний, их динамиче­ские параметры регламентированы международными рекомендациями или национальными стандартами.

Но ГОСТ 21135 "Измерители уровня квазипиковые. Типы и основ­ные параметры" стандартизованы следующие динамические параметры:

1. Главный динамический параметр – время интеграции tи, которое характеризует точность отображения интенсивностей кратковре­менных пиков сигнала. Время интеграции – длительность одиночного входного измерительного радиоимпульса П-обраэной формы с заполне­нием синусоидальным напряжением частоты 5 кГц и размахом, соот­ветствующим отметке шкалы 0 дБ. При подаче такого импульса по­грешность измерения не должна превышать –2 дБ (–20 %). При бо­лее длинных импульсах погрешность будет меньше, при более корот­ких больше. Вышеназванным ГОСТ установлено значение tи = 5 мс для измерителей пиковых уровней. Наряду с ИУ со стандартизован­ным tи в эксплуатации находятся приборы с tи = 10, 20, 60 и даже 200 мс, что приводит к разнобою в оценке уровней в разных точках ка­нала. Показания различных приборов примерно совпадают только на длительных измерительных сигналах.

2. Время срабатывания tср – промежуток времени между момен­том подачи на вход ИУ непрерывного синусоидального напряжения ча­стоты 1 кГц с размахом, соответствующим отметке 0 дБ, и моментом, когда показывающий прибор отметит значение относительного уровня -1 дБ (tср = 0,1–0,2 с).

3. Время возврата tв – промежуток времени между моментом вы­ключения непрерывного синусоидального напряжения частоты 1 кГц и размахом, соответствующим отметке 0 дБ, и моментом, когда показания уменьшатся до отметки –20 дБ (т = 10 %). Для приборов оперативного контроля, расположенных на пультах звукорежиссера, tв = 1,7 ± 0,3 с, для приборов эксплуатационного контроля, находящихся в точках трак­тов, в которых производится лишь установочное регулирование на из­мерительных сигналах, 3,0±1,0 с.

4. Динамическая погрешность ("переброс") – для стрелочных приборов– разность между максимальным показанием Nтах при скач­кообразной подаче непрерывного синусоидального напряжения и пока­занием Nст в установившемся режиме. Небольшая динамическая по­грешность несколько уменьшает ошибки, вызванные неполным зарядом конденсатора интегрирующей цепи, значительная динамическая погреш­ность (более 1 дБ, или 10 %) недопустима, завышает показания, дает превратное представление о значении сигнала, что приводит к систе­матическому занижению коэффициента модуляции передатчика и не­полному использованию усилительных устройств. Допустимое значе­ние < 1 дБ (10 %).

Помимо динамических нормируются или стандартизуются статиче­ские параметры, как и для обычных измерительных приборов, изме­ряющих стационарные или медленно меняющиеся напряжения: полоса частот, неравномерность АЧХ в этой полосе, допустимые погрешности, обусловленные изменением температуры, питающих напряжений, про­должительностью непрерывной работы и другими факторами.

Рассмотрим подробнее принцип действия ИУ квазипикового типа.

Х арактеристика выпрямления Uвых = k должна быть линейной, т.е. =1. Ввиду трудностей получения линейной характеристики допус­кают в приборах эксплуатационного контроля большее значение (до 1,4). Некоторые сигналы 3В несимметричны относительно оси времени. Асимметрия достигает 8 дБ. Измеритель уровня с однополупериодным выпрямителем будет измерять уровень только одной полуволны. Пока­зания такого ИУ зависят от полярности включения диода. Во избежание этого в ИУ всегда применяют двуполупериодное выпрямление. Примем, что на входе выпрямителя и = Um[cos t]. Тогда ЭДС эквивалентного генератора изменяется по закону и = Umcos t. Пока и > Uс вентиль VD открыт и на конденсаторе накапливается заряд (рис. 11.64).

Как только u станет меньше Uc, вентиль закроется и до начала следующего цикла заряда конденсатор разряжается через R. По мере нарастания Uc скорость заряда уменьшается. Наконец, наступает динамическое равно­весие между процессами заряда и разряда, и на конденсаторе устана­вливается пульсирующее напряжение со средним значением Uо Um. Пока постоянная времени цепи заряда з соизмерима с периодом вы­прямляемого сигнала T, процесс заряда зависит от многих причин, в том числе от фазы напряжения в момент включения. Этот процесс но­сит ступенчатый характер. При Т < з начальная фаза практически не влияет на время заряда, а сам процесс можно считать непрерывным, т.е. можно полагать, что среднее значение напряжения на конденсаторе в течение одного полупериода не изменяется.

П одадим на вход ИУ импульс с П-образной огибающей и косинусо-идальным заполнением (рис. 11.65,а) Тогда процессы заряда и разряда конденсатора будут изображаться графиком 1, а движение стрелки ИУ – графиком 2 (рис. 11.65,б). Показания 1/1У повторяли бы график 1 лишь в том случае, если бы ПП не был бы инерционен. Чтобы мак­симальное отклонение стрелки ПП точнее соответствовало напряжению измеряемого импульса Uт, необходимо максимальное напряжение на конденсаторе Uc сделать близким к Uт. Для этого постоянная време­ни заряда з должна быть значительно меньше длительности импульса t = t2 – t1. Чтобы показания ИУ точнее соответствовали напряже­нию измеряемого импульса, необходимо также обеспечить медленный разряд конденсатора. Для этого Тр р>> з. Обратное движение стрел­ки ПП практически будет совершаться по закону изменения напряжения на конденсаторе в процессе разряда.

Приборы квазипикового типа приняты в качестве стандартных в странах СНГ, большинстве стран Европы, Японии.

В США, Франции и некоторых других странах, а у нас в бытовой аппаратуре звукозаписи используют так называемые VU-метры (volume units – " единицы громкости" ) с tи = 0.2–0,3 с. Показания этих прибо­ров более соответствуют уровню громкости. При контроле результатов регулирования уровней по этим приборам воспринимаемые на слух гром­кости музыкальных и речевых звучаний сближаются, что полезно с позиции потребителя – слушателя. Оценка уровня пиков сигнала произво­дится в этом случае ориентировочно. Полагают, что сигналы с большой разницей между квазипиковыми и средними значениями уровня (речь, музыкальные отрывки отрывистого звучания – " пиччикато" ) имеют пи­ки на 10– 12 дБ (в 3-4 раза по напряжению) более показаний VU-метра.

Для цифровой аппаратуры опасно даже небольшое превышение но­минального уровня ввиду возможности перегрузки АЦП и резкого воз­растания вследствие этого нелинейных искажений. Ввиду этого в ци­фровой аппаратуре используют измерители пиковых уровней с tи по­рядка 0,1 мс.

Были разработаны так называемые панорамные ИУ, отображающие уровни на дисплее за некоторый промежуток времени (несколько се­кунд), но они не нашли широкого применения в студийной технике.

Появились ИУ, которые показывают одновременно квазипиковые и средние значения уровня или кроме текущего значения уровня отмечают максимальный уровень за большой промежуток времени. Известны при­боры, которые квазипиковые и средние значения уровня отображают в узких частотных полосках, обычно октавных, причем средние значения высвечиваются одним цветом, например зеленым, квазипиковые – дру­гим, например, желтым, а уровни, превышающие номинальное значе­ние, – красным. Такие усовершенствования помогают звукорежиссеру более уверенно регулировать уровни сигналов.

Однако вопрос о создании прибора, показания которого более пра­вильно отображают уровни и громкости речевых и музыкальных сигна­лов с учетом интенсивностных, временных и частотных свойств слуха по-прежнему актуален и использование VU-метров и комбинированных приборов пока не дает полного решения этого вопроса.