CC BY
86
УДК 621.375.018.756
ЭЛЕКТРОННАЯ РЕГУЛИРОВКА ГРОМКОСТИ В УСИЛИТЕЛЕ ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ
В.И. Туев, С.В. Худяков
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники E-mail: [email protected]
Описан усилитель с электронной регулировкой усиления по последовательному интерфейсу. Диапазон рабочих частот усилителя при неравномерности частотной характеристики 1 дБ 30 Гц...55 кГц; выходная мощность 1,025 Вт на сопротивлении нагрузки 8 Ом; коэффициент усиления по напряжению 20,5 дБ; глубина регулирования усиления 53 дБ; максимальное среднеквадратическое значение входного сигнала 2 В; отношение сигнал-шум при максимальной громкости 65 дБ; отношение сигнал-фон 95 дБ.
Усилители с электронной регулировкой коэффициента передачи применяются в устройствах обработки звуковых сигналов [1], измерительной [2] и импульсной технике [3]. Управление значением коэффициента усиления может осуществляться в параллельном коде [1, 2], по шине I2C [4]. При наличии в устройстве микроконтроллера и блоков, управляемых по трехпроводному синхронному последовательному интерфейсу, регулируемый усилитель удобно управлять таким же способом, используя мультиплексирование шин передачи данных.
Вход Регулятор усиления Усилитель мощности Выход
CSSDI CLK
Микропроцессор
Рис. 1. Функциональная схема усилителя
Функциональная схема усилителя звуковых частот с электронной регулировкой коэффициента передачи по синхронному последовательному интерфейсу приведена на рис. 1. Усилитель содержит последовательно соединенные регулятор усиления и усилитель мощности, микропроцессор и устройство ввода-вывода.
Регулятор усиления выполнен на базе цифрового электронного потенциометра [5]. Микропроцессор анализирует состояние управляющих кнопок устройства ввода-вывода, формирует сигналы последовательного интерфейса С£, БЫ, СЬК для управления регулятором и выводит на экран устройства ввода-вывода информацию о текущем значении коэффициента передачи в удобном для прочтения виде.
Значение коэффициента передачи регулятора усиления задается программно путем записи микропроцессором цифрового кода во внутренний управляющий регистр цифрового потенциометра. Потенциометр является восьмиразрядным устрой-
ством и позволяет программно задавать одно из 256 значений коэффициента передачи. В связи с тем, что различие между соседними градациями громкости меньше порога заметности изменения громкости для человеческого слуха, а также для возможности оперативной регулировки усиления в широких пределах, из 256 значений выбран 21 относительный показатель громкости (от 0 до 20). В соответствие каждому значению относительного показателя громкости поставлен коэффициент передачи и соответствующий ему код для записи в управляющий регистр цифрового потенциометра (см. табл.). Поскольку особенностью слуха человека является логарифмическая взаимосвязь между возрастанием интенсивности аудиосигнала и субъективным ощущением его громкости [1], то для линеаризации этой зависимости относительный показатель громкости связан с коэффициентом передачи цифрового потенциометра по показательному закону.
Таблица. Соответствие значений относительного показателя громкости N, вносимого ослабления и кода для записи в управляющий регистр цифрового потенциометра
N Ослабление, дБ Код
0 53 000h
1 48 001h
2 42 002h
3 38 003h
4 34 005h
5 31 007h
6 28 00Ah
7 26 00Dh
8 24 010h
9 22 014h
10 20 01Ah
11 18 020h
12 16 028h
13 14 033h
14 12 040h
15 10 051h
16 8 065h
17 6 07Fh
18 4 0A1h
19 2 0C9h
20 0 0FFh
При включении напряжения питания схемы (рис. 1) во время инициализации программы ми-
Устройство ввода-вывода
Технические науки
кропроцессора в цифровой потенциометр записывается код 0\Лк, соответствующий значению коэффициента передачи регулятора равному -20 дБ. В процессе работы усилителя текущий относительный показатель громкости по выбору пользователя с помощью кнопок устройства ввода-вывода может быть уменьшен или увеличен в пределах от 0 до 20 с шагом 1. При этом установленный относительный показатель громкости индицируется на экране устройства ввода-вывода и во внутренний управляющий регистр цифрового потенциометра записывается соответствующее значение согласно таблице. Данная запись производится по последовательному интерфейсу через сигнальные линии СБ, и СЬК. Эпюры напряжений сигналов во время записи показаны на рис. 2, причем высокому уровню соответствует состояние логической единицы, низкому - состояние логического нуля.
SDI
CLK
CS
УШК' Ж! JXAJY.J^
Нагрузка 8 Ом
условлено элементами схемы усилителя мощности [6]. С целью исключения влияния цепей источника сигнала на режим работы по постоянному току регулятора и оконечного усилителя в схему введены разделительный конденсатор С1 и блокировочные - С2, С4. Конденсатор С3 - корректирующий.
Зависимость коэффициента гармоник К усилителя от выходной мощности Рвых при относительном показателе громкости регулятора N=20 (минимальное ослабление) приведена на рис. 4. Среднек-вадратическое значение напряжения входного сигнала, соответствующее максимальной выходной мощности, равно 275 мВ.
10
Рис. 2. Эпюры сигналов записи в цифровой потенциометр
Цифровой потенциометр переходит в состояние готовности приема данных по перепаду сигнала CS из высокого логического уровня в низкий. Далее микропроцессор последовательно выставляет 10-битный код на линии SDI, записывая каждый бит во внутренний управляющий регистр цифрового потенциометра перепадом сигнала CLK из низкого логического уровня в высокий. Первые два бита в последовательности данных (A1 и A0) определяют адрес потенциометра в микросхеме и в данном случае всегда равны нулю. Остальные восемь бит (D7-D0) представляют собой однобайтовое значение, выбираемое микропроцессором из таблицы для устанавливаемого значения коэффициента передачи и передаваемое со старшего бита.
Усилитель мощности выполнен по мостовому типу на микросхеме двухканального усилителя [6]. Схема электрическая регулятора и усилителя мощности приведена на рис. 3.
С1 DD1 DAI
1 мк AD8400 КР174УН31
Вход || 8
0,01 0,1 1 Рвых,Вт
Рис. 4. Зависимость коэффициента гармоник усилителя от выходной мощности
Зависимость коэффициента гармоник усилителя от напряжения входного сигнала Ц,х (среднеква-дратическое значение) при постоянной выходной мощности приведена на рис. 5. Измерения проводились при Рвых=0,5 Вт, т.е. в точке минимального значения К на рис. 4.
Кг,%
12
10 8 6 4
Рвы х=0, 5 Вт
0,5
1,5
2 ивх,В
Рис. 3. Электрическая схема регулятора и усилителя мощности
Сигнальные выводы цифрового потенциометра А, В и Ж находятся под действием постоянного напряжения, равного половине напряжения питания усилителя мощности и„. Это обстоятельство об-
Рис. 5. Зависимость коэффициента гармоник усилителя от среднеквадратического значения напряжения входного сигнала
В результате анализа приведенных зависимостей и условий измерения установлено, что график на рис. 4 обусловлен параметрами усилителя мощности, а кривая на рис. 5 определяет вклад в результирующий коэффициент гармоник, вносимый регулятором усиления на электронном потенциометре. Из рис. 5 следует, что электронный потенцио-
2
0
0
1
метр имеет коэффициент гармоник, не превышающий 10 % при среднеквадратическом значении входного сигнала менее 2 В.
Технические параметры усилителя с электронной регулировкой усиления по последовательному интерфейс: диапазон рабочих частот при неравномерности частотной характеристики -1 дБ и выходной мощности 10 мВт 30 Гц.,.55 кГц; выходная мощность
при ^¡=10 % на частоте 1000 Гц 1,025 Вт и сопротивлении нагрузки 8 Ом; коэффициент усиления по напряжению при относительном показателе громкости регулятора N=20 на частоте 1000 Гц 20,5 дБ; глубина регулирования усиления 53 дБ; максимальное сред-неквадратическое значение входного сигнала 2 В; отношение сигнал-шум при максимальной громкости 65 дБ; отношение сигнал-фон 95 дБ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Звуковое вещание / А.В. Выходец, П.М. Жмурин, И.Ф. Зорин и др.: Справочник. - М.: Радио и связь, 1993. - 464 с.
2. Андреев О.С., Андрух О.П., Бохонко БА. Измерительный усилитель с цифровым программированием коэффициента усиления // Приборы и техника эксперимента. - 1989. - № 3. - С. 122-124.
3. Елисеева В.В., Ильинский Г.В., Кузнецов О.Л. и др. Импульсный усилитель с цифровым управлением коэффициентом уси-
ления // Приборы и техника эксперимента. - 1986. - № 2. -С. 122.
4. Семенов Б.Ю. Шина 12С в радиотехнических конструкциях. -М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 224 с.
5. http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/ 248207866AD8400_2_3_c.pdf
6. http://www.angstrem.ru/pdf/kr174yn31.pdf
УДК 621.313.12
ИМПУЛЬСНОЕ ПИТАНИЕ АКТИВНО-ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКИ ЭЛЕКТРОМАШИННЫМИ ГЕНЕРАТОРАМИ С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ИНДУКТИВНОСТЬЮ
Г.В. Носов
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Показана возможность применения электромашинных генераторов с изменяющейся индуктивностью для импульсного питания активно-индуктивной нагрузки. Приведены формулыi для расчета изменяющейся индуктивности с учетом наыщения и несимметрии магнитной цепи явнополюсных генераторов активного типа. Пояснена работа генератора при импульсном параллельном возбуждении и приведеныi результатыi расчета модели генератора.
Современный уровень развития и применения импульсной техники требует использования мощных и надежных источников питания, способных работать в частотном режиме, особенно в автономных устройствах. Во многих электрофизических установках применяется активно-индуктивная нагрузка: индуктивные накопители электромагнитной энергии, обмотки трансформаторов, электромагниты ускорителей, обмотки возбуждения импульсных электромашинных генераторов и т.д. Для импульсного питания такой нагрузки в частотном режиме необходимы мощные генераторы. В качестве генераторов можно использовать электромашинные генераторы с изменяющейся индуктивностью рабочих обмоток. Эти генераторы получили названия compulsator (компульсатор) и ARFC (Active rotary flux compressor) в США и компрессионный генератор - в СССР. Проведенные в США и СССР теоретические и экспериментальные исследования показали, что генераторы с изменяющейся индуктивностью имеют высокие импульсные параметры и способны работать в частотном режиме [1-4].
Энергетические возможности рассматриваемых генераторов определяются следующими параме-
трами: Mg - масса генератора; f - частота вращения ротора (об/с); p - число пар полюсов магнитной системы генератора; B0 - средняя индукция магнитного потока в момент времени t=t0, когда магнитные оси статора и ротора генератора совпадают; а - угловая частота изменения индуктивности генератора; T=2п/а - период изменения индуктивности; w - число последовательных проводников обмотки в пазу генератора; -кратность изменения индуктивности генератора (отношение максимального значения индуктивности к минимальному Д^); Q=аL0/R - добротность генератора (Ь0 - средняя индуктивность, R - сопротивление цепи генератора).
В настоящее время известны конструкции генераторов с изменяющейся индуктивностью цилиндрического и торцевого исполнения с горизонтальным и вертикальным валом, содержащие [1-4]: а) две одинаковые рабочие обмотки (одна размещена на неподвижном статоре, а другая - на вращающемся роторе), которые соединены между собой скользящим контактом и изменение результирующей индуктивности этих обмоток обеспечивается при вращении ротора изме-
