Графические ARC-эквалайзеры Текст научной статьи по специальности «Физика»

4. Щуутчипский С.Г. Структурно-топологические признаки АЯС-схем с собственной компенсацией. Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника. 1994, №1. С. 38-43.

5. Пейтон А.Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. М.: БИНОМ, 1994, 352 с.

УДК 621.372.54

В.П.Тепин

Графические АИС-эквалайзеры

Регуляторы частотных характеристик являются неотъемлемой частью любой аппаратуры записи-воспроизведения звука, они предназначены для управления уровнем сигнала I! определенных участках частотного диапазона с целыо максимального приближения воспроизводимой звуковой картины к естественному звучанию. Необходимость коррекции частотных характеристик связана с неидеальностыо акустических свойств помещения, выбранного для прослушивания фонограмм, несовершенством используемой аппаратуры (прежде всего—акустических систем), а также индивидуальными особенностями физиологии слуха человека.

Наиболее эффективными регуляторами служат многополосные графические эквалайзеры [1]. Широкие возможности управления формой корректируемой частотной характеристики в сочетании с наглядным соответствием этой формы положению регулирующих органов (движков линейных потенциометров) предопределяют их преимущественное использование в современной аудиотехнике.

Настоящая работа посвящена анализу принципов построения таких устройств в элементном базисе активной ЯС-техники с учетом ограничений, накладываемых возможностями микроэлектроники.

Для систематизации используемых разновидностей мпогополосиых эквалайзеров представляется целесообразным выделить следующие их классы:

» по принципу частотной селекции—

а) с использованием частотной зависимости импеданса резонансного контура;

б) с пассивными либо активными ВС-звеньями второго порядка в цепи обратной связи усилителя;

г- по структурным признакам—

а) содержащие единственную многополосную секцию, обеспечивающую регулировки во всех частотных полосах;

б) содержащие несколько каскадно соединенных секций с соответственно меньшим числом полос в каждой.

К основным параметрам эквалайзера относятся:

» рабочая полоса частот — ?макс);

* количество частотных полос (N1);

» набор значений центральных частот регулируемых участков (/о/, /' = 1 ... /V/). Обычно используют равномерное (в логарифмическом масштабе) распределение этих частот в пределах рабочей полосы, в этом случае шаговый коэффициент £>/= Лэ(;+1|/йэ; является постоянной величиной;

* глубина регулировки, определяемая как максимальная величина подъема и спада АЧХ на центральной частоте регулируемой полосы (д /~Ги А НГ, дБ);

* добротность контуров (звеньев) О, выбираемая в зависимости от величины шагового коэффициента [1].

Например, для октавного эквалайзера звукового диапазона (/тт = 20 Гц, = 20 кГц, О[--2, Лу-=10) принимают следующее распределение центральных частот: 32 Гц, 64 Гц, .125 Ги, 250 Гц, 500 Гц, 1 кГц, 2 кГц, 4 кГц, 8 кГц, 15 кГц, глубина регулировки достигает ± 12 ... 20 дБ, а рекомендуемое значение добротности составляет £>=1,41 [1|.

=^Г

С1 и Ик1

||-\АЛА>—{Щ I

к

С=М

Существенное значение имеет линейность регулировочной характеристики, т.е. зависимости коэффициента передачи эквалайзера (в децибелах) на центральной частоте регулируемой полосы от перемещения регулирующего органа. Если нелинейность этой характеристики невелика, то применяют потенциометры с линейной зависимостью сопротивления от перемещения движка, в противном случае— со специальной (Б-образной) зависимостью.

На рис.1 показан п-полоспый эквалайзер, использующий частотную зависимость импеданса ІІЬС-коптура.

Его основу составляет набор последовательных Н1_С-коптуров либо их АЯС-эквивалеитов (один из популярных эквивалентов показан на рис.2, другие приведены в [ 1 і>, настроенных па центральную частоту соответствующей полосы. В среднем положении всех потенциометров эквалайзер имеет единичный коэффициент передачи. При перемещении движка Сэ Ьэ Яэ . одного из них, иапри-

Икп

Сл їді ..........

[~ЧЛЛЛЛ і і---------1

Рис.1

2.

І СІ

Н=>п

И2

С2

.П

<н> °Ч—і—^ І мер Я/Л, влево, коэф-

Сэ=С1; Яэ=К1; 1_э~1Ш12С2

фицпепт передачи па этой частоте умепьша-Рис,2 егся, вправо—увели-

чивается, законом регулирования (Яр («х ) = а Я , где а—относительная величина перемещения движка, 0 < а < 1) величина коэффициента передачи па частоте резонанса /-го контура в зависимости ої перемещения соответствующего потенциометра изменяется по следующему закону (влиянием остальных контуров пренебрегаем):

При использовании потенциометров с линейным

Н ( а ) = /ДО) = -■

1 + а [к/як + (1 - а ) кр/ Р\\ 1

(К

+ Я/Як

-и) (

Я( 0,5)

/хк + а'\./пк

(1)

1 ; //•: I • - ! +

и,

к.

Глубина регулировки определяется соотношением К/и (например, для обеспе-іепия Л Н* - А // ”=20 дБ необходимо выбрать Я=9Як), а линейность регулировоч-

Я=9Як

нон характеристики зависит от соотношения Як и Я (например, при Я

отклонение этой характеристики от линейной достигает 4.4 дБ). Частот резонанса п добротность АЯС-эквивалснта, показанного па рис.2, определяются выражениями

(0 0 = 1 / '[їл^Сг) — 1 /^[ 1^2 С ^

(2)

О = щ 1т,/лэ = -{к.С./Яі С\

справедливыми при выполнении следующих условии

А’2 » , С'і » С) (3)

(например, в серийно выпускаемом эквалайзере "Прибой— Э014с” приняты соотношения К2—64К1. С2= 16Сі).

Оценивая перспективы гибридно-пленочной микроэлектронной реализации эквалайзеров рассматриваемого класса, необходимо обратить внимание на следующее:

• установка необходимого значения частоты резонанса, а также настройка используемых в эквалайзере резонансных контуров может осуществляться только при помощи конденсаторов, поскольку величина активного

сопротивления контура должна оставаться неизменной для сохранения глубины регулировки;

» большие значения емкостей конденсаторов для низкочастотных контуров, а также значительный разброс номиналов элементов (условие (3)) существенно усложняют конструкцию и увеличивают габариты микросборки;

• существенная нелинейность регулировочной характеристики эквалайзера затрудняет применение потенциометров с линейной характеристикой.

Более привлекательными представляются эквалайзеры, основанные па использовании секций с ЯС-фильтрами в обратной связи, один из вариантов которых показан па рис.З.

Основу этого эквалайзера состав- о_ ляс г комплект полосовых ипверти-

Яр1

%>п

’\У,

я

Яг-

я

п

Яг

Рис.З

пуюпшх АЯС-звепьев второго порядка настроенных па нейтраль-

ные частоты рс1улируемых полос. В среднем положении всех потенциометров эквалайзер обладает единичным коэффициентом передачи. При перемещении движка изменяются как величина коэффициента передачи цепи прямой передачи сигнала, гак и глубина обратной связи операционного усилителя. Например,

при перемещении движка Яр{ в крайнее верхнее положение фильтр \¥у выходит из контура обратной связи, его вход соединяется со входом эквалайзера, и частотная характеристика последнего приобретает подъем па центральной частоте этого фильтра. По мере перемещения движка вниз возрастает глубина отрнпатслыюй обратной связи, замыкающейся через этот фильтр, что приводит к спаду АЧХ эквалайзера. Здесь величина сопротивления частотозадающих резисторов не влияет на глубину регулировки АЧХ, поэтому при микроэлектронной реализации проблем с настройкой не возникает, а фильтры для низкочастотных полос могут иметь значительно меньшую емкость конденсаторов за счет увеличения сопротивления резисторов и применения специальных схемотехнических методов понижения частоты настройки. известных в АЯС-техппке. Передаточная функция эквалайзера может быть представлена 15 виде

//(/; , а ) = ■

(4)

1 + Р X (1 -а і )1У і (р)

;= і

где

ко ЩіР/<2

Р2+ЩіР/0+(£>2

(5)

(о,,;— центральная частота /'-го звена,

<3 и А0— добро-ті гость и коэффициент передачи звеньев на центральной частоте,

(3 — 2 //)— коэффициент передачи сумматора на резисторах Ес.

Реіулировочпую характеристику этого эквалайзера па центрішьной частоте одного из звеньев можно получить, пренебрегая влиянием других звеньев, из формул (4)

и (5):

Н (а) =

I + кч

1 + к (1 - а )

Н{0) = 1/(1 + к) ; Н{ 0,5) = 1 ; Н( 1) = 1 + к .

(б)

где к = Р А'0.

При к= 9 глубина регулировки составляет ± 20 дБ, а нелинейность характеристики не превышает 2,5 дБ, по мере уменьшения глубины регулировки линейность улучшается, Можно заметить, что аналогичная характеристика эквалайзера с КГС-коптурами (выражение (1)) приближается к рассматриваемой при условии

< < Як, которое практически невыполнимо.

Необходимо иметь в виду, что звенья рассматриваемого эквалайзера оказывают определенное взаимное влияние, проявляющееся и деформации его АЧХ при регулировках. Для иллюстрации этого влияния па рис.4а показаны частотные характеристики двухполосного эквалайзера, образованного каскадным соединением дата однополосных секций, а на рис.40--аналогичные характеристики двухполосной секции (/д1 —2,5 кГц, ^,=5 кГц. £^-4,5, к=9) в различных положениях регулировоч-

ных іштешшометров. Н, дБ

Аналогичное взаимное влияние наблюдается и в эквалайзерах с резонансными контурами Ц;, Степень этого влияния снижается но мере увеличения разноса центральных частот звеньев, входящих в секцию, поэтому независимо от Т~кГц К-43003 используемых секций при построении М1 югополосного э к в а; 1 а й з ер а целее о -образно применять каскадное соединение двух или нескольких секций, содержащих соответственно меньшее количество полос, при этом необходимо максимально разносить частоты настройки звеньев, группируемых в секцию. Например, 10-гюлосный октавный эквалайзер звукового диапазона часто т можно построить из 5 двухполосных секши"!, группируя звенья в соответствии с данными таблицы.

Таблица

Рис .4

N° секции 1 2 3 4 5

Частоты настройки 32, 64, 125, 250, 500,

звеньев, Гц 1000 2000 4000 8000 15000 j

Пример практической реализации микроэлектронного графического ARC-эквалайзера приведен в работе [2].

ЛИТЕРАТУРА

1. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотсхпике/Пер. с нем. М.: Мир, 1991. 446 с.

2. Куфлевский Е.И., 'Гепип В.П, Микроэлектронный графический эквалайзер/'/Из-вестия ТРТУ. Тематический выпуск ’‘Избирательные системы с обратной связью”. Вып. №2, 1995, С.91-92.