47_51.pdf
(
361 KB
)
Pobierz
Bramka szumu, część 1 - AVT-231
P R O J E K T Y
Bramka szumu, czêæ 1
kit AVT-231
W artykule opisano uk³ad
bramki szumów. Zastosowanie
uk³adu scalonego kompandora
NE572 firmy Philips
umo¿liwi³o osi¹gniêcie bardzo
dobrych parametrów
ods³uchowych, dziêki czemu
urz¹dzenie mo¿e znaleæ
szereg zastosowañ w sprzêcie
audio.
Nieco teorii
Na ³amach EP przedstawilimy
ju¿ wiele modu³ów AVT serii
audio. Zanim zamkniemy ten cykl,
zaprezentujemy jeszcze kilka po-
¿ytecznych modu³ów.
Urz¹dzeniem, które musi siê
znaleæ w prezentowanej serii, jest
uk³ad bramki szumu. Zanim
przedstawimy opis uk³adu, przy-
pomnimy garæ informacji na te-
mat redukcji szumów. Jaki czas
temu zaprezentowalimy modu³
AVT-241, czyli uk³ad dynamicz-
nej redukcji szumów DNR z kos-
tk¹ LM1894 produkcji National
Semiconductor. Uk³ad DNR pra-
cuje na zasadzie filtru dolnoprze-
pustowego, którego czêstotliwoæ
graniczna zmienia siê w zale¿no-
ci od poziomu sygna³u wejcio-
wego. Jeli w sygnale wejciowym
wystêpuje znaczna liczba sk³ado-
wych o czêstotliwociach z górne-
go zakresu pasma akustycznego
(powy¿ej 2..3kHz), wtedy filtr ma
najszersze pasmo przepustowe.
Gdy w sygnale jest ma³o takich
wy¿szych sk³adowych, wtedy pas-
mo przepustowe filtru jest ogra-
niczone, nawet do oko³o
1..1,5kHz. Poniewa¿ szumy maj¹
najwiêksz¹ energiê w³anie w za-
kresie wy¿szych czêstotliwoci,
obciêcie pasma od góry daje su-
biektywnie odczuwan¹ redukcjê
szumów mniej wiêcej o oko³o
10dB, czyli trzykrotnie. Blokowy
schemat uk³adu dynamicznej re-
dukcji szumów jest pokazany na
rys. 1
.
Prezentowany dzi modu³
bramki szumu pracuje na podob-
nej zasadzie. Jego schemat bloko-
wy jest pokazany na
rys. 2
.
Ró¿nica miêdzy obydwoma uk³a-
dami polega na tym, ¿e w bramce
szumu zamiast filtru stosuje siê
wzmacniacz o wzmocnieniu regu-
lowanym napiêciem sta³ym. Przy
braku sygna³u u¿ytecznego, gdy
na wejciu wystêpuj¹ tylko szu-
my, wzmocniony i wyprostowany
sygna³ steruj¹cy jest ma³y i bram-
ka jest zamkniêta, czyli sygna³ na
wyjciu jest ca³kowicie st³umiony.
Pojawienie siê sygna³u u¿yteczne-
go, wiêkszego ni¿ ustalony po-
ziom progowy, powoduje niejako
Rys. 1. Schemat blokowy
dynamicznego ogranicznika
szumów.
Elektronika Praktyczna 5/97
47
Bramka szumu
Bramka szumu
Rys. 2. Schemat blokowy uk³adu
AVT-231.
siê to w uk³adzie redukcji szu-
mów DNR, dziêki temu równie¿
bramka szumu w du¿ym stopniu
redukuje subiektywnie odczuwane
szumy.
Marzeniem wielu jest bowiem
sytuacja, gdy w przerwach utworu
nastêpuje krystaliczna cisza,
a potem dwiêk jakby wy³ania siê
z tej ciszy. Oczywicie mo¿na to
zrealizowaæ, gdy do dyspozycji
jest sprzêt wysokiej klasy i ko-
rzysta siê z dobrze nagranych p³yt
kompaktowych. Niestety nie ka¿-
dy sprzêt ma tak ma³y poziom
szumów w³asnych, ¿eby zapewniæ
potrzebn¹ krystaliczn¹ ciszê. Po-
za tym czêsto korzystamy z na-
grañ, które ju¿ od urodzenia
maj¹ znaczny poziom szumów.
Wtedy rzeczywicie bramka
szumu mo¿e zapewniæ po¿¹dany
efekt. Po prostu ca³kowicie wyt-
nie w przerwach utworu wszyst-
kie mieci, czyli szumy i ewen-
tualny przydwiêk. Natomiast syg-
na³y u¿yteczne przepuci bez
zmian.
Wydawa³oby siê wiêc, ¿e bram-
ka szumu to urz¹dzenie bliskie
idea³u i powinno znajdowaæ siê
w ka¿dym zestawie elektroakus-
tycznym.
W rzeczywistoci nie jest to
takie proste. Po pierwsze sprawa
wspomnianego poziomu progowe-
go w³¹czania i wy³¹czania bramki.
Na pewno poziom progowy po-
winien byæ nieco wy¿szy ni¿
spodziewany poziom szumów. Ale
niestety, jeli bramka bêdzie siê
w³¹czaæ czy wy³¹czaæ natychmiast,
w jednej chwili, to ucho nasze
wyranie zarejestruje pulsowanie
otwarcie bramki, czyli przepusz-
czenie sygna³u wejciowego na
wyjcie.
W zasadzie nie ma tu ¿adnej
prawdziwej redukcji szumów -
jest tylko wyciszanie sygna³u.
W praktyce okazuje siê jednak, ¿e
bramka szumu daje naprawdê dob-
ry efekt.
Ka¿dy przyzna bowiem, ¿e naj-
bardziej dokuczliwy jest szum
wydobywaj¹cy siê z g³onika
w przerwach miêdzy utworami.
Natomiast ten sam szum wystê-
puj¹cy jednoczenie z du¿ym syg-
na³em u¿ytecznym jest niezauwa-
¿alny. Daje tu o sobie znaæ pewna
specyficzna w³aciwoæ naszego
s³uchu. Poniewa¿ wchodzi tu
w grê fizjologia, nie mo¿na opie-
raæ siê na pomiarach elektrycz-
nych, nale¿y natomiast przepro-
wadziæ eksperymenty i oceniæ
wra¿enia s³uchowe u ró¿nych s³u-
chaczy. Eksperymenty takie prze-
prowadzano ju¿ wielokrotnie.
Chyba nie warto ich powtarzaæ,
nale¿y tylko zapoznaæ siê z koñ-
cowym wynikiem: najogólniej mó-
wi¹c, dwiêki silne mog¹ ca³ko-
wicie zamaskowaæ, czyli przes³o-
niæ dwiêki s³abe. Wykorzystuje
Rys. 4. Charakterystyka dynamiczna
uk³adu z rys. 3.
szumu. Objawi siê to jako tzw.
pompowanie. Pozbêdziemy siê
wprawdzie szumu w przerwach
utworu, ale pojawi siê nienatural-
ne pompowanie podczas w³¹cza-
nia i wy³¹czania bramki. Wyp³y-
wa st¹d wniosek, ¿e bramka po-
winna w³¹czaæ siê i wy³¹czaæ
p³ynnie, wtedy szumy bêd¹ zani-
kaæ (i pojawiaæ siê) stopniowo.
W tym miejscu widaæ jasno, dla-
czego nie mo¿na zrealizowaæ wy-
sokiej jakoci bramki szumu przy
u¿yciu popularnych kluczy analo-
gowych, na przyk³ad zawartych
w kostce CMOS4066. Nale¿y u¿yæ
elementu, który pozwoli p³ynnie
wyciszyæ tor.
A wiêc w torze steruj¹cym na-
le¿y wprowadziæ obwody, które
bêd¹ w³¹czaæ i wy³¹czaæ bramkê
z odpowiedni¹ szybkoci¹, zazwy-
czaj inn¹ przy w³¹czaniu, a inn¹
przy wy³¹czaniu. Tor steruj¹cy
prac¹ bramki musi zawieraæ pros-
townik sygna³u i dynamiczne ob-
wody czasowe ustalaj¹ce optymal-
ne czasy narastania i wyciszania
dwiêku. Doszlimy wiêc do
wniosku, ¿e pierwszym wa¿nym
zadaniem jest dobranie takich cza-
sów narastania i opadania, ¿eby
efekt pompowania by³ jak naj-
mniej zauwa¿alny podczas ods³u-
chu.
Drugim wa¿nym problemem
praktycznym jest wybór w³aci-
wych podzespo³ów realizuj¹cych
p³ynne wyciszanie. Krótko mó-
wi¹c, potrzebny jest dobry uk³ad
elektronicznej regulacji wzmoc-
nienia. W grê wchodz¹ tu tranzys-
tory z³¹czowe (FET), które w pew-
nych warunkach pracy mo¿na
traktowaæ jako zmienne rezystory.
Niestety tranzystory takie mog¹
pracowaæ z sygna³ami o amplitu-
Rys. 3. Schemat blokowy ekspandora.
48
Elektronika Praktyczna 5/97
Bramka szumu
Rys. 5. Uk³ad ekspandora z wzmacniaczem-ogranicznikiem.
na³/szum siêgaj¹cy 110dB (300000
razy). Oczywicie w praktyce bê-
dzie trochê gorzej, ale rzeczywi-
cie kostka ma parametry predes-
tynuj¹ce j¹ do sprzêtu wysokiej
klasy.
W naszym module kostka pra-
cuje w charakterze ekspandora,
z tym, ¿e klasyczny uk³ad ekspan-
dora (zobacz uk³ad i zale¿noæ
wzmocnienia od poziomu sygna³u
(
rys. 3
i
4
) zosta³ uzupe³niony
o dodatkowy wzmacniacz-ogra-
nicznik o wzmocnieniu regulowa-
nym za pomoc¹ potencjometru.
Schemat blokowy modu³u jest
pokazany na
rys. 5
, a charakterys-
tyki wzmocnienia w funkcji po-
ziomu sygna³u na
rys. 6
. Jak
widaæ z rysunku 6, przy ma³ych
poziomach sygna³u bramka jest
zamkniêta, a otwiera siê po prze-
kroczeniu pewnego progu. ¯eby
uzyskaæ takie dzia³anie progowe,
zastosowano diody D1, D2. Dopie-
ro, gdy sygna³ na wyjciu wzmac-
niacza steruj¹cego jest wiêkszy od
napiêcia progowego diod (ok.
0,55V), zaczynaj¹ one przewodziæ
i wzmocnienie gwa³townie ronie.
Z kolei, ¿eby uniezale¿niæ siê od
napiêcia zasilaj¹cego, zastosowano
diody (LED) D3, D4. Diody te
pracuj¹ w charakterze diod Zene-
ra i ograniczaj¹ amplitudê sygna³u
na wyjciu wzmacniacza steruj¹-
cego do ±2,2V. Tak wiêc z uwagi
na du¿e wzmocnienie obu stopni
wzmacniacza steruj¹cego oraz
dziêki obecnoci diod D3, D4,
przy wiêkszych sygna³ach wejcio-
dzie rzêdu 50mV - przy wiêk-
szych amplitudach sygna³y ulega-
j¹ zniekszta³ceniu. Tak ma³y do-
puszczalny poziom nie zapewnia
w³aciwego stosunku sygna³/szum.
Dobrym i liniowym elementem
regulacyjnym jest fotorezystor, ale
skonstruowanie we w³asnym za-
kresie transoptora sk³adaj¹cego siê
z diody LED i fotorezystora, a pó-
niej wyregulowanie ca³ego uk³a-
du, jest dla wielu zbyt trudnym
zadaniem.
Obecnie wszelkie regulacje
przeprowadza siê elektronicznie,
przy czym zwykle wykorzystuje
siê tu ró¿ne wersje wzmacniacza
ró¿nicowego. Mo¿na znaleæ wie-
le kostek mog¹cych realizowaæ
elektroniczn¹ regulacjê wzmocnie-
nia, choæby popularne procesory
dwiêku np. TDA1524. We wszys-
tkich uk³adach tego typu krytycz-
nym parametrem s¹ szumy w³asne
oraz zmiany napiêcia sta³ego na
wyjciu, pod wp³ywem sygna³u
steruj¹cego wzmocnieniem. Takie
zmiany napiêcia sta³ego na wyj-
ciu s¹ s³yszalne jako stuk, w naj-
lepszym przypadku jako zauwa-
¿alne zniekszta³cenia. Niestety,
w praktyce tranzystory wchodz¹ce
w sk³ad danego regulatora nie s¹
identyczne, co objawia siê wystê-
powaniem wspomnianych zmian
(skoków) napiêcia. Nale¿y wiêc
stosowaæ uk³ady, w których opi-
sane zjawisko jest niewielkie, lub
te¿ istnieje mo¿liwoæ jego kom-
pensacji. W prezentowanym dalej
uk³adzie zastosowano elementy
umo¿liwiaj¹ce tak¹ w³anie kom-
pensacjê.
Ca³y ten fragment rozwa¿añ
wskazuje, ¿e zbudowanie dobrej
bramki szumu nie jest spraw¹
prost¹. Zgodnie z maksym¹ nic
za darmo, redukcja szumów
w przerwach utworu jest okupio-
na pewnymi zauwa¿alnymi i nie-
naturalnymi zjawiskami w mo-
mentach zadzia³ania bramki.
Dlatego te¿ dyskusyjny jest
sens stosowania bramki szumu
w domowym zestawie akustycz-
nym wysokiej klasy. Natomiast
dobra bramka szumu oddaje nie-
ocenione us³ugi we wszelkich
instalacjach nag³onieniowych
oraz przy obróbce i odtwarzaniu
starszych, nieco zaszumionych au-
dycji. W sumie ocenê dzia³ania
bramki nale¿y przeprowadziæ na
s³uch. Opiniê o jej zaletach i wa-
dach s¹ rozmaite i zale¿¹ w du-
¿ym stopniu od upodobañ i ocze-
kiwañ s³uchacza. W ka¿dym ra-
zie, ka¿dy elektroakustyk-amator
powinien osobicie dotkn¹æ tego
tematu i wyrobiæ sobie w³asne
zdanie na ten temat. Dobr¹ ku
temu okazj¹ jest wyko-
nanie i przetestowanie
opisanego dalej urz¹-
dzenia.
Opis uk³adu
Sercem modu³u
jest scalony kompan-
dor NE572. Uk³ad ten
zosta³ wyczerpuj¹co
opisany w EP5/94
i EP6/94. Nie bêdzie-
my przypominaæ szcze-
gó³ów dzia³ania, nale-
¿y po nie siêgn¹æ do
wspomnianych
publikacji. Trzeba jed-
nak przypomnieæ, ¿e
wed³ug zapewnieñ pro-
ducenta, przy pomocy
uk³adu NE572 mo¿na
w pewnych warunkach
osi¹gn¹æ stosunek syg-
Rys. 6. Charakterystyka dynamiczna
uk³adu z rys. 5.
Elektronika Praktyczna 5/97
49
Bramka szumu
Rys. 7. Schemat elektryczny uk³adu.
wych na wyjciu wzmacniacza ste-
ruj¹cego wystêpuje przebieg prak-
tycznie prostok¹tny. Rezystor R19
jest tak dobrany, ¿eby w tych
warunkach wzmocnienie toru by-
³o równe 1.
Próg zadzia³ania bramki dobie-
ra siê zmieniaj¹c wzmocnienie
wzmacniacza steruj¹cego przy po-
mocy potencjometru P1.
Szczegó³owy schemat ideowy
modu³u pokazano na
rys. 7
.
Jak widaæ, modu³ jest zasilany
pojedynczym napiêciem 10..25V.
Rezystory R1 i R2 ustalaj¹ mak-
symalny poziom sygna³u, jaki bez
obawy powstania zniekszta³ceñ
mo¿e byæ podany na wejcia
A i B. Przy wartoci 15k
aby pr¹d szczytowy p³yn¹cy przez
te rezystory (i wewnêtrzn¹, sze-
regow¹ rezystancjê 6,8k
W
) nie by³
stosowano niskoszumn¹ kostkê
NE5532.
Rezystory R7 i R8 decyduj¹
o wartoci napiêcia sta³ego na
wyjciu - powinno on byæ zbli-
¿one do po³owy napiêcia zasila-
j¹cego. Ich wartoæ nie jest kry-
tyczna.
Potencjometry PR1 i PR2 pe³-
ni¹ bardzo wa¿n¹ rolê, umo¿li-
wiaj¹ bowiem wyeliminowanie
zmian napiêcia sta³ego na nó¿-
kach 5 i 11, wywo³anych zmiana-
mi sygna³u steruj¹cego.
Diodê Zenera D5 zastosowano
tylko dla uzyskania stabilnego
napiêcia odniesienia dla wzmac-
niacza steruj¹cego i potencjomet-
rów monta¿owych PR1..PR4.
Tor steruj¹cy zawiera wzmac-
niacz sumuj¹cy sygna³y z obydwu
kana³ów, zbudowany z uk³adem
U3B, oraz wzmacniacz-ogranicz-
nik o wzmocnieniu regulowanym
wiêkszy ni¿ 140mA.
W uk³adzie przewidziano po
dwa kondensatory C1 i C2, co
mo¿e byæ potrzebne, gdyby prze-
twarzane by³y ma³e sygna³y i dla
zachowania dobrego stosunku syg-
na³/szum rezystory R1 i R2 zosta-
³yby zmniejszone poni¿ej 8k
. Za-
miast kondensatorów sta³ych, w roli
C1 i C2 mo¿na oczywicie u¿yæ
kondensatorów elektrolitycznych
o pojemnoci 2,2..47
W
F, nale¿y tyl-
ko pamiêtaæ o ich biegunowoci.
W roli kondensatorów filtruj¹-
cych napiêcie odniesienia (C3,
C4) u¿yto kondensatorów tantalo-
wych z uwagi na ich mniejsze
szumy. Dwójniki R5, C5 i R6, C6
poprawiaj¹ w³aciwoci dynamicz-
ne wzmacniacza operacyjnego U2.
W roli wzmacniacza g³ównego za-
mak-
symalny sygna³ nie powinien byæ
wiêkszy ni¿ 6V
pp
(co odpowiada
2,2V
sk
, czyli +8,7dB). Jeli sygna³y
wejciowe by³yby wiêksze, nale¿y
stosownie zwiêkszyæ R1 i R2 tak,
W
50
Elektronika Praktyczna 5/97
m
Bramka szumu
potencjometrem P1, zbudowany
z uk³adem U3A. Zamiast poten-
cjometru umieszczonego na p³yt-
ce, mo¿na zastosowaæ zewnêtrzny
potencjometr (najlepiej tzw. loga-
rytmiczny o charakterystyce B).
Zewnêtrzny potencjometr jest
szczególnie przydatny, jeli uk³ad
wspó³pracowa³by z ró¿nymi
ród³ami o ró¿nym poziomie
szumów. Wtedy taki potencjo-
metr umieszczony na p³ycie
czo³owej umo¿liwi precyzyjne
dobranie progu dzia³ania bramki
w zale¿noci od wystêpuj¹cych
aktualnie szumów.
Bardzo wa¿n¹ rolê pe³ni¹ kon-
densatory C7 i C8 umieszczone
w obwodzie prostownika kostki
U1. Nale¿y przy tym zauwa¿yæ,
i¿ przez po³¹czenie nó¿ek 2, 14
oraz 4, 12 zastosowano wspólne
sterowanie obu niezale¿nych ka-
na³ów. Kondensator C7 decydu-
je o czasie ataku, czyli o szyb-
koci otwierania bramki, a C8
o czasie opadania, czyli wy³¹-
czania bramki. Elementy te mo¿na
zmieniaæ w szerokim zakresie
10nF..100
Uk³ad umo¿liwia równie¿ wy-
konanie klasycznego ekspandora
(patrz rysunek 3). Niepotrzebne s¹
wówczas elementy U3, D1..D4,
R15..R18, P1 i C9..C11. Nale¿y
natomiast wykonaæ zwory ozna-
czone X-X oraz Y-Y, zamontowaæ
rezystory R19, R23 oraz dwa
kondensatory elektrolityczne
2,2..10
WYKAZ ELEMENTÓW
Rezystory
R1, R2, R7, R8: 15k
W
W
R5, R6, R20: 2,2k
W
R9, R10, R15, R16: 22k
W
R11, R12, R21, R22: 100k
W
F: jeden jako C18, drugi
zamiast diody D1 lub D2. Biegu-
nowoæ tych kondensatorów nale-
¿y ustaliæ we w³asnym zakresie,
zale¿nie od poziomu napiêcia sta-
³ego na wejciach A i B. Wartoæ
tych jednakowych rezystorów R19
i R23 nale¿y dobraæ eksperymen-
talnie, zale¿nie od potrzeb. W ka¿-
dym razie ich rezystancja musi
byæ na tyle du¿a, ¿eby w szczy-
tach sygna³u maksymalna wartoæ
pr¹du przez nie p³yn¹cego nie
przekracza³a 300mA.
W uk³adzie ekspandora warto
te¿ zamontowaæ dodatkowo po-
tencjometry monta¿owe PR3 i PR4
o wartoci 22..100k
m
R17: 390k
W
W
R19: 7,5k
W
PR1, P1, PR2: 100k
W
helitrim
F/16V
C1A, C2A: nie stosowaæ
C4, C3: 4,7..22
m
m
F/10V tantalowy
C6, C5: 270pF
C9: 220nF
C10, C11: 470nF
C12, C15,C16: 100nF ceramiczny
C13, C14: 10
m
F/25V
F/25V
Pó³przewodniki
D2, D1: 1N4148
D3, D4: LED 3mm zielona
D5: dioda Zenera 5V1
U1: NE572
U2: NE5532
U3: TL072
m
, oraz rezys-
tory R13 i R14 o wartoci
910k
W
. Umo¿liwi¹ one uzys-
kanie jednakowych parametrów
(wzmocnienia) w obu kana³ach
przy najmniejszych poziomach
sygna³u.
Piotr Górecki, AVT
..1M
W
F pos³uguj¹c siê meto-
d¹ na s³uch. Podane na sche-
macie wartoci (1
F) dob-
rano eksperymentalnie wed³ug
upodobañ autora.
m
F + 1
m
R13, R14, R23, PR3, PR4, C18:
tylko w uk³adzie ekspandora, patrz
tekst
Elektronika Praktyczna 5/97
51
R4, R3: 1k
R18: 10k
Kondensatory
C1, C2, C7, C8: 1
C17: 47
W
m
Plik z chomika:
wilo1981
Inne pliki z tego folderu:
1.pdf
(460 KB)
17_20.pdf
(398 KB)
21_22.pdf
(279 KB)
23_24.pdf
(318 KB)
25_28.pdf
(185 KB)
Inne foldery tego chomika:
01.97
02.97
03.97
04.97
06.97
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin