47_51.pdf

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

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.

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

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

) 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

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,

Elektronika Praktyczna 5/97

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

R5, R6, R20: 2,2k

R9, R10, R15, R16: 22k

R11, R12, R21, R22: 100k

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

R17: 390k

R19: 7,5k

PR1, P1, PR2: 100k

helitrim

F/16V

C1A, C2A: nie stosowaæ

C4, C3: 4,7..22

F/10V tantalowy

C6, C5: 270pF

C9: 220nF

C10, C11: 470nF

C12, C15,C16: 100nF ceramiczny

C13, C14: 10

F/25V

Pó³przewodniki

D2, D1: 1N4148

D3, D4: LED 3mm zielona

D5: dioda Zenera 5V1

U1: NE572

U2: NE5532

U3: TL072

, oraz rezys-

tory R13 i R14 o wartoci

910k

. Umo¿liwi¹ one uzys-

kanie jednakowych parametrów

(wzmocnienia) w obu kana³ach

przy najmniejszych poziomach

sygna³u.

Piotr Górecki, AVT

..1M

F pos³uguj¹c siê meto-

d¹ na s³uch. Podane na sche-

macie wartoci (1

F) dob-

rano eksperymentalnie wed³ug

upodobañ autora.

F + 1

R13, R14, R23, PR3, PR4, C18:

tylko w uk³adzie ekspandora, patrz

tekst

Elektronika Praktyczna 5/97

R4, R3: 1k

R18: 10k

Kondensatory

C1, C2, C7, C8: 1

C17: 47

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: