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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Lautkompensierte Lautstärkeregelung mit aktiver Basskorrektur. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Audio Der Artikel beschreibt eine Lautstärkeregelung mit Lautheitskompensation und aktiver Basskorrektur. Mit dem Gerät können Sie die erforderliche Tiefe der Frequenzgangkorrektur entsprechend den akustischen Bedingungen des Raums und der Empfindlichkeit eines bestimmten akustischen Systems auswählen. Es ist bekannt, dass mit abnehmender durchschnittlicher Lautstärke die Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs am stärksten zu den niedrigsten Frequenzen (LF) des Schallspektrums abnimmt. Um diese physiologische Eigenschaft des Gehörs zu kompensieren, benötigen Tonwiedergabegeräte eine korrigierende Anhebung des Basses: Bei minimaler Lautstärke (abhängig vom Geräuschpegel im Raum) sollte er 25...40 dB bei einer Frequenz von 50 Hz relativ erreichen auf eine Frequenz von 2 kHz. Darüber hinaus sollte laut Kurven gleicher Lautstärke die Steigung des Anstiegs mit abnehmender Frequenz zunehmen: 6 dB pro Oktave beginnend bei 250 Hz und 12 dB pro Oktave unter 100 Hz [1]. Die meisten bekannten Schaltungen dünnkompensierter Lautstärkeregler (TCVR), mit der möglichen Ausnahme der komplexesten, die keine weit verbreitete Verwendung gefunden haben, bieten nicht die erforderliche Regelmäßigkeit und Korrekturtiefe. Bei den gebräuchlichsten TCRGs mit angezapftem variablen Widerstand (oder ohne Anzapfungen) [2] beträgt die Tiefe der Niederfrequenzkorrektur nicht mehr als 15 dB und ihre Steigung nimmt bei Frequenzen unter 100 Hz ab. Zum Beispiel in Abb. Abbildung 1 zeigt den typischen Frequenzgang eines passiven TCRG mit einem variablen Widerstand ohne Anzapfungen [2]. Man erkennt, dass der Korrekturanstieg bei einer Frequenz von 50 Hz bei einer Reglerverstärkung von -40 dB 13 dB beträgt, der Anstieg unterhalb von 100 Hz 3 dB pro Oktave nicht überschreitet, was völlig unzureichend ist. Auch der TCRG an einem Widerstand mit einer Anzapfung weist ähnliche Eigenschaften auf.
Im Betrieb erzeugen solche Regler einen unangenehmen Effekt: Wenn die Lautstärke reduziert wird, geht die Klangtiefe verloren und es entsteht eine Tendenz zum „Muscheln“. Versuche, den Korrekturgrad bei den niedrigsten Frequenzen durch Hinzufügen einer RC-Schaltung zum gemeinsamen Draht eines variablen Widerstands zu erhöhen, führen zu einer Einengung des Lautstärkeregelbereichs. In diesem Fall wird die Lautstärke nicht auf Null reduziert, was in der Praxis sehr unpraktisch ist. Ein weiterer Nachteil der genannten Geräte ist die fehlerhafte Änderung der Korrektur bei der Lautstärkeregelung. Eine merkliche Korrektur des Frequenzgangs erfolgt häufig, wenn sich der Regler in der Mittelstellung befindet, wenn die tatsächliche Lautstärke (Empfindlichkeit) noch hoch ist. Dadurch wird das Klanggleichgewicht im am häufigsten genutzten Bereich mittlerer Lautstärke gestört. Leider sind alle aufgeführten Nachteile auch für elektronische TCRGs charakteristisch, die auf speziellen Mikroschaltungen hergestellt werden. In Abb. Abbildung 2 zeigt den Frequenzgang eines sehr komplexen Reglers TC9235 von Toshiba, der einen geringen Rauschpegel (weniger als 2 μV) und eine nichtlineare Verzerrung (weniger als 0,01 %), eine mehrstufige digitale Lautstärkeregelung und eine praktische Drucktastensteuerung aufweist usw. [3]. Mit all dem bietet der Regler eine Feinkorrektur, die nicht besser ist als die bereits besprochenen TCRGs.
Bei haushaltsüblichen Tonwiedergabegeräten gilt der Frequenzbereich unter 100 Hz als „problematisch“ für die Endglieder des Weges. So weist ein kleines Akustiksystem selten eine untere Grenzfrequenz von weniger als 50...60 Hz bei einem Pegel von -3 dB auf. Typischerweise beginnt der Schalldruckabfall bei einer Frequenz von 100 Hz. Manchmal werden zur Kompensation hochwertige Equalizer oder spezielle Basskorrektoren auf Basis von Filtern höherer Ordnung eingesetzt. Gleichzeitig ist es jedoch notwendig, die begrenzte Überlastfähigkeit des UMZCH bei niedrigen Frequenzen zu berücksichtigen und gleichzeitig mit der Erhöhung der Lautstärke den Korrekturgrad zu reduzieren. Das Anlegen von Signalen unterhalb der Resonanzfrequenz an die dynamischen Köpfe führt nur zu einer Erhöhung der Verzerrung. Derzeit gibt es spezielle Auto-Bass-Korrektoren (X-Bass etc.), die den Frequenzgang unter Berücksichtigung aller aufgeführten Faktoren dynamisch formen. Meistens handelt es sich jedoch um geschlossene „proprietäre“ Entwicklungen, die auf speziellen Mikroschaltungen ohne Markierungen hergestellt werden [4]. Das vorgeschlagene Gerät löst diese Probleme auf einfachere Weise. Bei der Entwicklung kamen neue Schaltungslösungen zum Einsatz, die durch Computermodellierung in Micro-Cap 7.1.0 mit anschließendem Testen auf einem Steckbrett gewonnen wurden. Dadurch konnte ein einfaches Gerät geschaffen werden, das den TCRG selbst erfolgreich mit einem Basskorrektor kombiniert, der den Frequenzgang im Frequenzbereich von weniger als 100 Hz „vervollständigt“ und seinen Verlauf je nach Lautstärkeposition reguliert Kontrolle. Das schematische Diagramm des Geräts (ein Kanal) ist in Abb. dargestellt. 3. Es besteht aus einem passiven TKRG und einem aktiven Basskorrektor, die auf einem DA1-Chip montiert sind. Beide Teile sind zu einem Ganzen zusammengefasst, sodass die Mängel des passiven Reglers durch den aktiven Teil des Geräts beseitigt werden.
Passives TCRG wird auf den Elementen R1-R4, C1, C2 nach dem bekannten Schema (siehe Abb. 1) in einer vereinfachten Version hergestellt. Der Filter R3R4C1C2 senkt die mittleren Frequenzen abhängig von der Position des R2-Reglers. Die Filterparameter sind so ausgewählt, dass sie die maximal mögliche Anhebung der tiefen Frequenzen ermöglichen. Die HF-Korrektur stellt kein Problem dar und wird durch die Kapazität des Kondensators C1 eingestellt. Vom Ausgang des passiven TCRG wird das Signal über die Schaltung C3R6 dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers DA1.1 zugeführt, der das Signal verstärkt (bis zu 14 dB) und mit zwei OOS-Schaltungen den Frequenzgang bildet. Der erste erfolgt über den Widerstand R5, die TKRG-Elemente, einschließlich des Lautstärkereglers R2 und den Eingangskreis C3.R6; die zweite - über die T-förmige Verbindung R7 - R10 und die DA1.2-Mikroschaltung mit zugehörigen Elementen. Der DA1.2-Chip enthält einen Gyrator, der einen Induktor simuliert. Zusammen mit dem Kondensator C5 bildet er einen Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz von 45...50 Hz. Bei dieser Frequenz wird das OOS-Signal maximal abgeschwächt und es bildet sich ein Buckel im Frequenzgang des Operationsverstärkers DA1.1. In diesem Fall erreicht die Steigung des Frequenzgangs unter 100 Hz 10 dB pro Oktave, und der Gesamtanstieg (einstellbar) bei einer Frequenz von 45 Hz beträgt +27 dB relativ zur Frequenz von 2 kHz mit der Lautstärkereglerposition - 41 dB (Abb. 4). Diese Parameter liegen nahe an den erforderlichen Werten für Eigenschaften gleicher Lautstärke.
Die Begrenzung der Amplitude von Signalen mit Frequenzen unterhalb des Resonanzlautsprechers wird im Gerät aufgrund der natürlichen Steigung der Resonanzkurve des Analogons der LC-Schaltung auf DA1.2 und zwei Hochpassfiltern gebildet: C3R6 und C6Rin, wo Rbx ist der Eingangswiderstand der Kaskade nach dem Regler. Für diesen Regler wird der äquivalente Lastwiderstand mit 100 kOhm angenommen; für einen anderen Eingangswiderstand sollte die Kapazität C6 neu berechnet werden, damit sich die Zeitkonstante C6Rbx nicht ändert. Der zweite OOS – über den Widerstand R5 – ist ebenfalls frequenzabhängig, da er einen Filter enthält, der aus den Widerständen R3, R5 und dem Kondensator C2 besteht. Ein solches kompensierendes Umweltschutzsystem wurde vom Autor in Artikel [5] vorgeschlagen, in dem das Funktionsprinzip ausführlich beschrieben wird. Das Ergebnis ist eine zusätzliche Begradigung des tieffrequenten Teils des Frequenzgangs mit zunehmender Lautstärke. Somit wird die erforderliche Korrektur beim Übergang von niedriger zu mittlerer Lautstärke (Abb. 4) und nicht von mittlerer zu hoher Lautstärke (siehe Abb. 1,2) erreicht. Darüber hinaus können Sie durch die Wahl der geeigneten OOS-Tiefe die Überlastung des UMZCH bei Lautstärkepegeln nahe dem Maximum eliminieren, ähnlich wie bei dynamischen Basskorrekturen. Die Wirksamkeit der Rückkopplungsschleife durch Widerstand R5 wird durch einen simulierten Frequenzgang veranschaulicht (Abb. 5).
Die Kurven sind für die Version mit OOS (R5 = 12 kOhm) und ohne (R5 = 1 MOhm) berechnet. Wie aus den Grafiken ersichtlich ist, wirkt der OOS selektiv und nur tiefe Frequenzen werden abgeschwächt. Wenn der Lautstärkeregler auf -20 dB eingestellt ist, ist die Dämpfung gering – etwa 7 dB, und bei maximaler Verstärkung erreicht sie 26 dB. Gleichzeitig glättet das OOS die Spitze der Basskorrektur vollständig und nivelliert den Frequenzgang. Ohne dies wäre der UMZCH bereits in der Mittelstellung des TKRG überlastet und es wären manuelle Manipulationen am Basstonregler erforderlich. In der richtigen Position laut Diagramm hat der Schieber des Widerstands R9 und des oberen Widerstands R13 mit den im Diagramm angegebenen Werten die in Abb. 4. Allerdings ist eine große Variation in der Art des Frequenzgangs möglich: Mit dem Trimmwiderstand R9 lässt sich die Tiefe der Basskorrektur im Bereich von 0...+6 dB einstellen (Abb. 6).
Die Reichweite wird bei durchschnittlicher Lautstärke angegeben; wenn es abnimmt, nimmt es zu, wenn es zunimmt, nimmt es ab, d. h. Das Gerät passt die Anpassungstiefe adaptiv entsprechend den gleichen Lautstärkekurven und den Überlastfähigkeiten des UMZCH an. Auf Wunsch kann der variable Widerstand R9 auf der Frontplatte angezeigt und als Basstonregler verwendet werden. Sein Vorteil besteht darin, dass er im Gegensatz zu Brücken- und anderen RC-Reglern den Bass regelt und nicht das gesamte Frequenzband bis 1000 Hz. Um die Klangfarbe sanft zu ändern, benötigen Sie einen variablen Widerstand mit einer Steuerkurve vom Typ B. Die hohe Qualität des gesamten Reglers ist auf tiefe OOS, das Fehlen von Oxidkondensatoren und die Verwendung der Mikroschaltung TL074 zurückzuführen. Seine vier Operationsverstärker zeichnen sich durch einen extrem niedrigen harmonischen Verzerrungskoeffizienten (kg - 0,003 %) und gute Rauscheigenschaften aus. Dadurch kann das Gerät als Vorverstärker mit einer Verstärkung von bis zu 14 dB eingesetzt werden, was beispielsweise ausreicht, um Verluste bei einer passiven Klangregelung auszugleichen. Andernfalls kann die Verstärkung durch Trimmen des Widerstands R13 auf eins oder weniger reduziert werden, wodurch der Rauschpegel proportional verringert wird. Wie bei allen TCRGs hängt die Genauigkeit der Lautstärkekompensation vom Übertragungskoeffizienten des Audiopfads ab. Sie kann über den erwähnten Trimmwiderstand R13 oder einen anderen im Pfad verfügbaren Trimmwiderstand eingestellt werden. Sie müssen lediglich die Verteilung der Verstärkungs- und Rauscheigenschaften der Pfadverbindungen berücksichtigen. Durch Ändern des Signalpegels und Auswahl des Widerstands R5 erreichen wir die Erhaltung der Klangbalance über den gesamten Lautstärkeregelbereich. Wenn der UMZCH bei maximaler Lautstärke überlastet ist, sollten Sie den Wert des Widerstands R5 basierend auf dem subjektiven Empfinden des Bassinhalts und seiner Verzerrung reduzieren. Weitere Einstellmöglichkeiten umfassen die Verschiebung der Resonanzspitze der Basskorrektur durch Auswahl der Widerstände R11, R12 für einen bestimmten Lautsprecher. Die Basstiefe wird wie oben beschrieben mit dem Widerstand R9 eingestellt. Auf den Pfaden höchster Qualität ist es möglich, den Operationsverstärker TL074 durch den NE5534A zu ersetzen. In einfacheren Fällen ist es jedoch durchaus möglich, den Operationsverstärker K157UD2A mit entsprechenden Korrekturschaltungen zu verwenden. In diesem Fall erhöht sich der harmonische Koeffizient um etwa eine Größenordnung und der Geräuschpegel bei einem Einheitsübertragungskoeffizienten wird nicht schlechter als -80 dB sein. Ansonsten wird der Regler aus gewöhnlichen Teilen zusammengebaut: MLT-0,125-Widerstände, kleine KM-Kondensatoren. Als Regler R2 wird ein importierter kleiner Dual-Variablenwiderstand mit einem Nennwert von 50 kOhm (Regelcharakteristik Typ B) verwendet. Das Vorhandensein der Widerstände R3, R4 im Gerät, die gemäß dem Diagramm parallel zum oberen Abschnitt R2 geschaltet sind, ermöglicht die Verwendung eines variablen Widerstands mit linearer Steuercharakteristik (Typ A), jedoch in diesem Fall eines anfänglichen Sprungs Bei weiterer sanfter Regelung ist eine Verringerung der Lautstärke unvermeidlich. Experimentelle Tests und subjektives Hören bestätigten die hohe Qualität des Atemreglers. Die Abweichung des realen Frequenzgangs von den simulierten betrug nicht mehr als mehrere Dezibel. Der Pegel des Eigenrauschens des Reglers lag bei der Verstärkung eins unter der Hörbarkeitsgrenze. Die Funktion des Reglers zeichnet sich durch eine korrekte Klangbalance bei jeder Lautstärke, die Erhaltung „tiefer“ Bässe bei minimaler Lautstärke und keine Überlastung des UMZCH bei Lautstärken nahe dem Maximum aus. In vielen Fällen ist es möglich, auf den Einsatz einer herkömmlichen Klangregelung ganz zu verzichten und ausschließlich den Basskorrektor zu verwenden. Literatur
Autor: A. Pachomov, Zernograd, Rostower Gebiet.
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