Каталог радиолюбительских схем

Э. КУЗНЕЦОВ, г. Москва

В этой статье автор, имеющий большой опыт в разработке студийного оборудования звукозаписи, приводит полезные сведения об особенностях измерения уровня звуковых сигналов. Предлагаемый здесь квазипиковый измеритель на современной элементной базе позволяет избегать даже кратковременных перегрузок тракта записи или звукопередачи.

В журнале "Радио" неоднократно публиковались описания различных измерителей уровня (ИУ) звуковых сигналов. Такое внимание к этой теме не случайно. В аудиоаппаратуре контроль за уровнями необходим как при записи, так и воспроизведении. Особенно опасны чрезмерно высокие уровни сигналов в трактах с аналого-цифровым преобразованием. Заметные искажения возникают и при перегрузке практически любого выходного устройства (магнитофона, УМЗЧ, радиопередатчика и др.). К сожалению, даже в хорошей импортной аудиоаппаратуре часто установлены "волюметры", т. е. измерители средних значений. Поскольку у таких приборов время интеграции около 200 мс, они заметно занижают максимальные уровни сигналов и позволяют ориентироваться только в изменении громкости этих сигналов.

Напомним, время интеграции — длительность тонального импульса, при которой измеритель уровня показывает значение на 2 дБ ниже показаний на непрерывном гармоническом сигнале, имеющем частоту (обычно 5 кГц) и амплитуду сигнала заполнения тонального импульса [1]. Если учесть, что длительность слогов в речи в среднем около 200 мс, то из-за особенностей артикуляции согласных и свистящих звуков измерители средних значений покажут уровень на 12... 14 дБ ниже максимального.

На музыкальных сигналах погрешность зависит от характера музыки, но в любом случае, пользуясь такими приборами, невозможно даже приблизительно судить о наибольших уровнях, и, следовательно, нельзя правильно осуществлять регулировку и избежать появления искажений в оконечных устройствах. Поскольку считается, что при длительности перегрузки менее 10 мс они воспринимаются просто как трески или щелчки, то в профессиональном оборудовании применяют квазипиковые ИУ с временем интеграции 5 мс. Такие приборы должны показывать значение ниже нормированного на 0 5 дБ при длительности тонального импульса 10 мс, на 2±1 дБ — при длительности 5 мс и на 4±1 дБ — при длительности 3 мс (кривая 1 с допустимыми отклонениями в виде пунктирных линий на рис. 1,а). Ясно, что получить заданную кривую интеграции уровня простыми средствами невозможно. Здесь же приведены еще две кривые интеграции (2 и 3) с разными постоянными времени т, отличающимися примерно в 1,5 раза. Из рисунка видно, что обе кривые укладываются в допуск. Очевидно, что эти приборы будут показывать различную величину максимального уровня сигнала. Поскольку зарядке конденсатора импульсами тока сопутствует его разрядка через резистор и входное сопротивление следующего каскада, для точного расчета нужно вводить еще некоторый коэффициент, а также учитывать разброс параметров времязадающих элементов. Поэтому практически оказывается проще подобрать элементы при настройке, при этом допустимые отклонения позволяют использовать ИУ, отмечающие по-разному наибольшие значения уровней. Чтобы получить одинаковые временные характеристики двух ИУ, работающих в блоке на стереофонических сигналах, один из времязадающих резисторов должен быть подстроечным.

Показания квазипиковых ИУ значительно ближе к пиковым значениям, но и эта точность контроля часто оказывается недостаточной. Считается допустимым превышение номинального значения уровня сигнала при записи до 3 дБ хотя пиковые уровни могут оказаться выше еще на 8... 15 дБ. Даже у опытного звукорежиссера погрешность в контроле уровня может достигать 4 дБ [2] Правда, из-за кратковременности этих выбросов искажения малозаметны на слух, но лучше применять при записи автоматические регуляторы уровня (лимитеры, компрессоры), которые справятся с завышенными уровнями значительно быстрее человека [3].

Авторегуляторам присущи характерные помехи срабатывания, и в случае большого превышения уровня они заметно искажают динамику сигналов. Однако при записи авторегуляторы работают под контролем человека, который сам выбирает либо режим сжатия, либо сторожевой режим, на слух контролируя выходной сигнал.

Профессиональные измерители уровня разделяют на два типа. Приборы первого типа должны иметь большой динамический диапазон — от -40 дБ до +4 дБ. Они предназначены для оперативного регулирования уровней. Более простые ИУ второго типа служат для оценки уровней при эксплуатационном контроле и имеют динамический диапазон измеряемых уровней от -20 дБ до +3 дБ. Время интеграции у них должно быть одинаковым, а время возврата различно. Чем больше время возврата, тем более завышенными получаются показания ИУ на сигналах низкого уровня, следующих после высоких. Время возврата, измеряемое при спаде показаний от 0 на 20 дБ для приборов первого типа должно составлять 1,4...2 с, а для второго — 2...4 с.

Различие времени возврата двух ИУ в одном блоке особенно заметно на глаз, и выравнивание этих характеристик просто необходимо, тем более, что допуски позволяют изменять временные параметры в больших пределах. Точность показаний ИУ также нормирована: номинальный уровень должен устанавливаться с погрешностью не более 0,3 дБ, в диапазоне 5...20 дБ допускается погрешность 1 дБ, на уровне -30 дБ — 2 дБ, а на -40 дБ показания могут отличаться на ±3,5 дБ.

На практике даже отвечающие всем требованиям ИУ работают совершенно по-разному. Например, для получения нужного времени возврата ИУ для разрядки времязадающего конденсатора можно использовать резистор или стабилизатор тока. Конечно, поставить резистор проще, но в этом случае разрядка происходит по экспоненте и время свечения светодиода, отмечающего наибольшее значение, значительно меньше, чем в случае линейного разряда. Понятно, что чем дольше горит светодиод, тем проще отмечать показания прибора, хотя время разрядки до значения 0,1 от номинального у них одинаково. Из рис. 1,6 видно, что при стабильном токе разрядки спад напряжения на конденсаторе (прямая 2) на начальном этапе происходит медленнее, чем при экспоненциально спадающем токе (кривая 1), и наибольший уровень показаний ИУ можно регистрировать надежнее

С учетом изложенного очевидно, что в зависимости от настройки даже два однотипных прибора могут отличаться по показаниям. На практике это оказалось не столь важным: несколько человек, наблюдая за показаниями одного и того же прибора всего 3 — 4 мин, обычно называют разные значения наибольшего уровня сигналов фонограммы.

Любой ИУ имеет входное устройство, двухполупериодный детектор, времязадающую цепочку и показывающий прибор. В качестве входного устройства лучше всего применить ОУ в дифференциальном включении. Если заранее подобрать резисторы для двух нормированных значений входного уровня, то с помощью тумблера или кнопки легко изменить чувствительность прибора. В схеме предлагаемого измерителя уровня (рис. 2) для ОУ входных каскадов с симметричным входом установлено единичное усиление, так как в профессиональной аппаратуре часто применяется в качестве номинального значение 1,55 В (+6 дБ), а используемая в качестве детектора микросхема К157ДА1 усиливает сигнал в 7...10 раз. Для увеличения чувствительности следует увеличить сопротивление резисторов R6 и R8 (R7 и R5).

Так как реальные звуковые сигналы несимметричны, в ИУ нужно применять двухполупериодное детектирование. Для стереофонических ИУ подойдет двухканальная микросхема К157ДА1 с детекторами огибающей, работающими в диапазоне около 50 дБ, т. е. ее можно использовать и в приборах первого типа. Надо отметить, что перегрев кристалла этой микросхемы, возможный при чрезмерно длительной пайке ее выводов, приводит к необратимому возрастанию начального выходного напряжения и ограничению диапазона измерения. Правда, есть варианты устройств, позволяющие регулировать начальное напряжение [4] и точнее установить нижнее значение показаний ИУ, но в приборах второго типа зто обычно не требуется.

Микросхемы, примененные в измерителе, обеспечивают широкий динамический диапазон (до 50 дБ). Они сохраняют работоспособность и при пониженном питающем напряжении с со ответствующим снижением диапазона измеряемых уровней.

В качестве замены четырехканального ОУ LF444 с полевыми транзисторами на входе можно предложить TL074 или два TL072, К1401УД4 (аналог LF147). Параметры индикатора не изменятся, кроме некоторого возрастания тока потребления (примерно на 8 мА).

После детектора сигнал подан на измерительный прибор через времязадающую цепочку, обеспечивающую требуемые динамические характеристики ИУ. В связи с тем, что выходное сопротивление детектора К157ДА1 составляет около 1 кОм, а у микросхемы LM3914 входное сопротивление близко к 120 кОм, после детектора установлен дополнительный повторитель с высоким входным сопротивлением, практически не оказывающий влияния на разрядку С15 (С16). Кроме того, в цепи разрядки вместо резисторов использованы стабилизаторы тока на ПТ.

Для отображения динамики звуковых сигналов лучше всего подходят светодиоды, управляемые через микросхемы LM3914, LM3915, LM3916. У них есть возможность переключения режимов индикации -- светящимся столбиком или одиночными светодиодами. Второй, более экономичный режим достигается подачей напряжения Un на вывод 9 через перемычки между точками "а" и "b".

Эти микросхемы удобно применять в разнообразной аппаратуре, поскольку они сохраняют работоспособность в диапазоне напряжения питания 4,5...15 В. А по точности оценки уровня сигнала шкала из десяти светодиодов в большинстве случаев оказывается достаточной.

Многие считают, что наблюдать за показаниями ИУ удобнее при свечении одного из ряда светодиодов. Это определяется не только вкусом, но и конструкцией ИУ и светодиодов. Например, светодиоды КИПМО лучше смотрятся, когда работают как непрерывный столбик, а круглые светодиоды неплохо выглядят и по одному.

При желании можно усложнить прибор, сделав автоматический переход с одиночного свечения на столбик при перегрузке. Нужно только не забывать, что когда светятся все светодиоды потребляемый ИУ ток от источника +U_П резко возрастает. Во многих случаях, если ИУ встраивают в готовую конструкцию, например, в каждый канал микшерного пульта, измерительную часть подключают к общему блоку питания, а для питания показывающих приборов используют более низковольтную отдельную обмотку трансформатора и стабилизатор напряжения с большим током. Это позволяет избежать проникновения помех от преобразователя и уменьшить потери на резисторах, ограничивающих ток через светодиоды.

ЛИТЕРАТУРА

1.Никонов А. В., Папернов Л 3. Измерители уровня звуковых сигналов. — М.: Радио и связь, 1981.

2.Островский В. С. О точности регулировки уровня звукорежиссерами. Труды ВНИ-ИТР. Вып. б. — М., 1968.

3.Кузнецов Э. Автоматические регуляторы уровня звуковых сигналов. — Радио, 1998, № 9. с. 16—19.

4.Лукьянов Д. Измерители уровня сигнала на ИС К157ДА1. — Радио, 1985. № 12, с. 31—33.

Радио №2, 2001 г., с. 16-17.