Вимірювач рівня Звукові сигнали

Е. КУЗНЄЦОВ, м. Москва

У цій статті автор, який має великий досвід у розробці студійного обладнання звукозапису, призводить корисні відомості про особливості вимірювання рівня звукових сигналів. Пропонований тут квазіпіковий вимірювач на сучасній елементній базі дозволяє уникати навіть короткочасних перевантажень тракту запису або звукопередачі.

У журналі "Радіо" неодноразово публікувалися опису різних вимірювачів рівня (ВП) звукових сигналів. Така увага до цієї теми не випадково. У аудіоапаратури контроль за рівнями необхідний як під час запису, так і відтворенні. Особливо небезпечні надмірно високі рівні сигналів у трактах з аналого-цифровим перетворенням. Помітні викривлення виникають і при перевантаженні практично будь-якого вихідного пристрою (магнітофона, УМЗЧ, радіопередавача та ін). На жаль, навіть в хорошій імпортної аудіоапаратури часто встановлені "волюметри", тобто вимірювачі середніх значень. Оскільки у таких приладів час інтеграції близько 200 мс, вони помітно занижують максимальні рівні сигналів і дозволяють орієнтуватися тільки в зміні гучності цих сигналів.

Нагадаємо, час інтеграції – тривалість тонального імпульсу, при якій вимірювач рівня показує значення на 2 дБ нижче показань на безперервному гармонічному сигналі, що має частоту (звичайно 5 кГц) і амплітуду сигналу заповнення тонального імпульсу [1]. Якщо врахувати, що тривалість складів у промові в середньому близько 200 мс, то через особливості артикуляції приголосних і свистячих звуків вимірювачі середніх значень покажуть рівень на 12 … 14 дБ нижче максимального.

На музичних сигналах похибка залежить від характеру музики, але в будь-якому випадку, користуючись такими приладами, неможливо навіть приблизно судити про найбільші рівнях, і, отже, не можна правильно здійснювати регулювання і уникнути появи перекручувань у кінцевих пристроях. Оскільки вважається, що при тривалості перевантаження менше 10 мс вони сприймаються просто як тріски або клацання, то в професійному обладнанні застосовують квазіпіковие ІУ з часом інтеграції 5 мс. Такі прилади повинні показувати значення нижче нормованого на 0 5 дБ при тривалості тонального імпульсу 10 мс, на 2 ± 1 дБ – при тривалості 5 мс і на 4 ± 1 дБ – при тривалості 3 мс (крива 1 з допустимими відхиленнями у вигляді пунктирних ліній на рис. 1, а). Ясно, що отримати задану криву інтеграції рівня простими засобами неможливо. Тут же наведено ще дві криві інтеграції (2 та 3) з різними постійними часу т, що відрізняються приблизно в 1,5 рази. З малюнка видно, що обидві криві укладаються в допуск. Очевидно, що ці прилади будуть показувати різну величину максимального рівня сигналу. Оскільки зарядці конденсатора імпульсами струму супроводжує його розрядка через резистор і вхідний опір наступного каскаду, для точного розрахунку потрібно вводити ще деякий коефіцієнт, а також враховувати розкид параметрів времязадающіх елементів. Тому практично виявляється простіше підібрати елементи при налаштуванні, при цьому допустимі відхилення дозволяють використовувати ВП, що відзначають по-різному найбільші значення рівнів. Щоб отримати однакові тимчасові характеристики двох ВП, що працюють в блоці на стереофонічних сигналах, один з времязадающіх резисторів повинен бути підлаштування.

Показання квазіпікових ІУ значно ближче до пікових значень, але й ця точність контролю часто виявляється недостатньою. Допускається перевищення номінального значення рівня сигналу під час запису до 3 дБ хоча пікові рівні можуть виявитися вищим ще на 8 … 15 дБ. Навіть у досвідченого звукорежисера похибка у контролі рівня може досягати 4 дБ [2] Правда, через короткочасність цих викидів спотворення малопомітні на слух, але краще застосовувати при записі автоматичні регулятори рівня (лімітери, компресори), які справляться із завищеними рівнями значно швидше людини [3].

Авторегуляторам притаманні характерні перешкоди спрацьовування, і у випадку великого перевищення рівня вони помітно спотворюють динаміку сигналів. Однак під час запису авторегулятори працюють під контролем людини, який сам вибирає або режим стиснення, або сторожовий режим, на слух контролюючи вихідний сигнал.

Професійні вимірювачі рівня поділяють на два типи. Прилади першого типу повинні мати великий динамічний діапазон – від -40 дБ до +4 дБ. Вони призначені для оперативного регулювання рівнів. Простіші ІУ другого типу служать для оцінки рівнів при експлуатаційному контролі і мають динамічний діапазон вимірюваних рівнів від -20 дБ до +3 дБ. Час інтеграції в них має бути однаковим, а час повернення різному. Чим більше час повернення, тим більше завищеними виходять свідчення ІУ на сигналах низького рівня, наступних після високих. Час повернення, що вимірюється при спаді показань від 0 на 20 дБ для приладів першого типу повинно складати 1,4 … 2 с, а для другого – 2 … 4 с.

Різниця часу повернення двох ВП в одному блоці особливо помітно на око, і вирівнювання цих характеристик просто необхідно, тим більше, що допуски дозволяють змінювати часові параметри у великих межах. Точність показань ІУ також нормована: номінальний рівень повинен установлюватися з похибкою не більше 0,3 дБ, в діапазоні 5 … 20 дБ допускається похибка 1 дБ, на рівні -30 дБ – 2 дБ, а на -40 дБ свідчення можуть відрізнятися на ± 3,5 дБ.

На практиці навіть відповідають всім вимогам ІУ працюють зовсім по-різному. Наприклад, для отримання потрібного часу повернення ІУ для розрядки времязадающего конденсаторів можна використовувати резистор або стабілізатор струму. Звичайно, поставити резистор простіше, але в цьому випадку розрядка відбувається по експоненті і час світіння світлодіода, який відзначає найбільше значення, значно менше, ніж у випадку лінійного розряду. Зрозуміло, що чим довше горить світлодіод, тим простіше відзначати показання приладу, хоча час розрядки до значення 0,1 від номінального у них однаково. З рис. 1,6 видно, що при стабільному струмі розрядки спад напруги на конденсаторі (пряма 2) на початковому етапі відбувається повільніше, ніж при експоненціально спадаючим струмі (крива 1), і найбільший рівень свідчень ІУ можна реєструвати надійніше

З урахуванням викладеного очевидно, що в залежності від налаштування навіть два однотипних приладу можуть відрізнятися за показаннями. На практиці це виявилося не настільки важливим: декілька чоловік, спостерігаючи за показаннями одного і того ж приладу всього 3 – 4 хв, звичайно називають різні значення найбільшого рівня сигналів фонограми.

Будь-який ІУ має вхідний пристрій, двухполуперіодний детектор, времязадающую ланцюжок і показує прилад. В якості вхідного пристрою найкраще застосувати ОУ на диференціальному включенні. Якщо заздалегідь підібрати резистори для двох нормованих значень вхідного рівня, то за допомогою тумблера або кнопки легко змінити чутливість приладу. У схемі пропонованого вимірювача рівня (рис. 2) для ОУ вхідних каскадів з симетричним входом встановлено одиничне посилення, так як в професійній апаратурі часто застосовується в якості номінального значення 1,55 В (+6 дБ), а використовується як детектора мікросхема К157ДА1 підсилює сигнал в 7 … 10 разів. Для збільшення чутливості слід збільшити опір резисторів R6 і R8 (R7 і R5).

Так як реальні звукові сигнали несиметричні, в ІУ потрібно застосовувати двухполуперіодное детектування. Для стереофонічних ІУ підійде двоканальна мікросхема К157ДА1 з детекторами обвідної, що працюють в діапазоні близько 50 дБ, тобто її можна використовувати і в приладах першого типу. Треба відзначити, що перегрів кристала цієї мікросхеми, можливий при надмірно тривалої пайку її висновків, призводить до необоротного зростанням початкового вихідної напруги і обмеженню допустимі межі. Щоправда, є варіанти пристроїв, що дозволяють регулювати початкове напруга [4] і точніше встановити нижню значення показникiв ВП, але в приладах другого типу зто звичайно не потрібно.

Мікросхеми, застосовані в аналізаторі, забезпечують широкий динамічний діапазон (до 50 дБ). Вони зберігають працездатність і при зниженому живильної напрузі з з відповідними зниженням діапазону вимірюваних рівнів.

Як заміну чотирьохканальний ОУ LF444 з польовими транзисторами на вході можна запропонувати TL074 або два TL072, К1401УД4 (аналог LF147). Параметри індикатора не зміняться, крім деякого зростання струму споживання (приблизно на 8 мА).

Після детектора сигнал поданий на вимірювальний прилад через времязадающую ланцюжок, що забезпечує необхідні динамічні характеристики ІУ. У зв'язку з тим, що вихідний опір детектора К157ДА1 складає близько 1 кОм, а у мікросхеми LM3914 вхідний опір близько до 120 кОм, після детектора встановлений додатковий повторювач з високим вхідним опором, практично не надає впливу на розрядку С15 (С16). Крім того, в ланцюзі розрядки замість резисторів використані стабілізатори струму на ПТ

Для відображення динаміки звукових сигналів найкраще підходять світлодіоди, керовані через мікросхеми LM3914, LM3915, LM3916. У них є можливість перемикання режимів індикації – світиться стовпчиком або одиночними світлодіодами. Другий, більш економічний режим досягається подачею напруги Un на висновок 9 через перемички між точками "а" і "b".

Ці мікросхеми зручно застосовувати в різноманітній апаратурі, оскільки вони зберігають працездатність в діапазоні напруги живлення 4,5 … 15 В. А за точністю оцінки рівня сигналу шкала з десяти світлодіодів в більшості випадків виявляється достатньою.

Багато хто вважає, що спостерігати за показаннями ІУ зручніше при світінні одного з ряду світлодіодів. Це визначається не тільки смаком, але і конструкцією ІУ і світлодіодів. Наприклад, світлодіоди КІПМО краще виглядають, коли працюють як безперервний стовпчик, а круглі світлодіоди непогано виглядають і по одному.

При бажанні можна ускладнити прилад, зробивши автоматичний перехід з одиночного світіння на стовпчик при перевантаженні. Потрібно тільки не забувати, що коли горять усі світлодіоди споживаний ІУ струм від джерела +U П різко зростає. У багатьох випадках, якщо ІУ вбудовують в готову конструкцію, наприклад, в кожен канал пульта мікшера, вимірювальну частину підключають до загального блоку живлення, а для харчування показують приладів використовують більш низьковольтну окрему обмотку трансформатора і стабілізатор напруги з великим струмом. Це дозволяє уникнути проникнення перешкод від перетворювача та зменшити втрати на резистора, обмежують струм через світлодіоди.

ЛІТЕРАТУРА

1.Ніконов А. В., Паперно Л 3. Вимірники рівня звукових сигналів. – М.: Радіо і зв'язок, 1981.

2.Островскій В. С. Про точність регулювання рівня звукорежисерами. Праці розбира-ІТП. Вип. б. – М., 1968.

3.Кузнецов Е. Автоматичні регулятори рівня звукових сигналів. – Радіо, 1998, № 9. з. 16-19.

4.Лукьянов Д. Вимірники рівня сигналу на ІС К157ДА1. – Радіо, 1985. № 12, с. 31-33.

Радіо № 2, 2001 р., с. 16-17.