Индикаторы звуковых сигналов.
Автор: Юрий Зотов
Опубликовано 08.04.2008
Часть I. Стрелочные индикаторы.
Стрелочные индикаторы, с колеблющейся в такт музыки стрелкой, вполне современно смотрятся на передних панелях усилителей до сих пор. И если наличие таких индикаторов ранее было действительно необходимо, то сейчас острой нужды в них нет.
Однако, судя по подобным вопросам в сети, любители таких вещей ещё остались. Вот как раз для них и написана эта статья.
1. Стрелочный прибор.
Конструкция.
Конструкция таких приборов разнообразна, однако принципы действия их одинаковы. В пластиковом корпусе размещен магнит цилиндрической формы. По образующей цилиндра установлена магнитная рамка с подпружиненным подвесом и закрепленной стрелкой. С противоположной стрелке стороны устанавливают балансир. В большинстве случаев такой балансир представляет собою капельку припоя, и служит для компенсации центробежных сил стрелки. Поскольку прибор, по своей сути, является механической системой, то и основные характеристики определяются "механикой" измерительной головки.
Хотелось бы отметить ещё одну особенность конструкции стрелочных индикаторов: для возврата стрелки в исходное положение применяется пружина (а это не линейный элемент, зависящий от её жёсткости), в результате шкала измерения прибора так же будет не линейна. В современных измерительных головках применяют многооборотные пружины, с достаточно хорошей гибкостью и нелинейность измерения очень мала, но всё же, мне кажется, стоит об этом помнить.
На рисунке выше представлена измерительная головка модели М6850 как наиболее распространённая и доступная, на данный момент, многим начинающим радиолюбителям. Лично я все свои схемы отрабатывал именно на ней.
Принцип действия.
Всё просто — подал на катушку ток, создалось магнитное поле. Взаимодействие магнитного поля катушки с магнитным полем постоянного магнита, приводит к отклонению катушки (и стрелки) пропорционально протекаемому в ней току. Направление протекаемого тока в катушке определяет направление отклонения стрелки. Отсюда вывод: стрелочный индикатор работает только с постоянным (пульсирующим ) током. Подача переменного тока на индикатор заставит стрелку "дрожать" и не более того.
Ну, вроде бы, всё понятно: измеряем величину переменного напряжения в звуковом тракте. В практике измерений известны: максимальная величина (амплитудное значение) сигнала, средневыпрямленное значение, среднеквадратичное значение сигналов. Мы не будем лезть в глубь теорий, определимся только с тем, что в нашем случае, мы измеряем средневыпрямленное значение. А шкалы наших приборов откалиброваны в децибелах (реже в процентах) от установленного "эталонного" уровня сигнала ("0" dB). То есть, мы будем измерять не саму величину сигнала, а его отношение, к некоторой эталонной величине К=Uэталон./Uизмерен. , выраженной в децибелах. Для перевода измеренных значений в децибелы используют следующую формулу: А= 20 Lg Uэталон./Uизмерен .
Околовсякое. В переносных магнитофонах стрелочный индикатор применялся ещё и для измерения напряжения питающих элементов то есть являлся, по сути своей, примитивным вольтметром.
Из того, что я написал выше, следует логический вывод: чтобы индикатор работал так, как мы того ждём, необходимо преобразовать переменный ток в пропорциональный ему ток постоянный и подать его на измерительную головку. Первое, что приходит в голову, представлено на рисунке:
Как ни странно, но такой индикатор будет работать. После небольшого "ретуширования", он приобретает следующий вид:
И вполне может трудиться, скажем, при измерении выходной мощности какого — либо усилителя мощности. Ну а что, вообще можно сказать о подобной схеме? Работает она следующим способом: избыток сигнала до необходимого значения гасится резистивным делителем R1, R2. Диод преобразует переменный сигнал в постоянный (пульсирующий), путём среза "отрицательной" полуволны звукового сигнала. Полученный таким способом сигнал "сглаживается" на конденсаторе С1 и далее поступает на измерительную головку. Именно от этого конденсатора зависит время реакции и восстановления измерителя. До определённых, конечно, величин. Хороша схема или плоха? Вот её плюсы и минусы.
Плюсы:
1 — простота схемы.
2 — минимум деталей.
3 — не требует источника питания.
Ну вот вроде и всё.
Минусы:
1 — Низкая точность измерения, в силу установленного однополупериодного выпрямителя (VD1).
2 — Малое входное сопротивление, определяемое, в основном, резистором R1. Именно это и позволяет использовать её только с источниками сигнала обладающими низким выходным сопротивлением (как уже указывалось выше — с усилителями мощности).
3 — Малый диапазон измерения. При не больших значениях мощности, колебания стрелки будут практически не заметны.
Очевидно, что для большей универсальности измерителя требуется улучшение схемы. Опять же, первое, что напрашивается, это применение "буфера" с большим входным и малым выходным сопротивлением. Самым простым способом видится использование транзистора, как усилителя постоянного тока.
Вот одна из возможных схем:
Как видно, по сравнению с предыдущей схемой добавлен транзистор VT1, что несколько повысило чувствительность схемы. Однако остальные недостатки остались.
Возможен и другой вариант применения транзистора — в качестве эмиттерного повторителя:
В этом случае мы получаем буфер с высоким входным и низким выходным сопротивлением. Однако, поскольку Кпередачи эмиттерного повторителя не может быть больше единицы, мы не сможем получить от этой схемы повышения чувствительности. Остальные недостатки измерителя так же сохраняются.
Вот мы и подошли к схеме, сочетающей в себе усилительные свойства и низкое выходное сопротивление.
Эту схему (в различных интерпретациях) часто используют в аппаратуре с однополярным питанием. Мною она так же была повторена не однократно и доказала высокую повторяемость и стабильность работы. В ней устранено большинство недостатков, приведённых выше схем. Транзисторный усилитель на VT1, VT2 имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление. Питаться схема может от источника с напряжением от 3 до 25 вольт (зависит от применяемых транзисторов). Не критична к номиналам пассивных элементов. Есть конечно и минусы — однополупериодный выпрямитель VD1, VD2 (обратите внимание, что здесь он реализован по схеме умножителя напряжения). Как следствие — некоторая неточность измерений. Однако простота и универсальность устройства с лихвой компенсируют этот недостаток.
В связи с доступностью интегральных операционных усилителей рассмотренную выше схему можно реализовать и на ОУ.
Как видно в этой схеме активным элементом выступает операционный усилитель. Кроме уменьшения количества пассивных деталей, данная схема практически идентична предыдущей схеме и содержит в себе те же преимущества и недостатки.
Поскольку речь зашла об использовании операционных усилителей в измерителях сигнала, хотелось бы рассмотреть ещё несколько схем их реализации.
Указанные варианты сохраняют преимущества схем описанных выше, но и измеряют уже две полуволны звукового сигнала, за счёт применения диодного моста. Схема, представленная на рисунке справа, к тому же, обеспечивает ЛИНЕЙНОЕ перемещение стрелки измерительной головки, поскольку последняя включена в цепь обратной связи операционного усилителя. Чувствительность индикаторов можно регулировать подбором сопротивления R3. Входное сопротивление индикаторов составляет около 47 кОм. Напряжение питания зависит от типов применяемых ОУ, а в качестве усилителя можно применять практически любые ОУ, с выходными токами более 5mA. Но я бы рекомендовал использовать ОУ с полевыми транзисторами на входе (К140УД8, КР 544УД2 и т.д.). В таком случае, будет возможность повысить входное сопротивление узла простым увеличением номиналов резистивных делителей на входе (R1, R2).
И ещё небольшой нюансик. В приведённых выше схемах индикаторов на ОУ, возможны другие варианты подачи половины питающего напряжения на входы усилителей. При этом их характеристики, практически, не изменятся. Но этот вопрос уже из области схемотехники ОУ. Кроме того, указанные схемы можно питать и двуполярным напряжением питания с минимальными переделками.
На последок хотелось бы рассмотреть измеритель уровня сигнала на высококачественной специализированной микросхеме К157ДА1.
Не смотря на свою "долгую жизнь", на мой взгляд, она всё ещё заслуживает пристального внимания. Эта микросхема содержит в себе двухполупериодный выпрямитель среднего значения сигнала, буферный каскад и преобразователь двуполярного сигнала в однополярный. Основные электрические параметры:
Слушаем музыку глазами
Не секрет, что большую роль в нашем восприятии звука играет зрение. Причем не внутренний взор, перед которым формируются музыкальные образы во время прослушивания, а обычные глаза. Красивая техника и играть должна красиво – именно в это нам хочется верить, пусть и не всегда это оказывается правдой.
Поэтому во все времена производители стремились сделать свои аппараты максимально стильными. И самые привлекательные из них для меломанов со стажем – винтажные усилители мощности со стрелочными индикаторами уровня сигнала. Мода на подобное оформление передней панели появилась в 1970-х годах, то есть в эпоху расцвета домашнего аудио, и воспоминания о тех недоступных большинству простых смертных аппаратах до сих пор будоражит умы поседевших аудиофилов. И хотя практической ценности данные индикаторы сегодня не имеют, именно такие усилители хотят видеть у себя дома многие покупатели. Ну а в данном материале мы вспомним о самых красивых моделях «классического» периода.
12. Pioneer Exclusive M4
Второй усилитель под брендом Exclusive появился в продаже в 1974 году. В отличие от предыдущей модели М3, данный аппарат не поставлялся за пределы Японии. Здесь уже просматриваются черты будущего High End – мощность 50 Ватт в классе А, печатные платы из стеклотекстолита, широкие дорожки, мощнейший блок питания, 27 килограммов веса, отделка боковых панелей деревом. Ну и, само собой, подсвеченные стрелочные индикаторы на передней панели Exclusive M4.
11. Rotel RB-5000
Самый мощный среди классических усилителей Rotel. Модель RB-5000 появилась в продаже в 1978 году, когда еще вся техника фирмы разрабатывалась и производилась в Японии. Аппарат не зря получил название – The Power Amp, ведь он развивал мощность 500 Ватт на канал на 8 Ом. Весил Rotel RB-5000 целых 53 килограмма, а чудовищный по размерам трансформатор позволял ему потреблять в пике до 3,2 киловатта! Удивительно, но эта модель поставлялась преимущественно на экспорт, в Японии было продано крайне мало экземпляров. Черный цвет корпуса указывает на позднюю дату производства экземпляра.
10. Sansui BA-5000
Мощность – 300 Ватт на канал, год выпуска – 1976. Японская компания Sansui снискала себе славу одного из самых успешных производителей усилителей, однако модели, обеспечившие ей признание в Японии и в Европе, были разными. Экспортный Sansui BA-5000 весил 49 килограммов и выглядел весьма брутально – минимум органов управления на черной передней панели и два больших окошка с индикаторами. Сегодня хорошо сохранившиеся экземпляры являются предметом гордости владельцев, которые не готовы их променять ни на какой современный High End.
Единственный в ассортименте компании Sony усилитель с огромными стрелочными индикаторами был одновременно и самым успешным. И пусть вышел он уже во второй половине 1980-х, его облик полностью соответствовал представлениям о том, как должен выглядеть серьезный аппарат. Sony TA-N77ES поставлялся исключительно на экспорт, поэтому сегодня его можно встретить в системах многих аудиофилов по всему свету. Мощность его составляла 230 Ватт на канал на 8 Ом, вес – 25 килограммов.
Выпущенный впервые в 1982 году, этот усилитель стал одним из самых популярных в истории бренда. Да и как он может не нравиться! Роскошная золотистая передняя панель, большие индикаторы, целых 40 килограммов веса, 105 Ватт в классе А, отдельный выход для подключения к электростатическим акустическим системам. Внутри усилитель выполнен по схеме двойного моно, с солидным экранированием блока питания. С учетом большого выделения тепла при работе его пришлось оснастить сразу двумя вентиляторами для принудительного охлаждения. Производился Luxman M-05 с 1982 по 1988 годы.
7. Yamaha MX-10000
Флагман знаменитой серии 10000, выпущенной к 100-летию компании Yamaha. Согласно заявлению фирмы, он мог выдавать 1,2 киловатта в нагрузку 1 Ом (!) в классе А. Конечно, тут есть определенный подвох, ибо в понимании Yamaha класс А представлял собой нечто иное. А именно Hyperbolic Conversion Class A, то есть очень хитрую схему, в которой получалось сочетать работу выходных транзисторов в классе А с пониженным общим энергопотреблением. Нечто подобное использовал в своих творениях Нельсон Пасс. Во всяком случае, аппарат крайне редкий – всего их было произведено 250 штук – и очень красивый. Весил усилитель Yamaha MX-10000 43 килограмма.
6. Denon POA-8000
Моноблоки были выпущены в 1981 году и должны были заменить собой модель POA-3000 на вершине иерархии усилителей фирмы. Звучали они просто великолепно, однако при этом довольно сильно нагревались, что иногда приводило к их выходу из строя. Стрелочные индикаторы занимали всю площадь передней панели, и пара работающих Denon POA-8000 в сумраке комнаты прослушивания выглядит сногсшибательно. Заявленная мощность составляла 200 Ватт на канал в псевдо классе А, очень популярном в 1980-90-х годах среди японских производителей аудиотехники.
Вся аппаратура фирмы всегда отличалась роскошным дизайном, однако Marantz SM-11 выделяется и на их фоне. Это первый усилитель компании, выпущенный после окончательного переноса не только производства, но и всего бизнеса Marantz в Японию. С технической точки зрения в нем есть интересные решения. Впервые было применено полностью омедненное шасси, убраны переключатели на пути сигнала к выходным клеммам для акустических кабелей, использован стабилизированный источник питания на огромном трансформаторе. При этом выходные каскады работали в классе АВ, а выходная мощность достигала 200 Ватт на канал. Ну и, само собой, практически всю лицевую панель занимали огромные стрелочные индикаторы с голубой подсветкой. Мечта, а не усилитель!
Редкий долгожитель среди японских усилителей той эпохи, особенно для JVC. Модель M-L10 производилась на протяжении десяти лет с 1981 по 1990 год. Блок питания был построен вокруг огромного тороидального трансформатора, спрятанного под квадратным кожухом. Внешний деревянный короб был покрыт 21 слоем лака, а индикаторы – первое, на что обращаешь внимание при взгляде на JVC M-L10. Мощность его составляла 160 Ватт на канал, выходные каскады работали по фирменной схеме Super-A, позволявшей избегать фазовых искажений при работе на реактивную нагрузку. Весил JVC M-L10 двадцать восемь килограммов.
3. Accuphase P-500
В ассортименте фирмы есть большое количество аппаратов интересующего нас дизайна, их выпуск продолжается и по сей день. Для нашей подборки мы выбрали модель Accuphase P-500, вышедшую на рынок в 1985 году. Она развивала мощность в 250 Ватт на канал в классе АВ, в ней присутствовал фильтр ультранизких частот, весила она 33,5 килограмма. Стрелочные индикаторы и по сегодня присутствуют в аппаратах Accuphase, к сожалению, цена их сегодня стала столь же большой, как и сами стрелочки.
2. Technics SE-A5000
Первая версия в ряду замечательных SE-A7000 и SE-A100. Последующие итерации отличались от нее небольшими внутренними и внешними модификациями, а SE-A100 так и вообще представляет собой идентичный компонент, только с черной передней панелью. Традиционно для усилителей фирмы этого периода, аппарат отличается самым большим среди всех конкурентов окном для стрелочных индикаторов выходной мощности. Золотистая подсветка превращает прослушивание Technics SE-A5000 в затемненном помещении в настоящий спектакль. Технические характеристики следующие : мощность 200 Ватт на 6 Ом, демпинг-фактор 120 единиц, вес – 34 килограмма.
1. McIntosh MC2300
Классический усилитель 1970-х годов положил начало незабываемому и легендарному дизайну аппаратуры компании McIntosh. Этот дизайн настолько пришелся по сердцу аудиофилам, что я лично знаю одного из них, у которого неисправный усилитель американской фирмы работает в качестве декорации в системе, освещая комнату голубым светом из окошек с индикаторами. А музыку играет совсем другой аппарат. Модель McIntosh MC2300 появилась на рынке в 1971 году и просуществовала в практически неизменном виде до 1980 года. Ее использовали не только аудиофилы в своих системах, но даже профессиональные музыканты на концертах. В частности, однажды несколько таких усилителей помогли Grateful Dead озвучить свои выступления на фестивале Watkins Glen Summer Jam в 1973 году. Для своей эпохи это был весьма дорогой аппарат, к тому же весил он 58 килограммов и развивал мощность до 300 Ватт в стерео и до 600 Ватт в монофоническом режиме. Ультимативный усилитель «со стрелочками».
Микросхема К157ДА1 — двухканальный двухполупериодный выпрямитель среднего значения сигналов предназначен для управления приборами индикации средних уровней записываемого сигнала в стереофонических магнитофонах. Каждый канал ИС содержит буферный усилитель и преобразователь двухполярного сигнала в однополярный.
Функциональная схема ИС К157ДА1 и типовая схема ее включения приведены на рисунке ниже, здесь: 1 — буферные усилители, 2 — преобразователи двухполярного сигнала, 3 — стабилизатор режима. Выходные напряжения на нагрузке каждого канала микросхемы (конденсаторах фильтра С1, С2 и стрелочных измерительных приборах P1, P2) имеют положительную полярность. Уровни выходных напряжений соответствуют с высокой точностью средневыпрямленным значениям входных сигналов в диапазоне свыше 50 дБ, что позволяет использовать эту ИС в самых различных устройствах не только бытовой аппаратуры магнитной записи, но и в измерительной технике, в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное.
Типовая схема включения микросхемы К157ДА1
Величины резисторов R7, R8 и подстроечников R3, R6 зависят от чувствительности стрелочного индикатора. Емкость конденсаторов определяет постоянную времени устройства. Важная (и приятная) особенность микросхемы — из ее выходов (12 и 10) ток только вытекает, и не втекает. То есть, конденсатор заряжается довольно быстро выходным током, но не разряжается через микросхему. Это позволяет реализовать довольно точный пиковый детектор.
В общем, это очень неплохая и полезная микросхема, не имеющая аналогов зарубежом. Вот ее основные параметры:
Из таблицы видно, что микросхема довольно хорошо усиливает сигнал, поэтому для большинства стрелочных индикаторов чувствительность по входу составит около 20. 50 мВ. Если же нужно измерять уровень выходного сигнала усилителя мощности (большой амплитуды), то на вход микросхемы сигнал нужно подавать через делитель напряжения.
Еще одно большое достоинство микросхемы, это то, что из нее довольно просто получается логарифмический выпрямитель — такой, что его постоянное выходное напряжение (при двухполупериодном выпрямлении) пропорционально логарифму входного. Это полезно, когда требуется показывать широкий диапазон амплитуд сигналов. Например, если использовать линейный индикатор в 100-ватном усилителе мощности, то стрелка будет заметно отклоняться при мощности несколько ватт, то есть довольно громком звуке. Если же использовать логарифмический индикатор, то он покажет уровеньдаже очень тихого звука.
Для этого микросхема включается немного не по типовой схеме, но ее работе не нарушается и никаких вредных последствий не происходит. Рассмотрим подробнее как это все работает.
Каждый канал микросхемы содержит предварительный усилитель и преобразователь двуполярного сигнала в однополярный. Вот схема половинки (одного канала) 157ДА1:
Предварительные усилители являются операционными усилителями, причем корректирующие конденсаторы и резисторы цепи общей ООС, определяющие коэффициент передачи, сделаны на кристалле. Входные каскады усилителей обоих каналов выполнены по дифференциальной схеме на транзисторах VT1 и VT9. Вторые каскады — усилители напряжения — собраны на транзисторах VT11 и VT13. Усилители мощности — транзисторы VT17, VT18 — двухтактные, без начального смещения. Коллекторы каждого из транзисторов усилителя мощности подключены к токовым зеркалам на парах транзисторов VT21, VT23 и VT27, VT32. Нагрузкой каскада служит делитель R1, R5 в цепи отрицательной обратной связи.
Воздействие на входе усилителя сигналов отрицательной или положительной полярности приводит к появлению импульса тока в цепи коллектора р-п-р или п-р-п транзистора усилителя мощности (выходного для ОУ), которые затем подводятся в виде импульсов тока одной полярности к токовому зеркалу VT27, VT32 и в результате ток коллектора VT32 пропорционален модулю входного напряжения. Вывод 13 заземляют, и на R16 выходной ток превращается в напряжене по закону Ома. Которое и усиливается выходным повторителем VT36. VT30 компенсирует падение напряжения на базовом переходе выходного повторителя.
А логарифмический выход получается, если мы игнорируем повторитель VT36, а используем непосредственно ток коллектора VT32. Если его (ток) пропустить через маломощный диод, то в силу его (диода) ВАХ, напряжение будет = ln(Iк VT32 ) = К * ln (Uвх), где К — некоторый коэффициент.
Схема включения микросхемы К157ДА1 в качестве логарифмирующего двухполупериодного выпрямителя
-
Максимальное выходное напряжение
0,5. 0,6 вольт. Если нужно больше — включаем последовательно несколько диодов. При двух диодах будет
1,0. 1,2 вольта, при трех
1,5. 1,8 вольт, и т.д.