Аттенюатор что это в акустике

Простейший аттенюатор для аудиокарты

В любительской радиотехнике, а именно в области проектирования усилителей низкой (звуковой) частоты, очень удобно использовать для измерений компьютер.
Профессиональные измерительные приборы стоят немалых денег, тогда как аудиокарта имеется почти в любом домашнем компьютере. В совокупности с доступным и разнообразным ПО мы получаем удобный инструмент для снятия всех основных характеристик: АЧХ (амплитудно-частотная характеристика), THD (уровень гармонических искажений), соотношение сигнал/шум и спектрограмму.

Единственным неудобством оказывается слишком чувствительный вход аудиокарты,
на который нельзя подать сигнал, превышающий напряжение 0.5-1.5 вольта.
И здесь на помощь приходит аттенюатор.

Его можно (и нужно) собрать самостоятельно. Ничего хитрого в этом опыте нет, но для тех, кто делает первые шаги в усилителестроении, материал будет полезным.

Аттенюатор является пассивным устройством и фактически, применительно к нашему случаю, представляет собой резистивный делитель напряжения. Его функция — ослабление уровня сигнала (переменного напряжения звуковой частоты) по заданным параметрам. Давайте определим эти параметры.

Задача

Необходимо подать на линейный вход аудиокарты сигнал, снятый с выходных клемм усилителя мощности, при этом не перегрузив аудиокарту. Для удобства установим величину выходного напряжения аттенюатора равным 0.775v RMS. Такое напряжение будет приемлемым для любой современной аудиокарты с линейным входом, к тому же величину 0.775v принято выбирать за опорный уровень (0dBu) при измерении абсолютных величин в децибелах.

Про измерения и децибелы очень рекомендую ознакомиться со статьей Михаила Чернецкого «Что мы измеряем?» (ссылка на публикацию на сайте журнала «Звукорежиссер» есть в конце поста [1], но для глаз намного комфортнее читать на сайте автора)

Входное напряжение на аттенюаторе выберем таким образом, чтобы оно соответствовало мощности, рассеиваемой на эквивалентной нагрузке в 8 Ohm, и равнялось 1W.

Для среднеквадратичного значения напряжения (RMS) верна следующая формула расчета мощности:

Некоторые считают мощность синусоидального сигнала по формуле P = U_a^2/2R, перепутав амплитудное значение напряжения со среднеквадратичным. Может быть у них для этих измерений осциллограф всегда под рукой(?!), мы же используем TrueRMS вольтметр и знаем разницу (и зависимость) между амплитудным и среднеквадратичным значениями напряжения (если поймали себя на мысли, что забыли и нужно срочно освежить память — идем прямиком к Радиокоту [2]).
По выше приведенной формуле находим значение 2.83v (для 1W), 4v (для 2W) и 5.66v (для 4W). Обычно для промера характеристик маломощного усилителя этих значений вполне достаточно, но если требуются бОльшие значения — вы без труда рассчитаете их сами.
Не удивляйтесь таким «маленьким» значениям мощности — для примера: однотактный ламповый усилитель вашего покорного слуги (режим работы класс «A») мощностью 2W(!) «раскачивает» здоровую напольную акустику безо всякого труда (по немногочисленным просьбам хабрачитателей я в процессе обдумывания статьи про его конструирование, но покамест решил прощупать интерес к теме публикацией данного материала — тут есть связь с компьютерами хотя бы).
Итак, у нас есть входные данные — можно перейти к расчёту.

Расчёт

В общем случае формула для расчета делителя без нагрузки выглядит так:

Единственно надо учесть тот факт, что номинал резистора Z₁ должен быть выбран на 3-4 порядка больше эквивалентной нагрузки 8 Ohm, чтобы для усилителя подключение атеннюатора осталось «незамеченным» (высокоомный, относительно выхода усилителя, вход аттенюатора практически не изменит значение сопротивления эквивалентной нагрузки, так как подключен параллельно нагрузке в 8 Ohm — вспоминаем правило сложения соединенных параллельно резисторов [3]).
Для удобства выберем Z₁=20 kOhm, тогда номинал нижнего резистора (Z₂) посчитаем по формуле:

Получим Z₂ = 0.775*20000/2.828-0.775 = 7550 Ohm
Аналогично посчитаем номиналы для других входных напряжений: 4v (для 2W) и 5.66v (для 4W).

Дотошные читатели наверняка уже заметили, что мы нигде не учитываем входное сопротивление аудиокарты. И дело вот в чём: практически любая звуковая карта изменит сопротивление резистора Z₂, так как фактически будет представлять собой включенное параллельно к нему сопротивление. Что это означает для нас? Означает, что выходное напряжение нашего аттенюатора будет несколько меньше, чем заложенное в расчётах 0.775v (sic!).
«Так значит надо измерить сопротивление линейного входа, делов-то!», — скажете вы. Но всё не так просто: звуковая карта имеет на входе конденсатор — обычным мультиметром входное сопротивление карты не измерить. Здесь понадобится генератор и осциллограф, не у всех они имеются, поэтому в рамках данной статьи мы не учитываем входное сопротивление аудиокарты при расчете.

Однако, на случай, если вы уже знаете сопротивление линейного входа вашей звуковой карты (например, оно указано в спецификации) привожу формулу, учитывающую входное сопротивление аудиокарты при расчете аттенюатора:

где Z_L — сопротивление линейного входа аудиокарты.

Принципиальная схема аттенюатора

В схеме использованы графические обозначения принципиальных схем авторства Сергея Комарова. Рекомендую скачать[5] и использовать.

Конструкция и детали

Нам понадобятся коннекторы типа «бананы» (2шт.) (или другие разъемы, совместимые с вашим усилителем), один RCA-разъем, поворотный переключатель (rotary switch) и ручка к нему (1/4″), а также резисторы (см. номиналы в схеме).
В качестве корпуса мне пришлось купить пластиковый корпус в «Чип и Дипе» за бешенные 90 рублей. Зато он очень подошел по размеру (65х45х22мм).

Выбор поворотного переключателя — дело вкуса. Можно выбрать самый дешёвый китайский, а можно — качественный. Я выбрал 2-ой вариант и заказал дорогущий Grayhill 71BD36-01-1-AJN. Ресурс 50000 поворотов, контакты ротора покрыты золотом (30 microinches — любопытная единица толщины покрытия), «военная приёмка», настоящее американское производство. Я ни разу не агитирую, но ссылку на даташит привожу [4].

Переключатель имеет 10 позиций, но нам понадобятся только три.
В идеале ещё нужен минимум инструментов: линейка или штангенциркуль, дрель, ключи-«многогранники» (чтобы закрепить рукоятку на вал).

Земляную шину лучше сделать из медной моножилы. У меня под рукой не было подходящего диаметра и я свил из медного проводника (22AWG) и облудил её бессвинцовым серебресодержащим припоем.

Резисторы можно взять любые, 1-2 ватта. Идеально выбрать проволочные или фольговые — у них минимальный шум. Я выбрал безиндуктивные проволочные Mills.
Припаивать к контактам очень удобно — у них большой шаг, а корпус переключателя сделан из термопластика и можно не опасаться повредить его горячим жалом паяльника.

После того, как закрепили разъемы и припаяли резисторы, можно закрыть корпус крышкой (я закрепил все детали в половинке корпуса), затянуть гайку переключателя, поставить два самореза (прилагаются к корпусу), закрепить ручку на вал и подписать на корпусе значения входных напряжений.

Финиш! Можно приступать к измерениям, но это уже тема для отдельной статьи.

Источник

Устройства частотной коррекции

В прошлый раз решили, что теперь мы будем знакомиться с корректирующими устройствами. Вот и займёмся устройствами частотной коррекции и другими полезными схемами.

(Продолжение. Начало в #4/2009)

ОТСЕКАЯ ЛИШНЕЕ-4

Устройства и цепи, входящие в состав пассивных фильтров (конечно, если это фильтры соответствующего уровня), можно разделить на три группы: аттенюаторы, устройства частотной коррекции и то, что англоговорящие граждане называют miscellaneous, попросту говоря, «разное».

Аттенюаторы

Поначалу это может показаться удивительным, но аттенюатор является непременным атрибутом многополосной акустики, ибо головки для разных полос не только не всегда имеют, но и не должны иметь одинаковую чувствительность. В противном случае свобода манёвра по частотной коррекции будет сведена к нулю. Дело в том, что в системе пассивной коррекции, чтобы исправить провал, надо «осадить» головку в основной полосе и «отпустить» там, где был провал. Кроме того, в жилых помещениях часто бывает желательно, чтобы пищалка немного «переигрывала» по громкости мидбас или среднечастотник и бас. В то же время «осаживать» басовый динамик выходит накладно в любом смысле — требуется целая группа мощных резисторов, и изрядная часть энергии усилителя уходит на разогрев упомянутой группы. На практике считается оптимальным, когда отдача среднечастотника на несколько (2 — 5) децибел выше, чем у баса, а у пищалки на столько же выше, чем у СЧ-головки. Так что без аттенюаторов не обойтись.

Как известно, электротехника оперирует комплексными величинами, а никак не децибелами, так что мы ими сегодня будем пользоваться лишь отчасти. Поэтому для вашего удобства привожу табличку пересчёта показателя аттенюации (дБ) в коэффициент пропускания устройства.

Итак, если вам нужно «осадить» головку на 4 дБ, коэффициент пропускания N аттенюатора должен быть равен 0,631. Простейший вариант — последовательный аттенюатор — как явствует из названия, устанавливается последовательно с нагрузкой. Если Z_L — средний импеданс головки в области, представляющий интерес, то номинал R_S последовательного аттенюатора определится по формуле:

В качестве Z_L можно брать «номинал» 4 Ом. Если мы из лучших побуждений установим последовательный аттенюатор прямо перед головкой (китайцы, как правило, так и делают), то импеданс нагрузки для фильтра увеличится, и частота среза НЧ возрастёт, а фильтра ВЧ — понизится. Но это ещё не все.

Берём для примера аттенюатор 3 дБ, работающий на 4 Ом. Номинал резистора по формуле (4,1) будет равен 1,66 Ом. На рис. 1 и 2 — то, что получится при использовании фильтра ВЧ на 100 Гц, а также фильтра НЧ на 4000 Гц.

Рис. 1. АЧХ последовательного аттенюатора (ФВЧ)

Рис. 2. То же для ФНЧ

Синие кривые на рис. 1 и 2 — частотные характеристики без аттенюатора, красные — АЧХ с последовательным аттенюатором, включённым после соответствующего фильтра. Зелёная кривая соответствует включению аттенюатора перед фильтром. Единственное побочное явление — смещение частоты на 10 — 15% в минус и в плюс для ФВЧ и ФНЧ соответственно. Так что в большинстве случаев последовательный аттенюатор должен устанавливаться перед фильтром.

Чтобы избежать дрейфа частоты среза при включении аттенюатора, были придуманы устройства, которые у нас называются Г-образные аттенюаторы, а в остальной части мира, где алфавит не содержит волшебной и такой нужной в повседневной жизни буквы «Г», носят название L-Pad. Такой аттенюатор состоит из двух резисторов, один из них, R_S, включается последовательно с нагрузкой, второй, Rp — параллельно. Вычисляются они так:

Для примера берём те же 3 дБ аттенюации. Номиналы резисторов получились такие, как показано на схеме (Z_L опять же 4 Ом).

Рис. 3. Схема Г-образного аттенюатора

Здесь аттенюатор показан вместе с фильтром ВЧ на 4 кГц. (Для единообразия все фильтры сегодня — типа Баттерворта.) На рис. 4 вы видите обычный набор характеристик. Синяя кривая — без аттенюатора, красная — с аттенюатором, включённым до фильтра, и зелёная — с аттенюатором после фильтра.

Рис. 4. Частотные характеристики Г-образного аттенюатора

Как видим, у красной кривой и добротность ниже, и частота среза смещена вниз (у фильтра НЧ она будет смещаться вверх на те же 10%). Так что не надо мудрить — L-Pad лучше включать именно так, как показано на предыдущем рисунке, непосредственно перед головкой. Впрочем, при определённых обстоятельствах перестановкой можно воспользоваться — не меняя номиналы, подкорректировать область раздела полос. Но это уже высший пилотаж… А теперь переходим к «разному».

Другие употребительные схемы

Чаще других в наших кроссоверах встречается цепь коррекции импеданса головки, обычно называемая цепью Цобеля по имени известного исследователя характеристики фильтров. Она представляет собой последовательную RC цепочку, включённую параллельно нагрузке. По классическим формулам

Le = [(Z 2 _L — R 2 e)/2πFo] 1/2 (4.6).

Здесь Z_L — импеданс нагрузки на частоте Fo, представляющей интерес. Как правило, за параметр Z_L, не мудрствуя лукаво, выбирают номинальный импеданс головки, в нашем случае, 4 Ом. Я бы советовал величину R искать по такой формуле:

Здесь коэффициент k = 1,2 — 1,3, всё равно более точно резисторы не подобрать.

Рис. 5. Частотные характеристики фильтра со схемой Цобеля

На рис. 5 вы можете видеть четыре частотные характеристики. Синяя — обычная характеристика фильтра Баттерворта, нагруженного на резистор 4 Ом. Красная кривая — такая характеристика получается, если звуковую катушку представить как последовательное соединение резистора 3,3 Ом и индуктивности 0,25 мГн (такие параметры характерны для сравнительно лёгкого мидбаса). Почувствуйте разницу, как говорится. Чёрным цветом показано, как будет выглядеть АЧХ фильтра, если разработчик не станет упрощать себе жизнь, а параметры фильтра определит по формулам 4.4 — 4.6, исходя из полного импеданса катушки — при указанных параметрах катушки полный импеданс составит 7,10 Ом (4 кГц). Наконец, зелёная кривая — это АЧХ, полученная с использованием цепи Цобеля, элементы которой определены по формулам (4.4а) и (4.5). Расхождение зелёной и синей кривых не превышает 0,6 дБ в диапазоне частот 0,4 — 0,5 от частоты среза (в нашем примере это 4 кГц). На рис. 6 вы видите схему соответствующего фильтра с «Цобелем».

Рис. 6. Схема фильтра с цепью Цобеля

Кстати говоря, когда в кроссовере вы находите резистор номиналом 3,9 Ом (реже — 3,6 или 4,2 Ом), можно с минимальной вероятностью ошибки утверждать, что в схеме фильтра задействована цепочка Цобеля. Но есть и другие схемные решения, приводящие к появлению «лишнего» элемента в схеме фильтра.

Конечно, я имею в виду так называемые «странные» фильтры (Strange Filters), которые отличаются наличием дополнительного резистора в земляной цепи фильтра. Уже хорошо нам известный фильтр НЧ на 4 кГц можно представить в таком виде (рис. 7).

Рис. 7. Схема «странного» фильтра

Резистор R1 с номиналом 0,01 Ом можно рассматривать как сопротивление выводов конденсатора и соединяющих дорожек. А вот если номинал резистора становится существенным (то есть сравнимым с номиналом нагрузки), получится «странный» фильтр. Будем менять резистор R1 в диапазоне от 0,01 до 4,01 Ом с шагом 1 Ом. Полученное семейство частотных характеристик можно увидеть на рис. 8.

Рис. 8. Амплитудно-частотные характеристики «странного» фильтра

Рис. 9. Фазочастотные характеристики «странного» фильтра

Характер поведения графика ФЧХ изменяется начиная с 6 кГц (то есть от 1,5 частот среза). С использованием «странного» фильтра можно плавно регулировать взаимную фазу излучения соседних головок, чтобы добиться желаемой формы общей частотной характеристики.

Теперь в соответствии с законами жанра прервёмся, пообещав, что в следующий раз будет ещё интереснее.

Источник

Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется

При разработке электронных схем обычно приходится решать задачу усиления сигналов – увеличения их амплитуды или мощности. Но бывают ситуации, когда уровень сигнала требуется, наоборот, ослабить. И эта задача не так проста, как кажется на первый взгляд.

Что такое аттенюатор и как он работает

Аттенюатором называется устройство для преднамеренного и нормированного уменьшения амплитуды или мощности входного сигнала без искажения его формы.

Принцип работы аттенюаторов, применяемых в радиочастотном диапазоне – делитель напряжения на резисторах или конденсаторах. Входной сигнал распределяется между резисторами пропорционально сопротивлениям. Самое простое решение – делитель из двух резисторов. Такой аттенюатор называется Г-образным (в зарубежной технической литературе – L-образным). Входом и выходом может служить любая сторона этого несимметричного по схеме устройства. Особенность Г-аттенюатора – низкий уровень потерь при согласовании входа и выхода.

Виды аттенюаторов

На практике Г-аттенюатор используется не так часто – в основном, для согласования сопротивлений входа и выхода. Гораздо шире для нормированного ослабления сигналов применяются устройства П-типа (в зарубежной литературе Pi – от латинской буквы π) и Т-типа. Такой принцип позволяет создавать устройства с одинаковым входным и выходным сопротивлением (но при необходимости можно и с различным).

На рисунке представлены несимметричные устройства. Источник и нагрузка к ним должны подключаться несимметричными линиями – коаксиальными кабелями и т.п. с любой стороны.

Для симметричных линий (витая пара и т.п.) применяются симметричные схемы – их иногда называют аттенюаторами H- и О-типа, хотя это всего лишь разновидности предыдущих устройств.

Добавлением одного (двух) резисторов аттенюатор Т- (H-) типов превращаются в мостовые.

Аттенюаторы выпускаются промышленностью в виде законченных устройств с разъёмами для подключения, но их можно выполнять и на печатной плате в составе общей схемы. Резистивные и емкостные аттенюаторы имеют серьезный плюс – они не содержат нелинейных элементов, что не искажает сигнал и не приводит к появлению в спектре новых гармоник и к исчезновению существующих.

Кроме резистивных существуют и другие виды аттенюаторов. В промышленной технике широко применяются:

Эти типы устройств используются в СВЧ-технике и в световом диапазоне частот. На низких и радиочастотах применяются аттенюаторы на основе резисторов и конденсаторов.

Основные характеристики

Главным параметром, определяющим свойства аттенюаторов, является коэффициент ослабления. Он измеряется в децибелах. Чтобы понять, во сколько раз уменьшается амплитуда сигнала после прохождения ослабляющей цепи, надо коэффициент пересчитать из децибел в разы. На выходе устройства, уменьшающего амплитуду сигнала на N децибел, напряжение будет меньше в M раз:

Формулы достаточно сложны для расчетов в уме, поэтому лучше воспользоваться онлайн-калькуляторами, коих в интернете великое множество.

Для регулируемых устройств (ступенчатых или плавных) указываются пределы настройки.

Другой важный параметр – это волновое сопротивление (импеданс) по входу и выходу (они могут совпадать). С этим сопротивлением связана такая характеристика, как коэффициент стоячей волны (КСВ) – она часто указывается на изделиях промышленного производства. Для чисто активной нагрузки этот коэффициент вычисляется по формуле:

Из остальных важных характеристик надо упомянуть:

Также важен такой параметр, как точность – он означает допустимое отклонение ослабления от номинального. У промышленных аттенюаторов характеристики наносятся на корпус.

В некоторых случаях важна мощность устройства. Энергия, не дошедшая до потребителя, рассеивается на элементах аттенюатора, поэтому критично не допустить перегрузки.

Существуют формулы для расчета основных характеристик резистивных аттенюаторов различной конструкции, но они громоздки и содержат логарифмы. Поэтому для их применения нужен, как минимум, калькулятор. Поэтому для самостоятельного расчета удобнее использовать специальные программы (в том числе, онлайн).

Регулируемые аттенюаторы

На коэффициент ослабления и КСВ влияет номинал всех элементов входящих в состав аттенюатора, поэтому создавать устройства на резисторах с плавным регулированием параметров сложно. Меняя ослабление, надо подстраивать и КСВ и наоборот. Такие задачи можно решить, применяя усилители с коэффициентом усиления меньше 1.

Подобные устройства строят на транзисторах или ОУ, но возникает проблема линейности. Нелегко создать усилитель, не искажающий форму сигнала в широком диапазоне частот. Гораздо шире применяется ступенчатое регулирование – аттенюаторы включаются последовательно, их ослабление складывается. Те цепи, что необходимо – шунтируются (контактами реле и т.п). Так набирается нужный коэффициент ослабления без изменения волнового сопротивления.

Есть конструкции устройств для ослабления сигнала с плавной регулировкой, построенные на широкополосных трансформаторах (ШПТ). Они применяются в любительской связной технике в тех случаях, когда требования к согласованию входа и выхода невысоки.

Плавная настройка аттенюаторов, построенных на волноводах, достигается изменением геометрических размеров. Оптические аттенюаторы также выпускаются с плавной регулировкой затухания, но такие приборы имеют достаточно сложную конструкцию, так как содержат систему линз, оптических фильтров и т.д.

Область применения

Если аттенюатор имеет различные входные и выходные сопротивления, то, кроме функции ослабления, он может выполнять роль согласующего устройства. Так, если надо соединить кабели 75 и 50 Ом, между ними можно поставить рассчитанный соответствующим образом, и вместе с нормированным затуханием можно поправить и степень согласования.

В приемной технике аттенюаторы применяются для исключения перегрузки входных цепей мощными побочными излучениями. В некоторых случаях ослабление мешающего сигнала даже одновременно со слабым полезным сигналом может улучшить качество приема за счёт снижения уровня интермодуляционных помех.

В измерительной технике аттенюаторы могут применяться в качестве развязки — они уменьшают влияние нагрузки на источник эталонного сигнала. Оптические аттенюаторы широко применяются при тестировании приёмо-передающей аппаратуры для волоконно-оптических линий связи. С их помощью моделируют затухание в реальной линии и определяют условия и границы устойчивой связи.

В аудиотехнике аттенюаторы применяются в качестве устройств регулирования мощности. В отличие от потенциометров, они делают это с меньшими потерями энергии. Здесь проще обеспечить плавную регулировку, так как волновое сопротивление не важно – имеет значение лишь ослабление. В телевизионных кабельных сетях аттенюаторы исключают перегрузку входов телевизоров и позволяют сохранить качество передачи независимо от условий приема.

Являясь не самым сложным устройством, аттенюатор находит самое широкое применение в радиочастотных цепях и позволяет решить различные задачи. На СВЧ и оптических частотах эти приборы строят по-другому, и они являются сложными промышленными узлами.

Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы

Что такое резистор и для чего он нужен?

Что такое термистор, их разновидности, принцип работы и способы проверки на работоспособность

Что такое операционный усилитель?

Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Источник