Для меня стало неожиданностью, что наиболее горячие споры при обсуждении моей предыдущей статьи касались в первую очередь возможности применения цифровых сопротивлений в качестве регулятора громкости аудиосигнала в HiFi аппаратуре. Для того чтобы внести в этот вопрос ясность я решил посвятить отдельную статью детальному разбору схемотехники высококачественного регулятора громкости с цепями подавления импульсных помех переключения на основе VDAC AD9252. Кроме схемотехники вы также сможете под катом познакомиться с достигнутыми характеристиками.

Тем, кто не читал мою вчерашнюю статью, в которой разбирались общие вопросы, касающихся цифровых сопротивлений настоятельно рекомендую . Во первых, лучше поймёте о чём собственно идёт речь ниже, а во вторых если вас заинтересовала сегодняшняя тема, то и в ней найдёте интересный для себя материал.

Для того чтобы привести обещанные примеры реальных схем программно управляемых преобразователей величин, перестраиваемых фильтров и других электронных узлов параметры которых можно менять с помощью цифрового сопротивления придётся писать третью статью. Постараюсь сделать это в ближайшем будущем, а пока предлагаю исследовать тянет ли регулятор громкости собранный на основе топового прибора от ADI на применения в HiFi аппаратуре ну хотя бы низшего ценового сегмента.

Представляю попытку создать регулятор громкости на основе одной их топовых микросхем цифровых регуляторов производства ADI, претендующий на звание Hi-Fi.

Для начала приведу общие характеристики, которые удалось выжать. Низкие гармонические искажения. Нормализованная передаточная характеристка. Динамический диапазон регулировки уровня громкости составляет 46 dB. Кроме этого, существует возможность функции MUTE с ослаблением сигнала на 130 dB. В данный режим регулятор входит после перехода регулятора AD5292 в shutdown режим, путём подачи специальной команды. Ну и конечно имеется специальная схема для уменьшения влияния эффекта возникновения режущих слух импульсных помех в момент переключения уровня громкости. Данный эффект наибольшим образом даёт о себе знать именно в логарифмических усилителях потому, что их громкость может меняться скачком в очень широком диапазоне. Для сведения помехи при переключении уровня громкости к минимуму, это переключение необходимо производить при переходе сигнала через ноль.

Регулятор может работать с входным сигналом уровнем вплоть до ±14 вольт (10 V RMS), что обеспечивает хорошие шумовые характеристики. Максимальный ток нагрузки по выходу 20 мА. Управление по SPI интерфейсу. Интерфейс подсоединения микросхемы к управляющему микроконтроллеру не показан, так как является стандартным.

Схема и принцип её работы

Сигнал с входного повторителя поступает на регулятор уровня AD5292 c логарифмической характеристикой. Часть сигнала ответвляется от основного с помощью делителя напряжения на резисторах R4 и R5, нагруженного на ОУ AD8541, который выступает в роли динамической нагрузки формирующей искусственную землю на уровне 1.81 В. Далее сигнал поступает на компараторы U3 и U4, которые формируют “окно” шириной всего в 13 милливольт в районе перехода сигнала через ноль. В момент прохода сигнала через ноль логическим элементом U5A формируется низкий уровень.

Для того, чтобы переключить уровень громкости необходимо записать новые данные в буферный регистр и подать отрицательный фронт на вход SYNC U6. Когда после записи кода мы подаём низкий уровень на нижний вход U5B, он транслируется в уровень переключения значения цифрового сопротивления только в момент прохождения аудиосигнала через “окно ” компараторов. Обратите внимание, что для повышения точности работы вся схема работает только по постоянному току.

Для получения максимально комфортной для уха характеристики регулировки громкости средний вывод цифрового сопротивления шунтируется резистором R8. В результате получаем нормализованную характеристику передачи сигнала, изображённую на рисунке ниже.

Иллюстрация работы схемы уменьшения импульсных помех

Давайте для начала посмотрим что происходит при переключении уровня сопротивления в отключенной схемой подавления импульсных помех.

Вот так выглядит переходной процесс в момент включения звука, который произошёл во время, помеченное нулём.

Для случая переключения звука с одного значения на другое всё может выглядеть ещё хуже.

На следующей картинке изображён результат работы нашей помехогасящей схемы при переходе от большей громкости к меньшей.

Характеристики регулятора

Теперь давайте посмотрим на другие характеристики, которых удалось достичь в нашем регуляторе.

Как справедливо указал уважаемый в комментариях к моей предыдущей статье качество звука достаточно сильно зависит от уровня нечётных гармоник сигнала в усилительном тракте. Для того чтобы показать как на них влияет наш цифровой регулятор давайте рассмотрим результат FFT преобразований сигнала частотой 1 КГц проходящего через схему при “движке потенциометра” установленным в крайнее вернее положение - т. е. коэффициент передачи равен единице.

На мой взгляд характеристики весьма достойные, уровень третьей гармоники ушёл ниже-100 дб, пятой вообще не видно невооружённым глазом. Интересно что скажут наши эксперты по звуку.

Следующий график я привожу специально для хаброюзера извиняюсь за выражение проевшего мне мозг в комментариях к прошлой статье. Надеюсь теперь мы согласитесь со мной, уважаемый, что сопротивление не только 10, но даже 20 килоомного резистора не изменяется на величины порядка десяти процентов на частотах от нуля до 20 КГц при любом выставленном сопротивлении! Фаза сигнала меняется, но на мой взгляд весьма незначительно.

На частоте 1 КГц наша схема обеспечивает общий уровень искажения сигнала на уровне -93 дБ. Зависимость собственного уровня шумов схемы и нелинейных искажений от частоты сигнала при коэффициенте передачи усилителя равном единице изображена на графике ниже.

Вариант схемы для любителей компромиссов.

На этом закончим исследование нашей схемы, а в качестве бонуса предлагаю её упрощённый вариант, с несколько худшими характеристиками, зато с более доступной элементной базой.

А вот осциллограмма процесса переключения уровня громкости на весьма высокой частоте. Как видите без нелинейных искажений в момент переключения не обошлось, но никаких режущих ухо выбросов нет и в помине!

Спасибо дочитавшим до конца. Попробую испытать Ваше терпение чуть дольше. Поскольку я не являюсь специалистом в области «чистого прозрачного звука» и мне трудно оценить качество описанного дивайса, прошу высказать своё мнение в виде ответа на вопрос или в комментариях.

Фото 1. Собранный регулятор

Думаю, каждый, кто занимался сборкой усилителя, сталкивался с выбором регулятора громкости для своего творения. В этой статье я хочу предложить свой вариант решения – цифровой регулятор громкости с опторазвязкой цифровой и аналоговой части.

Это моя первая статья подобного рода, поэтому прошу сильно не ругать. Все началось с того, что я собрал пару довольно приличных колонок. Слушал я их через ресивер Kenwood середины 90-х, который новые колонки тянул плоховато. Встал вопрос о сборке нового усилителя.

Первое, что встречает на своём пути звуковой сигнал в усилителе, это входной буфер и регулятор громкости. С них я и решил начать. Поскольку усилитель планируется довольно большой (моноблок на 4 канала по ~100 Ватт), то размещать переменный резистор на передней панели и тянуть к нему проводку через весь корпус не хотелось, да и 4-канальный переменник ещё найти надо.

Вторая идея – использовать цифровые резисторы. Однако чипы найти оказалось непросто, да и цена у них тоже не маленькая.

Идея третья – взять готовый цифровой аудиопроцессор типа TDA7313. Идея неплохая. Вытравил печатку, запаял, подключил и не понравилось. Что-то со звуком было не то: появился какой-то неприятный окрас. Да и функционал TDA7313 для меня излишен. Регулятор тембра мне не нужен и мультиплексор тоже.

Идея четвертая – регулятор на релюшках, известный как «регулятор Никитина». Не пошёл по причине отсутствия достаточного количества особых реле и точных резисторов.

И решил я придумать чего-нибудь сам.

--
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

Архив версии 1. Прошивка, исходники, модель для Proteus. Стартовая версия, вместо - кнопки. Реализовано только управление регулятором.
▼ 🕗 08/03/14 ⚖️ 91,15 Kb ⇣ 47 Здравствуй, читатель! Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.

Хорош! Халява кончилась. Хочешь файлы и полезные статьи - помоги мне!

KA2250, TDA2030A, TC9153. Желание сделать качественный усилитель возникло давно. Выбор свой остановил на TDA потому, что во-первых у нас только оная МС и есть в продаже (из возможного разнообразия), а во вторых 80 ватт более чем достаточно, ну во всяком случае для меня. Кстати везде пишут, что очень много подделок этих МС, но мне пока не попадалось не ни одной такой (может потому, что до еще не добрались?)

Усилитель мощности ЗЧ TK-1

Почему TK-1? Всё просто УМЗЧ назван по первым буквам микросхем, которые в нем использованы: и KA2250, а 1 - значит "первый".

Идея

Желание сделать качественный усилитель возникло давно. Выбор свой остановил на потому, что во-первых из возможного разнообразия у нас только оная МС и есть в продаже, а во вторых 80 Ватт более чем достаточно, ну во всяком случае для меня.

Кстати везде пишут, что очень много подделок среди TDA, но мне пока не попадалось не ни одной такой. Может потому, что до 7295 еще не добрались? Всего на этой МС к сегодняшнему дню собрано около 10 усилителей.

Сначала был сделан пробный вариант по даташиту, и успешно опробован на S90. Звук порадовал, но чего то не хватало (возможно дело в самих колонках). Однако владельцу S90 всё понравилось и усилители благополучно ушли к другу. Через некоторое время было решено сделать усилитель по измененной схеме.

Измененная схема включения TDA7295

--
Спасибо за внимание!

▼ 🕗 21/09/08 ⚖️ 8,7 Kb ⇣ 273 Здравствуй, читатель! Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.

Хорош! Халява кончилась. Хочешь файлы и полезные статьи - помоги мне!

--
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

Дополнение от Датагора

О бэкапе уровня громкости

Бэкап состояния микросхемы регулятора громкости возможен. Т.е. выставленный уровень будет сохраняться между включениями усилителя и не будет сбрасываться в ноль.
Такое возможно и опробовано на оригинальной Тошибовской микросхеме TC9153AP. За аналог типа KA2250 не ручаюсь. Опробуйте и отпишитесь в комментах.

Итак, TC9153AP имеет управляющий вход 7 (INH). Необходимый для нормальной работы высокий уровень (лог.1) на нём обеспечивается делителем напряжения на резисторах 10 Ком / 51 Ком. Снятие высокого логического уровня переводит МС в режим отключения и минимального потребления энергии.

Это позволяет использовать для сохранения установленной громкости обычный конденсатор большой ёмкости, подключенный в схему питания МС.
Диод необходим для предотвращения разрядки конденсатора через прочие цепи. Резистор ограничивает ток разрядки конденсатора, продляя "срок жизни" настроек. Настройки сбросятся в ноль, как только напряжение в точке VDD упадет ниже 4,0 Вольт.

Номиналы питающего кондёра и резистора подберите экспериментально. Например, 1000 мкФ и 4,7 - 10 Ком. Пробуйте!

О сбоях регулятора и ошибочном решении

Ошибочно пытаться увеличивать ёмкость С3, что пытается проделать Иван. Конденсатор С3 определяет частоту внутреннего генератора МС, т.е. скорость регулирования. И увеличение его ёмкости до 220Мкф может привести к неработоспособности схемы.

Вероятнее сбои происходят из-за немного неверного схемного решения.

Дело в том, что номинальное напряжение питания чипа TC9153AP лежит в пределах от 6 Вольт (min!) до 12 Вольт (max!), 9 Вольт - идеально. А в приведенной схеме что-то странное наворочено по питанию! Посмотрите, линейный стабилизатор на 5 В, потом всё давится стабилитроном на 4,7 В. В итоге, МС питается экстремально низким напряжением, за абсолютным минимумом.

Всем удачи, Игорь.

Читательское голосование

Статью одобрили 14 читателей.

Для участия в голосовании зарегистрируйтесь и войдите на сайт с вашими логином и паролем.

На микросхеме TDA1552 для управления звуком? Обычный сдвоенный резистор. А если у нас квадровключение на 4 канала? Кто-то подсказывает - счетверённый регулятор:) А если мы собрали домашний кинотеатр на 6 каналов? Тут уже в бой вступают сложные и дорогостоящие электронные регуляторы громкости на специализированных микросхемах. И такой узел по сложности и цене может превосходить сам усилитель. Тем не менее есть простой выход, как реализовать функцию управления громкостью всего на одном транзисторе. Предлагаемая ниже схема из журнала радиолюбитель, позволяет одним переменным резистором управлять громкостью сразу нескольких каналов.

На одной схеме показан один канал ргулятора громкости, а на другой - сразу 4 канала. Естественно их может быть и 5, и 10. Суть метода заключается в том, что подавая на базу транзистора положительный потенциал через резистор, транзистор открывается и шунтирует вход УНЧ - громкость снижается.

С этой схемой был проведён ряд экспериментов. Выяснилось, что питание базы можно брать начиная от 1,5В. Максимальный предел напряжения определяется ограничительным резистором на 1кОм. Если мы нашли в допустим 12В, то и резистор надо увеличить до безопастных для базового тока 30кОм. Ток потребления базовой цепи в открытом состоянии - несколько миллиампер. В общем подберёте.

В открытом состоянии транзистора, возможно будет слышен очень тихий звук из-за падения напряжения на кремниевом кристалле. Чтоб молчание было полным - нужно использовать германиевый транзистор типа МП36 - МП38.

Конденсаторы на входе и выходе электронного регулятора громкости используют неполярные. Транзистор ставим любой маломощный Н-П-Н, типа КТ315, КТ3102, С9014 и т.д. Переменный резистор для электронного регулятора на сопротивление в пределах 10-100кОм. Желательно с линейной характеристикой.

При замыкании движка на массу, все транзисторы закроются и громкость станет максимальной. Перемещая движок к плюсу питания, мы понемногу открываем транзисторы и звук станет затихать. Резистором, что подключен к плюсу питания, выставляем плавность изменения громкости по всему повороту резистора. Чтоб не было так, когда уже после половины поворота громкость исчезла и дальше крутим напрасно. Использование данного электронного регулятора громкости с одной стороны немного увеличит уровень шумов, но с другой - снизит наводки на провода, так как теперь нет необходимости тянуть два раза экранированный провод от выхода предварительного усилителя до входа усилителя мощности.

В большинстве регуляторов громкости низкочастотного сигнала используют аналоговые плавные регуляторы на базе операционных усилителей или транзисторных схем. В ряде регуляторов применяют прин­цип дискретного управления величиной выходного сигнала, причем дискретность установки уровня выбирается, как правило, равной 3 дБ. Это обусловливается тем, что такой дискрет уровня удобен для про­слушивания музыкальных программ. Однако для качественной пере­записи фонограмм требуется изменение уровня сигнала в меньшем диапазоне. Один из возможных путей преодоления этих труднос­тей - применение преобразователей код-напряжение, коммутируемых электронными переключателями. Но в этом случае неоправданно воз­растают габаритные и стоимостные показатели такого узла. Немало­важное значение имеют и показатели надежности и трудоемкости нала­дочных работ изготовляемого узла. Более простой путь решения этого вопроса - использование микроэлектронных цифроаналоговых преобра­зователей, например, серии 572. Эта серия обладает низкой потреб­ляемой мощностью, совместимостью со стандартными ТТЛ и К.МОП уровнями, возможностью работы от одного источника питания.

В предлагаемом регуляторе громкости изменение уров­ня сигнала осуществляется посредством схемы управле­ния, построенной с использованием устройства управле­ния реверсивным цифровым счетчиком. Изменяемый цифровой код подается на входы цифроаналогового преобразователя со схемой коррекции. Для контроля за изменением цифрового кода, а следовательно, и уровнем выходного сигнала служит схема индикации, построенная на реверсивном счетчике и дешифраторе двоичного кода в семисегментный код светодиодных матриц.

Рис. 1. Принципиальная схема регулятора

Принципиальная схема регулятора изображена на рис. 1. Регулятор позволяет изменять уровень выходного сигнала и в ых в интервале частот от 20 Гц до 150 кГц с коэффициентом гармоник не более 0,01 % при входном сигнале 1 В. Шаг изменения уровня сигнала соответ­ствует значению 50 мВ. Выходное напряжение изменяется от 0 до 5 В. Неравномерность АЧХ устройства в полосе частот от 20 Гц до 150 кГц не более ±0,5 дБ. Величина выходного напряжения индицируется цифровым кодом на табло двух семисегментных индикаторов типа АЛС 333 Б. Изменение уровня сигнала осуществляется с помощью двух кнопок «Pf» и «F|». Собственно преобразователь уровня сигнала собран на 10-разрядном умножающем ЦАП К572ПА1А, который является универсальным струк­турным звеном ЦАП и управляется цифровым кодом. Все элементы ЦАП выполнены в одном кристалле, разме­щенном в 16-выводном металлокерамическом корпусе. В состав кристалла входят: прецизионная резистивная матрица R-2R, токовые ключи на МОП транзисторах и входные инверторы, обеспечивающие управление клю­чами от стандартных уровней цифрового сигнала. Микро­схема работает с прямым параллельным двойным кодом. Для ее функционирования необходимы: внешний источ­ник опорного напряжения, роль которого выполняет входной сигнал звуковой частоты (вывод 15 - вход) и вы­ходной операционный усилитель DA1, который подключа­ется инвертирующим входом к выводу 1 DD10 и тем самым обеспечивается отрицательная обратная связь, и двоичный закон распределения токов в ветвях резистивной матри­цы при равенстве потенциалов выводов 1 и 2 DD10. Неин­вертирующий вход ОУ соединен с выводом 2 и 3 на «землю» (аналоговую). Отличительная особенность схемы данного ОУ заключается в возможности поддержания с высокой точностью большого значения коэффициента усиления при замкнутой цепи отрицательной обратной связи. Малые температурные дрейфы обеспечиваются внутренним включением входных транзисторов дифферен­циального каскада ОУ. Балансировка симметричности работы усилителя осуществляется за счет резистора R26, который позволяет получить симметричную характерис­тику усиления и снизить коэффициент нелинейных искаже­ний.

Отличительной особенностью ЦАП К572ПА1А являет­ся возможность его работы в режиме независимости сопротивления открытых МОП транзисторов от амплитуды и направления протекающего тока, что позволяет изме­нять входное напряжение по амплитуде в широких пределах без нарушения линейности преобразования. Максимальное значение амплитуды переменного напря­жения 5 В.

Управление токовыми ключами осуществляется реверсивными счетчиками DD8 и DD9, которые по­лучают импульсы изменения состояния от устройства управления счетчиком DD1 - DD3 При кратковременном нажатии на кнопку «Ff» («F|») переключается триггер на элементах DD1.1,DD1.2 (DD2.1, DD2.2). Короткий отрицательный импульс, сформированный дифференци­рующей цепью C1R21 (C2R22), через элементы DD1.3, DD1.4 (DD2.3, DD2.4) воздействует на вход +1 (- 1) микросхем DD8, DD6 и переводит реверсивные счетчики в состояние, соответствующее большему (меньшему) на единицу числу. Выходные сигналы счетчика переключают входы DD10, увеличивая или уменьшая выходной сигнал. Состояния счетчиков DD6, DD7 дешифруются микросхе­мами DD4, DD5 и отражаются на индикаторах. Так как выход микросхемы DD7 (> 9<) соединен со входом С этой микросхемы и одноименными входами DD8, DD9, а выход < 0> - через инвертор DD3.4 с их входами Ro, то при достижении состояний, соответствующих чис­лам 99 (при нажатой «Ff») и 00 (при нажатой «FJ»), счетчик останавливается. При длительно нажатой кнопке «Ff» или «FJ» на выходе элемента DD3.1 устанавли­вается уровень логической 1 и конденсатор С4 начинает заряжаться через резистор R24. В момент, когда напряже­ние на конденсаторе достигает уровня логической 1 (при­мерно через 1,3 с), включается генератор на элементах DD3.2, DD3.3, и его импульсы с частотой около 8… 12 Гц следуют через элементы DD1.3, DD1.4 (DD2.3, DD2.4) и также поступают на выход -f- 1 { - 1) микросхемDD6, DD8, непрерывно изменяя состояние счетчиков DD6 - DD9, в сторону увеличения (уменьшения) соответствую­щего ему числа до предельного значения. Импульсы управления счетчиком одновременно поступают на узел индикации, который выполнен на счетчиках DD6,DD7, дешифраторах DD4, DD5 и светодиодных матрицах.

В электронном регуляторе использованы постоянные резисторы МЛТ-0,125; подстроечный резистор R26 СПЗ-19а; конденсаторы С1, С2 - КМ5, СЗ - С5 - К52-16.

Вместо указанных на схеме деталей можно использо­вать: АЛС324Б (HG1, HG2); КД102А - В, КД520А, КД521, КД522 (VD1); К50-16 (СЗ, С5); 140УД20, 140УД6, 140УД7, 140УД8, 153УД1, 574 УД 1, 574УД2 (DA1). Вместо всех микросхем 155 серии можно исполь­зовать 133 серию, но тогда придется внести небольшую корректировку, которая заключается в применении сов­местно с микросхемами 133 серии переходных колодок. Колодки содержат печатные дорожки под 133 серию, а дорожки контачат с колами, выведенными с противо­положной стороны колодки и имеющими расположение размеров выводов 155 серии. Колодки с распаянными микросхемами и колами вставляются в отверстия, пред­назначенные для микросхем 155 серии в плате и про­паиваются.

Все детали размещены на плате из фольгированно-го стеклотекстолита СФ1-1,5. Монтаж перемычек на пла­те выполнен проводом МГТФ или ШБПВЛ. Чертеж печатной платы показан на рис. 2, а расположение элементов на ней - на рис. 3.

Налаживание регулятора начинают с проверки монтажа, затем проверяется работа счетчиков: при каж­дом нажатии на кнопку «Ff» или кнопку «FJ» показание индикаторов должно соответственно увеличиваться или уменьшаться на единицу. При длительном нажатии на эти же кнопки показания индикаторов должны нарастать или убывать до тех пор, пока они не окажутся рав­ными 99 или 00. Работоспособность счетчиков указы­вает на работоспособность всей схемы управления.

Потенциальные возможности ЦАП 572ПА1А в данной схеме используются не полностью, так как он способен обеспечить 256 ступеней регулировки уровня громкости, но они ограничены до 100 ступеней двухразрядным деся­тичным индикатором. Недостаток, связанный с линей­ным законом регулирования уровня громкости, компен­сируется большим количеством ступеней регулировки и возможностью быстрой регулировки при длительном на­жатии кнопки.

Начальное состояние регулятора при включении пи­тания соответствует нулевому уровню благодаря подключению выводов Д1, Д2, Д4 и Д8 микросхем DD6 - DD9 к «земле».

Питание электронного регулятора громкости осу­ществляется от двух источников. Операционный усилитель DA1 питается от двуполярного источника напряжения ± 5 В с током потребления 15 мА. Остальные элементы регулятора питаются от источника с напряжением 5 В с током потребления 350 мА. Допустимая пульсация напряжений источников питания не должна превышать 5 мВ.

Рис. 2. Чертеж печатной платы

Рис. 3. Расположение элементов на плате

Литература

• В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 104/ Б. Колобов