VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS
VSTUPNÍ OBVODY PRO AKTIVNÍ DVOUPÁSMOVOU REPRODUKTOROVOU SOUSTAVU
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS
AUTOR PRÁCE AUTHOR
BRNO 2013
FILIP HANÁK
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS
VSTUPNÍ OBVODY PRO AKTIVNÍ DVOUPÁSMOVOU REPRODUKTOROVOU SOUSTAVU INPUT CIRCUITS FOR BI-AMP LOUDSPEAKER SYSTEM
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS
AUTOR PRÁCE
FILIP HANÁK
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2013
Ing. JIŘÍ SCHIMMEL, Ph.D.
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací
Bakalářská práce bakalářský studijní obor Teleinformatika Student: Ročník:
Filip Hanák 3
ID: 134308 Akademický rok: 2012/2013
NÁZEV TÉMATU:
Vstupní obvody pro aktivní dvoupásmovou reproduktorovou soustavu POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Realizujte jednoduchý kmitočtový korektor a vstupní zesilovač podle vlastního návrhu pro aktivní dvoupásmovou reproduktorovou soustavu. Kmitočtový korektor bude umožňovat regulaci výšek a hloubek. Vstupní obvody budou disponovat analogovým vstupem a digitálním vstupem signálu S/PDIF s možností volby přehrávaného kanálu nebo mono režimu a budou vybaveny regulací citlivosti. Dále navrhněte aktivní reproduktorovou výhybku pro dvojici reproduktorů B&C 8PS21 a ME10 umístěných v bassreflexové ozvučnici s objemem 20 l a plochou nátrubku 0,75 m2. Návrh výhybky a korekci jejích parametrů proveďte na základě simulace a měření modulové kmitočtové charakteristiky soustavy z hlediska jejího maximálního vyhlazení. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] SELF, D. Small Signal Audio Design. Focal Press 2010. ISBN 978-0-240-52177-0 [2] TOOLE, F., E. Sound Reproduction, The Acoustics and Psychoacoustics of Loudspeaker and Rooms. Focal Press, 2009. ISBN 978-0-240-520094 [3] TOMAN, K. Reproduktory a reprosoustavy. Ing. Kamil Toman, Orlová, 2003. Termín zadání:
11.2.2013
Termín odevzdání:
5.6.2013
Vedoucí práce: Ing. Jiří Schimmel, Ph.D. Konzultanti bakalářské práce:
prof. Ing. Kamil Vrba, CSc. Předseda oborové rady UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.
ABSTRAKT Práce je zaměřena na návrh vstupních obvodů pro aktivní reproduktorovou soustavu. Je zde popsána teorie návrhu vstupních obvodů jako jsou útlumový článek, dolní propust, předzesilovač, baxandallův korektor a S/PDIF. Na základě popsané teorie jsou zvoleny optimální konstrukce a jejich následný návrh. Komplexní návrh vstupních obvodů reproduktorové soustavy je navržen tak, aby bylo dosaženo nízkého akustického zkreslení.
KLÍČOVÁ SLOVA S/PDIF, baxandallův korektor, předzesilovač, dolní propust, horní propust, útlumový článek
ABSTRACT The work focuses on the design input circuits for active speaker system. There is described the theory design input circuits such as attenuator pads, low pass filter, preamplifier, Baxandall tone control and S / PDIF. Based on the theory described are selected optimal designs and their subsequent draft. Complex design of the input circuit for loudspeaker system is designed to achieve a low acoustic distortion sound.
KEYWORDS S/PDIF, Baxandall tone control, preamplifier, low pass filter, high pass filter, attenuator pad
HANÁK, Filip Vstupní obvody pro aktivní dvoupásmovou reproduktorovou soustavu: bakalářská práce. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací, 2013. 58 s. Vedoucí práce byl Ing. Jiří Schimmel, Ph.D
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma „Vstupní obvody pro aktivní dvoupásmovou reproduktorovou soustavu“ jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a/nebo majetkových a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení S 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů, včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb.
Brno
...............
.................................. (podpis autora)
PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval vedoucímu bakalářské práce panu Ing. Jiřímu Schimmelovi, Ph.D. za odborné vedení, konzultace, trpělivost a podnětné návrhy k práci.
Brno
...............
.................................. (podpis autora)
Faculty of Electrical Engineering and Communication Brno University of Technology Purkynova 118, CZ-61200 Brno Czech Republic http://www.six.feec.vutbr.cz
PODĚKOVÁNÍ Výzkum popsaný v této bakalářské práci byl realizován v laboratořích podpořených z projektu SIX; registrační číslo CZ.1.05/2.1.00/03.0072, operační program Výzkum a vývoj pro inovace.
Brno
...............
.................................. (podpis autora)
OBSAH Úvod
11
1 Vstupní citlivost 1.1 Signálové úrovně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Citlivost vstupů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Návrh útlumového článku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12 12 12 13
2 Předzesilovač 2.1 Symetrický signál . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Nesymetrický signál . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Návrh sumačního předzesilovače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15 15 16 16
3 S/PDIF 3.1 Obvod digitálního rozhraní . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Obvod D/A převodníku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 S/PDIF signál . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18 18 18 19
4 Blok výběru vstupu
21
5 Stavitelný předzesilovač
23
6 Korektor 24 6.1 Baxandallův korektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 6.2 Baxandallův dvou-kondenzátorový korektor . . . . . . . . . . . . . . 25 6.3 Návrh korektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 7 Výhybka 27 7.1 Dvoupásmová výhybka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 8 Praktická část 8.1 Simulace výhybky . . . . . . . . . . . . 8.1.1 Paramery simulace výhybky . . 8.2 Simulace vstupních obvodů . . . . . . . 8.2.1 Buzení symetrickým signálem . 8.2.2 Buzení výstupem S/PDIF bloku
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
28 28 30 31 31 31
9 Závěr
32
Literatura
33
Seznam symbolů, veličin a zkratek
34
Seznam příloh
35
A Blokové schéma
36
B Schéma zapojení 37 B.1 Celkové schéma vstupních obvodů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 B.2 S/PDIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 C Osazovací výkres 39 C.1 Vstupní obvody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 C.2 S/PDIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 D Desky plošných spojů 41 D.1 Vstupní obvody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 D.2 S/PDIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 E Simulace E.1 Schémata simulací . . . . . . E.2 Buzení symetrickým vstupem E.3 Buzení S/PDIF vstupem . . E.3.1 frekvence 1kHz . . . . E.3.2 frekvence 3kHz . . . . E.3.3 frekvence 5kHz . . . . E.4 Výhybka . . . . . . . . . . . F Seznam součástek
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
43 43 44 47 47 50 53 56 57
SEZNAM OBRÁZKŮ 1.1 2.1 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 5.1 6.1 7.1 8.1 8.2 A.1 B.1 B.2 C.1 C.2 C.3 C.4 D.1 D.2 D.3 D.4 E.1 E.2 E.3 E.4 E.5 E.6 E.7 E.8 E.9 E.10 E.11 E.12 E.13 E.14
Útlumový článek U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Symetrizační blok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struktura digitálního signálu - sub-ramec[7] . . . . . . Struktura digitálního signálu - blok[7] . . . . . . . . . . Dvoufázové kódování . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Přepínač vstupů a signalizace volby . . . . . . . . . . . Sumační zesilovač . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulace úrovně signálu . . . . . . . . . . . . . . . . . Baxandallův dvou-kondenzátorový korektor . . . . . . Horní a dolní propust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma simulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Graf srovnání přenosových funkcí jednotlivých propustí Blokové schéma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma vstupních obvodů . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma S/PDIF obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . Vstupní obvody - TOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vstupní obvody - BOTTOM . . . . . . . . . . . . . . . S/PDIF - TOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S/PDIF - BOTTOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vstupní obvody - TOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vstupní obvody - BOTTOM . . . . . . . . . . . . . . . S/PDIF - TOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S/PDIF - BOTTOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Měření úrovní signálu vstupních obvodů . . . . . . . . Symetrický signál (f=1 [kHz], A=1 [V]) . . . . . . . . . Symetrický signál (f=3 [kHz], A=1 [V]) . . . . . . . . . Symetrický signál (f=5 [kHz], A=1 [V]) . . . . . . . . . S/PDIF (f=1 [kHz], A=2,1 [V]) kanál L . . . . . . . . S/PDIF (f=1 [kHz], A=2,1 [V] kanál P) . . . . . . . . S/PDIF (f=1 [kHz], A=2,1 [V]) kanál L+P . . . . . . . S/PDIF (f=3 [kHz], A=2,1 [V]) kanál L . . . . . . . . S/PDIF (f=3 [kHz], A=2,1 [V] kanál P) . . . . . . . . S/PDIF (f=3 [kHz], A=2,1 [V]) kanál L+P . . . . . . . S/PDIF (f=5 [kHz], A=2,1 [V]) kanál L . . . . . . . . S/PDIF (f=5 [kHz], A=2,1 [V] kanál P) . . . . . . . . S/PDIF (f=5 [kHz], A=2,1 [V]) kanál L+P . . . . . . . Modulová kmitočtová charakteristika . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13 17 19 19 20 21 22 23 25 27 28 29 36 37 38 39 39 40 40 41 41 42 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56
SEZNAM TABULEK F.1 Seznam součástek pro vstupní obvody . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 F.2 Seznam součástek pro S/PDIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
ÚVOD V bakalářské práci je snahou co nejvíce přiblížit návrh a konstrukci vstupních obvodů pro bi-amp reproduktorovou soustavu. Což zahrnuje jednak vstupní obvody pro symetrický signál, tak i obvody pro dekódování S/PDIF digitálního audio signálu. V úvodních kapitolách je teoreticky popsána problematika úrovní signálu a s ní související citlivost vstupů, to je doplněno teorií a návrhem útlumového článku. Dále je věnován prostor problematice předzesilovačů a s ní související symetrii signálu. Poté je třeba zmínit téma dolní propusti a symetrizace signálu. Téma zabývající se přenosem zvuku pod záštitou S/PDIF protokolu. Popis jednotlivých integrovaných obvodů obstarávajících příjem, regeneraci a demodulaci signálů procházejících těmito obvody. Pro úplnost je třeba popsat strukturu signálu S/PDIF jako takového. Univerzálnost celku vstupních obvodů je tvořena možností mezi přijatými signály volit a tuto volbu indikovat. Pro signály přicházející z bloku S/PDIF i možnost součtu obou kanálů. Zvolený signál je poté zesílen zesilovačem s variabilním zesílením pro optimální buzení následujích obvodů. Takovým obvodem je obvod korekcí, ten je popsán jednak teoreticky tak i praktický návrh tohoto korektoru. Po této úpravě signálu, už jen třeba ho vhodně rozdělit do jednotlivých reprodutorů. Což je umožněno obvodem výhybky, ten se stará jednak o již zmíněné rozdělení frekvence, ale i zvýšení případně snížení výstupní úrovně pro jednotlivé reproduktory. Navržené obvody je třeba testovat a vyrobit. Jednotlivé obvody jsou simulovány postupně za užití různých budících signálů to vše je porté přehledně uvedeno do grafů.
11
1
VSTUPNÍ CITLIVOST
Pro přehlednost popisu jsem se rozhodl vytvořit blokové schéma A.1 celého vstupního obvodu. V následujících kapitolách popíši jednotlivé bloky. A pro úplnost přikládám schéma zapojení, které je opět rozděleno na dvě části a to vstupní obvody s korekcemi B.1 a samostatný blok S/PDIF B.2.
1.1
Signálové úrovně
Námi používané signály mikrofonní, linkový a jejich derivace. Ty mohou být způsobené nastavením výstupu zdrojového zařízení, nebo útlumem na vedení a konektorech to platí zejména pro linkovou úroveň na velké vzdálenosti. U mikrofonní úrovně se spíše setkáme s odchylkami způsobenými konstrukčními rozdíly v mikrofonech. Mikrofonní úroveň lze definovat jako nízkou rozprostírá se od stavu bez signálu do -20 dB což odpovídá 77,5 mV. Řadí se sem výstupy mikrofonů, kytarových snímačů a magnetofonových hlav. Přes fakt, že některé mikrofony mohou dosáhnout vyšších úrovní při vysokých hladinách zvuku a vysoce citlivé kytarové snímače se dostanou na úroveň až o 20 dB vyšší je daný rozsah stále platný. Linkovou úroveň definujeme jako střední. Její rozsah se rozprostírá od -20 dB až do +30 dB korespondující s hodnotou 24,5 V. Tato úroveň se vyskytuje zejména na výstupech předzesilovačů, mixpultů a většině vstupů a výstupů zařízení pro zpracování audio signálu. Mohou to být různé limitery, kompresory, zpožďovače, ekvalizéry a ostatní. Jinak řečeno lze sem zahrnout téměř všechny výstupní úrovně vyjma výkonových zesilovačů.[1]
1.2
Citlivost vstupů
Pro zajištění širokého spektra úrovní vstupních signálů od mikrofonní po linkovou je nutné zařadit útlumový článek takzvaný PAD. PAD je pouze zapojení rezistorů pro dosažení potřebného útlumu a by nedošlo k přebuzení předzesilovače. Používá se mnoho zapojení například L, T, přemostěné T. Co je však důležité podotknout všechny mají i svoji symetrickou variantu.[2]
12
1.3
Návrh útlumového článku
Námi navrhovaný článek je určen pro symetrický vstup s čímž je nutno počítat již při výběru typu. Vybral jsem zapojení typu L respektive U pro jeho jednoduchost návrhu, ale i snadné výřazení z obvodu dvojitým přepínačem.
R1 7,5k Vstup +
Výstup +
R3 1k
Dvojtý přepínač S1 Výstup -
Vstup R2 7,5k
Obr. 1.1: Útlumový článek U Před začátkem samotného návrhu je nejprve třeba uvědomit si, o kolik dB chceme snížit úroveň signálu. V případě našeho článku bude snížení úroveně o 24 dB dostačující. Výpočet hodnot obvodových prvků započneme výpočtem konstanty k. Vzorec 1.1 pro její výpočet je odvozen z obecné rovnice na přepočet dB.
𝑑𝐵 24 . 𝑘 = 10 20 = 10 20 = 15, 8489 = 16
dB je požadovaná hodnota útlumu
13
(1.1)
Hodnotu 𝑘 lze také nalézt v tabulkách na různých audio konstruktérských webových stránkách. Jejich hodnota závisí na vstupní impedanci, útlumu a typu útlumového článku. To však není náš případ. Protože budeme připojovat zařízení s různou výstupní impedancí zvolil jsem neutrální hodnotu R3 = 1 kΩ. Zapojení je symetrické a proto musíme přepočítat hodnotu rezistoru R1,2 spočítanou pomocí 1.2, přepočítat dle vzorce 1.3.
𝑅1, 2 = 𝑅3*(𝑘 − 1) = 1000*(16 − 1) = 15000 Ω
(1.2)
R1,2 je hodnota série rezistorů R3 rezistor připojený paralelně
𝑅1 = 𝑅2 =
15000 𝑅1, 2 = = 7500 Ω 2 2
(1.3)
Zaokrouhlením 1.1 k na celé číslo získáme hodnoty, které se nacházejí přímo v námi preferované řadě E 24. Zaokrouhlením došlo pouze k minimální změně útlumu a to na 24,082 dB. Pro univerzálnost vstupu je celý blok útlumového článku přemostitelný dvojitým přepínačem S1. Tím nám vznikl snadno zařaditelný útlumový článek s útlumem 24 dB. Který zařadíme vždy před připojením signálu linkové úrovně.
14
2
PŘEDZESILOVAČ
Předzesilovač zpracovává a upravuje vstupní signál. A to zesílením či zeslabením signálu, odfiltrováním vysokofrekvenčního rušení a převedení symetrického signálu na nesymetrický pro zjednodušení dalšího zpracování signálu. V počátcích jeho vývoje byl určen pro gramofonovou přenosku, dnes si však našel cestu snad do všech vstupních obvodů pro jeho jednoduchou implementaci.
2.1
Symetrický signál
Symetrický signál potřebuje pro svůj přenos kabel se třemi vodiči nejlépe však v provedení dvou signálových vodičů se společným stíněním. Jeden vodič označujeme znaménkem + nebo označením „HOT“, druhý pak - či „COLD“ a třetí vodič reprezentuje stínění, nebo jak je užíváno ve schématu „GND“. Na obou signálových vodičích se objevuje rušení se stejnou fází. Oba vodiče jsou přivedeny přes dolní propusti s mezním kmitočtem přibližně 85 kHz, pro odfiltorvání nežádoucího vysokofrekvenčního rušení. Takto z horní strany omezený signál přivádíme na symetrický vstup operačního zesilovače. Ten provádí převod symetrického signálu na nesymetrický, sečtením užitečných signálů a odečtením rušivých signálů. Skrze nedokonalost operačních zesilovačů a drobných fázových odchylek v rušivém signálu se na výstupu objevuje zbytkové rušení, které je však několikanásobně menší než bylo v jednotlivých větvích vstupu. Proto se symetrické vedení používá při vedení signálu na dlouhé vzdálenosti a v profesionálních aplikacích pro dosažení maximálních výsledků.[10]
15
2.2
Nesymetrický signál
Přenos nesymetrického signálu probíhá po dvou vodičích, z čehož jeden je tvořen signálovým vodičem a druhý zpravidla stíněním. Při nedostatečné kvalitě stínění rušivý signál proniká indukcí na oba vodiče ve stejné polaritě a přenáší se dále do obvodů. V nejhorším případě se dostane až k reproduktorům. Znepříjemňuje poslech různým brumem a šumem. Omezit dopad rušení může použítí co možná nejkratších vodičů s nízkou impedancí a kvalitním stíněním. Rušení se však nedá zabránit a do jisté míry pronikne vždy do přenášeného signálu. Proto, se vedení používá jen pro nenáročné aplikace do tří metrů[3], kam spadají i signálové cesty na desce plošných spojů.
2.3
Návrh sumačního předzesilovače
Ze schématu 2.1 lze pozorovat, že předzesilovač je tvořen z několika částí a to již zmíněné dolní propusti, vhodně zapojeného operačního zesilovače jako sumační článek a předzesilovače. Společné jádro všech částí je ultra-nízkošumový operační zesilovač NE5532 napájeného stejnosměrným symetrickým napětím ± 15 V. Symetrický signál je přiváděn na vstup operačního zesilovače přes rezistory R6, R7, které chrání operační zesilovač před zkratem na vstupních konektorech. Operační zesilovač odčítá dva stejné signály fázově otočené o 180∘ , to má za následek změnu matematického procesu a signály se sčítají. Tímto procesem se na výstupu objeví signál s dvakrát větší amplitudou než má vstupní signál, což odpovídá zesílení 6 dB 2.1.
𝐴𝑈 =
2 * 𝑈𝐼𝑁𝐻𝑂𝑇 𝑈𝑂𝑈 𝑇 = =1 𝑈𝐼𝑁𝐻𝑂𝑇 − 𝑈𝐼𝑁𝐶𝑂𝐿𝐷 𝑈𝐼𝑁𝐻𝑂𝑇 − (−𝑈𝐼𝑁𝐻𝑂𝑇 )
(2.1)
V kladné zpětné vazbě je vložen odporový dělič, který je tvořen dvojicí odporů R8 a R21 a jejich poměr určuje hodnotu zesílení. V případě našeho děliče je zesílení nastaveno 2.2 na 24 dB.
𝑉𝑂𝑈 𝑇 = −
𝑅21 *𝑉𝐼𝑁 𝑅8
16
(2.2)
Znaménko mínus indikuje otočení fáze signálu o 180∘ [4]. To však můžeme zanedbat, protože zde již pracujeme s nesymetrickým signálem, který je určený pro jednokanálovou soustavu. Stále, ale musíme pohlídat, že signál vstupující do obou reproduktorů má stejnou fázi. Toho docílíme stejným počtem průchodů signálu přes operační zesilovače. Kondenzátory C3 a C4 ve spojení s rezistory R9 a R10 tvoří dolní propusti. Jedna tato dolní propust je připojena na zápornou zpětnou vazbu předzesilovače a druhá je připojena na kladný vstup zesilovače, kde pracuje proti zemi. Z hodnot kondenzátoru a rezistoru leze vypočítat podle 2.3 mezní frekvenci dolní propusti.
𝑓0 =
1 1 . = = 88419, 413 𝐻𝑧 = 88, 5 𝑘𝐻𝑧 4 2𝜋𝑅𝐶 2𝜋 * 1 * 10 * 18 * 10−12
(2.3)
Výpočtem 2.3 jsme zjistili 𝑓0 , to je frekvence při které úroveň signálu klesne o 3 dB, což odpovídá 29 %. Tím si zajistíme stabilní přenosovou charakteristiku v celém slyšitelném pásmu od 20 Hz až do 20 kHz. Na frekvenci 20 kHz zaznamenáváme pouze minimální pokles a to 0,1 dB, což je zanedbatelné.
R8 1k
Vstup -
C3 18p
R9 100k
Vstup +
R21 24k
Nesymetrický výstup
+
IC1B
-
NE5532
R10 100k C4 18p
Obr. 2.1: Symetrizační blok
17
3
S/PDIF
Blok S/PDIF komunikace B.2 je tvořen dvěma samostatnými integrovanými obvody. Obvod WM8804 zajišťuje příjem a regeneraci signálu do výstupního konektoru. V obvodu WM8524 provádí převod digitálního S/PDIF signálu na analogový stereofonní signál.
3.1
Obvod digitálního rozhraní
WM8804 je vysoce výkonný S/PDIF transcever s podporou jednoho přijímaného a jednoho vysílaného kanálu. Krystal dělí, nebo poskytuje vysoce kvalitní taktovací signál pro stabilní obnovu hodinového impulsu poskytovaného signálem S/PDIF. Stabilní hodinový takt je důležitý pro udržení synchronizace signálu. Průchozí vstup na obvodu používáme pro rekonstrukci S/PDIF signálu. Obvod lze provozovat v softwarovém i hardwarovém modu. Pro naše účely jsem zvolil hardwarový mód. Je zde vestavěná i podpora indikace výskytu chyb v signálu. A na závěr je ještě nutné podotknout podporu 16-24 bitového slova s vzorkovací frekvencí 32 až 192 kHz.[5] Obvod byl implementován bez větších změn ve výrobcem doporučeném rozpoložení pro zajištění bezchybnosti provozu a optimální funkce.
3.2
Obvod D/A převodníku
WM8524 je D/A převodník s integrovanou nábojovou pumpou a hardwarově řízeným rozhraním. Zařízení pracuje se stereofonním nesymetrickým signálem. Zařízení je kontrolováno skrze hardwarové rozhraní. Podporuje všechny běžně užívané vzorkovací frekvence mezi 8 kHz a 192 kHz užitím běžného MCLK. Audio rozhraní operuje v závislém módu. Obvod je napájen 3,3 V, což umožňuje připojení logických obvodů s nominální úrovní signálu do 3,3 V. Tento obvod je zapojen přímo na výstup WM8804, jeho externí součástky jsou zapojeny dle doporučení výrobce. Na výstupu odebíráme již dekódovaný stereofonní signál s nominální hodnotou 2,1 Vrms.[6]
18
3.3
S/PDIF signál
S/PDIF protokol je dvoufázově kódovaný datový tok rozdělený do bloků 3.2, rámců 3.2 a subrámců 3.1. Každý datový tok obsahuje souvislá audio data pocházející z jednoho zdroje.
Obr. 3.1: Struktura digitálního signálu - sub-ramec[7]
Obr. 3.2: Struktura digitálního signálu - blok[7] Hlavičku tvoří první čtyři bity, které slouží pro synchronizaci dekodéru signálu. Je následována 24 bity dat, reprezentujícími přenášený vzorek signálu. Bity jsou řazeny vzestupně podle důležitosti. Pokud užitečný signál nezabere celých 24 bitů je na začátek doplněn potřebný počet nul. Audio data jsou následována bity platnosti, uživatelských dat, informací o signálu a bity pro kontrolu parity. Subrámce všech kanálů tvoří jeden rámec. Ty se dále spojují do bloků po 192 rámcích jak je naznačeno na obrázku 3.2. V bloku je možné použít prvních 32 bitů uživatelských dat pro přenos informace o audio signálu.
19
Hodinové impulzy Data
0
0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
1
0
0
1
1
0
1
0
0
1
0
Dvoufázová 0 značka 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0
Obr. 3.3: Dvoufázové kódování Z pohledu vodičů se signál mezi zařízeními přenáší pomocí koaxiálního kabelu s amplitudou signálu mezi 0,1 a 1 V, nebo pomocí optiky1 . V profesionálních podmínkách se užívá kroucené dvoulinky s amplitudou až 10 V. A data se dvoufázově modulují pro dosažení minimální stejnosměrné složky střídavého signálu.[7]
1
Přenos S/PDIF signálu pomocí optiky zde není rozebrán
20
4
BLOK VÝBĚRU VSTUPU
Zadáním je určeno, že vstupní modul musí dokázat zpracovat signály z několika zdrojů. Toto nám zajišťuje několik samostatných již dříve zmíněných bloků. Ty je však nutno doplnit o přepínač, který je v našem případě otočný s dvakrát čtyřmy polohamy 4.1. Na první polohu je přiveden již zesílený desymetrizovaný analogový signál z předzesilovače. Poloha číslo dva je obsazena neupraveným pravým kanálem vystupujícím z bloku S/PDIF. Stejně tomu je i na poloze tři s tím rozdílem, že je to levý kanál. A konečně čtvrtá poloha je obsazena výstupem ze sčítacího zesilovače 4.2.
Analog
Aktivní signál
Kanál P Signálové vstupy
Kanál L Kanál L+P R22 6k
Kanál P Kanál L Kanál L+P
Obr. 4.1: Přepínač vstupů a signalizace volby
21
+15V
+
Analog
PWR -1 15
Sčítací zesilovač je navržen tak, aby odporový dělič na jeho vstupu snížil úroveň obou kanálů 1 na polovinu. Tyto utlumené signály jsou posléze sečteny a vznikne jeden kanál 4.1 obsahující součet obou kanálů. Tímto zapojením 4.2 je dosaženo toho, že výstupní úroveň zesilovače je průměrem úrovní jednotlivých vstupních kanálů.
Kanál L Kanál P
R11 10k
R13 5,1k
R12 10k
-
NE5532
+
IC1A
Kanál L+P
Obr. 4.2: Sumační zesilovač
𝑉𝑂𝑈 𝑇 = −(𝑉𝐼𝑁𝐿 *
1
𝑅13 𝑅13 + 𝑉𝐼𝑁𝑅 * )[4] 𝑅11 𝑅12
kanál L a kanál P
22
(4.1)
5
STAVITELNÝ PŘEDZESILOVAČ
Návrh předzesilovače je již detailně popsán v předchozím textu. Podle zadání má být rozsah citlivosti v rozmezí -10 až +20 dB. Spodní hranice1 zesílení dosáhneme sériovým zařazení rezistoru R20 k potenciometru P3. Při maximální výchylce potenciometru je hodnota zesílení 20 dB2 . Na výstupu tohoto operačního zesilovače máme již signál dostatečné úrovně pro další zpracování bez ohledu nato jakou měl úroveň před přivedením na vstupní konektory.[4]
Vstup
R19 1k
R20 330
P3 100k
-
NE5532
+
IC2A
Výstup
Obr. 5.1: Regulace úrovně signálu
1
Sériový odpor R20 a P3 nikdy neklesne díky odporu R20 pod hodnotu 330R, což vytváří podmínky v děliči pro výstupní úroveň -10 dB 2 Při výpočtu maximální výstupní úrovně můžeme zanedbat odpor R20, protože je jeho hodnota oproti P3 zanedbatelná.
23
6
KOREKTOR
Pasivní korektory jsou obvody, nebo zařízení umožňující úpravu kmitočtové charakteristiky vstupního signálu. Toto nastavení provádí uživatel v návaznosti na konkrétní akustické propozice místnosti. Jejich provedení může být dvou a vícepásmové, záleží na účelu zařízení a míře jeho profesionality. Umožňují úpravu daných pásem signálu o 10 až 30 dB. U profesionálních zařízení nejčastěji najdeme dvou a tří pásmové korektory. Korektory ovlivňující více pásem nenajdeme u kompaktních zařízení. Ty se vyskytují spíše u mixážních pultů.[3] Výhoda pasivních korektorů je, že zesílení či zeslabení je v celém akustickém pásmu konstantní. Pasivní prvky včetně potenciometrů zajišťující korekci jsou přímo řazeny v cestě nízkofrekvenčního audio signálu. Takto konstruovaný korektor upřednostňují nadšenci pro kvalitní nízkofrekvenční techniku před zpětnovazebním korektorem, který má v jádře operační zesilovač nebo elektronku. Za další výhodu pasivního korektoru můžeme považovat, že k jeho konstrukci potřebujeme pouze dvojici základních součástek a to kondenzátor a rezistor. V této konstrukci spočívá možnost velkého přebuzení, na rozdíl od zkreslení při přebuzení aktivního korektoru. Odpadá nám také starost o výběr operačního zesilovače s vhodnými parametry, jako jsou malý odstup signálu od šumu, nebo nevhodný průběh zesílení.[8]
6.1
Baxandallův korektor
Baxandallův korektor hloubek a výšek při vydání v roce 1952 svými parametry smetl všechny předtím užívané verze. Tato verze však vyžadovala specializované ovládací prvky1 , které se u výrobců součástek neujaly. Obliby široké konstruktérské veřejnosti se dočkala až její upravená verze s operačním zesilovačem. Výhody tohoto zapojení spočívají v jeho jednoduché konstrukci a konsekventně i v ovládání jednotlivých parametrů. Není obecně známé, že Baxandallův korektor má dvě základní verze. Buďto jeden nebo dva kondenzátory mohou být použity pro definování hloubkové časové konstanty, a tyto dvě varianty dávají trochu jiný výstup. Originální Baxandallův design byla dvou-kapacitorová verze.[9]
1
Potenciometr v 1952 nebyla tak dobře dostupná součástka jako v dnešní době.
24
6.2
Baxandallův dvou-kondenzátorový korektor
Dvou-kondenzátorová verze Baxandallova korektoru je na obrázku 6.1, a i když vypadá velice podobně jako jedno kondenzátorová verze je velký rozdíl v křivkách odezvy. Podle mého názoru tato konfigurace funguje lépe v Hi-fi systémech, kde je malé množství nízkých frekvencí použito na korekci reproduktoru bez ovlivnění celé sekce nízkých kmitočtů. Naproti tomu jak je to v jedno-kondenzátorové verzi. Pamatujme na to, že ovládání výšek je zde nastaveno lehce jinak. Jsou zde nyní dva koncové rezistory připojené na každém konci potenciometru a ne jeden připojený na jezdec. Charakteristika frekvenční odezvy je téměř identická, a tato varianta je zde uvedena pouze pro ukázku. Další rezistor je potřebný pro elektrickou symetrii obvodu bez zjevných projevů na křivce výstupního signál.[9]
P1 10k R14 1,2k
R17 1,2k
C7 12n
R16 12k
R15 1,8k
Vstup
-
NE5532
+
IC2B
Výstup
C6 100n C12 100n
P2 10k
R18 1,8k
Obr. 6.1: Baxandallův dvou-kondenzátorový korektor
25
Vstupní impedance této verze ukazuje podobnost s jedno-kondenzátorovou verzí. S ovládacími prvky ve středních polohách je vstupní impedance pro nízké kmitočty 3,2 kΩ, od 100 Hz do 1 kHz pomalu klesá na 1,4 kΩ. Se změnou hodnoty ovládacích prvků je průběh podobný jedno-kondenzátorovému zapojení a na vysokých frekvencích klesá až na 370 Ω.[9]
6.3
Návrh korektoru
Zvolili jsme si dvoupásmový dvou-kondenzátorový Baxandallův korektor pro korekci výšek a hloubek. Schéma je převzaté z [9]. Na vstup korektoru přivádíme signál z laditelného předzesilovače přes filtrační kondenzátor C5 B.1. Samotná konstrukce je navržena tak, aby bylo dosaženo co nejmenší impedance. Při vysokých hodnotách rezistorů a potenciometrů by mohl na těchto součástkách vznikat nežádoucí šum. Hodnoty odporů R14, R15, R17 a R18 nám stanovují tzv. doraz, což je maximální zesílení a zeslabení hluboko a vysoko tónového korektoru. Podle simulace [3] je pracovní rozsah vysokotónového korektoru přibližně ± 12 dB. Pracovní rozsah hlubokotónového korektoru je ± 14 dB. Kondenzátory C6, C7, C33 a rezistor R16 určují činitel jakosti Q a mezní frekvenci, která se podle [3] pohybuje v okolí 650 Hz. Z důvodu zjednodušení konstrukce byl zvolen stejný operační zesilovač NE5532 jako v předchozích blocích. Rezistory nám postačí s tolerancí 1 %, proto volíme z řady E24.
26
7
VÝHYBKA
Výhybka je blok obvodů, který má na starosti rozdělit vstupní signál do pásem vhodných pro jednotlivé reproduktory. Tento proces je uskutečňován pomocí frekvenčních propustí. Nejčasteji ji tvoří dolní a horní propust, ale jsou i reproduktory, které mají tři pásma a zde se pak přidává i pásmová proput.
7.1
Dvoupásmová výhybka
Dvoupásmová výhybka je tvořena dvěma samostatnými bloky, jak už z názvu vyplývá. V centru každého bloku je oprerační zesilovač. Jeho periferie tvoří RC čláky, které udávají mezní kmitočty, strmost a zaoblení kolena přenosové funkce. Při návrhu musíme hlídat citlivosti jednotlivých reproduktorů. Výhybka je určena pro dvojici reproduktorů, znihž basový má o 12 dB menší citlivost, což je zohledněno v úrovni výstupních signálů. R28 10k
R23 10k
-
NE5532
+
IC3A
-
NE5532
+
IC3B
Basový výstup
C8 27n
C9 10n
R24 5k C10 6,8n
C11 6,8n R26 10k
Vstup
R25 10k
R29 30k
Obr. 7.1: Horní a dolní propust
27
Výškový výstup
8
PRAKTICKÁ ČÁST
8.1
Simulace výhybky
Jak již z teorie návrhu vyplývá bylo nutné výhybku 8.1 vyladit tak, aby měl výstupní signál dolní propusti o 12 dB větší úroveň než horní propust 8.2. Dále bylo třeba metodou „pokus omyl“1 posunout kolena přenosových funkcí tak, aby výsledná přenosová funkce byla co možná nejideálnější E.14. R28 10k
R23 10k
R24 5k C10 6,8n
-
NE5532
+
IC3A
-
NE5532
C8 27n
+
1V
C9 10n
R25 10k
R29 30k
C11 6,8n IC3B
R26 10k
+
+
Basy
V
+
Výšky
V
Obr. 8.1: Schéma simulace
1
Tento proces je zdlouhavý, protože je žádoucí volit hodnoty součástek z běžně dostupné řady E24. Proces je založen na matematické metodě půlení intervalů.
28
Obr. 8.2: Graf srovnání přenosových funkcí jednotlivých propustí
29
U [dB]
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
10
100
1000 f [Hz]
10000
100000
Horni propust
Dolní propust
8.1.1
Paramery simulace výhybky
Výsledná simulace v programu PSpice A/D2 byla prováděna na základě hodnot získaných z předběžné simulace samostatných propustí v programu FilterPro Desktop3 a Filter Solutions 20114 . Jak dolní tak i horní propust je navržena na topologii SallenKey s odezvou filtru Butterworth pro co nejhladší průběh přenosové funkce. Jakost filtru5 vycházející ze zvolených parametrů a postupů je Q=0,71. Dolní propust má mezní kmitočet6 na 900 Hz a horní na 3,5 kHz. Hodnoty získané z předběžných simulací se použily jako základ pro prvotní simulaci v PSpice A/D. Takto navrženou výhybku jsem budil rozmítaným signálem s amplitudou jeden volt. Z grafu E.14, který byl vykreslen na základě výstupních hodnot bylo žejmé kterým směrem je nutné postupovat pro optimalizaci výsledné přenosové funkce. Na průběh v grafu E.14 jsem se dostal sedmnáctou kombinací externích součástek operačních zesilovačů. Graf E.14 je téměř ideální, až na malý propad o 4 dB ve 3 kHz. Tento propad lze zanedbat díky jeho malé hodnotě je téměr neslyšitelný.
2
Program pro komplexní návrh a simulace podporující reálné modely integrovaných obvodů. Vydává ho firma Cadence Design Systems 3 Program pro návrh filtrů od firmy Texas instruments 4 Komplexní nástroj pro návrh filtrů od firmy Nuhertz 5 Strmost klesání přenosové funce 6 Pokles přenosu o 3dB
30
8.2
Simulace vstupních obvodů
Simulaci vstupních obvodů lze principiálně rozdělit na dvě části. A to buzenou výstupem z bloku S/PDIF, nebo symetryckým signálem přes konektor XLR. Do obvodu je zařazeno pět voltmetrů, ze kterých jsou udebírány data pro tvorbu jednotlivých křivek. Cesty signálu jsou přepínány pomocí čtyř přepínačů 4.1. Není zde zařazeno simulování signalizace, protože je to podružná funkce, která by tvořila výsledné simulace zbytečně nepřehlednými.
8.2.1
Buzení symetrickým signálem
Obvod je buzen symetrickým signálem s amplitudou jeden volt. Postupně jsem provedl tři simulace při zachování amplitudy a změně frekvence 1 kHz E.2, 3 kHz E.3 a 5 kHz E.4. Tyto frekvence jsem vybral záměrně z důvodu, že se v nich dějí zásadní změny v přenosové funkci výhybky E.14. V okolí 1 kHz dochází k ohybu kolene přenosové funkce dolní propusti. Ve 3 kHz je největší propad výsledné přenosové funkce. A 5 kHz je oblast kolene přenosové funkce horní propusti. Jednotlivé grafy E.2 E.3 E.4 ukazují úroveň signálu v průběhu času. V první polovině grafu je vidět jak signály přechází do ustáleného stavu. Částečnou vinu na neustáleném jevu má simulační program, že nedokáže přesně simulovat reálné počáteční podmínky obvodu.
8.2.2
Buzení výstupem S/PDIF bloku
S/PDIF dodává vstupním obvodům stereofonní signál s úrovní 2,1 V. Z tohoto důvodu jsem zvolil za parametry simulace amplitudu 2,1 V a postupně frekvence 1 kHz E.5 E.6 E.7, 3 kHz E.8 E.9 E.10 a 5 kHz E.11 E.12 E.13. Levý a pravý kanál je vždy reprezentován sinusovým průběhem, avšak pro reálnější hodnoty jsou tyto signály posunuty o 90∘ . Důvod volby těchto frekvencí je vysvětlen v předchozí kapitole. Pro buzení blokem S/PDIF je nutné naměřit třikrát více průběhů, protože je signál možné připojit třemy různými způsoby. Samostatně levý „L“, pravý „P“ anebo jejich sočet „L+P“ vystupující ze sumačního článku připojeného na oba zmíněné kanály.
31
9
ZÁVĚR
V této práci je probrán základ teorie potřebné pro porozumění, vytváření vstupních obvodů. Jsou zde popsány možnosti vstupních signálů i podmínky potřebné pro jejich zpracování. Je zde také vysvětlena problematika dekódování a multiplexování S/PDIF signálu, které je potřeba si být vědom při jejich implementaci. V druhé části práce jsem se již zabýval zpracováním analogového signálu ať už dekódovaného S/PDIF, nebo přivedeného přes linkové vstupy XLR. Popisuji zde cestu signálu vedoucí přes volitelně připojitelný útlumový článek. Následnou symetrizaci signálu na invertujícím zesilovači, výpočet dolních propustí pro odfiltrování nežádoucích vysokých frekvencí, které by mohly zapříčinit rozkmitávání operačních zesilovačů. Takto získané signály vedeme přes kanálový volič na zesilovač s variabilním zesílením, kde je signál upraven na potřebnou úroveň. Po této úpravě má již signál linkovou úroveň, která je vhodná pro zpracování na korektoru. Na korektoru je signál upraven zhlediska úrovně vztažené k frekvenci. Při nastavení ovládacích prvků do středních poloh, by neměly ovlivňovat procházející signál. Korektorem upravený signál je veden na aktivní výhybku, kde je podle frekvence rozdělen pro reproduktory. Vlastní konstrukce desek plošných spojů je navržena tak, aby signál procházející obvodem byl co nejméně rušen. Při osazování plošných spojů a následném měření jsem nebyl schopen přes veškeré úsilí desky jako celek oživit. Na plošném spoji vstupních obvodů jsem dospěl k částečnému úspěchu při buzení desky z vývodu číslo sedm prvního integrovaného obvodu. Takto zapojená deska dávala na výstupu hodnoty, které se podobaly teoretickým. Avšak plošný spoj pro digitální komunikaci S/PDIF jsem nebyl schopen oživit ani částečně zde při analíze nedošlo ani k potřebné synchronizaci se zdrojem signálu, která je potřebná pro započetí datové komunikace. Pro kompenzací těchto nedostatků jsem provedl podrobné simulace hlavních kombinací signálu s obvodovou konfigurací na virtuálním modelu obvodu.
32
LITERATURA [1] Signálové úrovně. V: Úrovně signálů, dynamický rozsah a přebuditelnost [online]. [cit. 2012-12-12]. Dostupné z:
. [2] CHINN, Rick. Build your own attenuator pads. [online]. 2012, 25.01. [cit. 201212-12]. Dostupné z: . [3] UCHYTIL, Filip. NÁVRH A REALIZACE AKTIVNÍCH REPRODUKTOROVÝCH SOUSTAV S DIGITÁLNÍM VSTUPEM. Brno, 2012. Dostupné z: . Diplomová. VUT FEKT. Vedoucí práce Ing. JIŘÍ SCHIMMEL, Ph.D. [4] MANCINI, Ron. TEXAS INSTRUMENTS. Op amps for everyone: Design reference. Dallas: Texas instruments, 2002. [5] WM8804. In: WM8804 [online]. 4.5, 2009 [cit. 2012-12-12]. Dostupné z: . [6] WM8524. In: WM8524 [online]. 4.1, 2011 [cit. 2012-12-12]. Dostupné z: . [7] BELZA, Jaroslav. Signál S/PDIF. Signál S/PDIF [online]. 3. 4. 2002. 2002 [cit. 2012-12-12]. Dostupné z: . [8] SLÁNSKÝ, Michal. Pasivní korekční Hi-Fi předzesilovač s obvody NE5534AN. In: HW.cz [online]. 12. Únor 2007 [cit. 2012-12-12]. Dostupné z: . [9] SELF, Douglas. SMALL SIGNAL AUDIO DESIGN. The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford, OX5, 1GB, UK : Focal Press, 2010. 556 s. ISBN 978-0-240-52177-0. [10] STANĚK, Radomír. Jak vám to brumí? Symetrické a nesymetrické zapojení ve zvukařské praxi. In: [online]. 2004, 22.11. [cit. 2012-12-12]. Dostupné z: .
33
SEZNAM SYMBOLŮ, VELIČIN A ZKRATEK 𝑈
elektrické napětí [V]
𝑅
elektrický odpor [Ω]
𝐶
kapacita [F]
𝑓
kmitočet [Hz]
S/PDIF sony/philips digital interFace MCLK hlavní hodinový takt – master clock [Hz] 𝑡
čas [s]
E 24
odporová řada
XLR
profesionální audio konektor
Hi - Fi
vysoká věrnost reprodukce – high fidelity
𝑉rms
efektivní hodnota střídavého napětí – voltage root mean square
Q
činitel jakosti
𝑑𝐵
decibel
𝐵𝑖𝑡
dvojková číslice – binary digit
D/A
převod digitálního signálu na analogový
LSB
nejméně významný bit – least significant bit
34
SEZNAM PŘÍLOH A Blokové schéma
36
B Schéma zapojení 37 B.1 Celkové schéma vstupních obvodů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 B.2 S/PDIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 C Osazovací výkres 39 C.1 Vstupní obvody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 C.2 S/PDIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 D Desky plošných spojů 41 D.1 Vstupní obvody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 D.2 S/PDIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 E Simulace E.1 Schémata simulací . . . . . . E.2 Buzení symetrickým vstupem E.3 Buzení S/PDIF vstupem . . E.3.1 frekvence 1kHz . . . . E.3.2 frekvence 3kHz . . . . E.3.3 frekvence 5kHz . . . . E.4 Výhybka . . . . . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
F Seznam součástek
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
43 43 44 47 47 50 53 56 57
35
S/PDIF
PAD
Můstek
Symetrizační člen
Předzesilovač zdroje
Volba
Regulace citlivosti výstupu
Korekce
A BLOKOVÉ SCHÉMA
Obr. A.1: Blokové schéma
36
2 3 1
SPDIF-3
SPDIF-2
SPDIF-1
X2
2 3 1+G
GND
NC3MAH G
X1
NC3FAH1-0
GND
47u/50V
+
C2
47u/50V
+
C1
100R
R2
100R
R1
1k
R3
7k5
R5
1
3
6
2
10k
R7
18p
C3
H2 MOUNT-HOLE2.8
H1 MOUNT-HOLE2.8
S1
S1
5
GND
100k
R9
R10
7
IC1B
10k
GND
R13 5k1 3
2
NE5532D
R11
100k C4 18p
6
5
IC1A
1
NE5532D GND
LED4
LED3
LED2
LED1
A7 A8 A9 A10 2 1
A1 A2 A3 A4
2 3 4
1
2 3 4
1
A-C1
R22
6k
A-C2
GND
3
37 0R
C15
GND
GND GND
100n 100n
100n
C18
C17
+
C5 47u/25V
PWR-2
PWR-3
PWR-1
P3 100k/N
GND
100n 100n
C14
GND GND
IC2A
1
NE5532D
C16
R27
100n
C13
GND
330R
1k 2
R20
R19 1S
S3 1E
R21 24k
10k R12
1k
10k
4
R8
R6
1 2
R4
8 4
7k5
8 4
12k
1k8
C10 6n8
C11 6n8
C12 100n
Obr. B.1: Schéma vstupních obvodů GND
10k
5
6
GND
27n
C8
R26
R24
5k
10k
10n
R23 10k
R25
10k
5
6
GND
12n
C7
R17 1k2
10k/N R28
P2
C9
GND
R16
C6 100n
P1
10k/N
1E
R15
1k2
R14 1S 1E
1A 8 4
1A 1S
3
2
IC3B
7
NE5532D
IC3A
1
30k NE5532D
R29
1k8
R18
IC2B
7
NE5532D
GND
GND
VYSKY-2
VYSKY-1
BASY-2
BASY-1
B.1
1A
B SCHÉMA ZAPOJENÍ
Celkové schéma vstupních obvodů
S/PDIF B.2
PAD1 SPDIF IN
PAD2
19 7
IO1
TX0
MCLK CLKOUT
XIN XOP
BCLK LRCLK DOUT DIN
RESETB
GPO0/SWIFMODE
SDOUT/GPO2 SDIN/HWMODE SCLK CSB/GPO1
H3 MOUNT-HOLE2.8 H2 MOUNT-HOLE2.8 DVDD PVDD DGND PGND
RX0 WM8804
3V3
R3
10k R4
10k C4 100n
ZTA12,00MT Q1
C6 15p
C5 15p
SPDIF OUT PAD3
R7 10k
R8 10k
10 9 8 7
11 12
IO2 MCLK BCLK LRCLK DACDAT
MUTE AIFMODE
WM8524
AVDD LINEVDD CPVOUTN
LINEGND AGND VMID CPCA CPCB LINEVOUTL LINEVOUTR
15 6 2
4 13 14 5 3 1 16
4u7
C9
4u7
C10
GND
1u
R9
560R
C14
2n7
C13
C8
2u2
C11
C12
1u
R10
560R
2n7
SV2-1
SV2-2
SV2-3
Obr. B.2: Schéma S/PDIF obvodu
R2
10k
4 3 1 5 2 6 14 15 12 13 11 10 16 9
R5
C7 100n
SPDIF IN PAD4 GND
+3V3D
+3V3D 17
R6
GND
+3V3D 210R
110R
GND
GND
C1 1u GND C2 18 8
C3 20 100n SV3-1 SV3-2
GN D
3V3
GND GND GND
38
100n
GND
R1
GN D
75R
SPDIF GND GND
+3V3D
+3V3D GND
3V3 +3V3D
C
OSAZOVACÍ VÝKRES
C.1
Vstupní obvody
X1
P2
X2
P3
P1
C1
C5
C2
S3
S1
1
2 LED1 1
3 SPDIF
1
3
1
1
2
LED2 LED3
BASY
VYSKY
PWR
2
LED4
Obr. C.1: Vstupní obvody - TOP
R1
R22 R20
C13
IC2
C12
R17 C7 R14 R15
C6 R2
R18
R25 R16
R19 C16 R27
C14
R29 IC3 R28 C18
C11 C8
R23
C17
C15 C10
C9
R24
R13
IC1
R9 C3 R8
R6
R4
R21 C4 R10 R3
R12 R11
R26
Obr. C.2: Vstupní obvody - BOTTOM
39
R7
R5
S/PDIF
3
1
2
SV2
1 SV3
PAD3 PAD4 Q1
PAD2 PAD1
Obr. C.3: S/PDIF - TOP
C14
C13
R10
R9 R6 C1
C7 R1
C12
C11 C10
C8
IO2
R8 WM8524
R7 C3
C5
R5
C9 R4 R3 R2
C2 C6
WM8804
C4
IO1
C.2
Obr. C.4: S/PDIF - BOTTOM
40
D
DESKY PLOŠNÝCH SPOJŮ
D.1
Vstupní obvody
Obr. D.1: Vstupní obvody - TOP
LED
Obr. D.2: Vstupní obvody - BOTTOM
41
D.2
S/PDIF
Obr. D.3: S/PDIF - TOP
V0 P
L
TUO DNG NI
Obr. D.4: S/PDIF - BOTTOM
42
Cold -
C1 47u
Kanál L
C2 47u
Kanál P
R2 100
R1 100
R5 7,5k
Attenuator
Attenuator
R4 7,5k
R7 10k
R6 10k
R9 100k R12 10k
R11 10k
R8 1k
C4 18p
+ IC1A
NE5532
R13 5,1k
-
NE5532
IC1B
R10 100k
-
+
R21 24k
Kanál L+P
Kanál L
Kanál P
Analog +
V R19 1k
Kanálový voli
+
IC2A
NE5532
R20 330
P3 100k
C5 47u
R25 10k
Zesilova
V
+
C10 6,8n
R14 1,2k P2 10k
C6 100n
R23 10k
R28 10k
R15 1,8k
+
+
+
C7 12n R16 12k
Hott +
C9 10n
43
C11 6,8n
R24 5k
C8 27n
C3 18p
R3 1k
+
+
-
+
IC2B
NE5532
IC3B
NE5532
IC3A
V
+
V
+
Korekce
Výšky
Basy
V
+
R18 1,8k
NE5532
R29 30k -
+
-
C12 100n
P1 10k
R17 1,2k
E.1
R26 10k
E SIMULACE
Schémata simulací
Obr. E.1: Měření úrovní signálu vstupních obvodů
U [V]
44
Obr. E.2: Symetrický signál (f=1 [kHz], A=1 [V])
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 t [ms]
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
Kanálový volič
Zesilovač
Korekce
Basy
Výšky
Hott +
Cold -
E.2 Buzení symetrickým vstupem
Obr. E.3: Symetrický signál (f=3 [kHz], A=1 [V])
45
U [V]
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1 t [ms]
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Kanálový voli
Zesilova
Korekce
Basy
Výšky
Hott +
Cold -
Obr. E.4: Symetrický signál (f=5 [kHz], A=1 [V])
46
-6
-4
-2
0
2
4
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1 t [ms]
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Zesilova
Kanálový voli
Basy
Korekce
Výšky
Kanál L
frekvence 1kHz
6
E.3.1
Buzení S/PDIF vstupem
U [V]
E.3
Obr. E.5: S/PDIF (f=1 [kHz], A=2,1 [V]) kanál L
47
Obr. E.6: S/PDIF (f=1 [kHz], A=2,1 [V] kanál P)
48
U [V]
-6
-4
-2
0
2
4
6
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1 t [ms]
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Kanálový voli
Zesilova
Korekce
Basy
Výšky
Kanál P
Obr. E.7: S/PDIF (f=1 [kHz], A=2,1 [V]) kanál L+P
49
U [V]
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1 t [ms]
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Kanálový voli
Zesilova
Korekce
Basy
Výšky
Kanál P
Kanál L
U [V]
50
-3
-2
-2
-1
-1
0
1
1
2
2
3
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1 t [ms]
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Kanál L
Kanálový voli
Zesilova
Korekce
Basy
Výšky
E.3.2 frekvence 3kHz
Obr. E.8: S/PDIF (f=3 [kHz], A=2,1 [V]) kanál L
Obr. E.9: S/PDIF (f=3 [kHz], A=2,1 [V] kanál P)
51
U [V]
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1 t [ms]
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Kanál P
Kanálový voli
Zesilova
Korekce
Basy
Výšky
Obr. E.10: S/PDIF (f=3 [kHz], A=2,1 [V]) kanál L+P
52
U [V]
-3
-2
-2
-1
-1
0
1
1
2
2
3
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1 t [ms]
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Kanálový voli
Zesilova
Korekce
Basy
Výšky
Kanál P
Kanál L
U [V]
53
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1 t [ms]
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Kanálový voli
Zesilova
Korekce
Basy
Výšky
Kanál L
E.3.3 frekvence 5kHz
Obr. E.11: S/PDIF (f=5 [kHz], A=2,1 [V]) kanál L
Obr. E.12: S/PDIF (f=5 [kHz], A=2,1 [V] kanál P)
54
U [V]
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1 t [ms]
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Kanál P
Kanálový voli
Zesilova
Korekce
Basy
Výšky
Obr. E.13: S/PDIF (f=5 [kHz], A=2,1 [V]) kanál L+P
55
U [V]
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1 t [ms]
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Kanál L
Kanálový voli
Zesilova
Korekce
Basy
Výšky
Kanál P
E.4
Výhybka
Obr. E.14: Modulová kmitočtová charakteristika
56
F
SEZNAM SOUČÁSTEK Tab. F.1: Seznam součástek pro vstupní obvody
Označení
Hodnota
Pouzdro
Popis
𝑆1
A68-A31
Posuvný přepínač
𝐿𝐸𝐷1 , 𝐿𝐸𝐷2 , 𝐿𝐸𝐷3 , 𝐿𝐸𝐷4
LED 3mm
LED
𝐵𝐴𝑆𝑌, 𝑉 ÝŠ𝐾𝑌
S02P
AMP MT konektor
𝑃 𝑊 𝑅, 𝑆/𝑃 𝐷𝐼𝐹
S03P
AMP MT konektor
𝑅27
0R
R1206
Rezistor SMD
𝑅1 , 𝑅2
100 R
R1206
Rezistor SMD
𝑅9 , 𝑅10
100 k
R1206
Rezistor SMD
𝑃3
100 k/N
PC16S
Potenciometr
𝐶6 , 𝐶12−18
100 nF
C1206
Keramický kondenzátor SMD
𝑅6 , 𝑅7 , 𝑅11 , 𝑅12 , 𝑅23 , 𝑅25 , 𝑅26 , 𝑅28
10k
R1206
Rezistor SMD
𝑃1 , 𝑃2
10 k/N
PC16S
Potenciometr
𝐶9
10 nF
C1206
Keramický kondenzátor SMD
𝑅16
12 k
R1206
Rezistor SMD
𝐶7
12 nF
C1206
Keramický kondenzátor SMD
𝐶3 , 𝐶4
18 pF
C1206
Keramický kondenzátor SMD
𝑅3 , 𝑅8 , 𝑅19 ,
1k
R1206
Rezistor SMD
𝑅14 , 𝑅17
1k2
R1206
Rezistor SMD
𝑅15 , 𝑅18
1k8
R1206
Rezistor SMD
𝑅21
24 k
R1206
Rezistor SMD
𝐶8
27 nF
C1206
Keramický kondenzátor SMD
𝑅29
30 k
R1206
Rezistor SMD
𝑅20
330 R
R1206
Rezistor SMD
𝐶1 , 𝐶2 , 𝐶5
47 uF /50 V
ELRA
elektrolytický kondenzátor
𝑅24
5k
R1206
Rezistor SMD
𝑅13
5k1
R1206
Rezistor SMD
𝑅22
6k
R1206
Rezistor SMD
𝐶10 , 𝐶11
6,8 nF
C1206
Keramický kondenzátor SMD
71BT-30-A2
otočný přepínač
R1206
Rezistor SMD
𝑋1
NC3FAH1
Neutrick audio XLR
𝑋2
NC3MBH
Neutrick audio XLR
SO08
Operační zesilovač
𝑆3 𝑅4 , 𝑅5
𝐼𝐶1−3
7k5
NE5532D
57
Tab. F.2: Seznam součástek pro S/PDIF Označení
Hodnota
Pouzdro
Popis
𝑃𝑊𝑅
S02P
AMP MT konektor
𝑂𝑈 𝑇
S03P
AMP MT konektor
𝐼𝐶1
WM8804
SMD
𝐼𝐶2
WM8524
SMD
𝐶2−4 , 𝐶7
100 nF
C1206
Keramický kondenzátor SMD
𝐶5 , 𝐶5
15 pF
C1206
Keramický kondenzátor SMD
𝐶1 , 𝐶8 , 𝐶12
1 uF
C1206
Keramický kondenzátor SMD
𝐶13 , 𝐶14
2,7 nF
C1206
Keramický kondenzátor SMD
𝐶11
2,2 uF
C1206
Keramický kondenzátor SMD
𝐶9 , 𝐶10
4,7 uF
C1206
Keramický kondenzátor SMD
𝑅2−4 , 𝑅7 , 𝑅8
10k
R1206
Rezistor
𝑅6
110 R
R1206
Rezistor
𝑅5
210 R
R1206
Rezistor
𝑅9 , 𝑅10
560 R
R1206
Rezistor
𝑅1
75 R
R1206
Rezistor
𝑄1
12 MHz
Krystal
58