Простой измеритель уровня звука с логарифмической шкалой

Nick Cornford, Радиолоцман №1-2/2024 ст.84

Ремонт старого аудиомикшера заставил меня внимательнее присмотреться к измери­телям уровня. Их стрелки совершали доволь­но ужасные броски от одного крайнего поло­жения шкалы 100 мкА до другого, а управля­ющая электроника состояла всего лишь из диода (германиевого?) и резистора. Требова­лось что-то более похожее на пиковый изме­ритель, с логарифмической (или линейной в дБ) шкалой и лучшей динамикой. Здесь [1] дан хороший обзор истории и технических характеристик измерителей как пикового, так и среднего уровней.

Мне пришло в голову, что, поскольку как обнаружение пиков, так и логарифмическое преобразование предполагают использова­ние диодов, вероятно, было бы возможно объединить эти функции, по крайней мере, частично. Для логарифмического преобразования обычно используется либо транзистор в цепи обратной связи операционного усили­теля, либо сложная лестничная схема из резисторов и полупроводников. Первый под­ход требует специального PTC терморезис­тора для температурной компенсации и рабо­тает очень медленно при низких уровнях входного сигнала; второй обычно содержит множество подстроечных резисторов и не имеет компенсации. Рисунок 1 схематически демонстрирует первую попытку реализации этой идеи и позволяет избежать перечислен­ных недостатков.

Как и во всех схемах с виртуальной зем­лей, входной резистор подает ток в точку сум­мирования — инвертирующий вход операци­онного усилителя, — который уравновешива­ется током, проходящим через диоды с выхо­да операционного усилителя. Поскольку пря­мое напряжение на диоде (V_F) пропорцио­нально логарифму протекающего через него тока (как описано здесь [2]), выходное напря­жение операционного усилителя теперь пред­ставляет собой логарифм входного сигнала. Положительные полупериоды входного сиг­нала фиксируют его на низком уровне V_F, что мы игнорируем, поскольку это однополупериодная конструкция; при отрицательных полу­периодах оно поднимается до 2V_F.

Подача этого напряжения 2V_F через дру­гой диод на конденсатор заряжает последний до V_F, исключая из процесса влияние напря­жений на диодах. (Нет, V_F не совпадают точ­но, разве что на мгновение, но это не важно). Измеритель теперь показывает логарифмы пиков отрицательных полупериодов входно­го сигнала; по мере разряда конденсатора через прибор стрелка возвращается назад.

В таком виде он работает в очень раз­умном диапазоне порядка 50 дБ. А теперь о проблемах:

1. Большое время интегрирования, или время атаки — нарастание до уровня 2 дБ от конечного значения происходит при­мерно за 70 мс.
2. Возврат или затухание происходит довольно быстро — примерно за секунду для полной шкалы, — и является экспо­ненциальным, а не линейным.
3. Чрезмерная чувствительность к темпера­туре; в диапазоне 20 °С показания меня­ются примерно на 5 дБ.

Хотя для базового измерителя уровня сиг­нала с логарифмической шкалой это непло­хо, было бы хорошо сделать что-то более быстрое. Настало время второй попытки.

Усилитель A1 буферизует входной сигнал, чтобы избежать значительной нагрузки на источник (Рисунок 2). Элементы С1 и R1 под­авляют басовые компоненты (-3 дБ на часто­те примерно 159 Гц), чтобы избежать помех от рокота виниловых пластинок и кассетной ленты. Сигнал на вход усилителя A2 теперь подается через термистор Th1 (стандартный компонент 10 кОм со значением в, равным 3977), который в значительной степени ком­пенсирует тепловые эффекты. Конденсатор С2 блокирует любое смещение, вносимое усилителем A1, если он используется. При желании можно обойтись без буферного кас­када, но тогда входной импеданс и положе­ние точки излома частотной характеристики на низких частотах будут меняться в зависи­мости от температуры, поэтому выбирать С2 следует с осторожностью. Три диода в пря­мой цепи увеличивают выходное напряже­ние и его размах. Усилитель A2 теперь управ­ляет транзистором Q1, который вычитает собственное напряжение база-эмиттер из сигнала на диодах, и через эмиттер подает его на конденсатор С2, тем самым уменьшая время атаки. Сопротивление резистора R2 теперь может быть больше, увеличивая время спада. На Рисунке 3 показана комби­нированная осциллограмма фактического отклика электроники; динамика измеритель­ного прибора будет влиять на то, что увидит пользователь.

Время атаки теперь соответствует про­фессиональным характеристикам и практи­чески не зависит от уровня входного сигнала. Хотя на практике время спада вполне нор­мальное, спад является экспоненциальным, а не линейным.

Реакция на входные сигналы различных уровней показана на Рисунке 4. Я решил использовать полную шкалу +10 дБн, нор­мальный рабочий уровень около -10 дБн и ограничение, начиная примерно с +16 дБн. Для смещения максимальных показаний вниз следует использовать термистор Th 1 с более высоким сопротивлением или просто уменьшить сопротивление R2, но тогда время затухания будет меньше, если также не увеличить емкость конденсатора СЗ, что, однако, повлияет на время атаки.

При моделировании использовалось линейно спадающее напряжение (раздели­тельные конденсаторы «закорочены»), тогда как реальная кривая была получена для сину­соиды; при этом термистор Th 1 был заменен резистором 10 кОм с допуском 1%, а резис­тор R2 был отрегулирован так, чтобы при входном сигнале +10 дБн (6.6 В пик-пик) обес­печить ток через стрелочный прибор, равный 100 мкА. Чтобы проверить работу диодов и поэкспериментировать с температурной ком­пенсацией, я использовал LTspice. Собствен­ный температурный коэффициент катушки измерительного прибора, равный +3930 ррт/°С, здесь также учитывался при модели­ровании, хотя большого практического значе­ния он не имеет. Это и к лучшему: может ока­заться непросто поддерживать его темпера­туру одинаковой с другими чувствительными к температуре элементами.

Несмотря на простоту этой схемы, она отлично работает и демонстрирует хорошие результаты. Измерители первоначальной конструкции, доработанные в соответствии с Рисунком 2, уже некоторое время служат исправно. Эту базовую идею можно разви­вать дальше, добавив еще меньшее время атаки, линейный спад, регулируемый диапа­зон, лучшую температурную компенсацию и даже двухполупериодное измерение, но это уже другая история и другая статья.

Литература

1. Измеритель уровня звука
2. Уравнение Шокли для диода