УЗЛЫ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ

Контроль уровня сигналов звукового тракта имеет важное значение для получения высококачественного воспроизведения. Большое внимание этому уделяют, например, в магнитной звукозаписи, где сигнал должен иметь оп­тимальное значение. Еели он будет больше, резко возрастают нелинейные ис­кажения, если меньше — ухудшается отношение сигнал-шум. Необходимость контроля уровня выходных сигналов высококачественных усилителей также не вызывает сомнений, поскольку это значительно облегчает балансировку кана­лов и предотвращает перегрузку усилителей и акустических сиетем (а значит, и возрастание нелинейных искажений и возможный выход из строя динамиче­ских головок).

Основными параметрами измерителей уровня являются время интеграции и время обратного хода. Время интеграции определяет, насколько правильно ото­бражает измеритель реальный уровень сигнала в данный момент. Чем меньше время интеграции, тем лучше реагирует измеритель на мгновенные изменения-уровня сигнала. Время обратного хода, наоборот, выбирают достаточно боль­шим в пределах 1 ... 3 с, что позволяет отележивать за изменениями среднего уровня сигнала и исключает утомляемость от мелькания отображающих эле­ментов (стрелки измерителя или светодиодов).

В бытовой аппаратуре для контроля уровня широкое распространение по­лучили измерители уровня средних значений (как говорит само название,. они измеряют среднее значение сигнала). За рубежом аналогичные измерители называются волюметрами. Основным недостатком таких измерителей является большое время интеграции (около 200 мс), что не позволяет регистрировать кратковременные изменения уровня сигнала.

Реальная звуковая программа имеет ярко выраженный импульсный харак­тер и часто содержит сигналы с длительностью значительно меньше чем 200 мс. Поэтому для исключения перегрузок и более точной регистрации пико­вых уровней ГОСТ 21185 — 75 рекомендует квазипиковые измерители уровня с временем интеграции 5 мс [16]. Иногда также применяют измерители с време­нем интеграции 60 мс.

В качестве отображающих элементов в измерителях уровня до недавнего времени использовались в основном стрелочные приборы. В настоящее время все чаще применяют газоразрядные, люминесцентные и светодиодные индика­торы ([16]. По сравнению ео стрелочными такие индикаторы практически безы­нерционны и позволяют регистрировать кратковременное превышение допус­тимого значения уровня выходного сигнала. Учитывая большой динамический диапазон современных усилителей, желательно, чтобы шкала измерителя была логарифмической.

Далее рассмотрены несложные, но достаточно эффективные измерители с использованием светодиодных индикаторов.

Простой узел контроля перегрузки на О У К153 УД2 и сБетодиоде (рис. 88). Он имеет следующие основные технические характеристики:

Количество индицируемых уровней........ 1

Время интеграции............. 1 мс

Время обратного хода............ 2с

Входное напряжение срабатывания...... . . 0,7 В

Напряжение питания..........., ±15 В

Ток потребления.........,,... 20 мА

Как показывают исследования [17], перегрузки акустических систем очень заметны, даже если они кратковременны. На слух, они воспринимаются как скрип. Кроме того, при .перегрузке может произойти повреждение диффузора или звуковой катушки динамической головки громкоговорителя. (Поэтому в. уси­литель целесообразно включать узел контроля перегрузки. В простейшем случае это может быть устройство, срабатывающее при превышении напряжения на выходе усилителя установленного порога. Схема такого устройства приведена на рис. 88. Работает оио следующим образом. Сигналы с выхода левого и пра­вого каналов выпрямляются диодами VD1 и VD2 и суммируются на резисторе R3. Напряжение на резисторе R3 сглаживается конденсатором С1 и поступает на вход 3 компаратора на микросхеме DA1, где сравнивается е напряжением на резисторе R5. Когда напряжение на конденсаторе С1 меньше напряжения яа резисторе R5, на выходе DA1 устанавливается напряжение около — 15 В, При этом светодиод HL1 не светится (диод VD3 в этом случае осуществляет защиту еветодиода по напряжению). Если напряжение на С1 выше, чем на R5, напряжение на выходе компаратора становится положительным и светодиод загорается. Ток протекающий через HL1, ограничивает сама микросхема. Вы­сокое входное сопротивление позволяет включать этот узел практически в лю­бом «сечении» усилителя.

Узел контроля перегрузки смонтирован на унифицированной монтажной плате с применением резисторов МЛТ-0,25, конденеаторов КМ-5. Вместо ука­занных на схеме можно использовать микросхему КНОУД7 и светодиод АЛ102.

Настройка заключается в подборе резистора R4 таким образом, чтобы при подаче на вход сигнала уровнем 0,7... 0,8 В (действующее значение) частотой 1 кГц светодиод загорался. Для работы узла необходим етабилизированный двухполярный источник питания напряжением ±15 В и током около 20 мА.

Рис. 88. Принципиальная схема устройства контроля перегрузки на ОУ и светодиоде

Узел контроля перегрузки на светодиодах и транзисторах. Он имеет следую щие основные технические характеристики:

Число индицируемых уровней.......... 1

Время интеграции..........., 180 мс

Время обратного хода............ 1,1 с

Входное напряжение срабатывания........ 11 В

Напряжение питания............ 15В

Ток потребления............. 20 мА

На рис. 89 приведена схема этого узла контроля уровня перегрузки, вы­полняющего те же функции, что и схема, рассмотренная на рис. 88. В отличие от предыдущего, описываемый узел позволяет контролировать каналы усилите­ля раздельно. Выполнен он на транзисторах VT1 и VT2. На измеритель уров­ня сигналы поступают с выходов усилителя мощности, выпрямляются диодами VDI и VD2 и фильтруются конденсаторами С1 и С2.

Часть выпрямленного и сглаженного напряжения с резисторов R7 и R8 поступает на базы транзисторов VT1 и VT2 и сравнивается с напряжением на эмиттерах. Эмиттерное напряжение задается стабилитроном VD3 и равно около 5,6 В. При напряжении на базах менее 6 В транзисторы закрыты и светодиоды HL1 и HL2 не светятся. При напряжении выше 6 В транзисторы VT1 и VT2 открываются и светодиоды загораются, индицируя тем самым перегрузку от­дельно по каждому каналу.

Узел смонтирован на унифицированной монтажной плате. В нем использо­ваны резиеторы МЛТ-0,25, конденсаторы К53-1, Вместо указанных на схеме можно использовать также транзисторы типов КТ312, КТ342, КТ3102, свето­диоды АЛ102.

Налаживание устройства заключается в установке резисторами R7 и R8 уровня зажигания светодиодов HL1 и HL2 при подаче на его вход синусои­дального сигнала частотой 1 кГц уровнем 11 В (действующее значение). Длг работы устройства необходим стабилизированный источник питания напряже­нием 15 В и током не менее 25 мА.

Измеритель уровня на 11 светодиодах. В этом измерителе в качестве ком­параторов используются КМОП микросхемы. Он имеет следующие основные технические характеристики;

Число индицируемых уровней ,,...,.. 11

Время интеграции ..…...... 10 мс

Время обратного хода.......... 1,5 с

Диапазон входных напряжений ..... ... 0,077... 1,1 В

Напряжение питания........... 5В

Ток потребления............ 150 мА

Рис. 89. Принципиальная схема устройства контроля перегрузки на светодиодах и транзисторах

Для расширения возможностей измерителя уровня можно увеличить чис­ло индицируемых уровней сигнала. Например, в узле, схема которого приведе­на на рис. 88, можно параллельно конденсатору С1 подсоединить еще несколь­ко компараторов с различными порогами срабатывания, т. е. создать парал­лельный АЦП. Задавая соответствующие пороги срабатывания компараторов, нетрудно получить любую зависимость закона индикации от уровня входного сигнала. Основной недостаток такого измерителя заключается в большом ко­личестве корпусов аналоговых микросхем (что часто бывает немаловажно для радиолюбителя). Однако можно построить простейшие АЦП, используя циф­ровые КМОП инверторы тапвв К561 в К564, имеющие фиксированный порог срабатывания и большое входное сопротивление. В этом случае одна микро­схема К564ЛН1 заменяет шесть корпусов обычных аналоговых ОУ.

Схема измерителя уровня с использованием КМОП микросхем приведена на рис. 90. Он состоит из детектора на транзисторе VT1, параллельном АЦП на микросхемах DD1, DD2, устройства индикации на микросхемах DD3 — DD5 и светодиодах HL1 — HL11. При питании от источника с напряжением 5 В по­рог срабатывания микросхемы 564ЛН1 равен около 2 В. Закон преобразова­ния (в данном случае логарифмический) входного напряжения в выходной код устанавливаются подбором резисторов R3 — R14 делителя.

Измеритель работает следующим образом. При отсутствии входного сиг­нала напряжение на входах инверторов микросхем DD1, DD2 выше порога срабатывания. На выходах инверторов — напряжение высокого уровня (лог. 1), и светодиоды HL1 — HL11 не светятся. По мере роста входного напряжения напряжение на конденсаторе С2 начинает увеличиваться (относительно 5 В). При этом напряжение на входах микросхем DD1, DD2 будет уменьшаться, и как только оно становится ниже порога срабатывания, последовательно, на­чиная с DD2.5, начнут срабатывать инверторы. При этом на их выходах бу­дет напряжение низкого уровня (лог. 0) и светодиоды HL1 — HL11 загорятся.

Измеритель собирают на унифицированной монтажной плате с применени­ем переходных монтажных плат для микросхем типов К.564 и КДЗЗ. Вместо микросхемы К564ЛН1 можно использовать К564ЛН1, К564ЛН2, К561ЛН1, К561ЛН2, вместо К133ЛА8 — К133ЛА7, К155ЛА8, К155ЛА7 с соответствую­щей разводкой выводов. В устройстве используются резисторы МЛТ-0,25, кон­денсаторы К53-1. Транзистор КТ3107 можно заменить на КТ361, КТ203, КТ208.

Рис. 90. Принципиальная схема измерителя уровня на 11 светодиодах и КМОП компараторах

Налаживание измерителя заключается в следующем. При отсутствии сиг­нала подбором резистора R1 необходимо установить такое напряжение на входе элемента DD2.5, чтобы светодиод HL1 не горел, а при подаче на вход устройства напряжения около 77 мВ частотой 1 кГц — загорелся. Диоды HL11 — HL1 должны зажигаться последовательно, начиная с HL11, при подаче напряжений 77, 240, 350, 430, 550, 610, 690, 775, 870, 980 и 1100 мВ соответ­ственно. Как правило, у инверторов одного корпуса разброс порогов срабаты-вания небольшой, но, учитывая возможный разброс порогов срабатывания разных корпусов (DD1 и DD2), иногда бывает необходимо подобрать резне» тор R10. Для работы измерителя уровня необходим стабилизированный источник питания напряжением 5 В и током не менее 150 мА.

Простой измеритель уровня с минимальным числом элементов. Как прави­ло, в большинстве измерителей уровня с использованием дискретных элемен» тов индикации {светодиодов) для каждого из них необходим активный эле­мент управления (транзистор или микросхема). Для уменьшения элементов уп­равления можно воспользоваться следующим обстоятельством. При изменении в некоторых пределах тока через светодиод напряжение на нем сохраняете» почти неизменным. Тогда, зашунтировав последовательную цепь светодиодов резисторами (как показано на рис. 91,а), можно регулировать пороги зажи­гания светодиодов при подаче напряжения U_вх. Схему с использованием этого принципа применила в одном из своих усилителей фирма KENWOOD. Ана­логичная схема на отечественных элементах показана на рис. 91,6. Простой измеритель уровня с минимальным числом элементов имеет следующие основ­ные технические характеристики:

Число индицируемых уровней.......... 5

Время интеграции............. 10 мс

Время обратного хода............ 1,5 с

Диапазон входных напряжений.......... 0,6 ... 9 В

Напряжение питания........, . . . 10 В

Ток потребления .............. 30 мА

Измеритель состоит из детектора (VD1, VT1) и каскада индикации (VT2, HL1 — HL5). При возрастании сигнала на входе устройства напряжение на конденсаторе С2 увеличивается (относительно 10 В). При этом последователь­но будут загораться светодиоды HL3, HL2, HL1. При дальнейшем росте вход­ного сигнала открывается транзистор VT2 и загорается светодиод HL4 и за­тем HL5. Характер зависимости порогов зажигания от уровня входного сигна­ла определяется выбором номиналов резисторов R3 — Кб.

Рис. 91. Принципиальная схема измерителя уровня сигнала на последовательно соединенных светодиодах (а) и с использованием детектора и порогового уси­лителя (б)

Для монтажа измерителя уровня использована унифицированная монтаж­ная плата. Применены резисторы МЛТ-0,25, конденсаторы К53-1, К50-6, све­тодиоды АЛ307Б. Вместо указанных на схеме можно использовать транзисто­ры типов КТ315, КТ502, КТ361, КТ503.

Устройство практически не требует настройки. Достаточно проверить пра­вильность монтажа и подать питание от стабилизированного источника нап­ряжением 10 В и током не менее 30 мА. При желании можно изменить в не­больших пределах пороги срабатывания светодиодов подбором резисторов R3 — R6.