POLITECHNIKA WROCŁAWSKA

WYDZIAŁ ELEKTRONIKI

Projekt z Układów Elektronicznych

TEMAT:

Układ 5-pasmowego korektora graficznego

Spis treści:

I. Temat projektu.................................................................................. 3

II. Budowa, opis działania.................................................................... 3

III. Zastosowania...................................................................................4

IV. Obliczenia projektowe....................................................................6

1. Obliczenie symulatora indukcyjności………...……………...6

2. Obliczenie korektora……...………………………………….6

3. Schemat zaprojektowanego układu…………………………..9

V. Symulacja komputerowa............................................................... 10

1. Opis przeprowadzonych symulacji………………………….10

a) Charakterystyki częstotliwościowe……...……………11

b) Analiza temperaturowa.................................................11

c) Analiza „Worst Case”....................................................11

d) Analiza Monte Carlo.....................................................11

e) Pomiar poboru prądu………………………………….11

2. Wyniki symulacji (wykresy)………………………………..12

VI. Podsumowanie..............................................................................23

VII. Bibliografia……………………………………………………..23

Dodatek………………………...……………………………………24

I. Temat projektu:

Korektor graficzny:

- pięć pasm regulacji

- zakres regulacji ± 20dB

- poziom sygnału wejściowego ~0,6 - 0,7 V

II. Budowa, opis działania

Rys. 2.1 Schemat blokowy korektora

Korektor graficzny jest popularnym układem służącym do wyrównywania charakterystyki częstotliwościowej systemu elektroakustycznego. Niezależnie od jakości wzmacniacza i kolumn, w rzeczywistych warunkach dźwięk jest zniekształcany na skutek odbić, tłumień oraz rezonansów. Innymi słowy, słuchacz nie słyszy dokładnie tego, co ”słyszał” mikrofon przy nagrywaniu dźwięku. Przy pomocy korektora możliwe jest skorygowanie tych niedoskonałości.

W zaprojektowanym korektorze graficznym występują filtry wydzielające poszczególne pasma częstotliwości: 100Hz, 300Hz, 1kHz, 3kHz oraz 10kHz. Do każdego filtru przyłączony jest potencjometr pozwalający na podbicie bądź stłumienie danego pasma. Z uwagi na mniejsze wymiary oraz uniknięcie szkodliwego wpływu zakłócających pól magnetycznych, zamiast klasycznych cewek często stosuje się układ symulowanej indukcyjności. W naszym projekcie korektora wykorzystaliśmy tę opcję. Na rys.2.2 pokazano możliwe realizacje symulowanej indukcyjności.

Rys. 2.2 Realizacje symulowanej indukcyjności

III. Zastosowanie

Korektor graficzny znajduje zastosowanie w wielu typach urządzeń związanych z odtwarzaniem dźwięku, od amatorskich 3-punktowych, aż do profesjonalnych hi-end'owych korektorów tercjowych (31-punktowych). Mają duże znaczenie w procesie produkcji nagrań studyjnych oraz nagłaśnianiu obiektów.

Wiele firm produkuje zestawy do samodzielnego montażu m.in. AVT. Przykładowy układ realizujący funkcję 5-punktowego korektora graficznego został przedstawiony na rys. 3.1.

Spotkać można również equalizery, w których tranzystory zostały zastąpione przez wzmacniacze pracujące jako wtórniki napięcia. Przykładowy schemat takiego układu AVT-186 został przedstawiony na rys. 3.2.

Rys. 3.1 Schemat ideowy 5-punktowego korektora graficznego firmy AVT na kit'cie 2490.

Rys. 3.2 Korektor graficzny AVT-186

IV. Obliczenia projektowe

1. Obliczenie symulatora indukcyjności

Po przeliczeniu równań otrzymujemy następujący wzór na impedancję obwodu:

Lewa część równania odpowiada za rezystancję szeregową filtra zaś prawa jest w tym wypadku indukcyjnością. Przeliczając te równania dla kilku różnych wartości elementów można zauważyć, że lewa część w przybliżeniu jest równa R₁, natomiast prawą można z powodzeniem zamienić na postać

Znając te zależności możemy przystąpić do dalszych obliczeń.

2. Obliczanie korektora

Na początek przyjmujemy wartość wzmocnienia na każde pasmo. Założenia projektowe przewidują regulację w zakresie ±20dB czyli dziesięciokrotne wzmocnienie lub tłumienie sygnału. W skrajnych ustawieniach potencjometru nasz układ przedstawia się jak na rysunkach poniżej(oznaczenia we wzorach dotyczą jedynie tego rysunku):

a) Maksymalne tłumienie

W tym położeniu układ działa jak wtórnik napięciowy z dzielnikiem napięcia na wejściu:

dla A=1/10 i R_S = 470Ω:

b)Maksymalne wzmocnienie

W tym położeniu układ działa jak wzmacniacz nieodwracający napięcie.

,

dla A=10 i R_S = 470Ω:

Rys. 4.1 Dwa sposoby pracy wzmacniacza

W położeniach pośrednich obliczenie dokładnej wartości wzmocnienia jest bardziej skomplikowane ze względu na wpływy obu powyższych sposobów pracy oraz tworzącego się dzielnika napięcia. Ponadto literatura [3] wskazuje w tym przypadku na logarytmiczny charakter zmian, mianowicie dla Rpot=20kΩ wartości wzmocnienia lub tłumienia przyjmują wartości ½ zakresu dla nastaw rzędu 5% i 95%. Efekt ten można zminimalizować stosując specjalne niestandardowe potencjometry albo standardowe o odpowiednio mniejszych wartościach. Zbyt mała wartość może jednak osłabić ogólne wzmocnienie oraz ograniczać pasmo wzmacniacza dlatego jako najlepszy kompromis poleca się wartość ok. 10kΩ.

Znając już te wartości przechodzimy do bloku filtrów. Ponieważ wartość rezystora R2 musi być odpowiednio większa od R1(Rs) - zaleca się wartości rzędu 100 razy większe - ustalamy jego wartość na 100kΩ.

Kolejnym parametrem, który należy przyjąć do obliczeń jest dobroć filtru Q. Od tego parametru bezpośrednio zależy szerokość pasma obejmowanego przez każdy z filtrów oraz dynamika zmian. Sąsiednie pasma korektora muszą na siebie zachodzić, by nie tworzyć miejsc na charakterystyce nieobjętych regulacją. Nie mogą też być zbyt blisko siebie, gdyż wtedy ustawienia jednego pasma zbyt silnie zmieniałyby sąsiednie pasmo. Tutaj literatura poleca ustawienie dające zafalowania charakterystyk nie większe niż 2,5-3dB przy ustawieniu skrajnych wartości. W naszym układzie wybraliśmy zalecaną przy pięciopasmowym korektorze wartość Q = 1 oraz częstotliwości środkowe filtrów 100Hz, 300Hz, 1kHz, 3kHz oraz 10kHz.

Ostatnim krokiem jest obliczenie wartości kondensatorów. W układzie filtra zachodzą następujące zależności:

Dokonując odpowiednich przekształceń otrzymujemy wzory na pojemności kondensatorów:

Znając ustalone wcześniej parametry podstawiamy tylko wartości środkowych częstotliwości filtrów f0 , co daje nam następujące wyniki:

tabela 4.1 obliczone wartości kondensatorów

częstotliwość	wartości wyliczone	przyjęte z szeregu E24
100Hz	C1 = 15,991 nF	16 nF
		C2 = 3,386 μF	3,3 μF
	300Hz	C1 = 5,33 nF	5,1 nF
		C2 = 1,13 μF	1,1 μF
	1kHz	C1 = 1,6 nF	1,6 nF
		C2 = 339 nF	330 nF
	3kHz	C1 = 533 pF	510 pF
		C2 = 113 nF	110 nF
	10kHz	C1 = 160 pF	160 pF
		C2 = 33,9 nF	33 nF

3. Schemat zaprojektowanego układu

Rys. 4.2 Schemat kompletnego korektora

V. Symulacja komputerowa

1. Opis przeprowadzonych symulacji

Symulacje zaprojektowanego układu przeprowadzono w programie Pspice wersja 9.2.

Aby zbadać właściwości projektowanego układu przeprowadzono następujące analizy:

a) charakterystyka częstotliwościowa

b) analiza temperaturowa

c) analiza „worst case”

d) analiza „Monte Carlo”

e) pomiar poboru prądu

a) Badanie charakterystyk częstotliwościowych

Wykorzystując obliczenia projektowe skonstruowaliśmy model układu z filtrem dla pasma 100Hz z symulatorem indukcyjności a następnie porównaliśmy jego charakterystyki z modelem zbudowanym na rzeczywistym induktorze(cewce). Wyniki symulacji odbiegają nieco od zakładanych w projekcie. Zamiast oczekiwanego zakresu regulacji 20dB otrzymaliśmy wynik poniżej 18dB (patrz rys. 5.1). Również wartość dobroci Q jest nieco niższa. Aby dopasować wyniki do założeń projektowych zmodyfikowaliśmy wartości rezystorów R2 i R8 zwiększając je do 5,6kΩ. Po tej poprawce możliwa jest już regulacja w zakładanym zakresie(patrz rys. 5.2).

Poprzednie badanie obejmowało filtr tylko z jednego pasma. Analogiczne badania wykonaliśmy dla pozostałych pasm(każdy filtr przyłączany osobno), przy czym widać wpływ zmiany R2 i R8 dla wszystkich filtrów - każdy uzyskał regulację do 20dB. Uzyskaną rodzinę charakterystyk przedstawia kolejny wykres( patrz rys. 5.3).

Kolejny krok zakładał połączenie wszystkich filtrów w jednym układzie. Gdy badano jeden filtr z potencjometrem w skrajnym położeniu pozostałe były w położeniu neutralnym (połowa skali). W tym badaniu ujawnia się negatywny wpływ połączenia potencjometrów równolegle, co skutkuje powstaniem dzielnika napięcia jeśli ich nastawy są różne. Uzyskane wyniki regulacji są widocznie gorsze (patrz rys. 5.4 i 5.5), jednak w praktycznym zastosowaniu układu korektora rzadko wykorzystuje się tak skrajne nastawy.

Ostatnia symulacja bada układ przy skrajnych nastawach wszystkich potencjometrów jednocześnie (patrz rys. 5.6). W tym przypadku widać wzajemny wpływ na siebie sąsiednich filtrów. Maksymalna regulacja przekracza zakresy każdego filtra z osobna, co jest spowodowane ich stosunkowo małą dobrocią i sumowaniem się wzmocnienia lub tłumienia. W praktyce nigdy nie używa się takich ustawień, gdyż sprowadzają się one do zmiany mocy sygnału wyjściowego bez wpływu na barwę dźwięku.

b) Analiza temperaturowa

Badanie wpływu zmiany temperatury elementów układu na jego pracę przeprowadziliśmy dla czterech wartości temperatur: -20˚C, 0˚C, 27˚C oraz 50˚C. Wyniki zebrane na wykresie (patrz rys. 5.7) wykazują znikome zmiany charakterystyk w całym zakresie pracy układu. Maksymalne różnice pomiędzy skrajnymi wynikami nie przekraczają 0,5dB, co dla przeciętnego użytkownika jest pomijalnym błędem.

c) Analiza „worst case”

W badanym modelu wszystkie rezystory i kondensatory dobraliśmy z szeregu E24 - czyli z tolerancją 5%. Analiza najgorszego przypadku spośród możliwych wartości elementów wykazała stosunkowo nieduże odchylenia charakterystyk w stosunku do wartości nominalnych. Uzyskane wykresy (patrz rys. 5.8 i 5.9) wykazują różnice na poziomie 2dB. Ponadto obok zmian wzmocnienia lub tłumienia można zauważyć małe odchylenia częstotliwości środkowych filtrów. Jednak ze względu na czysto amatorskie zastosowania korektora pięciopasmowego jest to błąd o marginalnym znaczeniu. Dobrane w tym układzie wartości Q dają na tyle szerokie zakresy pracy każdego z filtrów, że różnice będą niezauważalne.

d) Analiza „Monte Carlo”

Celem tej analizy było zbadanie rozrzutu uzyskiwanych wzmocnień dla wybranych trzech filtrów (dla 100Hz, 1kHz i 10kHz) przy maksymalnych ustawieniach wszystkich potencjometrów oraz indywidualnie dla każdego z filtrów. Uzyskane wyniki (patrz rys. 5.10 i 5.11) wskazują, że większość symulacji daje rezultaty porównywalne do tych dla elementów o nominalnych wartościach, a rozrzut wokół nich nie przekracza 1dB. Można po tym wnioskować, iż zastosowanie szeregu pięcioprocentowego zapewnia wystarczająco dobre parametry układu.

e) Pomiar poboru prądu

Z wyników symulacji odczytaliśmy, iż układ łącznie pobiera 10,086mA prądu ze źródła zasilania.

2. Wyniki symulacji komputerowej (wykresy)

a) charakterystyki częstotliwościowe

rys. 5.1 Dla jednego filtru, Ra = 4,3kΩ

legenda(od lewej): filtr z symulatorem indukcyjności, filtr z cewką

Rys. 5.2 Dla jednego filtru, Ra = 5,6kΩ

legenda(od lewej): filtr z symulatorem indukcyjności, filtr z cewką

Rys. 5.3 Pięć osobno podłączanych filtrów, Ra = 5,6kΩ

Rys. 5.4 Pięć równolegle połączonych filtrów, wartości min, Ra = 5,6kΩ

Rys. 5.5 Pięć równolegle połączonych filtrów, wartości max, Ra = 5,6kΩ

Rys. 5.6 Pięć równolegle połączonych filtrów, wartości 5x min i 5x max, Ra = 5,6kΩ

b)Analiza temperaturowa

Rys. 5.7 Charakterystyki częstotliwościowe przy temperaturach (legenda od lewej) -20˚C, 0˚C, 27˚C oraz 50˚C

c)Analiza „Worst Case”

Rys. 5.8 Najgorszy przypadek, 5x min (legenda od lewej) wynik minimalny, nominalny i maksymalny

Rys. 5.9 Najgorszy przypadek, 5x max (legenda od lewej) wynik minimalny, nominalny i maksymalny

d) Analiza „Monte Carlo”

Rys. 5.10 Rozrzut wzmocnień dla trzech filtrów(od góry) 100Hz, 1kHz i 10kHz, ustawienie max dla każdego z osobna

Rys. 5.11 Rozrzut wzmocnień dla trzech filtrów(od góry) 100Hz, 1kHz i 10kHz, ustawienie max dla wszystkich jednocześnie

VI. Podsumowanie:

tabela 6.1 Elementy układu

Nazwa	Rodzaj
R1, R9, R10, R13, R16, R19, R22	rezystor 100 kΩ ±5%
R3 - R7	potencjometr 10 kΩ ±5%
R2, R8	rezystor 5,6 kΩ ±5%
R11, R14, R17, R20, R23	rezystor 470 Ω ±5%
R12, R15, R18, R21, R24, R26	rezystor 4,7 kΩ ±5%
R25	rezystor 3,9 kΩ ±5%
C1, C4, C13, C14	kondensator 10 μF ±5%
C2	kondensator 3,3 μF ±5%
C5	kondensator 1,1 μF ±5%
C7	kondensator 330 nF ±5%
C9	kondensator 110 nF ±5%
C11	kondensator 33 nF ±5%
C3	kondensator 16 nF ±5%
C6	kondensator 5,1 nF ±5%
C8	kondensator 1,6 nF ±5%
C10	kondensator 510 pF ±5%
C12	kondensator 160 pF ±5%
Q1 - Q5	tranzystor BC550C
U3	wzmacniacz operacyjny uA741

Projekt zakłada przyłączenie zewnętrznego źródła zasilania, najlepiej źródła napięcia stałego lub zmiennego z zastosowaniem stabilizatora.

tabela 6.2 parametry układu

Napięcie zasilania	Vp = +12V, Vn = -12V
Pobór prądu	10,086mA
Regulacja wzm. sygnału wejściowego	ok. ±20dB
Pasmo przenoszenia	Pełne pasmo akustyczne
Zakres temperatur pracy	-20˚C - 50˚C (zbadane)

V. Bibliografia

[1] P. Horowitz, W. Hill „Sztuka Elektroniki”

[2] M. Feszczuk „Wzmacniacze elektroakustyczne”, WKŁ Warszawa 1982

[3] Texas Instruments Inc.” An audio circuit collection, Part 3” http://focus.tij.co.jp/jp/lit/an/slyt134/slyt134.pdf

[4] Elektronika dla wszystkich 6/2001(czerwiec) „Korektor graficzny equalizer 5-kanałowy”, str. 92-94

Dodatek

a) Obliczenia impedancji symulatora indukcyjności

Rys. 6.1 Model symulatora indukcyjności

W układzie są prawdziwe następujące wzory:

Stosujemy następujące podstawienia:

2

24

---