Устройства сдвига частоты на электромеханических преобразователях

Радиоэлектроника      Постоянная ссылка | Все категории

РАДИОЛЮБИТЕЛЮ-КОНСТРУКТОРУ

Л. Королев

УСТРОЙСТВА СДВИГА ЧАСТОТЫ НА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

Устройства сдвига частоты (УСЧ) находят широкое применение в разнообразной творческой деятельности радиолюбителей. Так, в области электронной музыки и музыкальной акустики УСЧ широко используются для формирования практически всех видов унисонов — ком­пактных классических унисонов фортепианного типа, синтетических многозвуковых унисонов, унисонного виб­рато и др. УСЧ универсальны и могут работать как с электромузыкальными инструментами (ЭМИ) и элект­ромузыкальными синтезаторами (ЭМС), так и с обыч­ными музыкальными инструментами и певческими голо­сами. При большом сдвиге спектра частот УСЧ дают возможность получать оригинальные звуковые эффек­ты Наконец, УСЧ могут быть составными частями са­мих ЭМИ и ЭМС, например электрофортепиано, где про­блема формирования красивых унисонов является одной из первостепенных.

Исключительно интересным является применение УСЧ в области электроакустики — в системах звукоуси­ления, где смещение спектра частот усиливаемого си­гнала на 5 Гц в простейшем случае дает возможность получить выигрыш индекса усиления в озвучиваемом помещении в среднем на 4-6 дБ.

Весьма интересным является применение предлагае­мых УСЧ в псевдоквадрафонии. В режиме регулируемо­го фазовращателя с помощью таких устройств можно легко и плавно изменять глубину псевдостереоэффекта от нулевого значения до максимума и даже получать качающийся псевдостереоэффект, переходящий при опре-деченных условиях в глубокое пространственно-фазовое вибрато Это может найти применение как при прослу­шивании монофонических звукозаписей в домашней обстановке, так-и при озвучивании театральных залов, студий и т. д.

Важнейший функциональный узел предлагаемых УСЧ — широкополосный фазовращатель — может быть использован в технике радиосвязи: в коротковолновых передатчиках для получения однополосного (SSB) си­гнала фазокомпенсационным способом. Кроме того, УСЧ в режиме управляемых фазовращателей могут быть использованы в автоматике и телемеханике, в научных исследованиях, а также в измерительной технике как основа фазометров для измерения разности фаз компен­сационным способом.

В статье рассмотрены: принцип получения частотного сдвига с помощью электромеханических преобразовате­лей, требования к основным функциональным узлам УСЧ и два конкретных устройства с применением двух­фазных и трехфазных электромеханических преобразо­вателей, области применения предлагаемых УСЧ и осо­бенности, которыми должны обладать эти устройства в конкретной области применения.

Рис. 1. Структурная схе­ма УСЧ с использовани­ем емкостного ЭМП и четырех фазовращателей

Получение частотного сдвига ранее чаще всего дости­галось методами, применяемыми при формировании SSB сигнала. Недостатком такого рода устройств является их сложность, большая трудоемкость наладки и малая полоса пропускаемых частот.

Между тем выпускаемые промышленностью в широ­ком ассортименте различного рода злектромеханические преобразователи — сельсины, вращающиеся трансфор­маторы, фазовращатели, используемые, например, в устройствах автоматики и телемеханики, с большим успехом могут быть применены и в устройствах сдвига частоты. Основную тяжесть формирования частотного сдвига берет на себя электромеханический преобразо­ватель (ЭМП), и техническое решение получается доста­точно простым. Практика показывает, что низкочастот­ные ЭМП могут работать во всем диапазоне звуковых частот и даже захватывать начальную часть ультразву­кового диапазона. В отличие от известных УСЧ важными преимуществами УСЧ с применением ЭМП являются так­же широкий диапазон частотного сдвига, легкость изме­нения в любой момент времени знака частотного сдвига, схемотехническая обратимость устройств с ЭМП.

Принцип получения сдвига частот легче всего понять из рассмотрения структурной схемы устройства (рис. 1) с использованием емкостного ЭМП, называемого также емкостным фазовращателем.

Рис. 2. Структурная схе­ма УСЧ с использовани­ем емкостного ЭМП и одного фазовращателя

Емкостной ЭМП представляет собой четырехсек-ционный конденсатор переменной емкости. Емкость мо­жет изменяться перемещением подвижной металличе­ской пластины относительно неподвижных либо другим способом — с помощью пластины из диэлектрика, пере­мещающейся между неподвижными пластинами. Для на­шего рассмотрения и для конкретного применения это не имеет принципиального значения. Пластины 5 — 8 не­подвижны, пластина 9 вращается относительно точки О с помощью приводного механизма 10. Подвижная пла­стина имеет электрическую связь с нагрузкой 11. На неподвижные пластины 5 — 8 с выхода генератора 1 по­даются сигналы определенной частоты, но разные по фазе: на пластину 5 — без сдвига по фазе относительно общего провода 12, на пластину 6 — со сдвигом 90°, на пластину 7 — со сдвигом 180° и на пластину 8 — со сдви­гом 270°. Поворот фаз сигнала на пластинах 6, 7 и 8 осуществляется с помощью соответственно фазовраща­телей 2, 3 и 4. Пусть в определенный момент времени подвижная пластина 9 полностью перекрывается с непо­движной пластиной 5. Электрическая емкость пластин 5 — 9 будет в этом случае максимальной и в нагрузке 11, т. е. на выходе устройства, будет сигнал нулевой фазы. По мере уменьшения перекрытия пластин 5, 9 и увели­чения перекрытия пластин 6, 9 фаза выходного сигнала будет поворачиваться, и в момент максимального пере­крытия пластин 6, 9 фаза выходного сигнала будет рав­на 90°. За один полный оборот подвижной пластины фаза выходного сигнала изменится от 0 до 360°, т. е. со­вершит полный цикл. Число полных циклов изменения фазы в единицу времени — в секунду — зависит от час­тоты вращения подвижной пластины и будет характери­зовать приращение частоты к частоте входного сигнала. Таким образом, частота выходного сигнала будет сме­щенной относительно частоты исходного сигнала на ве­личину, определяемую частотой вращения ротора ЭМП. Знак приращения частоты — в сторону увеличения либо в сторону уменьшения частоты исходного сигнала — бу­дет зависеть от направления вращений ротора и фази-ровки питания ЭМП. Так, на рис. 1 направление враще­ния ротора и направление фазировки совпадают, и час­тота выходного сигнала будет меньше частоты сигнала генератора.

Заметным преимуществом рассматриваемых устройств является легкость изменения знака частот­ного сдвига. Применительно к схеме рис. 1 для этого достаточно изменить с помощью переключателя направ­ление фазировки питания пластин 5, 7 или пластин 6, 8 без изменения направления вращения ротора.

При практической реализации рассматриваемого устройства система фазовращателей может быть упро­щена — фазовращатели 180° и 270° заменяются на ин­верторы, подключаемые соответственно к шинам исход­ного сигнала и фазовращателя 90°. На рис. 2 показана функциональная схема такого устройства. Цифрой 2 обозначен фазовращатель 90°, а цифрами 3, 4 — инвер­торы, обеспечивающие поворот фаз исходного сигнала и сигнала с выхода фазовращателя на 180°. Остальные обозначения те же, что и на рис. 1.

Нетрудно понять, что для получения частотного сдви­га в диапазоне звуковых частот необходим широкопо­лосный фазовращатель 90° (в технической литературе их часто называют фазоразностными цепями). Отклонение фазового сдвига в ту или иную сторону от 90° при­ведет к паразитной амплитудной модуляции с удвоенной частотой вращения ротора (например, 10 Гц при частоте вращения ротора 5 оборотов в секунду) и воспринимае­мой как тремоло или дрожание звука, загрязняющее тембр. Амплитудная модуляция менее 5 % от среднего значения выходного сигнала практически не слышна. Такой уровень модуляции достигается в том случае, если расчетное значение погрешности фазового сдвига не пре­вышает 3°, а радиоэлементы подобраны с точностью не хуже одного процента. Из сказанного следует, что наи­более сложным элементом УСЧ (не считая самого ЭМП) является широкополосный фазовращатель. Чем шире требуемый диапазон частот и чем выше задаваемая точ­ность обеспечения фазового сдвига, тем сложнее схема фазовращателя. Методика расчета широкополосных фа­зовращателей изложена в соответствующей литературе.

К достоинствам емкостных ЭМП следует отнести конструктивную простоту. Такого рода преобразователи можно изготовить собственными силами. Недостатком емкостных ЭМП является малый коэффициент передачи напряжения на звуковых частотах ввиду малых значений секционных емкостей. Однако имеющиеся в настоящее время диэлектрики с большим значением диэлектриче­ской проницаемости (тысячи и даже десятки тысяч еди­ниц) сулят большие возможности по самостоятельному изготовлению бесконтактных ЭМП е приемлемым зна­чением секционных емкостей. Не следует также забы­вать и о таком важном общем преимуществе ЭМП — их обратимости. В инверсном варианте построения устрой­ства входной сигнал повышенного напряжения, например десятки вольт, подается на роторную пластину. Далее фазорасщепленные сигналы с выходов неподвижных пластин обрабатываются широкополосным фазовраща­телем 90° и инверторами и сводятся в общую нагрузку. Очевидно, что с позиций получения частотного сдвига устройства аналогичны. Вопрос коэффициента передача здесь снимается за счет одного повышенного напряже­ния питания роторной пластины, обеспечить которое не­трудно. Таким образом, существует поле деятельности для радиолюбителей по самостоятельной разработке и конструированию УСЧ с применением емкостных ЭМП.

Рассмотрим несколько конкретных вариантов на­строения УСЧ е применением индукционных преобразивателей — вращающихся трансформаторов, индукцион­ных фазовращателей и сельсинов. Наиболее простым является устройство с применением вращающихся транс­форматоров, называемых также СКВТ (синусно-косинус-ный вращающийся трансформатор) и индукционных фазовращателей-. Вращающиеся трансформаторы пред­назначены для получения выходного напряжения, зави­сящего от синуса (или косинуса) угла поворота ротора, а фазовращатели — для линейного изменения фазы пи­тающего их напряжения. Вращающиеся трансформато­ры, а также индукционные фазовращатели представляют собой индукционные ЭМП, содержащие две или четыре неподвижные (статорные) обмотки, сдвинутые относи­тельно друг друга на 90°, и одну либо две роторные обмотки, в последнем случае также сдвинутые на 90°. Принцип работы устройства в целом аналогичен опи­санному выше для емкостных преобразователей и мы на нем останавливаться не будем. Некоторым отличием функционального построения является то, что для пи­тания вращающегося трансформатора требуются лишь два напряжения, сдвинутых на 90°.

Рис. 3. Схема УСЧ с использованием вращающегося трансформатора

Принципиальная схема УСЧ с использованием вра­щающегося трансформатора показана на рис. 3.

Основные технические характеристики

Максимальное входное напряжение, В 0,7

Максимальное выходное напряжение, В 2,9

Полоса частот по уровню 0,7, Гц. 50…10 000

Коэффициент гармоник, %….. не более 1,0

Потребляемый ток, мА……. 29

На транзисторе VT1 собран предварительный усили­тель напряжения. Конденсатор С2 ограничивает по уров­ню 0,7 диапазон верхних частот, а переходные конден­саторы Cl, C3 не пропускают в тракт частоты ниже 50 Гц. Фазоинвертор с разделенной нагрузкой на тран-.зисторе VT2 обеспечивает питание фазовращателя двумя Одинаковыми по амплитуде, но противофазными напря­жениями, что требуется по принципу работы фазовраща­теля. Сам фазовращатель собран на элементах R9R17, С4СИ. На выходе фазовращателя, т. е. на его нагрузочных элементах R12, С6 и R17, СП получаются два Напряжения, сдвинутые на 90° в указанном диапазоне частот с погрешностью не более 3°. Поскольку коэффициент передачи фазовращателя меньше единицы (по напряжению 0,4), а его выходные цепи высокоомны, к этим цепям подключены согласующие усилители с высокоомными входами. Усилители выполнены на по­левых транзисторах VT3, VT4. Резисторы R18, R19 при­менены для установки оптимальных режимов транзисто­ров VT3, VT4. При этом используются небольшие паде­ния напряжений на нагрузочных резисторах R12 и R17, передаваемые из эмиттерной и коллекторной цепей тран­зистора VT2. Выходные эмиттерные повторители на транзисторах VT5, VT6 подключены к усилительным кас­кадам гальванически — без переходных цепей. К выхо­дам эмиттерных повторителей подключены статорные обмотки вращающегося трансформатора В1. Для увели­чения коэффициента передачи устройства две роторные обмотки вращающегося трансформатора включены по­следовательно. Выходное напряжение можно снимать и .£ одной роторной обмотки, но амплитуда его в этом случае будет в |/2 раза меньше. Резистор R28, шунтирую­щий роторные обмотки, необходим для демпфирова­ния — устранения резонанса роторной обмотки на вы­соких частотах. Вращение ротора вращающегося транс­форматора может осуществляться с помощью любого приводного механизма, содержащего маломощный элек­тродвигатель (на схеме рис. 3 не показан) и, в простей­шем случае, пассиковую передачу движения.

В устройстве применяются обычные малогабаритные радиодетали. Особое внимание следует обратить на под­бор номиналов элементов фазовращателя, они не долж­ны отличаться от указанных в табл. 1 более чем на ±1 %. Резисторы R20 и R21 должны быть с допуском не хуже ±5 %. Конденсаторы должны иметь минималь­но возможный ТКЕ (емкости даны в пФ).

Таблица 1

R9

R10

Rll

R12, RI7

R13

R14

R15

139 кОм

5,6 кОм

438 кОм

110 кОм

36 кОм

298 кОм

23,8 кОм

Продолжение табл. 1

R1S

С4

С5, С9

С6, CU

С7

С8

С10

78,6 кОм

3446

909

2705

11370

5180

33100

Транзисторы VT3, VT4 и VT5, VT6 желательно подо­брать с близкими параметрами. В качестве ЭМП может быть использован любой низкочастотный индукционный фазовращатель или низкочастотный вращающийся трансформатор с импедансами статорных обмоток на частоте 50 Гц не менее 150 Ом. В случае использования более высокочастотных ЭМП с меньшим импедансом обмоток либо использования некоторых типов бескон­тактных ЭМП с изменяющимся в зависимости от поло­жения ротора импедансом статорных обмоток следует применять составные более мощные эмиттерные повто­рители; возможно также существенное уменьшение ам­плитуды обрабатываемого сигнала. Хороший эффект может дать применение согласующих трансформаторов. Номиналы емкости переходных конденсаторов в этих случаях следует значительно увеличить. В качестве электродвигателя может быть взят любой имеющийся в распоряжении радиолюбителя двигатель, желательно малогабаритный с небольшим уровнем шума, например БДС-02 или ЭДГ.

Монтаж устройства выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита размерами 66Х Х100 мм (рис. 4). Поскольку элементы фазовращателя могут быть составными, отверстия в плате для их мон­тажа следует делать большего диаметра. Конструкция приводного механизма может быть самой разнообраз­ной — в зависимости от имеющихся в распоряжении ра­диолюбителя деталей. В простейшем случае — это элек­тродвигатель с пассиковой передачей движения на ЭМП. Конструкция определяется также и областью примене­ния устройства, как это мы увидим ниже. Корпус ЭМП следует соединить с общим проводом схемы. В случае применения ЭМП, не имеющих магнитной экранировки, возможны наводки (в виде фона) по магнитному полю со стороны двигателя. В этих случаях следует приме­нить магнитную экранировку ЭМП, например поместив ЭМП в отрезок стальной трубы с толщиной стенок не менее 1 мм.

Налаживание устройства следует начать с под­бора режимов транзисторов, обеспечивающих минимальные нелинейные искажения, что особенно важно при работе устройства с высококачественной аппаратурой,, например с аппаратурой синтетического унисона, псевдо­стереофонии и др. Каскады VT1, VT2 должны обеспе­чивать линейную передачу сигнала до амплитуд на эмиттере и коллекторе транзистора VT2 не менее 2,5 В. После этого по вольтметру либо по осциллографу, под­бором сопротивления резистора R7 следует тщательно установить равенство амплитуд сигналов на эмиттере и коллекторе транзистора VT2. Далее при одинаковых си­гналах на затворах транзисторов VT3 и VT4 подбором сопротивлений резисторов R22, R23, а в некоторых слу­чаях R24, R25 следует добиться одинаковых амплитуд сигналов на стоках этих транзисторов и в конечном ито­ге на статорных обмотках вращающегося трансформа­тора. Это удобнее всего сделать, подав через конденса­торы большой емкости — не менее 1 мкФ — одновремен­но на затворы транзисторов синусоидальный сигнал « иизкоомного выхода звукового генератора. Сигналы на статорных обмотках вращающегося трансформатора должны быть одинаковы по амплитуде и не должны иметь заметных нелинейных искажений до амплитуды 2…2,2 В на частоте 50 Гц. Контроль искажений лучше всего производить по индикатору нелинейных искаже­ний, например ИНИ-11. Режимы транзисторов VT3, VT4 по минимуму нелинейных искажений подбираются ре­зисторами R18, R19, затем R22, R23 (резисторы R18, R19 могут и отсутствовать). Основополагающим при этом является минимизация нелинейных искажений кас­кадов и равенство амплитуд их выходных сигналов, но не величины их коэффициентов усилений. В некоторых случаях возможна замена транзисторов VT3, VT4.

Рис. 4. Плата УСЧ с использованием вращающегося трансформатора

Заключительным этапом регулировки является про­верка и минимизация величины паразитной амплитуд­ной модуляции выходного сигнала в частотном диапа­зоне. Для этого со звукового генератора на вход устройства подается синусоидальный сигнал такой ве­личины, чтобы по выходу устройства он составлял 30… 50 % от максимального значения. Включив двигатель и изменяя частоту генератора, по осциллографу наблю­дают модуляцию выходного сигнала с удвоенной часто­той вращения ротора ЭМП. Изменения амплитуды в любых точках частотного диапазона не должны превы­шать 5 % в обе стороны от среднего уровня сигнала.

Рис. 5. Схема УСЧ с использованием сельсина

В противном случае следует несколько изменить номи­налы резисторов — в первую очередь R7, а затем R22 (либо R23) и снова проверить коэффициент модуляции в частотном диапазоне. Это удобно проводить в дина­мике — при включенном двигателе, временно заменив указанные постоянные резисторы переменными. Не сле­дует забывать и о технологических погрешностях самого ЭМП. В некоторых случаях для уменьшения модуляции полезно несколько изменить номиналы резисторов R12 (либо R17). Операцию проверки паразитной модуляции можно проводить и по слуху. Во всех случаях слуховой контроль является весьма полезным. Такая модуляция субъективно воспринимается как тремоло либо дрожа­ние звука, например с частотой 10…14 Гц, если частота вращения ротора, а следовательно, и частотный сдвиг составляют 5…7 Гц. В случае излишка выходного на­пряжения (не требующегося для работы остальной части схемы), не следует. существенно понижать входное на­пряжение, так как это может привести к уменьшению динамического диапазона за счет возрастания относи­тельного уровня помех, например наводок по магнит­ному полю на ЭМП со стороны двигателя. В этом случае целесообразно постоянный резистор R28 заменить на пе­ременный того же номинала либо включить два резисто­ра, образующих требуемый делитель напряжения.

Рассмотрим теперь устройства сдвига частоты с при­менением сельсинов. Сельсины представляют собой ин­дукционные ЭМ. П с тремя статорными обмотками, сдви­нутыми относительно друг друга на 120°, и роторной обмоткой. Они подразделяются на сельсины-датчики и сельсины-приемники и предназначены в автоматике и телемеханике для автоматической передачи угловых ве­личин. Такое подразделение преследующее лишь неко­торые параметрические конструктивные или чисто функ­циональные отличия, для нашего рассмотрения не имеет значения.

Принципиальная схема УСЧ с применением сельсина показана на рис. 5.

Основные технические характеристики

Максимальное входное напряжение, В 0,38

Максимальное выходное напряжение, В 5,0

Полоса частот по уровню 0,7, Гц 200…6800

Коэффициент гармоник, %….. не более 1,0

Потребляемый ток, мА 38

Предварительный усили­тель и фазоинвертор, за исклю­чением номиналов шунтирую­щего и переходных конденса­торов, аналогичны описанным выше. Фазовращатель на эле­ментах R9 — R14, С4 — С9 в указанном диапазоне частот обеспечивает сдвиг фаз 120° с точностью около 3°. Резисторы R15 и R16 (могут и отсутствовать) служат, как и в предыдущем случае, для установки оптимальных режимов согласующих кас­кадов на транзисторах VT3, VT4. Усиленные и сдвину­тые на 120° сигналы с выходов согласующих каскадов через эмиттерные повторители на транзисторах VT5 и VT6 подаются на статорные обмотки С2 и СЗ сельсина В1.

Рис. 6. Векторная диа­грамма

Для получения третьего напряжения питания сель­сина со сдвигом фазы 240° применяется схема сложения двух напряжений, сдвинутых на 120° с поворотом фазы суммарного напряжения на 180°. Принцип получения напряжения со сдвигом фазы 240° иллюстрируется век­торной диаграммой, приведенной на рис. 6. Каскады суммирования на транзисторах VT7, VT8 имеют общую коллекторную нагрузку — резистор R26, на котором и выделяется напряжение со сдвигом фазы 240°. Это на­пряжение через эмиттерный повторитель на транзисторе VT9 подается на третью статорную обмотку сельсина. Резистор R31 не является принципиальным е точки зре­ния работы устройства. Он служит для установления нулевого потенциала относительно общего провода на положительных обкладках оксидных конденсаторов С14С16. Резистор R32 служит для уменьшения резо­нанса на высоких частотах роторной обмотки сельсина, а также может быть использован как делитель выход­ного напряжения. Вращение ротора сельсина осущест­вляется с помощью электродвигателя ЭДГ-1 (на схеме рис. 5 не показан) и пассиковой передачи движения. В устройстве применены малогабаритные радиодета­ли, номиналы которых не должны отличаться от ука­занных в табл. 2 более чем на ±1 %, а резисторы R17,

R18 имеют допуск не хуже ±5 %. Конденсаторы фазо­вращателя должны иметь минимально возможные ТКЕ (емкости даны в пФ).

Таблица 2

R9, R12

R10, R13

R11, R14

С4

С5

С6

С7

С8

С9

11,46кОм

74,75 кОм

49,2 кОм

3792

582

924

31520

4840

7680

Для уменьшения межканальных связей транзисторы VТ5 VТ9 следует применять с. большим статическим коэффициентом передачи тока 80…100. В качестве сель­сина может быть Взят любой низкочастотный сельсин-датчик либо сельсин-приемник с импедансом статорных обмоток на частоте 200 Гц не менее 400 Ом. Если при­менить сельсин с сильно зависимым импедансом статор­ных обмоток от угла поворота ротора, следует применить составные эмиттерные повторители с более мощными выходами. Все рекомендации, данные выше в части согласования эмиттерных повторителей с нагрузкой, кон­струкции приводного механизма, мерах устранения на­водок, полностью справедливы и для рассматриваемого случая.

Устройство смонтировано на печатной плате из фоль-гированного стеклотекстолита размерами 66X120 мм (рис. 7).

Налаживание устройства начинают с подбора режимов транзисторов. Процедура первого этапа регу­лировки, включающая в себя проверку и устранение нелинейных искажений и установку равенства сигналов на выходах эмиттерных повторителей VT5, VT6, анало­гична описанной выше. Низшей частотой при этом является 200 Гц. Режимы работы транзисторов VT3, VT4 подбираются в первую очередь резисторами R15, R16, затем резисторами R19 — R22. После этого настраивают суммарно-инверторные каскады. Подавая поочередно одинаковые сигналы на затворы транзисторов VT3, VT4 и контролируя сигнал на выходе эмиттерного повтори­теля на транзисторе VT9 подбором сопротивления рези­стора R27, следует добиться одинаковых коэффициентов передачи трактов. Затем подбором сопротивления ре­зистора R26 достигают того, чтобы сигнал с выхода эмиттерного повторителя на транзисторе VT9, т. с. на обмотке сельсина С1, был равен сигналам на обмотках С2 и СЗ. Очевидно, что инвертированная сумма двух равных синусоидальных напряжений, сдвинутых на угол 120°, равна третьему напряжению той же амплитуды, но сдвинутому по отношению к первым двум на угол 120° (см. рис. 6).

Рис. 7, а. Печатный монтаж платы УСЧ

Рис. 7, б. Расположение элементов на плате УСЧ

Операция минимизации паразитной амплитудной мо­дуляции в частотном диапазоне производится по мето­дике, описанной выше. Возможным небольшим измене­ниям подлежат резисторы — в первую очередь R7, затем R19, R26, в некоторых случаях резистор R11 (либо R14). На граничных частотах диапазона возможен несколько повышенный процент модуляции (5…6 %). В случае из­лишка выходного напряжения постоянный резистор R32 следует заменить на переменный того же номинала либо применить делитель напряжения.

Ознакомившись с принципом работы и конкретными вариантами УСЧ, рассмотрим теперь области их при­менения и некоторые особенности, которыми должны обладать эти устройства.

Начнем с унисонных явлений в электронной музцке. Как известно, унисон является мощным средством рас­ширения тембровых, а следовательно, и художественных возможностей ЭМИ и ЭМС. Сюда относится широкая гамма синтетических унисонов — от компактных унисо-нов фортепианного типа до унисонного вибрато. Ком­пактные унисоны характеризуются очень малым сдвигом по высоте звуков, входящих в его комплекс. Так, в фор­тепиано звуковысотный сдвиг хора составляет десятые доли цента, что составляет сдвиг по частоте, например для ноты «ля» малой октавы (частота основного тона 220 Гц), 0,4…! Гц. Такие медленные изменения фазовых соотношений в значительной степени и определяют певу­честь фортепиано, когда спустя некоторое время после звуковой вспышки, в результате возбуждения струнного хора молоточком происходит усиление звука в резуль­тате синфазного сложения звуковых колебаний струн, входящих в хоровой комплекс. В музыкальном диапа­зоне звуковысотный сдвиг практически постоянен. Час­тотный же сдвиг, наоборот, непостоянен: по мере повы­шения высоты основного тона частотный сдвиг повы­шается. Все устройства сдвига частот, в том числе и только что описанные, дают постоянный сдвиг частоты в музыкальном диапазоне, определяемый в нашем слу­чае числом оборотов ротора ЭМП в секунду. Это обстоя­тельство следует всегда четко представлять во избежа­ние ошибок при конструировании, например переоценки роли простых (одноканальных) УСЧ при проектирова­нии новой качественной аппаратуры для имитации широ­кодиапазонных унисонов. Так, для имитации фортепиан­ных унисонов, например в электрофортепиано, следует применять несколько УСЧ, обслуживающих соответ­ствующие поддиапазоны, со ступенчатым повышением частотного сдвига по мере повышения номера поддиаца-зона. Число каналов УСЧ может определяться лишь чис­лом ЭМП (с соответствующими редукторами и согла­сующими эмиттерными повторителями); широкополос­ный фазовращатель и электродвигатель могут быть теми же самыми.

Рассмотрим унисонное вибрато. В наиболее полной степени этот эффект реализуется путем разнесения в пространстве двух источников звука, смещенных по час­тоте основного тона на 5..J Гц, а в некоторых случаях и менее этого, т. е. на частоту вибрато. При одновремен­ном звучании и примерно одинаковых амплитудах зву­ковых колебаний сигналов в месте, в котором находится слушатель, возникает исключительно красивое глубокое пространственное вибрато. В простейшем случае эффект пространственного вибрато легко достигается с помощью одного УСЧ — воспроизводится исходный сигнал и си­гнал с частотным сдвигом с выхода УСЧ. Однако в этом случае следует учитывать возможность нарушения гар­монии музыкального строя, проявляющегося тем силь­нее чем ниже частота тонов, что в некоторых случаях, в частности в ансамблевом применении, может оказать­ся недопустимым. Например, исходный сигнал, соответ­ствующий ноте «фа» большой октавы, прошедший УСЧ и получивший отрицательный сдвиг частоты около 5 Гц, будет звучать уже в тоне «ми» той же октавы, т. е. со сдвигом по высоте на 100 центов ниже исходного сигна­ла А для исходной ноты «фа» контроктавы такой сдвиг по высоте уже будет составлять 200 центов! Эффект вибрато при этом полностью сохраняется. Такое вибрато будем называть смещенным. Для получения несмещен­ного унисонного вибрато следует применить два УСЧ с противоположными частотными сдвигами. Так, для получения вибрато частотой 6 Гц одно УСЧ должно обеспечить частотный сдвиг — 3 Гц, другое +3 Гц отно­сительно частоты исходного сигнала. Воспроизведению подлежат лишь сигналы с выходов УСЧ. Эффект несме­щенного унисонного вибрато будет сохраняться в более широком диапазоне звуковых частот. Напомним, что в аппаратурном комплекте в этом случае доЛжны быть два ЭМП (с соответствующими согласующими каскадами), приводимые в движение от одного электродвигателя и пассиковой передачи, обеспечивающей синхронное вра­щение роторов с частотой 3 об/с. Противоположность частотных сдвигов осуществляется либо противофаз-ностью направлений вращения роторов ЭМП, либо пере­коммутацией фазировки питания их статорных обмоток, о чем подробно говорилось выше.

При одновременном воспроизведении и третьего — исходного — сигнала получится новый, более обогащен­ный вид синтетического унисона. Не следует забывать, что УСЧ универсальны. Они могут быть использованы как с ЭМИ (в том числе и адаптеризованными), так и с обычными музыкальными инструментами (путем под­ключения, микрофона).

Общей рекомендацией в большинстве случаев при­менения УСЧ для формирования унисонов является же­лательность некоторых флюктуации частотного сдвига — непостоянство его во времени в пределах рассматривае­мого класса унисона. В унисонном вибрато, например, нестабильность частотного сдвига в пределах 5…7 Гц, как показывает практика, более предпочтительна, чем строго фиксированный частотный сдвиг. Это желательно учитывать при выборе конструкции или при разработке приводного механизма. Следует заметить, что введение элемента случайности частотного сдвига в УСЧ не явля­ется слишком уж простой задачей как в техническом, так и в художественно-эстетическом плане.

Остановимся на требованиях к частотной характе­ристике трактов. Сами по себе УСЧ широкополосны. Как показывает практика, даже УСЧ на низкочастотных ЭМП широкополосны вплоть до ультразвуковых частот. Однако за пределам» рабочего диапазона широкополос­ного фазовращателя будет иметь место сильная ампли­тудная модуляция. Как правило, эта модуляция происхо­дит с удвоенной частотой вращения ротора ЭМП и во многих случаях при формировании унисонов, например унисонного вибрато, является нежелательной. Для борьбы с этим явлением УСЧ следует по возможности использовать в трактах с ограниченным частотным диа­пазоном либо ограничивать диапазон как по нижним, так и по верхним частотам с помощью RС-цепей, а так­же с помощью регулировки тембров УНЧ. Если широко­полосный фазовращатель имеет запас по частотному диапазону, частоту среза ограничивающих RС-цепей следует выбирать в его диапазоне. Напомним, что селек­тивность RС-цепей полностью реализуется только при их полной электрической развязке усилительными либо согласующими каскадами. Так, одна RС-цепь обеспечи­вает за частотой среза крутизну частотного спада 6 дБ на октаву, две независимые цепи — 12 дБ на октаву, три цепи — 18 дБ на октаву и т. д

При частотном сдвиге более 7…8 Гц мы уже выходим из области унисонных явлений, а при сдвиге на больший интервал (десятки герц) возможно получение оригиналь­ных звуковых эффектов. Негармоничность спектрального состава звуковых колебаний в слуховом аспекте здесь проявляется в полной мере. Такой режим работы дает хороший эффект для имитации ударных инструментов.

Рассмотрим еще одну интересную область примене­ния УСЧ в электроакустике — подавление акустической обратной связи в системах звукоусиления. При озвучи­вании помещений при работе с микрофоном использова­ние сдвига частот позволяет повысить усиление тракта, сохраняя заданную устойчивость работы системы, либо повысить устойчивость системы при том же усилении. Так при оптимальном частотном сдвиге 5 Гц удается по­лучить выигрыш в неискаженном усилении +3 дБ, до­пуская небольшие искажения до +6..J дБ, а в некото­рых случаях и более этого, по сравнению с обычны­ми методами звукоусиления. Частотный сдвиг рабочего спектра звуковых частот на 5 Гц не приводит к ухудше­нию качества звучания речи и практически пригоден для звукоусиления многих видов музыки и голосов певцов (на возможном нарушении гармонии музыкального строя мы останавливались выше). В тракт звукоусиле­ния УСЧ включается последовательно после микрофон­ного усилителя перед входом усилителя мощности.

Физическая интерпретация подавления акустической обратной связи, а следовательно, и повышения индекса усиления непроста. Вкратце сущность данного явления заключается в следующем. Известно, что статическая частотная характеристика зала (снимается при медлен­ных изменениях частоты непрерывного синусоидального сигнала постоянной интенсивности) изобилует в преде­лах звукового диапазона огромным числом (до несколь­ких тысяч) пиков и провалов, обусловленных интер­ференцией реверберирующих частотных компонент. В случае попадания микрофона в пик акустического по­ля и отсутствия запаса устойчивости система возбуж­дается. Проявляется это в виде знакомых каждому не­приятного воя или пронзительного свиста, частично или полностью парализующих процесс звукоусиления. При воспроизведении же через громкоговоритель сдвину­той полосы частот в течение определенного отрезка зву­чания будет наблюдаться определенный уход интерфе­ренционного пика из точки, в которой мог оказаться микрофон. Устойчивость работы системы повышается.

Первым требованием к УСЧ в системе звукоусиле­ния является обеспечение нужной минимальной полосы частот. Без необходимости не следует предусматривать большие запасы полосы, особенно в сторону низких час­тот, так как это, с одной стороны, уменьшает ресурсы широкополосного фазовращателя и неоправданно услож­няет его схему, с другой стороны, может-привести к увеличению низкочастотных помех, в частности модули­рованного фона частотой 50 или 100 Гц, и уменьшению динамического диапазона. Например, для усиления речи не следует расширять диапазон частот ниже 150…200 Гц. По высоким частотам для художественного звукоусиле­ния речи диапазон частот должен быть не менее 6 кГц. Для этих целей может быть рекомендовано УСЧ, прин­ципиальная схема которого изображена на рис. 5.

Другим требованием является необходимость обеспе­чения непрослушиваемого уровня паразитной амплитуд­ной модуляции с удвоенной частотой частотного сдвига. Такая модуляция наиболее заметна на продолжительных мелодично напевных элементах речи, содержащих глас­ные буквы, и воспринимается как дрожание звуков, искажающих тембр голоса. Поскольку в системе озвучи­вания воспроизведению подлежит только один сигнал — с выхода УСЧ (в отличие от вышерассмотренного слу­чая применения УСЧ, где чаще всего воспроизводятся как сигнал с УСЧ, так и исходный сигнал с равными амплитудами), требования к минимизации амплитудной модуляции повышаются. Следует обратить внимание на тщательность настройки устройства и на точность при­мененных широкополосных фазовращателей. Его дан­ные в схемных обозначениях рис. 3 приведены в табл. 3. Элементы фазовращателя должны быть подобраны с точностью не хуже ±1%. Данный фазовращатель обес­печивает сдвиг фаз 90° в диапазоне частот 0,2…10 кГц с точностью не хуже 1° и может быть использован в схеме рис. 3 без изменения ее остальных элементов, за возможным исключением элементов переходных и шун­тирующих RС-цепей. В случае звукоусиления сигналов с полосой частот, большей, чем у фазовращателя, сле­дует предусмотреть подавление граничных частот с по­мощью RС-цепей, а также с помощью регулировки тем­бров УНЧ.

Таблица 3

R9

R10

RH

R12, R17

R13

R14

R15

297 кОм

13,9 кОм

1,1 Мом

ПО кОм

76,5 кОм

480 кОм

50,3 кОм

Продолжение табл. 3

R16

С4

С5, С9

С6, С11

С7

С8

C10

138 кОм

883

254,5

1208

2432

1351

7432

Остановимся на применении УСЧ в области стерео­фонии и квадрафонии. Известно, что псевдостереоэффект получается при одновременном воспроизведении двумя разнесенными в пространстве акустическими системами звуковых сигналов, фазы которых сдвинуты относитель­но друг друга на оптимальную величину 90° (либо 270°) в достаточно широкой полосе частот. Звук приобретает «объемность», как при воспроизведении стереофониче­ской записи. При воспроизведении оркестровых записей создается субъективное впечатление, что отдельные ин­струменты оркестра расположены в разных точках про­странства между акустическими системами. Разумеется, расположение источников звуков не будет соответство­вать реальному, как при стереофонии, а определяется положением слушателя, частотой и характеристиками фазовращателя.

Широкополосный фазовращатель 90° систем УСЧ, построенных на ЭМП типа вращающихся трансформа­торов и индукционных фазовращателей, полностью при­годен для обработки монофонической информации для получения псевдостереоэффекта. Так, устройство, пока­занное на рис. 3, может быть использовано как пол­ностью готовая приставка для получения псевдостерео­эффекта. Сигналы с выходов эмиттерных повторителей VT5, VT6 подаются непосредственно на усилители раз­несенных акустических систем. ЭМП и приводной дви­гатель при этом не используются, хотя могут и не отключаться от схемы. Напомним, что в случае общего недостатка диапазона частот он может быть расширен, например в сторону высоких частот, уменьшением ем­кости конденсатора С2.

Литература

Авраменко В. Л., Галямичев Ю. П., Л а ннэ А. А. Электрические линии задержки и фазовращатели: Справочник. — М.: Связь, 1973.

Дрейзен И. Г. Системы электронного управления акустикой залов и радиовещательных студий. — М. : Связь, 1967. Королев Л. Д. Двухточечный унисон. — Радио, 1970, № 12. Королев Л. Д., Воронцов В. П. Устройство сдвига час­тот для подавления акустической обратной связи. — Техника кино и телевидения, 1972, № 4.

ББК 32.884.19 В80

Составитель Н. Ф. Назаров

В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 90 В80 /Сост. Н. Ф. Назаров. — М.: ДОСААФ, 1985. — 79 с., ил.

30 к.

Приведены описания конструкций, принципиальные схемы и ме­тодика расчета их некоторых узлов. Учтены интересы начинающих и квалифицированных радиолюбителей.

Для широкого круга радиолюбителей.

© Издательство ДОСААФ СССР, 1985

2402020000 — 062

В—————-28 — 85

072(02) — 85

ББК 32.884.19 6Ф2.9

В ПОМОЩЬ РАДИОЛЮБИТЕЛЮ

Выпуск 90

Составитель Николай Федорович Назаров

Заведующий редакцией А. В. Куценко

Редактор М. Е. Орехова Художник В. А. Клочков

Художественный редактор Т. А. Хитрова

Технический редактор Е. В. Дмитриева

Корректор В. Д. Синева

ИБ № 1763

Сдано в набор 02.10.84. Подписано в печать 05.05.85. Г-80728. Формат 84X108/32. Бумага типографская № 3. Гарнитура литер. Печать высокая. Усл. п. л. 4,20. Усл. кр.-отт. 4,52. Уч.-изд. л. 4,10. Тираж 900 000 экз. Заказ № 4 — 2993. Цена 30 к. Изд. № 2/г — 353.

Ордена «Знак Почета» издательство ДОСААФ СССР. 129110, Москва, Олимпийский просп., 22.

Головное предприятие республиканского производственного объедине­ния «Полиграфкнига», 252057, Киев, ул, Довженко, 3,

OCR Pirat
Радиоэлектроника      Постоянная ссылка | Все категории
Мы в соцсетях:




Архивы pandia.ru
Алфавит: АБВГДЕЗИКЛМНОПРСТУФЦЧШЭ Я

Новости и разделы


Авто
История · Термины
Бытовая техника
Климатическая · Кухонная
Бизнес и финансы
Инвестиции · Недвижимость
Все для дома и дачи
Дача, сад, огород · Интерьер · Кулинария
Дети
Беременность · Прочие материалы
Животные и растения
Компьютеры
Интернет · IP-телефония · Webmasters
Красота и здоровье
Народные рецепты
Новости и события
Общество · Политика · Финансы
Образование и науки
Право · Математика · Экономика
Техника и технологии
Авиация · Военное дело · Металлургия
Производство и промышленность
Cвязь · Машиностроение · Транспорт
Страны мира
Азия · Америка · Африка · Европа
Религия и духовные практики
Секты · Сонники
Словари и справочники
Бизнес · БСЕ · Этимологические · Языковые
Строительство и ремонт
Материалы · Ремонт · Сантехника