Сложная форма кривой RIAA - компромисс, сложившийся из необходимости получить наилучшее качество воспроизведения из технически несовершенных устройств механической грамзаписи .
Первые серийные пластинки, записанные по этой схеме частотных предыскажений, были выпущены компанией RCA Victor в августе 1952 года . В июне 1953 года схема RCA была одобрена Национальной ассоциацией телерадиовещателей США (NARTB) в качестве национального стандарта; выбор NARTB поддержали другие отраслевые институты, в том числе (RIAA) . К 1956 году новый стандарт, за которым закрепилось название «кривой RIAA», вытеснил конкурирующие форматы и захватил рынки США и Западной Европы. В 1959 году кривая RIAA была одобрена, а в 1964 году стандартизована Международной электротехнической комиссией . В 1972 году стандарт в редакции МЭК был принят в СССР. В 1976 году МЭК видоизменила стандартную кривую воспроизведения RIAA в области низких частот; нововведение встретило ожесточённую критику и не было принято промышленностью . В XXI веке подавляющее большинство производителей предусилителей-корректоров следует первоначальному стандарту кривой RIAA без изменений, введённых МЭК в 1976 году .
Математическое описание
АЧХ записи
V x (ω) ∝ 1 + (ω T 2) 2 1 + (ω T 3) 2 1 + (ω T 1) 2 {\displaystyle V_{x}(\omega)~\propto ~{\frac {{\sqrt {1+(\omega T_{2})^{2}}}{\sqrt {1+(\omega T_{3})^{2}}}}{\sqrt {1+(\omega T_{1})^{2}}}}} , V x (f) ∝ 1 + (f / f 2) 2 1 + (f / f 3) 2 1 + (f / f 1) 2 {\displaystyle V_{x}(f)~\propto ~{\frac {{\sqrt {1+(f/f_{2})^{2}}}{\sqrt {1+(f/f_{3})^{2}}}}{\sqrt {1+(f/f_{1})^{2}}}}} ,Где V x {\displaystyle V_{x}} - колебательная скорость смещения канавки, f {\displaystyle f} и ω {\displaystyle \omega } - частота и угловая частота сигнала, а T 1 {\displaystyle T_{1}} , T 2 {\displaystyle T_{2}} и T 3 {\displaystyle T_{3}} - специфические именно для стандарта RIAA постоянные времени , определяющие частоты среза , , . В литературе используются разные способы нумерации этих частот и постоянных времени; в приведённых формулах они пронумерованы в хронологическом порядке внедрения их в производство ( f 1 {\displaystyle f_{1}} - 1926 год , f 2 {\displaystyle f_{2}} - 1938 год , f 3 {\displaystyle f_{3}} - 1948 год ):
АЧХ воспроизведения
Обратное преобразование напряжения на выходе электромагнитного звукоснимателя, которое пропорционально колебательной скорости, в выходное напряжение предусилителя-корректора U {\displaystyle U} выполняется «функцией RIAA». Стандартный фильтр RIAA эквивалентен последовательному соединению двух фильтров нижних частот первого порядка (знаменатель) и одного дифференциатора (числитель) :
U (ω) ∝ 1 + (ω T 1) 2 1 + (ω T 2) 2 1 + (ω T 3) 2 {\displaystyle U(\omega)~\propto ~{\frac {\sqrt {1+(\omega T_{1})^{2}}}{{\sqrt {1+(\omega T_{2})^{2}}}{\sqrt {1+(\omega T_{3})^{2}}}}}} (2) , V x (f) ∝ 1 + (f / f 1) 2 1 + (f / f 2) 2 1 + (f / f 3) 2 {\displaystyle V_{x}(f)~\propto ~{\frac {\sqrt {1+(f/f_{1})^{2}}}{{\sqrt {1+(f/f_{2})^{2}}}{\sqrt {1+(f/f_{3})^{2}}}}}} ,с теми же, что и в АЧХ записи, значениями постоянных времени и частот. Отклонение АЧХ реальных устройств от стандарта не нормируется исходя из предположения, что такое отклонение может быть скорректировано темброблоком усилителя . Целевое значение предельного отклонения АЧХ от стандарта, принимаемое при разработке высококачественных предусилителей-корректоров, составляет ±0,1 дБ .
АЧХ канала воспроизведения («функция RIAA») всегда сосредоточена в предусилителе-корректоре. Эти предусилители практически непригодны для воспроизведения абсолютного большинства «патефонных» пластинок на 78 об/мин из-за спада АЧХ на средних и высоких частотах . Звучание таких пластинок получается тусклым, лишённым обертонов . При воспроизведении пластинок, записанных электрическими рекордерами первого поколения с особо низкой f 1 {\displaystyle f_{1}} , этот эффект усугубляется дополнительным подъёмом нижних частот .
Область определения и нормирование
Обе формулы определены в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц; за его пределами АЧХ не регламентируется . Формальная экстраполяция за пределы звукового диапазона показывает, что с уменьшением частоты ниже 20 Гц модуль АЧХ записи асимптотически приближается к единице, а с ростом частоты выше 20 кГц он растёт бесконечно, прямо пропорционально частоте. В реальных рекордерах, помимо фильтров записи RIAA, неизбежно присутствуют не предусмотренные стандартом фильтры, которые блокируют прохождение постоянного тока, инфразвуковых , ультразвуковых и радиочастот на приводы резца и не влияют на передачу звуковых частот . Например, в наиболее распространённом усилителе записи Neumann SAL 74B высокочастотные помехи отсекаются фильтром Баттерворта второго порядка с частотой среза 49,9 кГц . Вносимое им затухание в звуковом диапазоне, менее 0,1 дБ на 20 кГц, неразличимо на слух и не требует какой-либо компенсации в канале воспроизведения .
На практике обе формулы всегда исчисляются в децибелах и нормируются относительно частоты 1 кГц. На этой частоте нормированные значения АЧХ и записи, и воспроизведения равны 0 дБ ; нормированное значение АЧХ воспроизведения на частоте 20 Гц составляет +19,274 дБ (усиление в 9,198 раз относительно уровня на 1 кГц), а на частоте 20 кГц оно падает до −19.62 дБ (ослабление в 9,572 раз) . Таким образом, коэффициенты усиления предусилителя RIAA на частотах 20 Гц и 20 кГц различаются на 39 дБ, или в 88 раз. Распространённое утверждение о том, что на частотах f 1 {\displaystyle f_{1}} и f 2 {\displaystyle f_{2}} нормированная АЧХ воспроизведения принимает значения +3 дБ и −3 дБ, не верно . Оно справедливо для одиночных фильтров первого порядка, но не для цепи последовательно соединённых фильтров с достаточно близкими частотами среза. Точные значения функции RIAA на f 1 {\displaystyle f_{1}} и f 2 {\displaystyle f_{2}} равны соответственно +2,648 дБ и −2,866 дБ .
Предназначение частотной коррекции
Особенности долгоиграющей звукозаписи
Классический технологический цикл производства стереопластинок начинается с нарезания оригинала грамзаписи в тонком слое нитроцеллюлозного лака, нанесённого на алюминиевый диск . Треугольный в плане , принудительно нагретый до 200-300 °С сапфировый резец, закреплённый на массивном тангенциальном «тонарме» рекордера, управляется двумя лёгкими, но мощными электромагнитными приводами, охлаждаемыми струями воздуха или гелия . Частотные искажения, собственный резонанс и нелинейность подвижной системы рекордера эффективно подавляются цепью электромеханической обратной связи, разработанной в конце 1930-х годов и ставшей де-факто отраслевым стандартом к середине 1960-х годов . Резец перемещается от края к центру диска строго по его радиусу, а ось симметрии резца всегда направлена по касательной к нарезаемой канавке .
Сигналы обоих стереоканалов кодируются поперечным (горизонтальным) смещением резца . Смещение внешней, ближней к краю пластинки, стороны канавки соответствует правому каналу, внутренней стороны - левому . При записи монофонического (синфазного) сигнала изменяется только поперечное смещение канавки, а её ширина и глубина остаются неизменными. Смещение резца в глубину лакового слоя и обратно соответствует разности сигналов левого и правого каналов. В ходе сведения фонограммы амплитуда этой составляющей ограничивается, чтобы избежать скачков иглы . Расстояние между канавками варьирует от 200 до 65 мкм (130-390 канавок на дюйм) , что на скорости 33⅓ об/мин обеспечивает длительность воспроизведения одной стороны пластинки от 13 до 40 минут . Предельное поперечное смещение канавки в 1950-е годы ограничивалось величиной 25 мкм; по мере усовершенствования звукоснимателей оно постепенно увеличивалось . В стандарте СССР 1972 года предельное горизонтальное смещение канавки составляло 40 мкм, предельное вертикальное - не более 20 мкм ; к 1978 году допустимое поперечное смещение выросло до 50 мкм . В XXI веке ширина немодулированной канавки практически никогда не опускается ниже 50 мкм; на громких фрагментах канавка расширяется до 80-90 мкм, а при записи синглов на 45 об/мин ширина канавки может достигать 125 мкм .
Верхняя граничная частота записи определяется высокочастотным резонансом резца и не превышает 25 кГц . На частотах выше этой границы амплитуда записываемых колебаний спадает столь быстро, что можно полагать, что записанный сигнал не содержит полезных ультразвуковых составляющих. Исключение - квадрофонические пластинки системы CD-4, в которых спектр полезного сигнала простирается до 45 кГц . Лаковые оригиналы этих пластинок нарезались обычными резцами при замедленной в два раза скорости вращения диска с замедленной в два раза магнитной фонограммы. Предельная частота записи составляла 22,5 кГц, но при воспроизведении на стандартной скорости она преобразовывалась в 45 кГц .
Геометрические ограничения при записи
Перемещение резца при нарезании канавки должно укладываться в три ограничения - по предельной амплитуде смещения канавки, по её предельной колебательной скорости и по предельному ускорению . Первое из них действует в равной мере на всей площади пластинки, отведённой для записи. Ограничения скорости и ускорения устанавливаются для наихудшего случая - канавок, ближайших к центру пластинки . Чем ближе канавка к центру, тем выше вероятность перегрузок и искажений, и наоборот: чем дальше канавка от центра, тем меньше плотность записи колебаний, что делает возможным тщательно рассчитанное превышение пределов скорости и ускорения .
Смысл ограничения амплитуды смещения очевиден: даже незначительное превышение этого предела, не приводящее к разрушению стенки между канавками, может эту стенку деформировать и породить явно слышимый копир-эффект . Запись сигнала с максимальной амплитудой смещения обеспечивает наилучшее отношение сигнал-шум , но она технически возможна лишь в области низких частот. На рубеже не более 1 кГц в силу вступает другое ограничение - по предельной скорости смещения канавки. Несоблюдение этого предела во время записи приводит к тому, что задние грани резца повреждают стенки канавки, нарезанные его передними кромками . При воспроизведении канавки, записанной с превышением скорости, её эффективная ширина сужается, возникает эффект выдавливания иглы из канавки (пинч-эффект) и как следствие - нелинейные искажения . Поэтому предельная скорость смещения канавки всегда ограничивается: в советском ГОСТ 7893-72 уровнем 10 см/с для монофонических и 7 см/с для стереофонических записей ; к 1978 году предел увеличили до 14 см/с . Номинальный уровень записи («0 дБ»), относительно которого нормируется усиление воспроизводящего тракта, соответствует пиковой скорости 8 см/с; на практике его часто приравнивают к среднеквадратической скорости в 5 см/с . В мировой практике встречались пластинки с пятикратным превышением этого порога - 38 см/с (+14 дБ) на частоте 2 кГц, что соответствует ускорению иглы звукоснимателя в 487 .
На высоких частотах в силу вступает третий ограничивающий фактор, связанный именно с ускорением - предельная кривизна канавки. Для того, чтобы игла звукоснимателя могла отследить высокочастотное смещение канавки, радиус этого смещения должен быть не меньше радиуса острия иглы. Если не учитывать это ограничение при записи, то игла будет проскакивать мимо высокочастотных впадин и гребней канавки и необратимо повреждать их . Для стандартных круглых игл с радиусом острия 18 мкм этот эффект («ошибка неогибания» , англ. tracing error ) может проявляться уже на 2 кГц, для игл с узким эллиптическим остриём - на 8 кГц . Нормированный в СССР предел ускорения составлял вначале 25 10 4 см/с 2 (255 G), а к 1978 году вырос до 41 10 4 см/с 2 (418 G) .
Принцип предыскажений
Существуют два основных режима записи гармонического сигнала на лаковый диск. В режиме постоянства амплитуд смещения амплитуда смещения канавки зависит только от амплитуды записываемого электрического сигнала и не зависит от его частоты. При этом скорость изменения смещения растёт прямо пропорционально частоте сигнала и рано или поздно достигает неприемлемо высоких значений. В режиме постоянства амплитуд колебательной скорости от частоты не зависит амплитуда скорости изменения смещения канавки, а амплитуда смещения обратно пропорциональна частоте сигнала. Наиболее распространённые электромагнитные звукосниматели чувствительны именно к колебательной скорости, поэтому воспроизведение пластинок, записанных в этом режиме, не требует какой-либо частотной коррекции. Однако такие записи отличаются неприемлемо высоким относительным уровнем шума на средних и особенно высоких частотах . Из-за этих недостатков ни один из двух режимов не применим в чистом виде. Все практические системы звукозаписи сочетают участки обоих режимов: на низких частотах рекордер работает в режиме постоянства амплитуд смещения, на средних - в режиме постоянства колебательной скорости. Переход от одного режима к другому происходит в особом фильтре предыскажений , а частота раздела выбирается так, чтобы вписать в заданные технологией пределы максимум полезного сигнала.
Идеального решения задачи не существует, так как всякая музыкальная или речевая программа имеет своё, уникальное, спектральное распределение энергии и пиковых амплитуд сигнала . Не существует и эталона такого распределения, которым можно было бы оценить эффективность той или иной настройки фильтра . На практике используется простейшая модель спектра, в которой в диапазоне 20 Гц…1 кГц пиковые амплитуды постоянны, а в диапазоне 1…20 кГц они снижаются со скоростью примерно 10 дБ на октаву . Доля высокочастотных составляющих в этой модели столь мала, что ограничение предельного ускорения теряет смысл. Напротив, с точки зрения лучшего соотношения сигнал-шум целесообразно увеличить уровень высокочастотного сигнала, чтобы максимально полно использовать динамический диапазон записи . Наклон АЧХ в 10 дБ на октаву простыми фильтрами воспроизвести невозможно; на практике используются лишь комбинации фильтров первого порядка, каждый из которых реализует наклон в 6 дБ на октаву . Важна не точность «вписывания» условной модели спектра в условную модель пластинки, но точное, зеркальное соответствие АЧХ каналов записи и воспроизведения .
По той же причине - необходимость подавить низкочастотные помехи воспроизведения - дополнительно поднимается и уровень записи на самых низких частотах (20…50 Гц в стандарте RIAA) . Таким образом, оптимальная АЧХ фильтра предыскажений долгоиграющей записи имеет в звуковой области три точки перегиба: две в области средних частот и одну низкочастотную .
Исторический очерк
Частотная коррекция до перехода на долгоиграющую запись
Абсолютно все пластинки в истории были записаны с искажениями спектра исходного сигнала . Вначале это были естественные, неизбежные и неустранимые частотные искажения чисто механических рекордеров . Этот этап развития технологии достиг вершины в середине 1920-х годов ; тогда же начался переход от непосредственной записи акустических колебаний к электрическому усилению записываемого сигнала . Разработчики первого электрического рекордера Bell Labs Джозеф Максфилд и Генри Гаррисон, понимавшие невозможность использования режимов постоянства амплитуды и постоянства колебательной скорости в чистом виде, ввели в схему фильтр предыскажений с частотой раздела низкочастотной и среднечастотной области ( f 1 {\displaystyle f_{1}} ) 200 Гц . Для частот выше 4 кГц они рекомендовали переход к режиму постоянного ускорения, но в несовершенной аппаратуре 1920-х годов он востребован не был . Не сразу, постепенно, необходимость преднамеренных искажений спектра осознали и другие конструкторы и звукоинженеры .
В 1930-е годы большинство производителей применяли как минимум двузвенную частотную коррекцию, аналогичную схеме Максфилда и Гаррисона, а дополнительный подъём АЧХ на высоких частотах обеспечивали стандартные конденсаторные микрофоны конструкции Уэнта . Рынок США захватила патентованная система записи Western Electric ; британская EMI , а за ней и большинство европейских производителей взяли на вооружение схему «Блюмлейн 250» (англ. Blumlein 250Hz ) с частотой раздела 250…300 Гц .
Первые долгоиграющие пластинки
Компания, работавшая над новинкой с 1930-х годов, всерьёз рассчитывала стать автором и владельцем нового мирового стандарта . Ей действительно удалось сделать стандартом скорость вращения диска (33⅓ оборота в минуту), геометрическую спецификацию канавок, она изобрела и ввела в оборот само обозначение . Схему частотной коррекции долгоиграющих пластинок Columbia выбрала по рекомендации своего старого партнёра - Национальной ассоциации вещателей (NAB) . Точное техническое описание этой схемы никогда не публиковалось; из опубликованных графиков следует, что NAB использовала АЧХ с перегибами на 1590 мкс (100 Гц), 350…400 мкс (400…450 Гц) и 100 мкс (1600 Гц) . С инженерной точки зрения это было удачное компромиссное решение, весьма близкое к будущему стандарту RIAA и почти не отличимое от него на слух .
К 1952 году фирменное название кривой Columbia (англ. LP Curve ) стало в США именем нарицательным . Эксперты отрасли были уверены, что именно эта схема станет стандартом отрасли, но войну форматов Columbia проиграла . Главным недостатком её схемы было то, что она была оптимизирована для пластинок диаметром 406 мм , которые не были приняты рынком. Для завоевавших рынок пластинок диаметром 305 мм , более чувствительных к перегрузкам на высоких частотах, схема Columbia подходила хуже . Выбранное компанией значение f 2 {\displaystyle f_{2}} (1600 Гц) было слишком низко, что лишь усугубляло эти искажения .
Война форматов
Вслед за Columbia на рынок долгоиграющих пластинок вышли конкуренты, использовавшие альтернативные схемы частотной коррекции. Об этих недолговечных технических решениях, никогда не публиковавшихся в виде полноценных технических описаний, сохранились лишь фрагментарные, неточные и часто неверные сведения. Маркировка пластинок этого периода запутана или вовсе недостоверна ; действительную АЧХ предыскажений, применённую при их записи, можно лишь оценить на слух. Например, компания Decca , в 1950 году начавшая продажи долгоиграющей версии своей патентованной системы ffrr , в течение трёх лет опубликовала четыре различных графика АЧХ . Однако, по мнению Копленда, в действительности до перехода на стандарт RIAA Decca применяла лишь две схемы - «Блюмлейн 500» и её вариант с подъёмом высоких частот выше 3,18 кГц . Всего же в послевоенное десятилетие на статус стандарта претендовали не менее девяти различных систем . Граница раздела низкочастотной и среднечастотной области варьировала от 250 до 800 Гц, подъём высоких частот составлял от 8 до 16 дБ на 10 кГц . Кроме того, существовали не предназначенные для тиражирования «фирменные стандарты» крупных радиостанций, архивов и библиотек - например, различные службы BBC использовали три разные схемы предыскажений вплоть до 1963 года . Отраслевые (AES , 1950 ) и международные (CCIR , 1953 ) организации, как могли, «управляли процессом», предлагая собственные решения. Последний из этих несостоявшихся стандартов, германский DIN 45533 , был одобрен в июле 1957 года и так и не дошёл до серийного производства .
Множество несовместимых форматов было на руку лишь производителям аппаратуры, предлагавшим слушателям сложные темброблоки для исправления частотных искажений. Производители пластинок, напротив, были заинтересованы в скорейшей стандартизации частотной коррекции. В 1953 году, когда стало очевидным, что отрасль не собирается принимать схему коррекции NAB и Columbia, Национальная ассоциация телерадиовещателей (NARTB) провела сравнительный анализ схем частотной коррекции, использовавшихся в США, и составила на их основе идеальную «среднестатистическую» АЧХ записи и воспроизведения . Из всех реально используемых схем к ней лучше всего подходила АЧХ записи компании RCA Victor , внедрённая в производство в августе 1952 года под фирменной маркой New Orthophonic . Её отклонение от среднестатистического идеала во всём звуковом диапазоне не превышало ±1,5 дБ . RCA Victor, так же как и Columbia, использовала кривую записи с тремя перегибами, но оптимизированную для скорости 33⅓ об/мин. Именно схема RCA Victor, c подъёмом низких частот на f 3 {\displaystyle f_{3}} =50,05 Гц, и была выбрана в качестве национального стандарта США .
Внедрение
В 1953-1954 годы предложенное NARTB решение было последовательно признано американскими Ассоциацией производителей телерадиоаппаратуры (RETMA) и Обществом звукоинженеров (AES). После того, как в мае 1954 года Американская ассоциация звукозаписывающих компаний (RIAA) утвердила его в качестве национального отраслевого стандарта США, за ним закрепилось название «кривой RIAA» или «частотной коррекции RIAA» (англ. RIAA curve, RIAA equalization ). В 1955 году кривая RIAA стала национальным стандартом Великобритании и получила предварительное одобрение Международной электротехнической комиссии ; тремя годами позже МЭК официально признал кривую RIAA в ранге стандарта (Публикация МЭК-98-1958, ныне IEC 60098).
Переход промышленности США на кривую RIAA был стремительным, по крайней мере на словах . Понимая, что продать запасы старых, нестандартных пластинок в новых условиях будет весьма затруднительно, производители поспешили декларировать соответствие новому стандарту
Если вы захотите создать архив из Ваших виниловых записей на ПК, то Вам будет необходим RIAA корректор. На рисунке показана схема простого но качественного RIAA — корректора (приставка), который питается от USB, а выходной сигнал подается на вход звуковой карты ПК.
Несмотря на низкое напряжение питания (5 В), характеристики схемы довольно хорошие, с высокой входной перегрузочной способностью, очень низким искажением и точным воспроизведением кривой выравнивания RIAA благодаря двухступенчатой схеме на ОУ.
Первая часть схемы — линейный усилитель с коэффициентом усиления примерно в 11 раз. Вторая часть реализует выравнивание RIAA с помощью второго операционного усилителя.
Сглаживающий конденсатор питания C5 имеет большой размер (2200 мкФ), чтобы исключить источник помех, поступающий с цепи питания компьютера.
Обратите внимание, что использование ОУ LM833 является обязательным в этой схеме: все подобные ОУ, такие как NE5532 или LS4558, будут работать намного хуже при питании 5 В.
Примечание:
- Плата должна быть помещена в металлический корпус.
- Значение 8200 пФ для полиэфирного конденсатора C8 найти трудно найти. Проблема может быть решена путем параллельного подключения двух конденсаторов (6n8 + 1n5).
- Чувствительность схемы может быть увеличена за счет уменьшения значения R2. Из-за характеристик современных аудиовходов ПК это изменение обычно не требуется.
- Общее гармоническое искажение на частоте 1 кГц и до 1,27 В RMS: 0,0035%
- Общее гармоническое искажение на частоте 10 кГц и до 1,27 В RMS: 0,02%
Источник — http://www.redcircuits.com/Page176.htm
- Похожие статьи
Войти с помощью:
Случайные статьи
- 10.10.2014
На рисунке показана схема предварительного усилителя с тембро-блоком, тембро-блок включен в цепь обратной связи предварительного усилителя. Напряжение питания уст-ва может варьироваться от 12 до 24В, потребляемый ток не более 10 мА. Входной сигнал поступает через разделительный конденсатор С1, резисторы R1 и R2 определяют напряжение смещения транзистора VT1, после предварительного усиления …
-
где s = j ω, ω = 2πf , а j - мнимая единица.
Прежде, чем начать усердное решение проблемы, связанной с выравниванием (коррекцией) частотной характеристики в соответствии со стандартом RIAA, необходимо попытаться определить понятие частотной коррекции, соответствующей стандарту RIAA. Параметры, используемые для выравнивания частотной характеристики, могут быть точно и однозначно выражены с использованием постоянных времени: 3180 мкс, 318 мкс и 75 мкс (то есть путем использования элементов или отдельных цепей, задающих данные постоянные времени). Постоянная времени связана с частотой колебаний соотношением t = 1/(2πf ) то есть постоянная времени 318 мкс соответствует периоду колебаний с частотой 500,5 Гц. Уравнение, которое выражает коэффициент передачи G s , необходимый для ответной реакции системы на коррекцию в соответствии со стандартом RIAA, имеет следующий вид:
Решение данного уравнения, оперирующего с комплексными числами, является достаточно громоздким и представляет определенные трудности, поэтому наиболее простым способом получить результаты вычислений является использование компьютерной программы на языке QBASIC, которая приводится ниже. Результатом вычислений, выполненных с использованием данной программы, являются данные, приведенные в табл. 8.5. Данная программа рассчитывает только необходимую характеристику эквалайзера; предварительно идеально откорректированный сигнал, проходя через идеальный эквалайзер, дает отклонение амплитудной характеристики, равное 0 дБ, и сдвиг по фазе частотной характеристики, равный 0° для всех частот.
OPTION BASE I DATA
0.10,20,50.05,70,100,200,500.5,700,1000,2000,2122,5000,
7000,10000,20000,50000,70000,100000,20000
W = 2*3.1415927# * F
REALU = 1 - W^ 2 * В * С + W^ 2 *A * (В + С)
IMAGU = W^ (А -В - С - W^ 2 * A * В * С)
LOWER = (1 - W^ 2 *B * С)" 2 + W^ 2 * (В + С)^ 2
MAG = SQR
GAIN = (((19.91102 + 8.68589 * LOG(MAG))*1000)\1)/ 1000
REM THE 8.68589 FACTOR ARISES BECAUSE QBASIC USES NATURAL LOGS
PHASE = ((572.96 * ATN(IMAGU / REALU))\ 1)/ 10
PRINT F, GAIN, PHASE
Необходимо отметить, что порядок операций, установленный при использовании этой программы, имеет жизненно важное значение, и что числа, следующие после команды DATA должны быть напечатаны в одну линию, даже несмотря на то, что они могут не умещаться по ширине экрана (или страницы) на дисплее.
Из результатов, приведенных в табл. 8.5, видно, что высокое значение усиления (коэффициента передачи) необходимо в диапазоне низких частот, тогда как ослабление на высоких частотах должно продолжаться безгранично, что исключает применение последовательной обратной связи, так как усиление не может падать до значения меньше единицы. Хотя такое снижение и может достаточно точно компенсироваться за точкой схемы, соответствующей точке введения обратной связи усилителя, в действительности это означает, что характеристика перед компенсацией возрастает, что вызывает опасность роста искажений и увеличенного запаса в ультразвуковой области.
Таблица 8.5 Частота, Гц Коэффициент передачи, дБ
относительно уровня 1 кГцФаза, градусы 0 19,911 0 10 19,743 -10,4 20 19,274 -20 50,65 16,941 40,6 70 15,283 -48,4 100 13,088 -54,8 200 8,219 -59,6 500,5 2,6443 -52,6 700 1,234 -49,7 1000 0 -49 2000 -2,589 -55,9 2122 -2,866 -56,9 5000 -8,210 -72,1 7000 -10,816 -76,8 10 000 -13,734 -80,6 20 000 -19,620 -85,2 50 000 -27,341 -88,1 70 000 -30,460 -88,6 100 000 -33,556 -89 200 000 -39,575 -89,5 Выравнивание частотных характеристик путем введения пассивных цепей
Так как коэффициент передачи на частоте 1 кГц примерно на 20 дБ ниже максимального уровня в диапазоне нижних частот, любая пассивная цепь коррекции, должна обеспечивать уровень потерь более, или равный 20 дБ в силу того, что эта цепь оказывается включенной параллельно с резистором сеточного смещения следующей лампы, что вызовет дополнительное ослабление. Так как рассчитать предусилитель с приемлемым уровнем шумов и устойчивостью к перегрузкам с использованием подобной схемы достаточно трудно, то данная топология обычно исключается из рассмотрения.
Если же все-таки будет принято решение использовать любую из двух ранее приведенных топологических схем, соответствующие уравнения можно найти в материалах Лифшица (Lipshitz), приводимых в документах Спецификация среды прикладных программ (AES).
Рис. 8.16 Пассивная схема устранения высокочастотных составляющих блока частотной коррекции RIAA
Соответствующие соотношения для расчета рассматриваемой пассивной цепи выглядят следующим образом:
R 1 C l =2187мкс;
R 1 C 2 = 750 мкс;
R 2 C l = 318мкс;
C l /C 2 = 2,916.
Приведенные значения являются точными величинами и не могут округляться.
Необходимо учесть, что любой резистор сеточного смещения включается параллельно нижнему плечу пассивной схемы, так как в противном случае не равное нулю выходное сопротивление задающего каскада изменяет эффективное значение сопротивления резистора R 1 , что вытекает из рассмотрения схемы цепи. Следовательно, значения элементов пассивной схемы должны рассчитываться с использованием эквивалентной схемы замещения Тевенина.
Для любой другой схемы, использующей топологию «все сразу и все вместе», но отличающейся от рассмотренного топологического варианта схемы, необходимо будет обратиться к материалам, приводимым Лифшицем, и внимательно с ними ознакомиться перед тем, как приступить к расчетам.
Введение
Кривая RIAA является общепринятым стандартом для виниловых дисков. Он используется в течение длительного времени с 1954 года. К 1956 году новый стандарт, за которым закрепилось название «кривой RIAA», вытеснил конкурирующие форматы и захватил рынки США и Западной Европы. В 1959 году кривая RIAA была одобрена, а в 1964 году стандартизована Международной электротехнической комиссией. В 1976 году МЭК видоизменила стандартную кривую воспроизведения RIAA в области низких частот; нововведение встретило ожесточённую критику и не было принято промышленностью. В XXI веке подавляющее большинство производителей предусилителей-корректоров следует первоначальному стандарту кривой RIAA без изменений, введённых МЭК в 1976 году.
Частотная коррекция по стандарту RIAA может быть реализована как активными, так и пассивными фильтрами, и комбинациями фильтров двух типов. Многие используют корректоры, построенные полностью на пассивных фильтрах, в убеждении, что они звучат «лучше», но схема, показанная здесь, реализована комбинацией фильтров двух типов. Эта концепция была разработана мною задолго до появления Интернета, а показанная схема (с несколькими небольшими изменениями) была впервые опубликована на веб-сайте ESP в 1999 году.
На приведенном выше графике показана теоретическая и фактическая АЧХ RIAA, нормализованная к 0 дБ на частоте 1 кГц. Большинство фонокрорректоров RIAA имеют дополнительный (и нежелательный) ноль на некоторой частоте выше 20 кГц. Этот дополнительный ноль отсутствует в описываемой конструкции, потому что в схеме используется пассивный фильтр нижних частот, который продлевает кривую АЧХ выше 20 кГц, при этом конечный предел значительно превышает 10 МГц (в зависимости от собственной индуктивности конденсатора).
Термины «полюс» и «нуль» нуждаются в некотором (в данном случае упрощенном) объяснении. Один полюс заставляет сигнал снижаться со скоростью 6 дБ / октава (20 дБ / декада), а один нуль вызывает рост с той же скоростью. Если после полюса вводится ноль (как показано выше), то эффект заключается в том, чтобы перевести АЧХ в горизонтальную форму. Горизонтальная АЧХ наблюдается на частотах от 500 Гц до 2100 Гц. Следующий полюс (2,100 Гц) заставит сигнал снова снижаться. «Неопределенный» ноль выше 20 кГц вызван тем, что многие предусилители не могут уменьшить свой коэффициент усиления ниже некоторого фиксированного значения, определенного схемой. Однако, не все корректоры обладают этой проблемой, нет ее и в приведенной схеме.
Следует отметить, что стремление к «идеальной» точности бессмысленно, так как многое зависит от иглы, тонарма и (конечно) записи. Когда вы покупаете винил, никто не скажет вам, какой эквалайзер был применен во время мастеринга, кроме того, АЧХ ухудшается после многократного воспроизведения. Поэтому, в конечном счете, вы должны позволить своим ушам стать последним судьей в том, что предпочтительно именно вам.
Представленный фонокорректор соответствует кривой RIAA, он очень «тихий» и обеспечивает гораздо лучшую звуковую эффективность, чем подавляющее большинство тех устройств, что приводятся в различных журналах. Как и в остальных каскадах предусилителя, в схеме фонокорректора используется ОУ NE5532. Он обладает низким уровнем шума, высокой скоростью и приемлемой ценой. Он идеально подходит для такого рода применения. Другим отличным ОУ является OPA2134.
Рис. 1. Схема фонокорректораВходной конденсатор помечен * (C LL , и его эквивалент на правом канале - C LR) и устанавливаются опционально. Почти во всех случаях он не нужен, так как емкость кабеля между звукоснимателем и предусилителем будет (более чем) достаточной. Некоторые производители указывают требуемую емкость нагрузки, но многие этого не делают. Подавляющее большинство звукоснимателей выполнены с самой низкой возможной емкостью, и добавление дополнительного конденсатора вряд ли улучшит ситуацию. Мало у кого есть возможность измерить емкость межблочных соединений или внутренних кабелей тонарма, но она, как правило, находится в пределах 100 пФ со стандартными кабелями. В случае, если производитель звукоснимателя заявил более высокую емкость – не стесняйтесь экспериментировать со значением C L . Лучше всего подключать эти конденсаторы непосредственно к входным разъемам, а не размещать на печатной плате. Конденсаторы должны быть подобраны таким образом (с точностью до 1%), чтобы левый и правый каналы остались правильно сбалансированными.
Конденсаторы с высокими емкостями могут быть неполярными электролитическими, так как через них не будет (практически) протекать постоянный ток. Тем не менее, они довольно большие по размеру, и стандартные электролитические или даже танталовые конденсаторы могут быть использованы вместо них. Полярные конденсаторы будут нормально функционировать без влияния постоянного напряжения, а тантал - мой нелюбимый тип конденсатора и поэтому не рекомендуется. Напряжение переменного тока, протекающего через С2L/R и C3R/L никогда не будет превышать ~5 мВ на любой частоте вплоть до 10 Гц, и эти конденсаторы не играют никакой роли в построении кривой RIAA. Не бойтесь увеличить значение, если хотите (100 мкФ не является проблемой).
Конденсаторы с низкими емкостями должно быть с точностью 2,5%, в противном случае будет трудно подобрать те, которые находятся ближе всего к требуемому значению. Будет происходить некоторое отклонение от идеальной кривой RIAA, если номиналы этих конденсаторов будут находятся слишком далеко от указанных значений. Наиболее важным является соответствие между каналами - он должно быть как можно более точным.
Резисторы - металлопленочные с точностью 1% и низким уровнем шума. Эта конструкция отличается от большинства других тем, что формирование низкой и высокой частоты выполняется независимо – активным фильтром НЧ и пассивным фильтром ВЧ. Из-за низкого значения выходного резистора, входное сопротивление следующего каскада снизится до 22 кОм и вызовет незначительное искажение кривой RIAA.
На рис. 1 показан только один канал, а другой использует оставшуюся половину каждого ОУ. Помните, что «+» питания подключается к контакту 8, а «–» питания - к контакту 4.
Общепринятое выравнивание кривой при 50 Гц не была полностью реализовано, так как большинство слушателей считают, что бас звучит гораздо более естественно без этого. В связи с этим можно сказать, что точности не хватает, но я до сих пор использую эту неточность и не выявил никаких проблем с низкочастотным шумом.
Обратите внимание, что нет необходимости использовать фильтр ИНЧ. Схема обеспечивает уровень -3 дБ в точке около 3 Гц. ИНЧ играют важную роль, особенно если вы используете сабвуфер. Отличным вариантом является хорошо демпфированная и изолированная платформа для проигрывателя. Я успешно использовал большую бетонную плиту, покрытую ковровым покрытием и демпфированную с использованием пенорезины. Для того, чтобы все сделать правильно, потребуются некоторые эксперименты. Как правило, хорошие результаты получаются при сжатии пеноматериала до 70% его нормальной толщины под весом бетонной плиты и проигрывателя. Полка, прикрепленная к стене, является еще одним хорошим методом обеспечения инфразвуковой изоляции.
Если все же будет иметь место низкочастотный шум, вы увидите энергичное движение диффузора, даже если нет баса. В таком случае я рекомендую включать в схему инфразвуковой фильтр (Project 99). Стандартная конфигурация - 36 дБ на октаву с ослаблением -3 дБ на частоте 17 Гц. Как правило, это помогает устранить даже самые сильные низкочастотные помехи, вызванные использование искривленных дисков. Обычно это помогает также устранить проблемы НЧ обратной связи, но они должны быть ниже частоты среза фильтра.
Характеристики кривой RIAA
Как видно из таблицы, отклонение от стандарта составляет менее 1 дБ, а коэффициент усиления на частоте 1 кГц составляет около 40 дБ (100), поэтому номинальные 5 мВ с выхода звукоснимателя даст 500 мВ. Это значение может быть увеличено в случае необходимости за счет увеличения значения резистора 100 кОм во втором каскаде. Необходимо проявлять осторожность, чтобы усиление не возросло слишком сильно и не вызвало клиппинг. Как можно заметить, второй каскад имеет коэффициент усиления 38 (31 дБ).
Если резистор 100 кОм увеличить до 220 кОм общее усиление будет чуть больше, чем в два раза, на 38 дБ. Входной сигнал на 2-й ступени в 17 мВ (5 мВ с выхода звукоснимателя) дает нормальный выход на 1 кГц (до пассивного фильтра) от 1,12 В RMS. Теоретический выход на частоте 20 кГц превышает 9,75 В RMS, но это никогда не происходит, потому что на частоте 20 кГц все записи будут на 15-20 дБ ниже уровня на частоте 1 кГц (см. АЧХ на рис. 2).
Это означает, что фактический уровень выходного сигнала на частоте 20 кГц обычно составляет в лучшем случае около 1 В RMS. Тем не менее, если усиление второго каскада увеличить слишком сильно, существует риск клиппинга. Это возможность маловероятна в связи с характером музыки - очень мало основной частоты любого инструмента (кроме синтезатора) выше 1 кГц, и большинство гармоник скатываются естественным образом на 3-6 дБ на октаву выше 2 кГц,– но она должна обязательно учитываться.
Одним из факторов, который часто упускается из виду в фонокорректорах, является емкостная нагрузка на выходе операционного усилителя на высоких частотах. Это устранено в данной конструкции, а так как NE5532 и OPA2134 могут с легкостью управлять нагрузкой в 600 Ом, то резистор 820/750 Ом изолирует выходной каскад от любой емкостной нагрузки. Первый каскад имеет 10 кОм в сочетании с конденсатором, поэтому емкостная нагрузка не является проблемой.
Каждый ОУ должен быть зашунтирован электролитическими конденсаторами 10 мкФ х 25 В от каждого плеча питания на землю и конденсаторами емкостью 100 нФ между выводами питания.
Заметим, что при использовании звукоснимателя с подвижной катушкой, должен быть использован повышающий трансформатор или предварительный усилитель со сверхнизким уровнем шума. Эта схема предназначена для использования со стандартным подвижным магнитом.
Зависимость уровня сигнала от частоты
Существует очень мало информации в сети и других местах, чтобы дать любому человеку представление о том, на каком уровне они должны ожидать звук на любой частоте. Изображение на рис. 2 было захвачено с использованием «Visual Analyzer» – одной из многих доступных компьютерных программ на основе быстрого преобразования Фурье. Сигнал был взят из FM-тюнера – вы можете увидеть резкий спад частотной характеристики выше 15 кГц и пилот-тон на частоте 19 кГц, используемый для декодирования 38 кГц FM-поднесущей. Захват был снят с австралийской "альтернативной" радиостанции, так что включает в себя несколько различных жанров музыки, а также речь.
Рис. 2. Типичная АЧХЗахват был настроен для удержания максимального уровня, обнаруженного за время выборки (более 2-х часов), так что представляет собой самый высокий уровень, записанный по все полосе частот. Коррекция не использовалась на принятом сигнале, захватывался непосредственно эфирный сигнал. Хотя все выше 15 кГц удаляется, общая тенденция отчетливо видна. В то время, как всегда будут отклонения и исключения с различными музыкальными стилями, общая тенденция действует в широком диапазоне музыкальных стилей.
"Эталонный" уровень -9 дБ на частоте 1 кГц. Максимальные пиковые уровни наблюдаются между 30 Гц и 100 Гц, А уровень между 200 Гц и 2 кГц является достаточно «плоским», показывая примерно 3 дБ падения в границах этого диапазона частот. Наблюдается спад с крутизной 6 дБ в октаву в диапазоне 2-4 кГц, за которам следует ослабление в 10 дБ в диапазоне 4-8 кГц.
Больший интерес представляет амплитуда самых высоких пиков, потому что перегрузка будет иметь место на пиках, а не средних уровнях. На 10 кГц и чуть выше, есть пики при -18 дБ и некоторые дополнительные пики (-24 дБ) на частоте чуть ниже 15 кГц.
Исходя из этого, разумно ожидать, что худшем случае уровень сигнала на частотах выше 15 кГц не будет превышать -30 дБ, и это на 21 дБ ниже уровня на частоте 1Гц (чуть меньше, чем 1/10). Поэтому звукосниматель с выходом 5 мВ на эталонной частоте 1кГц не будет иметь больше 5 мВ на любой частоте около 20 кГц – это самый высокий уровень, которого мы можем ожидать.
При использовании рекомендуемых значений компонентов для эквалайзера RIAA максимально возможный уровень сигнала на выходе второй ступени составляет около 1 В RMS – довольно хорошо в пределах возможностей предложенных операционных усилителей. Даже если максимальный уровень будет 50 мВ (тот же результат на 20 кГц как и на 1 кГц), второй каскад по-прежнему будет ниже уровня перегрузки.
Только на этот раз цепь коррекции была предварительно рассчитана и корректор выполнен не с разделенной коррекцией, а по классической схеме. Последний (третий) каскад выполняет только функцию усилителя.
Ниже приведена схема цепи корреции:
Для расчета кривой RIAA необходимо задаться номиналом резистора R1 и R3 (сеточный резистор последующего каскада) и рассчитать эквивалентное сопротивление R’ = (Rout + R1)*R3/(R1+Rout+R3), где Rout – это значение выходного сопротивления предыдущего каскада. Далее рассчитывает номиналы цепей коррекции:
С1*R’ = 2187 мкс
R’*C2 = 750 мкс
R2*C1 = 318 мкс и R2/R1 = 6,877
При этом можно исходить из имеющегося номинала С1 и подбирать R2 или наоборот. Номинал С2 придется подбирать, быть может из разных конденсаторов, если это не удается, придется менять R’ и начинать все сначала.
Качеству деталей для цепи коррекции необходимо уделить особое внимание. В моем распоряжении был 0,25Вт танталовый резистор 470К от Аудио Ноут (R1), исходя из номинала которого я провел дальнейшие расчеты. В качестве конденсатора С1 хорошо подойдет полистирольный ПО на 500 В или К71-7, в качестве С2 я использовал конденсатор ERO, купленный на е-Вае (продавец был эстонец, цена очень хорошая и ждать не надо было долго), хотя К71-7 в этом месте тоже звучит неплохо.
Теперь отступление о входной цепи второго каскада. Мной было замечено ранее, что схемы для усиления малых сигналов дают хороший звук при заземленном катоде и смещении, возникающем на сеточном резисторе большого номинала из-за токов сетки. Была выбрана такая схема:
Преимущество этой схемы в данном случае и в том, что высокое значение сеточного резистора R3 не требует от межкаскадного конденсатора С3 выского значения емкости. К тому же, резистор R1 можно подключить непосредственно к аноду предыдущего каскада, правда надо помнить, что при этом конденсаторы С1 С2 и С3 должны быть рассчитаны на полное напряжение питания схемы.
Расчет номиналов цепи коррекции.
R’ = 470*15000/(470+15000) = 456 K (Rout пока принят равным нулю).
C2 = 750*10(-6)/ 456000 = 1640 pF – Учитывая Миллерову емкость входной лампы (в данном случае 5691 – это около 120 пФ), этот номинал был выбран 1500 пФ.
C1 = 2187*10(-6)/456000 = 4790 pF – этот номинал удалось подобрать из имеющихся конденксаторов К71-7.
R2 = R1/6,8774 = 68,3 K Это значения было получено подбором двух параллельных резисторов Allen Bradley 300К и 91К.
Окончательная схема выглядела таким образом:
На схеме указаны лампы 1579 вместо 5691, они также звучат прекрасно.
Для того, чтобы была возможность корректировать звучание головки в области ВЧ, в схеме есть переменный кондерсатор С1 с диапазоном регулировки 5 – 270 пФ. Дело в том, что некоторые головки имеют довольно значительные резонансы в высокочастотной области. Например, имеющаяся у меня головка Grado Prestige Red зазвучала нормально, без резонансов только после установки емкости указанного конденсатора на значение 180 пФ, хотя если верить приложенному к головке паспорту, такая емкость вроде бы и не нужна. Резонансы контролировались по контрольной пластинке с записью ступенчато возрастающей частоты через 1 КГц от 1 КГц до 20 КГц и в отсутсвие конденсатора С1 (или при замене его постоянным 47 пФ, как это рекомендуют многие источники) резонансы наблюдались в районе 12 – 15 КГц, по амплитуде достигая + 5 дБ.
Кривая RIAA после замеров оказалась в пределах + – 0,5 дБ, достигая максимума отклонения для 20 Гц.
Дополнено в 2013 году. Должен честно признаться, что хотя эта конструкция уже более двух лет услаждает мои уши, по уровню шума она проигрывает предыдущей . Предполагаю, что навороченный вход и лампа 6072 вместо 6С3П сыграли свою роль.
