Практическая аудиофилия - Регулятор Громкости (РГ)
При построении усилителя возник вопрос: Как реализовать Регулятор Громкости (РГ)?
Аудиофилы не воспринимают никакой РГ кроме "регулятор громкости Никитина", который по своей сути является управляемым аттенюатором, где контакты реле замыкают/размыкают резисторы в делителях. Самые завёрнутые используют 7 и ли 8-разрядные, хотя на практике за глаза хватает и 6!
Мне приходилось слышать усилитель с таким регулятором - при переключении громкости в дополнение к механическому треску переключающихся реле ещё и в колонках отчётливо слышны "щелчки" ... да.. ослабление сигнала качественное, но уж очень некомфортное в работе! И это мне такой не нужен! Я пойду другим путём!
Происходит это потому, что при замыкании/размыкании контакта происходит "дребезг".. У плохих реле его много, у очень дорогих его мало, но он всё равно есть, ибо его не может не быть - Законы физики отменить нельзя!!!
Процесс дребезга при соударении контактов может быть представлен следующим образом. В момент t = 0 произошло соприкосновение контактов (точка А), в цепи появился ток, напряжение на контактах упало до нуля и началось смятие материала и торможение контакта. В точке В подвижный контакт остановился. Началось упругое восстановление материала контактов и обратное движение подвижного контакта.
Если бы материал был абсолютно упругим, то контакт восстановился бы до первоначального, практически же будет наблюдаться некоторая остаточная деформация. В точке С упругое восстановление материала контактов прекратилось, но подвижный контакт по инерции продолжает отходить. Происходит разрыв контактов. Ток в цепи становится равным нулю, напряжение на контактах восстанавливается. Контакт отходит на расстояние xк и под действием контактной пружины снова замыкается (точка D). Происходит повторное смятие материала и его восстановление, и так - несколько раз с затухающей амплитудой. В цифровой технике это "лечится" подключением конденсаторов, но в звуковом тракте они будут работать как фильтр нижних частот, подавляя высокие частоты, а значит этот способ не допустим!
Вот так дребезг выглядит визуально на экране осциллографа
Инженеры уже давно решили эту проблему, и создали интегральный РГ Никитина, работающий абсолютно по такомуже принципу - цифровые потенциометры
Т.к. чувствительность человеческого уха к уровню звукового давления, или силе звука, изменяется в соответствии не с линейным, а с логарифмическим законом, то и регулятор громкости должен изменять уровень входного сигнала по логарифмическому закону! Для цифрового потенциометра это можно реализовать программно! Для этого всего лишь надо "прыгать" по шкале кодов через 1дБ! А чтобы рассчитать эти коды я воспользуюсь расчетами для РГ Никитина att_calc.xls
В случае переменного резистора делитель будет выглядеть следующим образом, а ослабление А (дБ) при условии Rinput=Rload будет рассчитыватсья по следующей формуле:
Т.к. сумма R1+R2 всегда должно давать Rload, в формулу забиваем R2=Rload-R1 и задачу будем решать с помощью функции EXEL "подбор параметра". Задаем установить в требуемое ослабление в ячейку "дБ" изменяя ячейку R1, а зная номиналы резисторов, можно высчитать коэффициент положения потенциометра и, соответственно, цифровой код ЦАП
Остаётся главный вопрос.... а сколько бит достаточно для реализации цифрового логарифмического РГ? Какой выбрать?
В итоге для ЦАП 8...16 бит получаются следующие ряды значений ослабления входного сигнала от 0 до -100дБ
Жёлтым цветом я выделил ячейки в которых происходит изменение кода без повторения
(по клику откроется полная таблица):
Для удобного визуального восприятия посмотрим на их в виде графика (по клику откроется подробный график):
разницы не заметно.... Кривые лежат друг на друге. Рассмотрим крупнее диапазон ослабления (100%-70%)
разницы практически не заметно.... Кривые снова лежат друг на друге! Рассмотрим крупнее диапазон ослабления (100%-90%)
до 94% разницы никакой вообще - рассмотрим крупнее диапазон ослабления (100%-94%)
до 99% разница практически не существенная! Углубляемся и рассмотрим крупнее диапазон ослабления (100%-99%)
до 99,60% (-48дБ) ослабления входного сигнала разница практически не существенная и 8битный ЦАП с лёгкостью справится с этой задачей!
так что получается? все эти биты нужны для того чтобы плавно с дискретностью 52 шага регулировать ослабление в пределах 0,4% от 100 до 99,6%?
ПОКАЖИТЕ МНЕ ЭТУ ТВАРЬ, СПОСОБНУЮ ЭТО УСЛЫШАТЬ!!!
Что касается ЦАП с разрядностью 12-16бит то они до 99,90% идут практически "ноздря в ноздрю"!
с дискретностью ЦАП разобрались.... а что с самым главным инструментом? Что способно услышать наше ухо?
А вот что: Как доказал Александр Щербин между порогом слышимости и болевым порогом человек различает всего ~300 элементарных скачков ощущения громкости. Причём на разных частотах это количество разное!!!! т.е. глубина дискретизации нашего уха всего 8бит!!!
Вот теперь, аудиофилы, Вам с этим жить! :)
Таким образом считаю что 8-битного ЦАП будет более чем достаточно и останавливаю свой выбор на 8-битном AD8403!
В диапазоне от 0дБ (N=000) до -30дБ (N=247) коды будут изменяться через 1дБ (как ни странно это полностью закрыло РГ Никитина на 6 релюшках), а оставшиеся 6 как получится. Вот этот ряд чисел, пользуйтесь! :)
-100дБ (N=255)
-54дБ (N=254)
-44дБ (N=253)
-40дБ (N=252)
-37дБ (N=251)
-35дБ (N=250)
-33дБ (N=249)
-32дБ (N=248)
-30дБ (N=247)
-29дБ (N=246)
-28дБ (N=244)
-27дБ (N=243)
-26дБ (N=242)
-25дБ (N=240)
-24дБ (N=238)
-23дБ (N=236)
-22дБ (N=233)
-21дБ (N=230)
-20дБ (N=227)
-19дБ (N=223)
-18дБ (N=219)
-17дБ (N=214)
-16дБ (N=209)
-15дБ (N=202)
-14дБ (N=195)
-13дБ (N=187)
-12дБ (N=177)
-11дБ (N=167)
-10дБ (N=155)
-09дБ (N=142)
-08дБ (N=128)
-07дБ (N=113)
-06дБ (N=097)
-05дБ (N=081)
-04дБ (N=064)
-03дБ (N=047)
-02дБ (N=031)
-01дБ (N=015)
-00дБ (N=000)
Аудиофилы не воспринимают никакой РГ кроме "регулятор громкости Никитина", который по своей сути является управляемым аттенюатором, где контакты реле замыкают/размыкают резисторы в делителях. Самые завёрнутые используют 7 и ли 8-разрядные, хотя на практике за глаза хватает и 6!
Мне приходилось слышать усилитель с таким регулятором - при переключении громкости в дополнение к механическому треску переключающихся реле ещё и в колонках отчётливо слышны "щелчки" ... да.. ослабление сигнала качественное, но уж очень некомфортное в работе! И это мне такой не нужен! Я пойду другим путём!
Происходит это потому, что при замыкании/размыкании контакта происходит "дребезг".. У плохих реле его много, у очень дорогих его мало, но он всё равно есть, ибо его не может не быть - Законы физики отменить нельзя!!!
Процесс дребезга при соударении контактов может быть представлен следующим образом. В момент t = 0 произошло соприкосновение контактов (точка А), в цепи появился ток, напряжение на контактах упало до нуля и началось смятие материала и торможение контакта. В точке В подвижный контакт остановился. Началось упругое восстановление материала контактов и обратное движение подвижного контакта.
Если бы материал был абсолютно упругим, то контакт восстановился бы до первоначального, практически же будет наблюдаться некоторая остаточная деформация. В точке С упругое восстановление материала контактов прекратилось, но подвижный контакт по инерции продолжает отходить. Происходит разрыв контактов. Ток в цепи становится равным нулю, напряжение на контактах восстанавливается. Контакт отходит на расстояние xк и под действием контактной пружины снова замыкается (точка D). Происходит повторное смятие материала и его восстановление, и так - несколько раз с затухающей амплитудой. В цифровой технике это "лечится" подключением конденсаторов, но в звуковом тракте они будут работать как фильтр нижних частот, подавляя высокие частоты, а значит этот способ не допустим!
Вот так дребезг выглядит визуально на экране осциллографа
Click to viewИнженеры уже давно решили эту проблему, и создали интегральный РГ Никитина, работающий абсолютно по такомуже принципу - цифровые потенциометры
Т.к. чувствительность человеческого уха к уровню звукового давления, или силе звука, изменяется в соответствии не с линейным, а с логарифмическим законом, то и регулятор громкости должен изменять уровень входного сигнала по логарифмическому закону! Для цифрового потенциометра это можно реализовать программно! Для этого всего лишь надо "прыгать" по шкале кодов через 1дБ! А чтобы рассчитать эти коды я воспользуюсь расчетами для РГ Никитина att_calc.xls
В случае переменного резистора делитель будет выглядеть следующим образом, а ослабление А (дБ) при условии Rinput=Rload будет рассчитыватсья по следующей формуле:
Т.к. сумма R1+R2 всегда должно давать Rload, в формулу забиваем R2=Rload-R1 и задачу будем решать с помощью функции EXEL "подбор параметра". Задаем установить в требуемое ослабление в ячейку "дБ" изменяя ячейку R1, а зная номиналы резисторов, можно высчитать коэффициент положения потенциометра и, соответственно, цифровой код ЦАП
Остаётся главный вопрос.... а сколько бит достаточно для реализации цифрового логарифмического РГ? Какой выбрать?
В итоге для ЦАП 8...16 бит получаются следующие ряды значений ослабления входного сигнала от 0 до -100дБ
Жёлтым цветом я выделил ячейки в которых происходит изменение кода без повторения
(по клику откроется полная таблица):
Для удобного визуального восприятия посмотрим на их в виде графика (по клику откроется подробный график):
разницы не заметно.... Кривые лежат друг на друге. Рассмотрим крупнее диапазон ослабления (100%-70%)
разницы практически не заметно.... Кривые снова лежат друг на друге! Рассмотрим крупнее диапазон ослабления (100%-90%)
до 94% разницы никакой вообще - рассмотрим крупнее диапазон ослабления (100%-94%)
до 99% разница практически не существенная! Углубляемся и рассмотрим крупнее диапазон ослабления (100%-99%)
до 99,60% (-48дБ) ослабления входного сигнала разница практически не существенная и 8битный ЦАП с лёгкостью справится с этой задачей!
так что получается? все эти биты нужны для того чтобы плавно с дискретностью 52 шага регулировать ослабление в пределах 0,4% от 100 до 99,6%?
ПОКАЖИТЕ МНЕ ЭТУ ТВАРЬ, СПОСОБНУЮ ЭТО УСЛЫШАТЬ!!!
Что касается ЦАП с разрядностью 12-16бит то они до 99,90% идут практически "ноздря в ноздрю"!
с дискретностью ЦАП разобрались.... а что с самым главным инструментом? Что способно услышать наше ухо?
А вот что: Как доказал Александр Щербин между порогом слышимости и болевым порогом человек различает всего ~300 элементарных скачков ощущения громкости. Причём на разных частотах это количество разное!!!! т.е. глубина дискретизации нашего уха всего 8бит!!!
Вот теперь, аудиофилы, Вам с этим жить! :)
Таким образом считаю что 8-битного ЦАП будет более чем достаточно и останавливаю свой выбор на 8-битном AD8403!
В диапазоне от 0дБ (N=000) до -30дБ (N=247) коды будут изменяться через 1дБ (как ни странно это полностью закрыло РГ Никитина на 6 релюшках), а оставшиеся 6 как получится. Вот этот ряд чисел, пользуйтесь! :)
-100дБ (N=255)
-54дБ (N=254)
-44дБ (N=253)
-40дБ (N=252)
-37дБ (N=251)
-35дБ (N=250)
-33дБ (N=249)
-32дБ (N=248)
-30дБ (N=247)
-29дБ (N=246)
-28дБ (N=244)
-27дБ (N=243)
-26дБ (N=242)
-25дБ (N=240)
-24дБ (N=238)
-23дБ (N=236)
-22дБ (N=233)
-21дБ (N=230)
-20дБ (N=227)
-19дБ (N=223)
-18дБ (N=219)
-17дБ (N=214)
-16дБ (N=209)
-15дБ (N=202)
-14дБ (N=195)
-13дБ (N=187)
-12дБ (N=177)
-11дБ (N=167)
-10дБ (N=155)
-09дБ (N=142)
-08дБ (N=128)
-07дБ (N=113)
-06дБ (N=097)
-05дБ (N=081)
-04дБ (N=064)
-03дБ (N=047)
-02дБ (N=031)
-01дБ (N=015)
-00дБ (N=000)