Конструкция регулятора тембра

Я давно обратил внимание на то, что при прослушивании с одного и того же источника звука различных музыкальных композиций их тембровая окраска различается, несмотря на то, что профессиональным звукорежиссёрам принято доверять. По-разному могут звучать, например, грампластинки, или радиостанции, принимаемые плеером через цифровой поток. На восприятие тембровой окраски может влиять и акустика помещения, и даже настроение. Иногда может показаться, что не хватает, к примеру, низких частот. Считается, что в хорошем звуковом тракте регулятор тембра не нужен. Для экспериментов я всё же решил собрать регулятор тембра, главное, чтобы не было заметно на слух вносимых им искажений при «нулевых» положениях регуляторов. Здесь рассматривается  вариант конструкции пассивного регулятора тембра, основанной на статье В. Матюшкина «Физиологическое регулирование тембра», «Радиоаматор», N10, 1999, с.4,5, N11, 1999, с.6,7. К регулятору тембра добавлен высококачественный предусилитель, а также цифровой блок управления с миниатюрным графическим OLED дисплеем, на котором в виде графика схематично отображается текущая АЧХ регулятора. Предусмотрено как кнопочное, так и ИК управление с пульта. Всю конструкцию удалось вместить в довольно компактный пластиковый корпус Gainta G747 размерами 225x165x40 мм.

Схема собственно узла регулировки тембра:

Особенностью регулятора является неизменность тонального баланса на средних частотах. Управление выбором режимов 0,1,2,3 отдельно для низких (Bass) и высоких (Treble) частот осуществляется с помощью герконовых реле РЭС-43. Потенциальные сигналы управления реле поступают с отдельной платы блока управления. По паспортным данным напряжение срабатывания используемых реле может составлять 5,5V. Однако обычно они надёжно работают и от 5V. При необходимости обмотки реле можно запараллелить перемычками на плате, уменьшив вдвое напряжение срабатывания (в том числе, и при работе блока управления от напряжения +3,3V).

Если в НЧ звене использовать указанные на схеме обычные плёночные конденсаторы, размеры устройства станут огромными. Поэтому для набора нужных номиналов я применил «целую гроздь» (42 штуки на оба канала) малогабаритных плёночных SMD конденсаторов PPS Panasonic ECHU1C105MA5 ёмкостью 1 мкФ в различных комбинациях.

В качестве C9,C10,C9',C10' в ВЧ звене я также использовал конденсаторы PPS, запаяв их через специальные самодельные переходники, так как на начальной версии платы была предусмотрена установка только выводных конденсаторов Wima FKP2. Перепаивать их потом на Wima FKP2 я не пробовал (посылка с ними пришла позже), надеюсь, что и с ними звук на ВЧ будет отличный.

Переходники для конденсаторов PPS выглядят так (я изготовил себе сразу несколько таких переходников на будущее):

Расчётная АЧХ регулятора тембра практически совпала с приведённой в исходной статье В. П. Матюшкина; последнюю я для удобства прикрепил во вложении в виде единого pdf-файла.

На графике не показаны характеристики при «нулевых» положениях органов управления. Приведённые графики я использовал для аппроксимации АЧХ на экране дисплея на краях звукового диапазона 20 Гц (0,+10,+15,+20 дБ) и 20 кГц (0,+4,+6,+8 дБ).

P.S. Впоследствии я увеличил номинал резисторов R15-4,R15-4' до 3,6 кОм* — так тональный баланс на ВЧ в нейтральном положении регулятора ближе к исходному.

Регулятор тембра должен подключаться к низкоомному источнику сигнала (не более 600 Ом) и иметь высокоомную нагрузку (не менее 50..100 кОм). Основной проблемой при использовании данного регулятора является снижение уровня сигнала примерно в 15 раз, т.е. без предусилителя здесь не обойтись. В моём случае входы регулятора тембра подключаются к выходу буфера регулятора громкости, а выходы после предусилителя должны напрямую идти к усилителю мощности и индикатору пикового уровня. Известно, что подключение дополнительного предусилителя может внести в звучание, мягко говоря, свою окраску. Поиски возможных вариантов решения проблемы привели меня к схеме буферного каскада, описанного в статье Я. Токарева «Регулятор громкости с буферным каскадом», «Радио», N3, 2009, с.12-14, и к работе Д. Андронникова «Предварительный усилитель Lynx P45 с системой индикации и дистанционным управлением». Последнюю я и взял за основу для построения предусилителя:

Позволю себе процитировать Д. Андронникова: "Для компенсации ослабления и согласования выходного сопротивления… с возможными сопротивлениями нагрузки используется буферный каскад, выполненный на ОУ типа AD744 с дополнительным выходным каскадом на горизонтальных ПТ типа 2П902 … Использование ОУ типа AD744 обусловлено целым рядом его свойств. Во — первых, входной каскад данного прибора, благодаря применению p-канальных транзисторов с малой крутизной и высоким напряжением отсечки практически нечувствителен к воздействию ВЧ — помех даже весьма высокого уровня. По этому важному свойству AD744 практически не имеет конкурентов. Во — вторых, данный ОУ отличается весьма низким уровнем собственных искажений, причем основную их часть вносит выходной каскад, который в рассматриваемом устройстве просто не используется. В — третьих, AD744 обладает отличными скоростными свойствами, в особенности без цепей коррекции… В схеме буфера ОУ AD744 применен в нестандартном включении — выходной сигнал снимается не с оконечного каскада самого ОУ, а с выхода усилителя напряжения. Такое включение позволяет исключить искажения, возникающие в ВК AD744, работающим с малым током покоя и переходящим в режим с отсечкой даже при сопротивлениях нагрузки в 10…12 кОм. Вместо штатного ВК используется внешний повторитель на полевом транзисторе с горизонтальной структурой. Такие приборы, при всей их нетехнологичности и достаточно посредственных «ключевых» параметрах по сравнению с «вертикальными» ПТ, обладают заметно меньшей входной емкостью и на порядок меньшим её изменением в зависимости от напряжения затвор-исток, что существенно снижает нелинейность нагрузки на высоких частотах, создаваемых такими приборами на источник сигнала, в данном случае — на высокоомный выход каскада УН ОУ. Кроме того, горизонтальные ПТ обладают большим линейным участком проходной характеристики по сравнению с вертикальными и существенно меньшим изменением крутизны характеристики при изменении тока стока. Для повышения линейности повторителя его нагрузка представляет собой комбинированный биполярно — полевой ГСТ, причем в качестве основного прибора для повышения собственной линейности нагрузки, используется также горизонтальный ПТ. Ток покоя повторителя устанавливается в пределах 20…35мА, т.е. в пределах наиболее линейного участка проходной характеристики транзистора. Такой ток покоя позволяет буферу свободно работать с нагрузками от 200…300 Ом при низком уровне собственных искажений. Так, при работе на нагрузку 600 Ом и амплитуде сигнала 4В, собственные искажения повторителя не превышают -70дБ, причем весь спектр искажений ограничен лишь 2, 3 и 4 гармониками. В схеме с ОУ охваченной общей ООС, уровень искажений буфера при выходном напряжении 4В и нагрузке 600 Ом не превышает -112…-116дБ ...".

Я пробовал ставить микросхемы AD744, купленные в магазине West-L, и даже в Чип и Дип. Последние я забраковал лет пять назад в УМЗЧ ВВ по причине ужасного звука (звучали они там даже хуже КР574УД1Б), явная подделка (но хорошо, что не выбросил). В данной схеме разницы в звучании с этими ОУ я не заметил, и поставил микросхемы из Чип и Дип.

При проверке предусилителя оказалось, что максимальный неискажённый уровень выходного сигнала у него составляет 8V! В моём случае, при чувствительности усилителя мощности 1V этого более, чем достаточно. Так как напряжения стабилизации стабилитронов VD1, VD2 могут различаться, возможно, потребуется подбор резисторов R30, R31 (я подобрал и запаял вторым «этажом» параллельно им высокоомные резисторы, выравнивающие и уменьшающие выходные напряжения стабилизаторов до ±15,1V). 

Рассмотрим схему блока управления регулятора тембра:

Особенностью управления герконовыми реле является их «безобрывное» переключение, основанное на увеличении времени отключения реле и подробно описанное здесь. В результате при переключении режимов регулятора тембра никаких щелчков не слышно (если при переключении режима НЧ звена щелчки всё же будут слышны, это значит, что на входе регулятора тембра присутствует постоянная составляющая).

При изменении режимов регулятора тембра они сохраняются в EEPROM микроконтроллера (МК), и после подачи питания восстанавливаются.

Я попробовал сделать несколько прошивок для блока управления с различными видами отображения графика АЧХ (с условными названиями «Curves», «Fill Curves», «Bars», «Dots», «Blocks»):

Больше всего мне приглянулась прошивка «Bars» (в центре), и её неплохо видно даже с расстояния 3 метров. Файлы готовых прошивок и исходный текст программы прикреплены во вложении в конце статьи.

Включить и выключить регулятор тембра можно нажатием кнопки S5 «Power» или с помощью ИК пульта. При установке перемычки J4 «Auto Power On» регулятор тембра автоматически переходит во включенный режим сразу после подачи питания. С МК ATmega168 поддерживаются ИК протоколы: RC5, RC6, NEC, JVC, Samsung, Sony, а с МК ATmega88 — только RC5+RC6 или NEC+Sony. В блоке управления предусмотрен режим обучения 5 клавишам ИК пульта, для входа в который нужно одновременно зажать две нижних кнопки «Bass-» и «Treble-» в течение 3-х секунд, пока на дисплее не появится сообщение «IR», а светодиодный индикатор не загорится жёлтым. Регулятор тембра при этом может находиться как во включенном, так и программно выключенном состоянии. На экране в ходе программирования будут последовательно появляться надписи с названиями программируемых клавиш (все клавиши должны быть разными):

«B+»    для клавиши смены режима НЧ Bass+
«B-»     для клавиши смены режима НЧ Bass-
«T+»    для клавиши смены режима ВЧ Treble+
«T-»     для клавиши смены режима ВЧ Treble-
«Pw»   для клавиши включения и выключения питания Power.

После успешного программирования последней клавиши устройство вернётся в исходное состояние – теперь можно сразу же проверить его работу от пульта. Процесс программирования клавиш можно прервать в любой момент, нажав на любую кнопку, при этом на индикаторе появится значок «x», и коды клавиш изменены не будут.

Если установить перемычку J5 «IR PGM Disable», то войти в режим программирования клавиш ИК пульта не получится.

Перейдём к рассмотрению схемы блока питания:

Для уменьшения нагрева транзисторов стабилизаторов предусилителя в блоке питания аналоговой части в условиях ограниченного пространства внутри корпуса я использовал тороидальный трансформатор ТТП-3 с выходным напряжением 2x15V. При использовании диодов Шоттки с малым падением напряжения при этом удалось получить напряжения на выходе выпрямителя порядка ±18V под нагрузкой. Это практически является минимально возможным пределом входных напряжений для работы стабилизаторов предусилителя. По возможности, если используется корпус побольше, и монтаж не такой плотный, лучше применить аналогичный трансформатор с выходными напряжениями 2x18V.

В блоке питания предусмотрен узел задержки подключения выходов предусилителя примерно на 3 секунды после подачи питания для исключения громких щелчков из-за переходных процессов. Можно комбинировать разные варианты управления питанием устройства:

• Если реле K1 включено по варианту 1, то в случае обесточивания аналоговой части (или всего устройства) сигнал будет проходить со входов на выходы напрямую.
• Если реле K1 включено по варианту 2, то в случае обесточивания аналоговой части (или всего устройства) звук будет просто блокироваться.
• Если реле K2 не используется, то аналоговая часть (предусилитель) всегда находится под напряжением. В этом случае при программном отключении устройства кнопкой «Power» в блоке управления автоматически назначаются режимы 0 для регулятора тембра, т.е. без подъёма НЧ и ВЧ, т.е. фактически без влияния на звук и без щелчков. В случае использования реле K1 по варианту 1  при обесточивании устройства сетевым выключателем S1  регулятор тембра полностью исключается из звукового тракта, однако при включении и выключении выключателем могут быть слышны лёгкие щелчки.
• При неиспользуемом реле K2 обмотку реле K1 можно также подключить напрямую к разъёму «On» (J11) в блоке управления — в этом случае при подаче питания на устройство аппаратная задержка для устранения относительно громких щелчков на выходе действовать не будет, однако, это несущественно, если включать устройство вручную кнопкой" Power"  в блоке управления не ранее, чем через 3 секунды после подачи сетевого питания; при включении и выключении могут быть слышны лёгкие щелчки.
• Если используется реле K2, то аналоговая часть (предусилитель) полностью обесточивается при программном отключении устройства кнопкой «Power» в блоке управления. Прохождение сигнала в выключенном состоянии зависит от варианта для реле K1; для варианта 1 при включении и выключении могут быть слышны лёгкие щелчки. Включение происходит с задержкой 3 секунды.
• Рекомендуется включать реле K1 по варианту 1, как без использования реле K2 (т.е. без обесточивания предусилителя и без щелчков при включении/выключении кнопкой), так и с применением реле  K2 (т.е. с обесточиванием предусилителя, с незначительными щелчками при включении/выключении, и с задержкой включения 3 секунды).

Я поставил небольшой сдвоенный переключатель параллельно контактам реле K2, чтобы это реле можно было легко отключить (заблокировать). На практике меня устроила работа реле K2 без блокировки, т.е. с обесточиванием аналоговой части. Ввиду очень плотного монтажа блок питания пришлось «размазать» по нескольким платам:

• плата выпрямителя для питания аналоговой части;
• плата сетевого фильтра с узлом задержки подключения выхода после подачи питания;
• плата дежурного блока питания цифровой части;
• плата реле Unmute K1, размещённая в непосредственной близости от входных и выходных разъёмов;
• плата реле подачи аналогового питания K2.

Чтобы не портить пластиковый корпус сквозными крепёжными отверстиями, все печатные платы размещены на внутреннем основании из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,6 мм, которое прикручивается саморезами М2,6 x 5 мм к штатным крепёжным стойкам внутри. Для уменьшения общей высоты плат в основании пришлось сделать прорези и использовать тонкие изолирующие шайбы:

Слои фольги с обеих сторон основания надо соединить. К основанию отдельными проводами подключаются и аналоговая, и цифровая земли. 

Так как корпус устройства пластиковый, я решил обклеить его для экранировки изнутри тонкой медной фольгой. Однако и без фольги на выходе регулятора тембра не слышно никакого фона!

Для заземления фольги использованы пружинные контакты. Вид печатных плат в сборе:

Для плат с высоковольтными цепями предусмотрены защитные кожухи из тонкого прозрачного пластика.

Для крепления полевых транзисторов 2П902А я использовал латунную пластину размером 66 x 17 мм, которая заземляется отдельным проводом. Транзисторы прикручиваются к пластине восемью алюминиевыми гайками М5 диаметром 16 мм, с четырьмя шайбами 12 x 5 мм толщиной 2 мм между ними:

Так как транзисторы 2П902А «боятся» статики, при обращении с ними следует соблюдать осторожность, как описано в вышеупомянутой статье Я. Токарева «Регулятор громкости с буферным каскадом».  Для перестраховки перед монтажом на плату собранного блока транзисторов с радиаторами я закоротил их выводы, обмотав отрезками тонкого лужёного провода. Транзисторы запаивал на плату вертикально не вплотную, а оставив зазор порядка 2 мм от корпусов транзисторов до платы. После этого намотанные на выводы провода я размотал пинцетом. Наверное, при использовании паяльной станции, такие «танцы с бубном» можно было бы и не делать. Нагрев транзисторов 2П902А в процессе работы незначительный, однако, так как корпус не имеет вентиляционных отверстий, для облегчения теплового режима я решил приклеить термоскотчем к верхней крышке изнутри кусок дюралевого листа 200 x 150 мм толщиной 1 мм (с вырезами):

Этот лист также придаёт крышке дополнительную жёсткость для прижима к радиаторам. В качестве «переходника» между радиаторами транзисторов и дюралевым листом также через термоскотч я приклеил брусок из алюминиевого сплава толщиной 5 мм. После размещения между радиаторами и этим «переходником» силиконовой прокладки толщиной 0,5 мм высота полученного «бутерброда» оказалась как раз для нормального теплового контакта с верхним алюминиевым листом:

Следует помнить, что медь и алюминий — несовместимые металлы, поэтому желательно сделать так, чтобы они не соприкасались. Это не проблема, так как электрический контакт между ними не нужен. Думаю, можно было ограничиться и одной медной фольгой в качестве дополнительного теплоотвода. В процессе длительной работы корпус остаётся едва тёплым, и никакого перегрева не будет даже при круглосуточном режиме включения.

Приведу несколько фотографий процесса сборки:

Технологию подгонки и вклеивания в переднюю панель куска оргстекла для индикатора можно описывать долго. Отмечу лишь, что это процесс довольно трудоёмкий, как и прочая обработка передней панели. После того, как кусок оргстекла аккуратно вырезан, требуется точно подогнать под него размеры отверстия в передней панели, и после этого нужно сточить надфилем торцы полученного отверстия под углом 45 градусов вовнутрь, чтобы можно было приклеить оргстекло торцом по периметру. Предварительно на стекло нужно наклеить малярный скотч. Супер клей — гель наносится иголкой, и после его высыхания шов дополнительно промазывается эластичным клеем B7000. 

Для приклеивания к передней панели держателей для плат, вырезанных из оргстекла, я использовал эластичный клей Titeseal — держит намертво.

В качестве ИК приёмника я применил готовую платку от неисправного мультимедийного проектора, но можно использовать и другую выносную конструкцию крепления ИК приёмника:

Для тактовых кнопок я использовал серебристые колпачки, но можно обойтись и без них. Для регулировки тактовых кнопок по высоте их можно запаять с подъёмом относительно поверхности платы. Вид на монтаж без передней панели:

На задней панели предусмотрена установка двух пар входных и выходных гнёзд:

При наличии вспомогательных запараллеленных гнёзд можно оперативно перестыковать кабели с выходных разъёмов на входные, а также дополнительно подключить, например, индикатор пикового уровня. Сетевой выключатель сзади позволяет полностью обесточить устройство. Для нанесения белых надписей на переднюю и заднюю панель использовались наклейки для ногтей в виде латинских букв высотой примерно 3,5 мм.

Рисунки печатных плат, а также разметка корпуса приведены в архивном файле во вложении (кстати, рисунки плат желательно ещё раз проверить, так как я вносил в них небольшие исправления, и после этих исправлений они «в железе» не проверялись).

В результате получилась занимательная «игрушка» для экспериментов со звуком, имеющая отнюдь не детское звучание. Я так и не смог определить разницу между звучанием тракта с регулятором тембра и без него (естественно, при «нулевых» положениях органов регулировки). Вернее, какая то разница всё же есть, но сформулировать, в чём она состоит, я не могу. И при слепом прослушивании я бы не смог определить это различие. При переключении режимов регулировки изменение тембра происходит ненавязчиво, и с точки зрения заметности примерно одинаково для НЧ и ВЧ звеньев. И не слышно никакого фона или шума, несмотря на то, что УНЧ подключён к регулятору тембра напрямую.

После целого ряда прослушиваний я всё-таки пришёл к выводу, что для подавляющего большинства музыкальных композиций регулятор тембра не является необходимостью. Но «пощёлкать» им интересно, особенно с ИК пульта!

P.S. В список элементов BOM для предусилителя нужно добавить ОУ DA1..DA4 и исправить номинал C27..C32 на 100 мкФ (вместо 10).