Jedną z największych przyjemności dla elektroników jest słuchanie muzyki przez samodzielnie wykonany wzmacniacz. Bardziej zaangażowani budują sobie także odtwarzacze CD (często z możliwością odtwarzania plików w formacie MP3), tunery, a nawet magnetofony. Największą trudność sprawiały dotychczas procesory audio umożliwiające kształtowanie przestrzeni dźwiękowej oraz prawdziwe dekodery surround. Rozwiązanie pierwszego problemu przedstawiamy w artykule. O prawdziwym dekoderze surround napiszemy już niedługo!

Firma Alesis jest legendarnym producentem studyjnego sprzętu audio, w tym przede wszystkim różnego rodzaju procesorów wykorzystywanych do modyfikacji dźwięku. W bliżej niewyjaśnionych okolicznościach powstała firma-córka Alesis Semiconductors, która następnie przekształciła się w Wavefront Semiconductors, która opracowała i produkuje kilka układów scalonych przeznaczonych do stosowania w profesjonalnym sprzęcie audio. Jednym z tych układów jest AL3201, który jest „mózgiem” prezentowanego urządzenia.

Tak proste jak DSP

AL3201 to prawdziwy procesor DSP, którego architektura wewnętrzna została zoptymalizowana pod kątem aplikacji audio. Do poprawnej pracy procesor wymaga zastosowania zewnętrznych, stereofonicznych przetworników: A/C i C/A. Specjalnie do tego celu firma opracowała własne układy (AL1201 i AL1101), ale można w ich miejsce stosować także przetworniki innych producentów.

Schemat blokowy układu AL3201 pokazano na rys. 1. Jak każdy procesor jest on programowany. Producent udostępnił na swojej stronie internetowej bezpłatny kompilator asemblera (do pobrania na końcu artykułu), który umożliwia także ładowanie przygotowanych programów do pamięci programu SRAM, w którą wyposażono AL3201. Jej pojemność wynosi 130 bajtów i jest wystarczająca do uzyskania bardzo zaawansowanych efektów.

Rys. 1. Schemat blokowy układu AL3201

Lista rozkazów zawiera kilkanaście poleceń, za pomocą których można wpływać na modyfikacje (wprowadzane całkowicie na drodze cyfrowej) kolejnych próbek dźwięku, a tym samym na końcowe brzmienie odtwarzanego utworu. Należy pamiętać o tym, że programy wprowadzone do pamięci SRAM procesora zanikają po wyłączeniu zasilania, tak więc każdorazowo po włączeniu zasilania trzeba je ponownie ładować. Wyboru pamięci programu dokonuje się za pomocą wejścia INT/!EXT (widoczne na rys. 1). Chcąc ułatwić samodzielne eksperymenty akustyczne, firma Alesis przygotowała kilka przykładowych efektów (z podanymi źródłami programów), których dość pobieżne opisy wraz z kodami źródłowymi można pobrać (linki na końcu artykułu).
Problem z ładowaniem programów może być o tyle nie istotny, że w większości przypadków programy przygotowane przez producenta są wystarczające do większości typowych aplikacji. Szczerze mówiąc, podjęte przeze mnie próby przygotowania własnych efektów nie dały zbyt dobrych rezultatów. Wynika to przede wszystkim z faktu, że do ich projektowania niezbędna jest wiedza akustyka, a nie elektronika…
W pamięci programu ROM układu AL3201 przechowywane są programy realizujące efekty audio przygotowane przez firmę Alesis. Lista tych programów znajduje się w tab. 1. Cyfrowe dane o sygnale audio do i z procesora są przesyłane szeregowo, w związku z czym aplikację układu AL3201 trzeba wzbogacić o stereofoniczne przetworniki A/C i C/A, które odpowiadają za konwersję sygnałów do/z postaci cyfrowej na analogową.

Tab. 1. Predefiniowane programy procesora AL3201

Opis układu

Schemat elektryczny procesora pokazano na rys. 2. Jest to redakcyjna adaptacja standardowej aplikacji układu AL3201, w której zastosowano przetworniki A/C i C/A firmy Alesis.

Rys. 2. Schemat elektryczny procesora

Stereofoniczny sygnał audio jest podawany na wejścia JP1 i JP2. Wtórniki napięciowe wykonane na wzmacniaczach IC7A i IC7B zapewniają dopasowanie impedancji źródła sygnału do impedancji wejściowej kolejnego stopnia – wzmacniacza konwertującego sygnał asymetryczny na sygnał różnicowy. Rolę wzmacniaczy-konwerterów spełniają układy IC5 i IC6. Sygnał z ich wyjść (o amplitudzie ok. 4V_pp) jest poddawany konwersji A/C przez układ IC3 (AL1101), na wyjściu którego pojawia się spróbkowany sygnał stereofoniczny. Próbki mają rozdzielczość 24 bitów, a dynamika zapewniana przez przetwornik jest nie mniejsza niż 107dB. Przetwornik wyposażono w cyfrowy filtr górnoprzepustowy o częstotliwości granicznej 2,5 Hz, którego zadaniem jest likwidacja napięcia offsetu wbudowanych wzmacniaczy operacyjnych, który mógłby ograniczać rzeczywistą rozdzielczość próbek.
Przetworzone do postaci cyfrowej dane o sygnale audio są następnie wprowadzane do procesora sygnałowego IC1, który wykonuje na nich operacje przewidziane programem. Jak wcześniej wspomniano, można korzystać z programów predefiniowanych (wtedy ich wybór umożliwia binarny nastawnik SW1), można także ładować do pamięci IC1 własne programy. W takiej sytuacji konieczne jest przełączenie wyprowadzenia 2 IC1 do masy (trzeba to zrobić przecinając ścieżkę na płytce drukowanej), konieczne jest także wyprowadzenie złącza do wyprowadzeń 5 i 6 IC1, które spełniają rolę interfejsu wejściowego.

Po poddaniu próbek sprzętowej obróbce są one przesyłane do 24-bitowego przetwornika C/A IC4 (AL1201), na wyjściu którego występuje analogowy sygnał różnicowy. Zastosowanie takiego sposobu transmisji sygnału analogowego minimalizuje możliwość powstawania w nim zakłóceń. Sygnały te są poddawane filtrowaniu dolnoprzepustowemu i konwertowane do postaci asymetrycznej. Obydwa zadania są realizowane przez wzmacniacz IC8. Na jego wyjściach występują sygnały obydwu przetworzonych kanałów, które są poddawane mieszaniu z sygnałem oryginalnym. Do tego celu służą liniowe potencjometry P1 i P2 – w zależności od położenia suwaka zmieniają udziały w sygnale wyjściowym sygnałów: oryginalnego i przetworzonego. Suwaki potencjometrów dołączono do wejść nieodwracających wtórników IC9A i IC9B, których zadaniem jest odseparowanie potencjometrów od obwodów wejściowych wzmacniacza dołączonego do wyjść procesora dźwięku. Układ IC2 odpowiada za prawidłowe wyzerowanie procesora IC1 po włączeniu zasilania.
Jak łatwo zauważyć, cała część analogowa procesora dźwięku jest zasilana napięciem symetrycznym +/-12V. Standardowo do wytworzenia takiego napięcia są stosowane transformatory z symetrycznym uzwojeniem. Ponieważ znacznie łatwiej jest zdobyć transformatory z pojedynczym uzwojeniem, zasilacz został zaprojektowany w taki sposób, aby możliwe było uzyskanie napięcia symetrycznego +/-12V oraz +5V do zasilania części cyfrowej. W tym celu zastosowano diodowy podwajacz napięcia składający się z elementów: D2…D5 oraz C5…C8, z wyjścia którego są zasilane klasyczne stabilizatory liniowe IC11 i IC12. Napięcie +5V jest uzyskiwane z wyjścia stabilizatora IC10, na wejściu którego napięcie zmienne jest prostowane jednopołówkowo (stąd konieczność zastosowania kondensatora filtrującego C1 o relatywnie dużej pojemności).

Montaż i uruchomienie

Pomimo dość znacznego stopnia skomplikowania, uruchomienie procesora jest dość proste, w większości przypadków polega na włączeniu zasilania. Nieco gorzej, ale wcale nie źle, wygląda montaż układów IC1, IC3 i IC4. Alesis produkuje te układy wyłącznie w obudowach SMD, ale szczęśliwie odstępy pomiędzy ich wyprowadzeniami są dość duże. Montaż urządzenia warto rozpocząć od tych właśnie układów. Najprostszym sposobem ich przylutowania jest pozycjonowanie układu za pomocą pensety i, po ułożeniu układu w odpowiednim miejscu płytki drukowanej, przygrzanie jego skrajnych wyprowadzeń do cyny znajdującej się na polu lutowniczym. Dopiero teraz można rozpocząć lutowanie wszystkich wyprowadzeń. Konieczne jest delikatne postępowanie z układem tak, aby go zbyt mocno nie poruszyć, należy także zwrócić uwagę na możliwość przegrzania struktury półprzewodnikowej, w związku z czym czas lutowania należy ograniczyć do minimum.
Inną możliwością jest przyklejenie obudowy układu do płytki za pomocą niewielkiej kropli kleju (jak np. butapren) i lutowanie wyprowadzeń po jego zaschnięciu. Utrudnia to jednak ewentualny demontaż układu.
Po przylutowaniu układów IC1, IC3 i IC4 można rozpocząć montaż pozostałych elementów, zgodnie ze schematem montażowym pokazanym na rys. 3.

Rys. 3. Schemat montażowy od strony elementów

Rys. 4. Widok ścieżek od strony elementów

Rys. 5. Widok ścieżek od strony lutowania

Do zasilania procesora dźwięku konieczny będzie transformator o napięciu wyjściowym 8…9 VAC i mocy co najmniej 5 W. Przy wyższych napięciach na wtórnym uzwojeniu transformatora może okazać się konieczne przykręcenie do obudów stabilizatorów IC10…IC12 radiatora (lub radiatorów). W przypadku zamontowanie pojedynczego radiatora trzeba odizolować elektrycznie od niego IC12!
Potencjometry P1 i P2 są montowane poza płytką. Połączenia można dokonać za pomocą zwykłego przewodu nieekranowanego pod warunkiem zminimalizowania długości połączenia i zmaksymalizowania odległości pomiędzy przewodami i transformatorem zasilającym.

Obsługa procesora…

…sprowadza się do wyboru rodzaju efektu za pomocą nastawnika SW1. W egzemplarzu modelowym zastosowano niewygodny DIP-Switch, ale w docelowych rozwiązaniach warto się pokusić o zastosowanie elektronicznego lub mechanicznego nastawnika binarnego. Konfiguracja stanów logicznych na wejściach wyboru programu układu IC1 jest taka, że zwarcie styków nastawnika powoduje podanie na jego odpowiednie wejście logicznej „1”.
Rolę styków wejściowych i wyjściowych spełniają bardzo wygodne w praktyce, klasyczne Cinche montowane bezpośrednio na płytce drukowanej. Na płytę czołową obudowy należy wyprowadzić także obydwa potencjometry.

Wykaz elementów