Poradnik LTspice tips&tricks #3 – strojone filtry dolno- i górnoprzepustowe

Regulatory barwy dźwięków stanowią integralną część wielu urządzeń akustycznych, takich jak popularne radioodbiorniki, wzmacniacze mocy, wieże stereo itp. Zwykle są to układy zaprojektowane tak, aby podbijały lub tłumiły dźwięki w dwóch zakresach: niskim (bass) i wysokim (treble). Swego czasu bardzo popularne były wielopasmowe korektory graficzne, które obecnie znajdują zastosowanie raczej w profesjonalnym sprzęcie studyjnym lub nagłośnieniowym.

Regulatory barwy dźwięków mają chyba tyle samo zwolenników co przeciwników. Przeciwnicy uważają, że ingerowanie w barwę dźwięku słuchanej muzyki jest swego rodzaju profanacją. Zwolennicy twierdzą natomiast, że mają pełne prawo do dobrania najbardziej odpowiadających im barw. Dodajmy jednak, oddając sprawiedliwość, że to dobieranie polega najczęściej na maksymalnym podbijaniu tonów wysokich i niskich. A jeśli urządzenie dysponuje dodatkowo jakimś rozwiązaniem typu „super bass”, to obowiązkowo musi być ono aktywne, nieważne, że tranzystory końcówek mocy rozgrzewają się do czerwoności, a membrany głośników rozrywają na strzępy. Z drugiej strony, jeśli układ regulacji został zaprojektowany i zainstalowany w sprzęcie, to dlaczego z niego nie korzystać?

Sponsorzy kursu – firmy Arrow Electronics i Analog Devices – przygotowali specjalną ofertę cenową na zestaw Analog Training Board (ATB), który jest sprzętową platformą ewaluacyjno-testową kursu.
Są na niej weryfikowane przykłady przedstawione w cyklu artykułów i na filmach. Liczba zestawów Analog Training Board (ATB) dostępnych w cenie promocyjnej jest ograniczona.

Typowy układ regulatora barwy dźwięków przedstawiono na rys. 1. Jest to symulacyjny odpowiednik regulatora znajdującego się na płytce Analog Training Board. Jak możną przypuszczać, układ zostanie najpierw poddany symulacji, a następnie jej wyniki skonfrontujemy z pomiarami układu rzeczywistego. Na koniec układ zostanie poddany ocenie subiektywnej polegającej na odsłuchu muzyki poddawanej korekcji w regulatorze.

Rys. 1. Schemat badanego regulatora barwy dźwięku

Na schemacie widoczne są potencjometry regulacyjne, które zostały zaprojektowane wcześniej przez autora i zapisane w prywatnej bibliotece elementów używanych w symulacjach. Potencjometr może być zastąpiony układem standardowych rezystorów. Ich rezystancje są ustalane dwoma parametrami: Rp (rezystancja potencjometru) i s1, (s2) – położenia suwaków. (rys. 2).

Rys. 2. Układ zastępczy potencjometru

Symulacja charakterystyki częstotliwościowej

Charakterystyka regulatora zostanie zdjęta dla wszystkich kombinacji skrajnych położeń suwaków i dodatkowo dla położenia środkowego odpowiadającego wyłączeniu regulatora. Otrzymamy więc rodzinę składającą się z 5 charakterystyk. Aby zrealizować ten cel zmienne s1 i s2 ustalające położenia suwaków odpowiednio tonów wysokich i niskich są zdefiniowane poleceniami:

.step param s1 list .01 .5 .99

.step param s2 list .01 .5 .99

Jak widać wartości nie zmieniają się 0 do 1, a od 0,01 do 0,99. Wynika to z ograniczeń symulatora, który nie przyjmuje zerowych wartości tych parametrów. Nie ma to jednak żadnego znaczenia praktycznego.

Sponsorzy kursu – firmy Arrow Electronics i Analog Devices – przygotowali specjalną ofertę cenową na zestaw Analog Training Board (ATB), który jest sprzętową platformą ewaluacyjno-testową kursu.
Są na niej weryfikowane przykłady przedstawione w cyklu artykułów i na filmach. Liczba zestawów Analog Training Board (ATB) dostępnych w cenie promocyjnej jest ograniczona.

Charakterystyka częstotliwościowa jest mierzona komendą .AC oct 100 20 20k, co oznacza, że częstotliwość będzie się zmieniała od 20 Hz do 20 kHz i na jedną oktawę przypadnie 100 punktów. Analiza AC wymaga ustawienia parametru „AC amplitude” źródła sygnału wejściowego na 1. Parametr ten jest dostępny po naciśnięciu prawego przycisku myszki na źródle V3.

Po uruchomieniu symulacji należy wskazać punkt pomiarowy, którym jest wyjście „wy”. W wyniku obliczeń na ekranie ukazuje się rodzina charakterystyk (rys. 3). Na jej podstawie można wywnioskować, że regulator tłumi i podbija dźwięki niskie i wysokie o ok. 12 dB (4-krotnie), przy czyn zauważalna jest mała asymetria w zakresie wysokich tonów. Regulacja tonów wysokich w niewielkim stopniu zależy również od ustawienia potencjometru tonów niskich, ale zależność ta jest nie większa niż 2 dB. Można też uznać, że w środkowym położeniu suwaków charakterystyka przebiega płasko na poziomie 0 dB, a więc regulator przenosi dźwięki z wejścia na wyjście w oryginalnej postaci.

Rys. 3. Charakterystyki częstotliwościowe regulatora barwy dźwięku uzyskane w wyniku symulacji

Pomiary charakterystyki częstotliwościowej

Charakterystykę częstotliwościową układu rzeczywistego zmierzymy za pomocą narzędzia „Network Analyzer” zestawu Analog Discovery 2. Konfigurację płytki Analog Training Board przedstawiono na rys. 4. Wszystkie zworki „SEL1”…„SEL5” powinny być założone na drugą od lewej parę szpilek sekcji. Zworkę „AUDIO SELECTOR” zakładamy w pozycji „LINE”, a przełącznik „SIGNAL SOURCE” do pomiaru charakterystyk ustawiamy w pozycji „AWG1”. Amplitudę sygnału testowego ustawiamy na 50 mV, zakres przemiatania częstotliwości od 20 Hz do 20 kHz. Czułości kanałów można zostawić w pozycji „Auto”. Wykonujemy 5 pomiarów, za każdym razem zmieniając położenia suwaków tak, jak w symulacji. Wynik każdego pomiaru zapisujemy jako przebieg referencyjny po to, by utworzyć rodzinę charakterystyk.

Po zakończeniu pomiarów można porównać ze sobą charakterystyki z symulacji i pomiarów. Dla lepszej czytelności można nałożyć je na siebie np. w jakimś programie graficznym (rys. 5). Jak widać, uzyskano dość dobrą zgodność symulacji z pomiarami. Jednak układ rzeczywisty w przeciwieństwie do układu symulowanego nie wykazywał asymetrii w zakresie wysokich tonów, co i tak z praktycznego punktu widzenia ma jedynie niewielkie znaczenie.

Rys. 4. Konfiguracja Analog Training Board do pomiaru regulatora barwy dźwięku

Rys. 5. Porównanie symulowanych i mierzonych charakterystyk częstotliwościowych regulatora barwy dźwięku

Symulacja sygnałów akustycznych z plików WAV

W pierwszym odcinku przedstawiono jak korzystać z sygnałów rzeczywistych w symulatorze LTspice i jak z powrotem zapisywać te sygnały np. po jakiejś wirtualnej obróbce. Korektor barwy dźwięku jest idealnym urządzeniem do sprawdzenia nabytych umiejętności. Będziemy zatem „wpuszczać” do wirtualnego regulatora sygnał akustyczny, poddawać go korekcji barwy dźwięku i zapisywać w pliku WAV w celu odsłuchania. W ten sposób przekonamy się czy korektor działa prawidłowo bez sięgania po lutownicę. Tym razem również wykonamy 5 symulacji dla wszystkich kombinacji położeń suwaków potencjometrów, w wyniku czego zostanie utworzonych pięć plików WAV. Odsłuchując je będziemy mogli przekonać się o skuteczności działania regulatora.

W tym przypadku 5-krotnie zastosujemy symulację .tran 3, co oznacza, że powstanie pięć 3-sekundowych plików dźwiękowych, każdy dla innego ustawienia suwaków. W związku z tym, konieczne jest przyjęcie jakiejś konwencji nazywania plików wynikowych. Przykładowa komenda zapisująca taki plik może mieć postać np. taką: .wave “C:\LTs_ADI\#3\muza_TL_BH.wav” 16 44.1k V(wy)

Tworzony jest plik o nazwie muza_TL_BH.wav, który odpowiada położeniom suwaków: Treble Low, Bass High. Analogicznie postępujemy dla wszystkich kombinacji. Po zakończeniu symulacji możemy odsłuchać każdy z plików konfrontując uzyskane efekty z ustawieniami suwaków. Na koniec do wejścia „LINE” na płytce Analog Training Board dołączamy jakieś źródło sygnału akustycznego, do wyjścia dołączamy słuchawki i odsłuchujemy już rzeczywistych plików muzycznych regulując barwę dźwięku potencjometrami znajdującymi się na płytce. Należy pamiętać o przełączeniu przełącznika „SIGNAL SOURCE” w pozycję „LINE”. Warto też ustawić suwak potencjometru głośności znajdujący się przy gniazdku słuchawkowym w lewej skrajnej pozycji, aby rozpoczynać odsłuch od niskich poziomów sygnału, który następnie stopniowo zwiększamy w zależności od indywidualnych upodobań.

Rys. 6. Analog Training Board płytka skonfigurowana do odsłuchu muzyki z użyciem regulatora barwy dźwięku

O autorze

Jarosław Doliński

Jarosław Doliński jest absolwentem Wydziału Elektroniki na Politechnice Warszawskiej. Pracował w Przemysłowymi Instytucie Telekomunikacji oraz Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, gdzie zajmował się konstruowaniem urządzeń transmisji danych. Współpracował z Zakładem Urządzeń Teatralnych m.in. w zakresie konstrukcji interkomów teatralnych i urządzeń dla inspicjentów. Brał także udział w pracach projektowych rejestratorów urządzeń wiertniczych i elektroniki montowanej na żurawiach mobilnych.
Obecnie prowadzi firmę zajmująca się konstruowaniem i produkcją urządzeń elektronicznych dla rehabilitacji i wspomagania treningu sportowego.
Jest autorem czterech książek poświęconych elektronice i mikrokontrolerom, współpracuje ponadto z miesięcznikami „Elektronika Praktyczna”, „Elektronik” oraz „Świat Radio”.