7-pasmowy korektor graficzny

Opisany moduł jest klasycznym układem korektora graficznego opartego na symulacji indukcyjności przy pomocy wzmacniacza operacyjnego w układzie żyratora. Eliminuje to konieczność użycia drogich i trudno dostępnych cewek indukcyjnych. Schemat żyratora został pokazany na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat żyratora

Podstawowy model zawiera siedem niezależnie regulowanych zakresów częstotliwości: 31,5 Hz, 100 Hz, 315 Hz, 1 kHz, 3 kHz,15 kHz, 10 kHz, 31,5 kHz. W zależności od zastosowania korektora, poprzez odpowiedni dobór elementów zakresy mogą zostać zmienione, np. na następujące:

100 Hz, 200 Hz, 400 Hz, 800 Hz, 1,6 kHz, 3,2 kHz, 6,4 kHz
62 Hz, 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz, 4 kHz
50 Hz, 120 Hz, 400 Hz, 500 Hz, 600 Hz, 4,5 kHz, 10 kHz

W celu obliczenia wartości elementów przyjmujemy dobrać Q (w modelu Q≈0,9) przy ustalonej wartości R1=1,0…4,7 kΩ (2,2 kΩ), R2=100 kΩ i ustalonej częstotliwości regulacji f obliczamy wartość C1, starając się ją dobrać z dostępnych wartości pojemności:

Następnie obliczamy indukcyjność:

i pojemność C2:

Można też dla wygody dobrać zamiast stałej R2, typową pojemność C2 i obliczenia przekształcić:

Ostatecznie weryfikujemy dobrane elementy i wpływ na zmiany f i Q:

W przypadku doboru częstotliwości f i dobroci filtru Q należy zwrócić uwagę na możliwość wpływu sąsiednich pasm na przebieg regulacji. Nie zawsze musi być to cecha negatywna, ale należy mieć świadomość zachowania korektora. Niewielkie odstępy częstotliwości regulacji, takie jak występują w korektorach instrumentalnych np.: 400 Hz, 500 Hz, 600 Hz, jeżeli wzajemny wpływ pasm i utrata selektywności układu nie jest pożądana, wymagają odpowiedniej korekty dobroci układu. Nie zawsze będzie to możliwe do realizacji z typowymi wartościami elementów. Ciekawe opracowanie na temat publikuje firma Rane „Perfect-Q™ The Next Step in Graphic EQ Design” (http://bit.ly/3f0mzTj) polecam jego lekturę.

Budowa i działanie

Układ korektora został zasymulowany w LTSpice. Ułatwiło to dobór wartości elementów oraz umożliwiło sprawdzenie konsekwencji zmiany dobroci. Fragment schematu został pokazany na rysunku 2 i jest on dostępny w materiałach dodatkowych.

Rysunek 2. Fragment schematu symulacyjnego modelu korektora

Wybrany inny typ wzmacniaczy operacyjnych nie ma znaczącego wpływu na analizę częstotliwościową układu. Dla częstotliwości: 31,5 Hz, 100 Hz, 315 Hz, 1 kHz, 3 kHz, 15 kHz, 10 kHz, 31,5 kHz i maksymalnych podbić sygnału uzyskano przebieg regulacji pokazany na rysunku 3. Ze względu na niewielką dobroć widać zafalowania w regulacji poszczególnych pasm, nie jest to jednak w docelowym zastosowaniu szkodliwe.

Rysunek 3. Wynik symulacji korektora

Rysunek 4. Część wzmacniająca korektora

Schemat rzeczywistego układu korektora podzielony jest na dwa bloki. Pierwszy to część wzmacniająca, która została pokazana na rysunku 4, drugi to układy żyratorów pokazane na rysunku 5.

Rysunek 5. Blok żyratorów

Sygnał wejściowy z gniazda IN doprowadzony jest stopnia o regulowanym wzmocnieniu, opartym na wzmacniaczu U1A. Układ umożliwia dopasowanie potencjometrem LEV0 czułości wejściowej i ustawienie wzmocnienia układu na 0 dB przy potencjometrach ustawionych w zerowych położeniach. Przekaźnik RL1 odpowiedzialny jest za funkcję bypass korektora, przekazuje sygnał z wejścia na wyjście, bez jakiejkolwiek zmiany, gdy układ jest pozbawiony zasilania (ułatwia to budowę torów szeregowych) lub gdy wyłączony jest przełącznikiem BYPASS podłączonym do złącza BYP. Pracę korektora w torze audio sygnalizuje dioda INL. Układ U1A pracujący jako bufor wejściowy, zapewnia możliwie małą impedancję sterującą układy żyratorów. Z wyjścia wzmacniacza wstępnego sygnał doprowadzony jest do potencjometrów regulacyjnych Pot1…Pot7 wzmacniacza U1B. Suwaki potencjometrów połączone są z odpowiadającymi za ustalenie częstotliwości regulacji żyratorami. Wzmacniacz U5B odwraca fazę sygnału, aby zapewnić jej zgodność z sygnałem wejściowym.

Montaż i uruchomienie

Układ korektora został zmontowany na dwustronnej pytce drukowanej, której schemat wraz z rozmieszczeniem elementów został pokazany na rysunku 6. Sposób montażu jest klasyczny i nie wymaga dokładnego opisu. Zmontowany moduł pokazano na fotografii tytułowej.

Rysunek 6. Schemat płytki PCB wraz z rozmieszczeniem elementów

Moduł wymaga zasilania symetrycznego ±15 V i wydajności zależnej praktycznie tylko od poboru prądu zastosowanych wzmacniaczy operacyjnych. Sam dobór podwójnych wzmacniaczy operacyjnych jest dosyć szeroki, ważne by miały niski poziom szumów, były stabilne przy wzmocnieniu jednostkowym i posiadały szerokie pasmo przenoszenia np.: SSM2135, LM4652, LM833, NE5532, JRC4558. W aplikacjach o niższych wymaganiach mogą być zastosowane układy TL072. W przypadku zastosowania wzmacniaczy w obudowie SO8, należy zastosować adaptery DIP8/SO8.

Rysunek 7. Charakterystyki regulacji uzyskane w modelu

Podczas uruchomienia korektora należy w położeniach zerowych potencjometrów Pot1…Pot7 ustawić wzmocnienie układu 0 dB przy pomocy potencjometru LEV0. Przykładowe charakterystyki regulacji osiągnięte w modelu zostały pokazane na rysunku 7. Dosyć dokładnie pokrywają się z charakterystykami uzyskanymi podczas symulacji, Pomiary przenoszenia wykonano przy pomocy Analog Discovery 2. Dla pomiarów audio warto wypróbować też oprogramowanie alternatywne dla WaveForms – Audio Analyzer Suite. W przypadku wszystkich typów korektorów należy zwrócić uwagę na poziom sygnału wejściowego, aby przy maksymalnym podbiciu nie przesterować kolejnego elementu toru lub samego korektora. Przy zasilaniu ±15 V, maksymalne napięcie wejściowe wynosi 2,8 Vrms dla wszystkich potencjometrów ustawionych w położeniach maksymalnego podbicia. Po regulacji poziomu układ jest gotowy do pracy i można go podłączyć w docelowym torze audio.

Adam Tatuś, EP