Zaloguj
W swojej codziennej praktyce często spotykam się z dwoma przypadkami dotyczącymi regulacji poziomu głośności (ang. attenuation). Pierwszy z nich to konieczność pokazania użytkownikowi domowego systemu audio, jakie aktualnie jest tłumienie w przedwzmacniaczu – chce widzieć, że wynosi ono np. –34,5 dB. To samo dotyczy również aplikacji profesjonalnych – tam, gdzie zachodzi konieczność współbieżnej regulacji, z wysoką dokładnością, wielu kanałów analogowych i to w taki sposób, by ustawienia były łatwe do odtworzenia po zmianie jakichś innych parametrów. Zatem wyświetlacz wskazujący –34,5 dB oraz pilot i enkoder przełączające o 0,5 dB są tu wygodniejsze niż gałka, którą trzeba ustawić w określonej pozycji. Kolejny przypadek to sytuacja, w której urządzenie ma mieć kilka przełączanych wejść, a na każdym z nich ma być dostępna możliwość ustawienia innego poziomu głośności, np.:
- odtwarzacz CD: –40,0 dB,
- DAC: –45,5 dB,
- gramofon: –32,0 dB
i tak dalej. Manualnie jest to (niemal) niewykonalne, a już na pewno w dzisiejszych czasach – nieopłacalne.
Nie pozostaje nic innego, jak tylko polegać na rozwiązaniach elektronicznych, ponieważ elektromechaniczny potencjometr będzie w tym miejscu niewystarczający. Pierwsze, co przychodzi do głowy, to oczywiście elektroniczny potencjometr. Uproszczony schemat sieci rezystorowej jednego z nich znajduje się na rysunku 1 – jest to dobrze znany AD5207. Na pierwszy rzut oka wszystko wygląda doskonale: 256 pozycji, małe rozmiary, proste sterowanie, znormalizowana rezystancja, przystępna nota katalogowa – czego chcieć więcej?
Jest jednak kilka mankamentów układu scalonego. Pierwszy i najważniejszy jest taki, że realizuje on regulację liniową. Można odpowiednio przeskalować wystawiane na interfejs tego układu wartości tak, by uzyskać skalę logarytmiczną (lub chociaż do niej zbliżoną), lecz wiąże się to ze zmniejszeniem dostępnej liczby kroków regulacji, gdyż część będzie musiała zostać pominięta. Są oczywiście scalone potencjometry cyfrowe realizujące regulację logarytmiczną, ale ich parametry nie są oszałamiające, przynajmniej w moich zastosowaniach. Głównym ograniczeniem jest amplituda przetwarzanego przez nie sygnału i konieczność zapewnienia odpowiedniej składowej stałej do ich poprawnej pracy.
Oferta tego typu układów jest ponadto dosyć wąska. Przykładowo, bardzo już wiekowy MAX5407 ma 32 pozycje i umożliwia regulację co 1 dB. Szczegółowe informacje są widoczne w tabeli na rysunku 2. Jego całkowita rezystancja może ulegać rozrzutom w szerokim zakresie (co jeszcze nie jest aż tak dotkliwe), ale ponadto układ nie ma możliwości całkowitego wyciszenia. Nie jest również możliwe szybkie ustawienie żądanego tłumienia, gdyż komunikacja odbywa się poprzez interfejs góra/dół.
W podobny sposób działa MAX5646, oferujący większy zakres tłumienia – rysunek 3. Niestety cała ta regulacja odbywa się w 32 krokach, po 2 dB każdy. Wyciszanie jest możliwe poprzez tłumienie o 90 dB, co wprawdzie wydaje się zadowalającą wartością, ale w czułych zestawach daje się usłyszeć „przeciekanie” sygnału w kolumnach o wysokiej skuteczności. Zostawmy jednak produkty marki Maxim Integrated – warto m.in. spojrzeć na rozwiązania oferowane przez Renesas. Układ X9314 (rysunek 4) ma inny zakres regulacji, choć nadal są to tylko 32 kroki, brakuje też możliwości wyciszania.
Jest jednak pewna metoda modyfikacji potencjometru liniowego. Na początek, dla ustalenia uwagi, spójrzmy na porównanie charakterystyk potencjometru liniowego i logarytmicznego, które można zobaczyć na rysunku 5. Warto zwrócić uwagę, że przy tłumieniu o 40 dB charakterystyka potencjometru logarytmicznego nie schodzi do zera, lecz jego tłumienie wynosi 1%. Rzeczywiste potencjometry do regulacji głośności schodziły jednak do „prawdziwego” zera, co w skali logarytmicznej byłoby nieosiągalne (tłumienie dąży wtedy do minus nieskończoności), dlatego rzeczywiste potencjometry muszą mieć w tym miejscu zakrzywioną charakterystykę. Obie te charakterystyki nijak do siebie nie przystają i nie wymaga to obszerniejszego komentarza.
Liniowe potencjometry cyfrowe oferują znacznie większe możliwości pod względem liczby kroków – typowo mają 256 pozycji, co w porównaniu z 32 krokami potencjometrów logarytmicznych wypada zdecydowanie na korzyść tych pierwszych. Można próbować odwzorować charakterystykę logarytmiczną poprzez ominięcie niektórych kroków, lecz to sprowadzałoby problem do znanego już rozwiązania, czyli potencjometrów z niewielką liczbą kroków. Można też połączyć dwa potencjometry kaskadowo (wyjście jednego, czyli ślizgacz, podłącza się do wejścia drugiego, czyli do „górnego” zacisku – ilustruje to schemat z rysunku 6) i odpowiednio obliczać pozycje obu układów w celu dobrania odpowiedniego tłumienia na każdej z nich. To z kolei okazałoby się bardzo pracochłonne – podejmowałem już takie próby.
Jest jednak jeszcze inna propozycja, będąca kompromisem między wiernością odwzorowania charakterystyki a prostotą układu. Wystarczy między ślizgacz a masę włączyć rezystor stały o odpowiedniej wartości, jak na rysunku 7. Na tle charakterystyki idealnego potencjometru (czerwona) zostały narysowane dwie inne, dla różnych wartości dodatkowego rezystora R1. Odwzorowanie charakterystyki różni się od ideału, lecz w niedrogim sprzęcie powszechnego użytku, w którym nie zależy nam na dokładnym odtworzeniu skali decybelowej, taki zabieg w zupełności wystarcza. Ze swojej strony dodam, że moje testy wykazały, iż rezystancja dodatkowego elementu powinna wynosić 25% całkowitej rezystancji ścieżki potencjometru liniowego, czyli R1/Rp=0,25.
Takie połączenie ma jeszcze jedną zaletę: jeżeli stosowany układ potencjometru cyfrowego oferuje możliwość odłączenia sygnału od „górnego” zacisku lub ślizgacza, to można w ten sposób zrealizować bardzo dobrze działającą funkcję „mute”. Sygnał zostanie całkowicie odłączony od wyjścia (rezystancja rzędu wielu megaomów), zaś samo wyjście będzie cały czas spolaryzowane przez rezystor R1 do masy. To z kolei blokuje powstawanie uciążliwego przydźwięku po wyciszeniu sygnału, który mógłby mieć miejsce, gdyby wyjście nie zostało spolaryzowane do masy jakąkolwiek stałą rezystancją.
Zaprezentowane wyżej układy i „patenty” stosuję tam, gdzie nie zależy mi ani na zbyt szerokiej regulacji głośności, ani na zbyt dobrych parametrach brzmieniowych, ani też na idealnym odwzorowaniu charakterystyki logarytmicznej.
Michał Kurzela, EP
Źródła:
[1] https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad5207.pdf
[2] https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/MAX5407.pdf
[3] https://www.mouser.pl/datasheet/3/1014/1/MAX5456-MAX5457.pdf
[4] https://www.mouser.pl/datasheet/3/1166/1/REN_x9314_DST_20040119.pdf
[5] https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/thesignal/posts/logarithmic-potentiometers
