数字混响 2. 图表、说明

数字混响。无线电电子电气工程百科全书

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近年来，由于必要元素库的出现，使混响效果以电子方式实现成为可能，这使得显着提高混响的质量和性能特性、减小其尺寸和功耗成为可能。

如您所知，混响是一种用于延迟模拟音频信号的设备。在电子混响器中，延迟线的功能由一个 N 位移位寄存器执行，该寄存器的输入被馈入由模数转换器 (ADC) 转换的输入模拟信号的数字等效信号，而模拟转换器 (DAC) 连接到输出，再次从数字等效物恢复模拟信号。

ADC 输出代码可以是并行的或串行的。使用并行码，需要在每个位的信号中提供延迟，这导致移位寄存器的数量增加了K倍，其中K是ADC的位数。对于串行代码，延迟线在一个移位寄存器上执行，但是，在其输出端，如果输出 DAC 处理并行计数，则必须打开串并转换器。第一种情况下的延迟时间将由移位寄存器的位数与时钟频率的比率决定，而在第二种情况下，延迟时间由寄存器的位数乘以形成时间的乘积决定。 K 位串行代码。这两种方法都比较难实现，因为需要比较多位数的数字码才能获得较好质量的延迟信号，这就需要使用复杂的ADC、DAC和高阶低通过滤器在设备的输入和输出。

从模拟信号中获取可由移位寄存器延迟的数字序列的一种更简单的方法是增量调制，它允许您数字化的不是信号的当前值，而是其相对于前一个信号的变化。

增量调制器的框图如图 1 所示。 0，一个。 LPF 限制输入模拟信号的频谱，然后再将其应用于调制器的输入。加法器产生两个信号的差：输入和恢复输出。根据该差值的瞬时值的符号，比较器输出逻辑电平 1 或 XNUMX，即调制器的输出信号是具有可变持续时间和占空比的脉冲序列。为了应用于加法器的输入，该序列通过包含脉冲整形器和积分器的恢复通道。

米。 1（点击放大）

解调器（图 1b）本质上是调制器恢复通道的模拟。增量调制器-解调器系统的一个重要特征是恢复通道的强制标识。

图上。图 2 显示了调制器特征点处信号的简化形式：A - 输入信号 u(t) 和提供给加法器的重构 u*(t)，B - 加法器的差分输出信号，C - 来自比较器的输出，D - 信号，在积分器的输入端。从图。从图 2 可以看出，为了提高输入信号的逼近性，需要提高时钟频率。然而，在混响中，对于相同的延迟时间，这将需要增加连接在调制器和解调器之间的移位寄存器的“长度”，以及使用更快的元件。

数字混响
图。 2

同时，分析表明可以在不改变时钟频率的情况下实现更好的逼近。只需要根据某个点的信号曲线的陡度（因此，取决于其频谱的宽度）相应地改变 D 的值，即改变近似信号的陡度。您可以通过改变积分器的积分常数或提供给它的脉冲幅度来改变 A。

下面描述的混响使用积分常数的变化。场效应晶体管用作可变电阻器，由来自无源积分电路的电压控制，信号从“异或”元件提供到该无源积分电路。换句话说，增量调制器不是将信号本身转换为数字序列，而是将其导数转换为导数，通过在输出处积分可以从中恢复原始信号。您可以在 [I, 2, 3] 中了解有关增量调制及其应用的信息。

下面描述的数字混响基于自适应增量调制原理，既可以用作 EMI 和 EMC 功能单元，也可以用作在业余合奏中实现混响和回声效果的独立设备。在家用无线电综合体中使用它来模拟大房间也很有趣。

混响的框图如图 3 所示。输入加法器将输入信号与延迟信号的部分相加，可以让您获得多重声音反射的效果。调制器将其转换为数字序列，M 位移位寄存器将其延迟 Tz 时间。这个时间以及混响（回声）时间可以通过以下公式确定：Тз=N/4，其中 fi 是时钟频率。解调器从数字序列中重建原始模拟信号。

米。 3（点击放大）

输出加法器用于将延迟信号添加到输入，并且可以调整延迟信号的电平，从而使您可以平滑地将混响深度从零更改为最大。

主要技术特点。

标称频带，Hz，频率响应不均匀度不超过 3 dB。 . . 20...14 000
额定输入电压，mV ...... 100
额定输出电压。 nV ..... 200
输入电阻，kOhm 50
输出电阻，kOhm 2
谐波系数，%，频率为 1000 Hz ... 0,5
动态范围，dB，不差....... 60
时钟频率变化的限制，kHz ..... 100...500
延迟时间变化限值，s ...... 0.033...0.66

混响器的电路图如图所示。 4. 输入加法器在运算放大器 DA1 上进行，它同时执行限制总信号频谱的一阶低通滤波器的功能。

米。 4. 混响示意图（点击放大）

调制器包括微电路DA2、DA3、DD1、逻辑元件DD4.1和场效应晶体管VT1.1。调制器的工作原理如下。比较器 DA2 将来自加法器输出的信号电压与 DA3 积分器上的电压进行比较，并根据哪个更大，分别生成 0 或 1 信号。该信号被馈送到触发器 DD1.1 的信息输入端，该触发器执行数字采样保持设备的功能。来自触发输出的脉冲序列被传输到移位寄存器的输入和用于将单极脉冲转换为对称双极脉冲的设备，该设备由电阻器 R5-R7 制成。脉冲对称性通过微调电阻 R5 实现。

接着，脉冲被馈送到积分器，其积分常数通过场效应晶体管VT1.1改变，由来自元件DD4.1的信号控制。场效应管VT1.1、元件DD4.1和DD1芯片的触发器组成适配节点。该节点会根据输入信号的幅度和频率改变积分常数，从而改变积分器输出信号的斜率，这使您可以在宽频带中获得线性频率响应，并具有良好的信噪比比率。

如果在相邻周期的数字序列中逻辑电平不同，这对应于输入信号的微小变化，则电平 4.1 在“异或”元件 DD1 的输出端形成。这导致场效应晶体管 VT1.1 的栅极电压及其沟道电阻的增加。结果，积分器的时间常数将增加，因此其输出电压的斜率将减小。

随着输入信号的强烈变化，积分器输出端的电压斜率会相应增加。

移位寄存器在微电路DD10-DD13上制作。它们是容量为 16 K 的动态 RAM，具有一位组织。微电路DD2、DD3执行地址计数器的功能，微电路DD5、DD8--切换RAM的行地址和列地址。事实证明可以放弃再生设备，因为在 100 kHz 的时钟频率下，所有 RAM 线的旋转时间都小于 2 ms。

运算放大器 DA5 上组装的解调器、两个触发器 DD9.1 和 DD9.2 以及一个场效应晶体管 VT1.2 必须与调制器相同（如果有条件地从中移除比较器）。在 DA4 运算放大器上，制作了一个输出加法器，它与输入加法器一样，同时执行一阶低通滤波器的功能。可变电阻 R31 允许您更改混响的持续时间（深度），R32 - 延迟信号的电平。时钟发生器根据积分器-比较器电路组装在元件DD6.4-DD6.6上，通过可变电阻R16可以平滑地改变频率，从而导致延迟时间（混响时间）的平滑变化）。

在元件 DD6.1-DD6.3 和晶体管 VT2 上，组装了一个次声频率的正弦振荡发生器，它允许在实现“合唱”效果时调制时钟发生器的频率。开关 SA1 用于步进改变发电机的频率。调制深度由可变电阻器 R19 设置。

设置混响首先要检查时钟发生器的操作。示波器输入连接到DD6.4元件的输出，在屏幕上观察到矩形脉冲，其持续时间应约为1μs，重复频率应通过可变电阻R16改变（当可变电阻R19滑块根据电路设置在较低位置）从100到500 kHz。在正弦振荡发生器中，选择电阻 R24 和 R29 实现正弦波形（示波器输入连接到电容器 C8 的负极板）。

在检查了时钟发生器和正弦振荡发生器的可操作性之后，他们开始建立调制器。它的输入连接到公共线，示波器连接到运算放大器DA3的输出。在屏幕上观察到三角形脉冲，其对称性由调谐电阻器 R5 设置。脉冲幅度。应不超过 5 mV，并且频率比时钟小两倍。完成操作后，调制器的输入端与公共线断开连接，连接到输入加法器的输出端，从声音向其输入端提供幅度为 140 mV、频率为 20 Hz 的信号发电机。在运算放大器 DA3 的输出端应该有一个相同频率的信号，但幅度要大 10 倍，并相对于输入偏移 180°。通过将输入信号的频率从 20 Hz 更改为 14 kHz，通过选择电阻器 R8 来实现调制器频率响应的线性度。

解调器的调整顺序与调制器相同。首先，触发器DD9.1的D-输入与开关SA3断开，连接到触发器DDI.I的直接输出。混响的输入连接到公共线，示波器连接到运放DA5的输出，微调电阻R38平衡三角信号。然后从发声器提供幅度为140mV、频率为20Hz～14kHz的信号，通过选择电阻R41，调制器和解调器的参数相同。之后，触发器DD9.1的D输入再次连接到开关SA3。

解调器输出的信号必须相对于输入延迟，通过快速从混响输入中移除信号来检查（以最小时钟频率）。在输出端，信号应在等于延迟时间的一定时间后消失。

输出加法器没有任何功能，通常会立即开始工作。

根据方案，电阻器 R14 的选择在可变电阻器 R3 滑块的上部位置设置最大混响时间（回声重复次数）。选择电阻R34，设置输出延迟信号的最大电平。

要为混响供电，您需要一个输出电压为 12 V 和 2x5 V 的低功率稳定源。每个源消耗的电流不超过 30 mA。为消除干扰，需要用容量至少为 10 μF 的氧化物电容器和 0,1 μF 的陶瓷电容并联来将锂线分流。在 DD10-DD13 微电路的每个正极输出附近，还需要包括容量为 0,22 微法拉的并联陶瓷电容器。

设备中使用的微调电阻 - SP5-3，变量 - SP-1。电容器：陶瓷 - KM-5 和 KM-6，氧化物 - K50-6。可以使用 K140UD7、K140UD6、K544UD1 代替 OU K140UD8。比较器 K554CA1 可以用 K554CA2、K554CAZ、K521CA1-K52ICA3 代替，考虑到它们包含的特点。 K561 系列的芯片可以替换为 K164 或 K176 系列的相应芯片。

开发混响器时，目标是创建具有相对较高质量和性能特征的最简单的设备。通过在调制器和解调器中使用更复杂的自适应单元可以进一步提高质量。由于地址计数器“长度”的逐步减少而减少了存储器量（例如，通过引入14位开关，其公共方向输出连接到微电路DD2、DD3的组合R输入，位置输出到计数器位）将能够连续地从“回声效果”切换到“混响”、“镶边”、“移相器”等，直到完全消除延迟。但这一切都会导致电路更加复杂，如果需要的话，经验丰富的无线电爱好者可以轻松地自己实现。

文学:

1. M. D. Venediktov、Yu. P. Zhenevsky、V. V. Markov 和 G. S. Eidus，Delta 调制。理论与应用。 - M.：沟通。 1976 年。
2. Steel R. 增量调制原理。 - M.：通讯，1979 年。
3. Prager E.、Shimek B.、Dmitriev V.P. 通信中的数字技术。埃德。 V. V. 马尔科娃。 - M.：无线电和通信，布拉格，1981 年。

作者：V. Barchukov，莫斯科；出版物：N. Bolshakov，rf.atnn.ru

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