Устройства записи и воспроизведения сигналов (стр. 2 )

2) перемотать ленту в начало кассеты;

3) нажать клавиши «Пуск», «Запись» и сразу после них «Пауза»;

4) тумблер управления в левом положении «1»;

5) установить частоту сигнала генератора Г3-112 равную 1000 Гц, переключатель выходного сигнала в положение 60 дБ, плавный регулятор выходного сигнала в крайнее левое положение;

6) установить на выход Г3-112 тройник. К одному его плечу подсоединить кабель с байонетными разъемами, а ко второму – с магнитофонным разъемом;

7) второй конец первого кабеля с байонетным разъемом подключить ко входу осциллографа, а магнитофонный разъем второго кабеля к разъему №1;

8) установить потенциометр регулировки IВЧП в положение, соответствующее минимальному IВЧП;

9) плавно поворачивая вправо регулятор выходного напряжения Г3-112 и измеряя амплитуду UНЧ ВХ по осциллографу, довести ее значение до 10 мВ;

10) отпустить клавишу «Пауза» и выждать 20 – 30 с (время, необходимое для последующего замера по экрану осциллографа амплитуды записанного сигнала);

11) после выдержки установить ключом потенциометр регулировки IВЧП на новое деление (по итоговой таблице задания 3) и сделать выдержку 20 – 30 с;

12) повторить предыдущий пункт для всех положений потенциометра IВЧП, токи IВЧП которых были найдены в задании 3;

13) нажать клавишу «Стоп» и прекратить запись;

14) перемотать ленту в начало кассеты;

15) переключить тумблер управления в положение «2» (правое);

16) отключив от входа осциллографа разъем кабеля Г3-112, соединить вход С1-68 с разъемом №3;

17) нажать клавишу «Пуск» и начать записывать замеренные с экрана осциллографа амплитуды U НЧ ВЫХ для использованных значений IВЧП(NДЕЛ), таким образом, получаем зависимость: U НЧ ВЫХ = jU(IВЧП) при U НЧ ВХ = const;

18) после окончания цикла считывания и замера записанных сигналов нажать «Стоп», перемотать ленту в начало и далее «Пуск», «Запись», «Пауза»;

19) вернуть кабели соединения в положение, соответствующее пункту 6);

20) вернуться к п. 9), установить новое значение U НЧ ВХ из следующего ряда: 10, 20, 50, 100, 200, 500 мВ. При установке этих значений можно использовать децибельный переключатель UВЫХ Г3-112 и плавный регулятор. Ручку «Уровень записи» магнитофона не трогать;

21) повторить пункты задания от 9) до 19). Получить набор зависимостей U НЧ ВЫХ = jU(IВЧП) при различных U НЧ ВХ, зарисовать с экрана осциллографа форму записанного сигнала для минимального и среднего IВЧП. Сравнить их между собой. Построить на одном графике две из полученных зависимостей для U НЧ ВХ =20 мВ и U НЧ ВХ =100 мВ. Сопоставить с графиком рис.12,г;

22) из полученных экспериментальных данных сделать набор выборок значений U НЧ ВЫХ = jU(IВЧП) при IВЧП=const. Построить семейство полученных зависимостей. Сравнить с графиком рис.12,б.

З а д а н и е 5. Оформить отчет по лабораторной работе. Отчет должен содержать блок-схемы соединений приборов, полученные экспериментальные данные и построенные на их основе графики.

Контрольные вопросы

1.  Структура ТЗВ и КЗВ. Основные термины и определения.

2.  Функциональная схема аудиомагнитофона и принцип ее работы.

3.  Устройство ГУ и ее работа.

4.  Дифференцирующее свойство ГУ.

5.  АЧХ идеального ТЗВ.

6.  Потери в ТЗВ: щелевые, контактные, слойные, результирующие.

7.  АЧХ реального ТЗВ.

8.  АЧХ универсального усилителя в режимах записи и воспроизведения.

9.  АЧХ КЗВ и ее коррекция.

10.  Запись без подмагничивания.

11.  Запись с подмагничиванием постоянным полем: на размагниченный носитель и на предварительно намагниченный носитель.

12.  Запись с подмагничиванием переменным полем: амплитудная характеристика и нелинейные искажения.

Лабораторная работа № 000

Исследование структуры и принципа действия динамических шумоподавителей

Цель работы - изучение принципов функционирования и характеристик шумоподавителей, построенных по принципу динамического ограничения шумов и используемых в бытовых аудиомагнитофонах 2-го класса.

Домашнее задание: по рекомендованному списку литературы [3, 5], материалам лекций и данной работе необходимо изучить структуру, принципы функционирования и характеристики динамических шумоподавителей, а также принципиальную электрическую схему шумоподавителя, применяемого в бытовом аудиомагнитофоне 2-го класса «Весна-205».

Введение

Современная техника записи аудиоинформации достигла высокого уровня. Тем не менее, улучшение ее качественных показателей остается актуальной задачей. С одной стороны, это вызвано дальнейшим ростом требований к верности воспроизведения аудиоинформации в условиях постоянного усложнения технологии записи и передачи (многократная перезапись, использование каналов радиовещания и связи и т. п.). Сигнал подвергается многократной обработке и для снижения суммарных искажений и помех влияние каждого звена должно быть достаточно малым. С другой стороны, на это оказывают влияния экономические соображения, в частности, стремление к повышению плотности записи (применительно к магнитной записи – уменьшение скорости ленты и ширины дорожки записи).

Следует отметить, что такой важный параметр, как отношение сигнал/шум при повышении плотности записи ухудшается в большей степени, чем другие параметры (нелинейные искажения, детонация и т. д.). Компенсировать это ухудшение традиционными методами (такими, как применение малошумящих усилителей и носителей аудиоинформации) полностью не удается. Тем более, что для таких носителей, как магнитная лента, в настоящее время почти достигнут теоретически возможный предел снижения уровня шумов. Решению этой задачи в большой степени способствует применение шумоподавителей.

Все известные устройства шумоподавления можно отнести к двум группам: к первой относятся устройства однократного воздействия, работающие лишь при воспроизведении; ко второй – основанные на двукратной обработке сигнала (соответственно при записи и воспроизведении). Шумоподавители первой группы, как правило, проще, но их работа принципиально связана с подавлением части информации, содержащейся в сигнале. Шумоподавители второй группы, наиболее известными представителями которых являются шумоподавители Долби, дают возможность полностью восстановить исходный сигнал. Но они значительно сложнее по структуре и схемотехнике.

В данной работе будет рассмотрен принцип действия самого распространенного представителя шумоподавителей первой группы – динамического шумоподавителя DNL.

Принцип действия шумоподавителя DNL

Шумоподавитель DNL (Dynamic Noise Limiter – динамический ограничитель шума), предложенный голландской фирмой “Филипс”, основан на принципе так называемой динамической фильтрации сигнала.

В результате исследований было установлено, что спектр музыкальных сигналов зависит от громкости исполнения таким образом, что с уменьшением громкости относительное содержание высокочастотных составляющих в сигнале уменьшается. Это объясняется особенностями звукообразования в музыкальных инструментах: при изменении громкости изменяется соотношение между уровнями основного тона и гармонических составляющих (обертонов). При игре тихой (пианиссимо) излучаются преимущественно основные тона, которые для большинства инструментов лежат в диапазоне частот, не превышающем 4,5 кГц. Поэтому ограничение полосы пропускания канала во времени воспроизведения таких пассажей (а также паузах звучания) лишь незначительно ухудшит качество звучания, но заметно ослабит характерные для звукозаписи высокочастотные шумы, которые проявляются особенно сильно именно при малом сигнале и в паузах. При увеличении уровня сигнала полоса пропускания расширяется, но одновременно увеличивается маскировка шумов полезным сигналом и подавление шумов становится не столь необходимым.

Функциональные схемы шумоподавителей DNL

1. Вариант шумоподавителя фирмы «Филипс»

В шумоподавителе фирмы “Филипс”, изображенном на рис.14, входной сигнал поступает на фазорасщепитель, представляющий собой каскад с разделенной нагрузкой.

На его выходе образуются сигналы, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 180° и равные по амплитуде между собой. Один из сигналов поступает в канал обработки, где с помощью ФВЧ выделяются ВЧ – составляющие (выше 4,5 кГц). Эти ВЧ – составляющие, дополнительно усиливаются и подаются на каскад АРУ, коэффициент передачи которого определяется уровнем входного сигнала. После ослабления в делителе выходные сигналы схемы АРУ по величине делаются равными сигналам основного (нижнего) канала и подаются на выходной сумматор.

Сигналы основной части спектра (НЧ и СЧ) не проходят через ФВЧ канала обработки. Поэтому для них U2 = 0, на выходной сумматор поступает только один основной сигнал U1, модуль которого равен |Uвх|. Соответственно |Uвых| = |Uвх| и схема не оказывает влияния на проходящие сигналы НЧ и СЧ.

Для ВЧ ФВЧ канала обработки прозрачен и коэффициент передачи всей схемы зависит от уровня Uвх. Эта зависимость определяется амплитудными характеристиками управляющего звена АРУ (рис.15).

Так как напряжение U2 складывается в сумматоре с напряжением U1 в противофазе, то результирующая амплитудная характеристика на ВЧ имеет вид, представленный на рис.15,в.

Из рисунка видно, что для ВЧ сигналов малого уровня коэффициент уменьшается, что и вызывает эффект подавления шумов. В начальном участке характеристики (до установленного порога срабатывания U0) можно достичь полной компенсации противофазных составляющих U1 и U2, т. е. получить UВЫХ = 0. Канал прохождения ВЧ сигналов малого уровня запирается. Напряжение U0, соответствующее входному сигналу, при котором начинает эффективно действовать шумоподавление, обычно выбирается на 38 – 40 дБ ниже номинального значения, что примерно соответствует нижней границе динамического диапазона записываемых сигналов.

Недостатком схемы является то, что сигналы основного канала и канала обработки проходят на сумматор существенно различными путями. Как следствие этого исходный сдвиг фаз в 180°, введенный между ними ФР, нарушается, что не позволяет достичь эффекта полного подавления шумов в сумматоре.

2. Функциональная схема шумоподавителя аудиомагнитофона «Весна-205»

На рис.16 показана функциональная схема шумоподавителя DNL, использованного в магнитофоне «Весна-205». Это схема свободна от недостатков описанной ранее схемы.

Входные сигналы UВХ=U1 подаются на ФР, на выходах которого образуются два сдвинутых по фазе на 180° сигнала U2=U1 и U3= -U1. Сигнал U2 (сигнал основного канала) сразу поступает на выходной сумматор S, а сигнал дополнительного канала U3 идет на S через ФВЧ2, на выходе которого имеем сигнал U4.

Одновременно сигнал U3 подается через ФВЧ1 на блок регулирования, состоящий из ключевого каскада КК, усилителя УС и детектора Д.

На НЧ и СЧ ФВЧ1 и ФВЧ2 непрозрачны, т. е. U4 и U5 равны 0. Поэтому независимо от величины UВХ=U1 имеем UВЫХ=U2=U1. Коэффициент передачи схемы во всем динамическом диапазоне входных сигналов равен 1, канал регулирования не работает, шумы не подавляются.

На рис.17 представлены зависимости характерных сигналов шумоподавителя, использованного в магнитофоне «Весна-205» для ВЧ.

На ВЧ (f > 4,5 кГц) прохождение сигнала на выход зависит от его уровня. При малых и стремящихся к нулю значениях ВЧ U1 ФВЧ1 и ФВЧ2 прозрачны. Можно считать, что U4=U3 и U5=U3. Сигнал U5 усиливается УС, детектируется Д и преобразуется в сигнал постоянного тока UУПР. Этот сигнал подается на ключевой каскад (КК), выполняющий функцию управляемого сопротивления: RКК » ¥ при UУПР<<UВКЛ, RКК » 0 при UУПР>>UВКЛ, RКК » RРАБ при UУПР » UВКЛ.

Поскольку, как уже было сказано, величина U1®0, то UУПР<<UВКЛ. Соответственно RКК » ¥ и КК не оказывает влияние на сигнал U5 и, значит, на сигнал U3.

Связь между сигналами U3 и U5 осуществляется через ФВЧ1, который на ВЧ имеет коэффициент передачи 1, т. е. U3=U5.

Соответственно полученный из U3 сигнал U4, противофазный U2, поступает на S. Здесь U4 и U2 компенсируют друг друга.

ВЧ сигналы низкого уровня, которые с высокой степенью вероятности представляют собой шумы, на выход схемы не проходят. Происходит процесс шумоподавления.

При увеличении уровня входных ВЧ сигналов и достижении ими некоторого значения U1*, включается в действие канал регулирования. U1* проходит ФР, на выходе которого сигнал равен U3*. На выходе ФВЧ1 получается U5*.

Усиленное и продетектированное значение U5* формирует UУПР » UВКЛ. Соответственно КК выходит из разомкнутого состояния и его сопротивление становится равным RРАБ. Величина RРАБ ¹ const, при изменениях UУПР вблизи UВКЛ RРАБ=f(UУПР). Появляется делитель сигнала U3, образованный выходным сопротивлением ФР R и подключенным к нему через ФВЧ1 сопротивлением RКК = RРАБ. При дальнейшем увеличении U1, величина U3 практически перестает расти, т. к. попытка увеличения U3 приводит к росту U5, соответственно росту UУПР и уменьшению RКК.

Коэффициент передачи делителя RКК/(R+RКК) уменьшается и фактически значение U3 остается неизменным и равным U3*. В случае, если коэффициент передачи усилителя УС КУС® ¥, значение U3=U3*=const при U1>U1*. Реально, КУС ¹ ¥ и поэтому с ростом U1, U3 незначительно увеличивается.

На выходе ФВЧ2 U4=U3=U3*=const, соответственно UВЫХ=U2–U4= =U1–U3* = U1 – const. На выходе сумматора появляется сигнал, линейно связанный с входным. Шумоподавление для высокого уровня ВЧ сигналов UВХ не производится.

Принципиальная схема шумоподавителя DNL «Весна-205»

Принципиальная электрическая схема шумоподавителя «Весна-205» приведена на планшете. Входной сигнал UВХ=U1 подается на точку 1 (КТ3, С11). ФР реализован на транзисторе VT5. Сигнал U2 снимается с точки 2 (эмиттер VT5) и через R28 подается для суммирования с сигналом дополнительного канала в точку 4. Сигнал дополнительного канала U4 поступает на суммирование через ФВЧ2 (С14). ФВЧ1 образован емкостью С15. Усилитель УС построен на транзисторах VT7, VT8, VT10 с соответствующими резисторами смещения и нагрузки.

Емкости С20, С23, С25, С27, С29 формируют необходимую АЧХ УС. АЧХ УС служит для увеличения крутизны среза АЧХ ФВЧ1. Транзисторы VT15 и VT14 в диодном включении совместно с емкостью С38 образуют детектор Д, с помощью которого ведется управление КК на VT19.

При достижении ВЧ сигналом в точке 5 определенного уровня постоянное напряжение на выходе детектора Д (коллектор VT15) достигает порога отпирания КК VT19. Последний включен своим переходом коллектор-эмиттер между точкой 5 (5’) и корпусом. Поэтому отпирание этого транзистора прекращает дальнейший рост амплитуды ВЧ сигнала в точке 5, шунтируя его на корпус. Соответственно дальнейшее увеличение U1 не дает роста U3, зашунтированного через С15 и VT19. Сигнал выходной U4 начнет расти, т. к. взаимная компенсация равных по величине, но противофазных сигналов U3 и U2 прекращается. Амплитуда U2, пропорциональная U1, с ростом последнего растет, а амплитуда U3 стабилизируется. Шумоподавление пропадает на НЧ и СЧ (емкости С14 и С15 непрозрачны, поэтому УС и Д не работают). Тумблер «ШП» служит для включения и выключения режима шумоподавления.

Экспериментальная часть

1. Описание лабораторной установки

В лабораторной установке использована схема шумоподавителя, применяемого в магнитофоне “Весна-205”. Эта схема показана на планшете.

Схема шумоподавителя размещается в специальном корпусе. Входной сигнал подается на разъем «Вход» от генератора Г3-112. Питание схемы осуществляется от стабилизированного внешнего источника 12 В («+» – красный провод). Разъем «Выход» – универсальный и подключается ко входу осциллографа или милливольтметра переменного тока.

С помощью галетного переключателя на разъем «Выход» можно подавать усиленный в 10 раз специальным усилителем сигнал с контрольных точек схемы «1» – «5». Номера точек «1» - «6» соответствуют надписям на переключателе и обозначены на схеме (планшет). Сигналы в контрольных точках имеют следующее происхождение: «1» - входной сигнал схемы шумоподавления (´ 10); «2» - сигнал основного канала с расщеплением фазы U2; «3» - сигнал дополнительного канала U3 (U3 противофазно U2); «4» - выходной сигнал сумматора U4 (выход ШП); «5» - сигнал на входе схемы управления U5 (переменный ток); «6» - сигнал управления аттенюатором U6 (постоянный ток).

И с х о д н ы е у с т а н о в к и. Включить тумблеры «Сеть» на генераторе Г3-112 и осциллографе. Включить питание макета от источника стабилизированного напряжения (Eпит=12 В). Установить переключатель уровня выходного сигнала Г3-112 в положение «70 дБ», частота синусоидального сигнала – 10 кГц. Соединить выход Г3-112 с разъемом «Вход» макета. Соединить разъем «Выход» макета со входом «У» осциллографа (чувствительность 10 мВ/см, скорость развертки 50 мкс/см). Тумблер включения шумоподавителя в верхнем положении. Галетный переключатель в положении «1».

Вращением ручки плавной регулировки выходного сигнала Г3-112 установить размах синусоидального входного сигнала макета UВХ = U1 = 50 мВ

2. Порядок выполнения экспериментальной части работы

З а д а н и е 1. Переключая галетник, замерить истинный размах синусоидальных сигналов в точках «2» - «5», а также величину постоянного напряжения в точке «6» (постоянный сигнал точки «6» не увеличивается внутренним усилителем и поэтому для определения его истинного значения величину, замеренную по экрану осциллографа, не надо делить на 10, как для точек «1» – «5»).

Изменяя дискретно и плавно размах UВХ (напряжение сигнала в контрольной точке «1») и соответственно чувствительность осциллографа, заполнить табл. 1 в столбцах «2» - «6» для частоты сигнала 10 кГц (подстолбцы «10») истинными значениями напряжений в точках «2» - «6».

Таблица 1

UВХ, мВ (напряжение в контрольной точке «1»)	Напряжение в контрольных точках, мВ
«2»	«3»	«4»	«5»	«6»
Частота сигнала, кГц
10	1	10	1	10	1	10	1	10	1
50
60
70
80
90
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600

З а д а н и е 2. Вернуться к исходной установке приборов и сигналов. Установить значение частоты генератора Г3-112 1 кГц. Повторить операции задания 1 и заполнить табл. 1 для новых значений сигналов в столбцах «2» - «6» для частоты сигнала 1 кГц (подстолбцы «1»).