Фазовращатель схема на логике

Фазовращатель схема на логике

Изначально у меня возникла затея включить расчёты элементов фазосдвигающих цепей в состав описания низкочастотных генераторов гармонических колебаний.
Однако, шевельнув мозгами и вспомнив дела молодые (всякие там лесли, флэнжеры, фэйзеры, фазовые формирователи SSB), решил не жмотиться, а разродиться отдельной передовицей, посвящённой непосредственно фазовращателю, как самостоятельной единице.

Итак.
Фазовращающими цепями (или фазовращателями) называются четырёхполюсники, обеспечивающие постоянный или регулируемый сдвиг по фазе между входным и выходным переменными напряжениями.
Простейшие схемы фазовращателей представляют собой пассивные дифференцирующие или интегрирующие звенья, построенные на RC, или RL — цепях.

Рис.1. Простейшие Г-образные фазосдвигающие цепи: D j — сдвиг фаз; w =2πF — угловая частота.

Амплитудные и фазочастотные зависимости представленных схем приведены на Рис.2

Рис.2. Левые диаграммы соответствуют схемам б) и в) (Рис.1), правые, соответственно — а) и г) ;
τ = RC, либо τ = L/R.

Как видно из диаграмм, представленным простейшим фазосдвигающим цепочкам присущ существенный недостаток — изменение коэффициента передачи К при изменении частоты входного сигнала. Зависимости этого коэффициента от частоты описывается следующей функцией:
K=1/√ 1+ w 2 τ 2 для схем Рис.1 а) и г) ,
K=1/√ 1+1/( w 2 τ 2 ) для схем Рис.1 б) и в) , где
w =2πF, τ = L/R, либо τ = RC.

Приведём таблицу для расчёта значений фазового сдвига и коэффициента передачи простейших RC и LC цепей.

Подобные Г-образные цепи, соединённые последовательно (обычно в количестве трёх штук), как правило, и являются основой RС-автогенераторов с фазосдвигающей цепочкой в цепи положительной обратной связи.

Поскольку описанные выше фазовращатели по совместительству являются и простейшими фильтрами первого порядка с соответствующими АЧХ, то работа подобных схем предполагается в узких диапазонах частот, внутри которых не происходит существенных изменений уровня выходного сигнала.

Фазовращатели с амплитудной характеристикой, не зависящей от частоты, можно построить на транзисторах и ОУ.

Рис.3

Коэффициент передачи приведённых активных фазовращающих цепей близок к единице. Диапазон изменения фазы: от -π до 0. Далее:
При 0 D j D j = π — 2arctg(F/f)
f = 1/(2πrC)
.

Дело осталось за таблицей расчёта значений фазового сдвига активных фазовращателей.

Установив вместо сопротивления r (Рис.3) переменный резистор, можно получить устройство с регулируемым сдвигом по фазе между входным и выходным сигналами. С примером такого решения для сабвуфера можно ознакомиться, взлянув на Рис.4, приведённый ниже.

Читайте также:  Как сделать накидку на кресло


Рис.4

Основное.

Общий сдвиг фазы сигналов в одном из каналов звукозаписи позволяет получить эффект «объёмного звука», но при этом нарушает расположение кажущихся источников звука в панораме. Чтобы этого не происходило, можно попробовать сдвигать фазу только на тех частотах, на которых локализация на источники звука затруднена, т.е. ниже 200-300 Гц.

За основу берём схему фазового фильтра из справочника У. Титце и К. Шенк «Полупроводниковая схемотехника» (рис.1), где в зависимости от значений сопротивления R и конденсатора C фазы сигналов на ВЧ сдвигаются от 0 до -180 градусов.

Для того, чтобы сдвигать фазу НЧ сигналов и не менять её на СЧ и ВЧ, поменяем местами элементы R и C (рис.2). Также, для того, чтобы можно было регулировать величину фазового сдвига, резистор R берём переменным.

В программе RFSim99 была смоделирована схема, показанная на рисунке 3 (файл симуляции есть в приложении). В ней сигнал одного канала проходит со входа на выход «напрямую», а в другом канале есть возможность коммутации «напрямую/со сдвигом фазы».

Питание сделано от двух 9-ти вольтовых аккумуляторных батарей 7Д-0.125, печатная плата получилась размерами 40 мм х 35 мм (файл разводки в формате программы Sprint-Layout в приложении к тексту, вид со стороны печати, при изготовлении по лазерно-утюжной технологии нужно включить режим «зеркально», детали применены как smd-исполнения, так и «выводные»). Всё помещается в пластиковый корпус подходящих размеров (рис.4). Для возможности подзарядки аккумуляторов на задней стенке установлены разъёмы, отсутствующие на схеме выше.

Тонкости схемотехники.

На рисунке 5 показаны рассчитанные программой RFSim99 графики фазовых характеристик при двух крайних положениях движка резистора R2. При максимальном суммарном сопротивлении R2 и R3 равном 110 кОм сдвиг фазы на частоте 50 Гц близок к +15 градусам (на 400 Гц менее +2 градусов и на 1 кГц менее +1 градуса). При уменьшении суммарного сопротивления до 10 кОм сдвиг на 50 Гц достигает значения +110 градусов (на 400 Гц чуть более +20 градусов, а на 1 кГц +8 градусов).

Схема фазовращателя имеет входное сопротивление, зависящее от частоты и положения движка резистора R2 (рис.6). При минимальном значении R2 сопротивление близко к 10 кОм во всей полосе частот, а при максимальном – около 37 кОм для частоты 40 Гц и более 80 кОм для частот выше 200…300 Гц. Т.е. входное сопротивление для НЧ будет ниже, чем для СЧ и ВЧ, но обычно источники сигнала имеют относительно низкое выходное сопротивление и им такой перекос не страшен. Максимальное значение входного сопротивления теоретически должно быть близко к 110 кОм, но, скорее всего, происходит его шунтирование входным сопротивлением ОР1.1.

Читайте также:  Розетка с регулировкой мощности

Может получиться такой вариант соединений, когда у приёмника сигнала (усилителя) достаточно низкое входное сопротивление (допустим, 2…5 кОм), а источник сигнал относительно высокое и тогда велика вероятность получить на выходе приставки неодинаковые уровни сигналов, так как один канал источника будет нагружен на фазовращатель с его входным сопротивлением более 10 кОм. Чтобы выровнять этот «разбаланс», можно использовать вторую половину микросхемы OP1 и поставить перед ним подстроечный резистор сопротивлением 10…100 кОм (рис.7). Сопротивление подбирается на этапе настройки и, в принципе, может оказаться, что будет достаточно постоянного резистора на 47 кОм.

А теперь – для чего всё это нужно?

Ну, вот, например, я достаточно часто слушаю музыку через акустику, сидя сбоку от неё и тогда звук становится «бедным на НЧ» и связанно это, скорее всего, с комнатными отражениями и сдвигом фаз звука из-за разницы в расстояниях до акустических колонок. Если же пропустить сигнал одного из каналов через этот фазовращатель, то на слух кажется, будто тембровый баланс восстанавливается.

Также попробовали со знакомым пропускать через приставку звук с синтезатора и разные мидишные записи – эффект расширения панорамы также заметен.

Для оценки звучания в приложении к тексту есть пример изменения звучания «розового» шума при переключениях «напрямую» и с максимальным сдвигом фазы.

Примечания.

При первом прослушивании фазовращателя создавалось впечатление, что в записях происходит изменение уровня НЧ и тогда для проверки была запущена программа SpectraPLUS и в ней были сравнены уровни сигналов «напрямую» и со сдвигом фазы (рис.8). На графиках видно, что происходит небольшое смещение уровней, связанное с низким входным сопротивление усилителя, но кроме этого ничего не меняется.

Читайте также:  Устройство межэтажного перекрытия по деревянным балкам схема

Если фазовращатель будет активно использоваться с частыми изменениями сдвига фаз или планируется его подключение к разным источникам и «разбаланс» начнёт проявляться (приборно, а не на слух), то для ещё большего его выравнивания следует со входов обоих каналов поставить «на землю» постоянные резисторы сопротивлением 10…15 кОм – это уменьшит границы изменения входного сопротивления в канале с фазовращателем.

Литература:
1. Й. Блауэрт «Пространственный слух», Москва, «Энергия», 1979 г.
2. У. Титце, К. Шенк «Полупроводниковая схемотехника», Москва, «Мир», 1982 г.

Схема простого фазовращателя представлена на рис. 6.11. Его работа основана на важнейшем эффекте, который имеет место в усилителе с ОЭ, — инверсии сигнала, проходящего через усилитель. Имея в своем распоряжении два противоположных по фазе сигнала, один из которых снимается с коллектора, а другой — с эмиттера транзистора (как в усилителе с ОК), мы можем комбинировать их в различных пропорциях. Именно это и происходит в представленной схеме.

Рис. 6.11. Фазовращатель на базе простейшего усилительного каскада

При заданных на рис. 6.11 номиналах резисторов коэффициент усиления каскада по напряжению равен единице, т.е. усиления не происходит. Поступающий на вход сигнал расщепляется на два идентичных и инверсных друг относительно друга сигнала, причем сигнал на эмиттере транзистора в точности повторяет входной сигнал. Обращаем внимание на то, что для обеспечения симметрии оба выхода усилительного звена должны нагружаться на одинаковые или очень большие импедансы.

Изображенная на рис. 6.11 (RC)-цепочка является простейшим схемотехническим решением, обеспечивающим получение сигнала, сдвинутого по фазе относительно входного. В общем случае выходной сигнал этой схемы не повторяет в точности входной сигнал. Основным условием здесь является синусоидальная форма сигнала. Т.е., если входной сигнал имеет форму синусоиды, то и сигнал на выходе будет синусоидальным. Фазовый сдвиг при этом будет определяться положением движка потенциометра (R5). Точные номиналы конденсатора (C2) и резистора (R5) зависят как от амплитуды входного сигнала, так и от его частоты. Причем и получаемый в схеме сдвиг фазы также будет колебаться при различных частотах входного сигнала.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector