Что такое тонкомпенсированный регулятор громкости, примеры схем

Особенности нашего слуха таковы, что при снижении громкости мы все хуже и хуже начинаем слышать края звукового диапазона, т.е. высокие и низкие частоты. Если с высокими частотами все не так уж и плохо, то вот на низких частотах со снижением громкости требуется их довольно значительный подъем. Для решения данной проблемы применяется тонкомпенсированный регулятор громкости.

В доказательство сказанному на следующем рисунке представлены кривые равной громкости человеческого уха:

Упомянутый выше тонкомпенсированный регулятор громкости одновременно с изменением громкости изменяет и форму АЧХ так, чтобы тембр звука слабо зависел от уровня громкости. Для того, чтобы тонкомпенсация была верной, а изменение громкости равномерным, необходимо, чтобы определенное положение регулятора создавало в точке прослушивания соответствующий уровень громкости. Так, при установке регулятора громкости в положение максимальной громкости в точке прослушивания должен быть получен уровень громкости в 90 фон.

Простые тонкомпенсированные регуляторы громкости создают относительный подъем низших частот, который тем больше, чем меньше громкость. Существуют также и более сложные схемы, с и без использования активных элементов (транзисторы, ОУ), которые создают относительный подъем как низких, так и высоких звуковых частот.

Содержание статьи

Тонкомпесированный регулятор громкости на резисторе с дополнительными отводами

Простота этой схемы компенсируется проблемой поиска переменного резистора группы В с двумя отводами.

Если же вам удалось найти нужный резистор, то на основании величины сопротивления этого резистора можно рассчитать и остальные элементы:.

• R3 = R / 1.2
• R1 = R2 = 0.1 • R3
• R4 = 0.11 • R1
• R5 = 0.125 • R1
• C1 = 4 / R1
• C2 = 3.9 / R1
• Где R — сопротивление переменного резистора, кОм
• R1, R2, R3 — сопротивление секций переменного резистора, кОм
• R4, R5 — сопротивление резисторов корректирующих цепочек, кОм
• C1, C2 — емкости корректирующих цепей, мкФ

Вот так выглядит один из вариантов переменного резистора с отводами отечественного производства:

Тонкомпенсированный регулятор громкости на резисторе без дополнительных отводов

Такой регулятор  можно собрать и на доступном каждому переменном резисторе без дополнительных отводов. Схема такого регулятора приведена на следующем рисунке.

Использование резистора без отводов приводит к необходимости применения дополнительных деталей, однако это не сильно усложняет схему.

Обе приведенные схемы реализуют относительный подъем только в области низких звуковых частот. Относительный он потому, что отсутствие активных элементов не позволяет осуществить подъем, превышающий исходный сигнал, вместо этого осуществляется ослабление остальной части сигнала. Этот принцип заложен с основу любого пассивного фильтра звуковых частот.

Вторая схема была собранна и опробована. Элементы корректирующих цепей были напаяны непосредственно на выводы сдвоенного переменного резистора. Подобные пассивные регуляторы лучше устанавливать после предусилительного каскада и перед выходными каскадами.

Прослушивание в различных условиях продемонстрировали эффективность данной схемы, а ее применения оказалось достаточно для использования в домашних условиях на низких уровнях громкости. Тонкомпенсированный регулятор громкости позволяет сохранять тональный баланс записи без завала на низких частотах

Вместо заключения…

Хотелось бы добавить, что бесконечные споры, ведущиеся на аудиофильских форумах о правильности/неправильности применения тонкорректирующих цепей зачастую идут в разрез с общей идеологией Hi-End, сутью которого прежде всего является максимально приближенное к реальности музыкальное воспроизведение, при котором исчезают улавливаемые на слух отклонения от оригинала.

Для правильного восприятия музыкальной программы необходимо создавать необходимый уровень звукового давления при воспроизведении, которому ваши соседи явно не будут рады. Так что тонкомпенсированный регулятор громкости можно воспринимать как удачный компромисс сохранения правильного тембрального окраса музыки в домашних условиях.

В статье описан регулятор громкости с тонкомпенсацией и активной бас-коррекцией. Устройство позволяет подобрать требуемую глубину коррекции АЧХ в соответствии с акустическими условиями помещения и чувствительностью конкретной акустической системы.

Известно, что с понижением среднего уровня громкости чувствительность человеческого уха в наибольшей степени падает к самым низким частотам (НЧ) звукового спектра. Для компенсации этой физиологической особенности слуха от звуковоспроизводящей аппаратуры требуется корректирующий подъем НЧ: при минимальной громкости (в зависимости от уровня шума в помещении) он должен достигать 25…40 дБ на частоте 50 Гц по отношению к частоте 2 кГц. Более того, согласно кривым равной громкости, крутизна подъема должна увеличиваться по мере понижения частоты: 6 дБ на октаву, начиная с частоты 250 Гц, и 12 дБ на октаву ниже 100 Гц [1].

Большинство известных схем тонкомпенсированных регуляторов громкости (ТКРГ), за исключением, может быть, самых сложных, не нашедших широкого применения, не обеспечивает требуемого закона и глубины коррекции. В наиболее распространенных ТКРГ с имеющим отвод переменным резистором (или без отводов) [2] глубина коррекции НЧ не более 15 дБ, причем ее крутизна на частотах ниже 100 Гц уменьшается.

Для примера на рис. 1 показаны типичные АЧХ пассивного ТКРГ на переменном резисторе без отводов [2]. Видно, что корректирующий подъем на частоте 50 Гц при коэффициенте передачи регулятора -40 дБ равен 13дБ, крутизна ниже 100 Гц не превышает 3 дБ на октаву, что совершенно недостаточно. Близкие характеристики имеют и ТКРГ на резисторе с одним отводом.

При эксплуатации подобные регуляторы создают неприятный эффект: при снижении громкости теряется глубина звука и появляется склонность к «бубнению». Попытки увеличить степень коррекции на самых низких частотах добавлением RC-цепи в разрыв общего провода переменного резистора приводят к сужению диапазона регулирования громкости. Громкость в этом случае не уменьшается до нуля, что очень неудобно на практике.

Еще одним недостатком упомянутых устройств можно назвать неверное изменение коррекции по мере регулирования громкости. Заметная коррекция АЧХ нередко возникает при среднем положении регулятора, когда фактическая громкость (чувствительность) еще высока. В результате нарушается тональный баланс в наиболее часто используемой области средней громкости звучания.

К сожалению, все перечисленные недостатки свойственны и электронным ТКРГ, выполненным на специализированных микросхемах. На рис. 2 изображены АЧХ весьма сложного регулятора ТС9235 фирмы Toshiba, имеющего малый уровень шумов (менее 2 мкВ) и нелинейных искажений (менее 0,01 %), многоступенчатую цифровую регулировку громкости, удобное кнопочное управление и т. п. [3]. При всем этом регулятор обеспечивает тонкоррекцию ничуть не лучше рассмотренных уже ТКРГ.

В бытовых устройствах звуковоспроизведения область частот ниже 100 Гц считается «проблемной» и для оконечных звеньев тракта. Так, малогабаритная акустическая система редко имеет нижнюю граничную частоту менее 50…60 Гц по уровню -3 дБ. Обычно спад звукового давления начинается уже с частоты 100 Гц. Иногда для его компенсации применяют высокодобротные эквалайзеры или специальные бас-корректоры на основе фильтров высокого порядка. Но при этом приходится учитывать ограниченную перегрузочную способность УМЗЧ на низких частотах и уменьшать степень коррекции одновременно с увеличением громкости. Подача на динамические головки сигналов ниже резонансной частоты приводит только к росту искажений.

В настоящее время существуют специальные автокорректоры баса (X-Bass и др.), динамически формирующие АЧХ с учетом всех перечисленных факторов. Но они чаще всего представляют собой закрытые «фирменные» разработки, выполненные на специализированных микросхемах без маркировки [4].

Предлагаемое устройство решает указанные проблемы более простым способом. При его разработке использованы новые схемотехнические решения, полученные компьютерным моделированием в Micro-Cap 7.1.0 с последующей проверкой на макете. В результате удалось создать простое устройство, удачно сочетающее собственно ТКРГ с бас-корректором, который «достраивает» АЧХ в области частот менее 100 Гц и регулирует ее ход в зависимости от положения регулятора громкости.

Принципиальная схема устройства (один канал) представлена на рис. 3. Оно состоит из пассивного ТКРГ и активного бас-корректора, собранного на микросхеме DA1, Обе части объединены в единое целое так, что недостатки пассивного регулятора устраняются активной частью устройства.

Пассивный ТКРГ выполнен на элементах R1— R4, С1, С2 по известной схеме (см. рис. 1) в упрощенном варианте. Фильтр R3R4C1C2 понижает средние частоты в зависимости от положения движка регулятора R2. Параметры фильтра выбраны так, чтобы обеспечить максимально возможный подъем по НЧ. Коррекция по ВЧ никаких проблем не представляет и задается емкостью конденсатора С1.

С выхода пассивного ТКРГ через цепь C3R6 сигнал поступает на инвертирующий вход ОУ DA1.1, который усиливает сигнал (до 14 дБ) и формирует АЧХ двумя цепями ООС. Первая — через резистор R5, элементы ТКРГ, включая регулятор громкости R2, и входную цепочку C3.R6; вторая — через Т-образное звено R7 — R10 и микросхему DA1.2 с сопутствующими элементами.

На микросхеме DA1.2 собран гиратор, имитирующий катушку индуктивности. Совместно с конденсатором С5 он образует колебательный контур с частотой резонанса 45…50 Гц. На этой частоте сигнал ООС ослаблен в максимальной степени и формируется горб частотной характеристики ОУ DA1.1. При этом крутизна АЧХ ниже 100 Гц достигает 10 дБ на октаву, а общий подъем (регулируемый) на частоте 45 Гц равен +27 дБ относительно частоты 2 кГц при положении регулятора громкости — 41 дБ (рис. 4). Эти параметры близки к необходимым значениям характеристик равной громкости.

Ограничение амплитуды сигналов с частотами ниже резонансной АС образуется в устройстве за счет естественного ската резонансной кривой аналога LC-контура на DA1.2 и двух ФВЧ: C3R6 и C6Rвх, где Rbx — входное сопротивление последующего за регулятором каскада. Для этого регулятора эквивалентное сопротивление нагрузки принято равным 100 кОм, для другого входного сопротивления емкость С6 следует пересчитать так, чтобы постоянная времени C6Rbx не изменилась.

Вторая ООС — через резистор R5 — также частотно-зависимая, так как в нее входит фильтр, образованный резисторами R3, R5 и конденсатором С2. Такая компенсирующая ООС была предложена автором в статье [5], где подробно описан и принцип ее действия. Результат сводится к дополнительному спрямлению низкочастотной ветви АЧХ по мере увеличения громкости. Тем самым достигается требуемая коррекция при переходе от малой к средней громкости (рис. 4), а не от средней к большой (см. рис. 1,2). Более того, выбором соответствующей глубины ООС можно устранить перегрузку УМЗЧ при уровнях громкости, близких к максимальным, подобно динамическим бас-корректорам.

Эффективность ООС через резистор R5 проиллюстрирована смоделированными АЧХ (рис. 5). Кривые рассчитаны для варианта с ООС (R5 = 12 кОм) и без нее (R5 = 1 МОм). Как видно по графикам, ООС действует избирательно и ослаблены только НЧ. При положении регулятора громкости -20 дБ ослабление невелико — около 7 дБ, а при максимальном коэффициенте передачи оно доходит до 26 дБ. При этом ООС полностью сглаживает пик бас-коррекции, выравнивая АЧХ. Без этого УМЗЧ перегружался бы уже при среднем положении ТКРГ и пришлось бы выполнять ручные манипуляции регулятором тембра НЧ.

В правом по схеме положении движка резистора R9 и верхнем резистора R13 регулятор при указанных на схеме номиналах имеет характеристики, изображенные на рис. 4. Однако возможна широкая вариация вида АЧХ: подстроечным резистором R9 можно регулировать глубину бас-коррекции в интервале 0…+6 дБ (рис. 6). Диапазон указан при средней громкости звучания; при ве уменьшении он увеличивается, при увеличении — уменьшается, т.е. устройство адаптивно подстраивает глубину регулировки в соответствии с кривыми равной громкости и перегрузочными возможностями УМЗЧ.

При желании переменный резистор R9 можно вывести на лицевую панель и использовать как регулятор тембра НЧ. Его преимущество заключается в том, что, в отличие от мостовых и прочих RC-регуляторов, он регулирует именно бас, а не всю полосу частот до 1000 Гц. Для плавности изменения тембра нужен переменный резистор с кривой регулирования типа Б.

Высокое качество регулятора в целом обусловлено глубокой ООС, отсутствием оксидных конденсаторов и применением микросхемы TL074. Ее четыре ОУ характеризуются чрезвычайно низким коэффициентом гармоник (Kг ≈ 0,003 %) и хорошими шумовыми характеристиками (еш= 15 нВ/√Гц). Благодаря этому устройство может быть использовано как предусилитель с коэффициентом усиления до 14 дБ, достаточным, например, для компенсации потерь в пассивном регуляторе тембра. В противном случае коэффициент усиления можно уменьшить до единицы и менее подстроечным резистором R13, что пропорционально снизит и уровень шума.

Как и для всех ТКРГ, точность тонкомпенсации зависит от коэффициента передачи звукового тракта. Его можно регулировать упомянутым подстроечным резистором R13 или другим, имеющимся в тракте. Следует только учитывать распределение коэффициента усиления и шумовых свойств звеньев тракта. Изменяя уровень сигнала, подбором резистора R5 добиваются сохранения тонального баланса во всем диапазоне регулирования громкости. Если УМЗЧ перегружается при максимальной громкости, следует уменьшить номинал резистора R5 по субъективному ощущению содержания басов и их искажений. Другие возможности настройки заключаются в смещении резонансного пика бас-коррекции подбором резисторов R11, R12 под конкретную АС. Глубину басов регулируют резистором R9, как описано выше.

В самых высококачественных трактах замена ОУ TL074 возможна на NE5534A. Однако в более простых случаях вполне можно применить ОУ К157УД2А с соответствующими цепями коррекции. При этом коэффициент гармоник возрастает примерно на порядок, а уровень собственных шумов при единичном коэффициенте передачи будет не хуже -80 дБ.

В остальном регулятор собран на обычных деталях: резисторы МЛТ-0,125, малогабаритные конденсаторы КМ. В качестве регулятора R2 применен импортный малогабаритный сдвоенный переменный резистор номинала 50 кОм (характеристика регулирования типа В). Наличие в устройстве резисторов R3, R4, подключенных параллельно верхней по схеме секции R2, позволяет применить переменный резистор с линейной характеристикой регулирования (типа А), однако в этом случае неизбежен начальный скачок громкости при дальнейшем плавном регулировании.

Экспериментальная проверка и субъективное прослушивание подтвердили высокое качество регулятора. Отклонение реальных АЧХ от моделированных не превысило нескольких децибел. Уровень собственных шумов регулятора при единичном усилении оказался ниже границы слышимости. Работа регулятора характеризуется правильным тональным балансом при любой громкости, сохранением «глубокого» баса при минимальной громкости и отсутствием перегрузки УМЗЧ при уровнях громкости, близких к максимальным. Во многих случаях возможно вообще отказаться от использования обычного регулятора тембра и использовать только корректор баса.

Печатная плата

Автор:А. ПАХОМОВИсточник: Журнал Радио №6 2003 год.

«Радио» №8, 1986 г.Регулятор громкости с распределенной частотной коррекцией П.ЗуевОдно из основных требований, предъявляемых к тонкомпенсированным регуляторам громкости (ТКРГ) высококачественных стереофонических усилителей ЗЧ,- высокая точность тонкомпенсации в широком диапазоне регулирования уровня сигнала при малом рассогласовании амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и коэффициентов передачи.Наиболее часто применяемые ТКРГ на базе сдвоенных переменных резисторов с отводами для цепей тонкомпенсации не обеспечивают идентичности коэффициентов передачи стереофонических каналов [1]. Недостаточна и точность их тонкомпенсации, вследствие чего ослабляются слышимые низкочастотные составляющие музыкальных программ при малых уровнях громкости. Описанный в [1] сдвоенный ступенчатый ТКРГ имеет практически идентичные АЧХ и малое рассогласование коэффициентов передачи каналов, однако диапазон его регулирования (40 дБ) мал для высококачественной аппаратуры, а АЧХ в области низших звуковых частот довольно сильно отличаются от рекомендованных в [2].Анализ последних позволил установить, что требуемый подъем АЧХ в области низших звуковых частот (20…1000 Гц) прямо пропорционален ослаблению сигнала, вносимому ТКРГ на средних частотах. Иначе говоря, при уменьшении коэффициента передачи ТКРГ на средних частотах необходимый подъем АЧХ на каждой из низших частот зависит практически не от исходного значения коэффициента передачи регулятора, а от самой частоты и от изменения уровня громкости относительно исходного значения. Так, при изменении коэффициента передачи ТКРГ на частоте 1 кГц на 10 дБ требуемое изменение коэффициента передачи на частотах 31,5; 63, 125 и 250 Гц составило соответственно 3, 4,5, 6 и 7,5 дБ. Причем указанные соотношения практически не зависели от исходного значения коэффициента передачи.Из сказанного следуют два весьма важных вывода. Во-первых, если АЧХ ТКРГ соответствуют рекомендованным в [2], то он будет одинаково хорошо осуществлять частотную компенсацию низкочастотных составляющих музыкальной программы независимо от уровня ее музыкальной балансировки (обычно 70…90 дБ). Достаточно лишь, чтобы начальный уровень громкости (соответствующий максимальному коэффициенту передачи ТКРГ) был близок к уровню музыкальной балансировки воспроизводимой программы. Этот уровень должен устанавливаться другим, частотно независимым регулятором громкости (так называемым регулятором максимальной громкости — РМГ), АЧХ которого горизонтальна и не зависит от его коэффициента передачи [3].Во-вторых, для реализации требуемого закона изменения АЧХ в зависимости от коэффициента передачи ТКРГ недостаточно ввести одно — или двухзвенную корректирующую цепь, как это делается в большинстве случаев, а необходима распределенная частотная коррекция с помощью многозвенных корректирующих цепей, число которых должно быть тем больше, чем больше ослабление сигнала, вносимое регулятором.Два варианта таких ТКРГ и предлагаются вниманию читателей.Основные технические характеристикиДиапазон регулирования громкости, дБ………………………..70Шаг регулирования, дБ…………………………………………………3   1/3Модуль полного входного сопротивления в полосечастот 20…20 000 Гц, кОм, не менее……………………………20Допустимое сопротивление нагрузки кОм, не менее…….330Рассогласование АЧХ стереофонического ТКРГв рабочем диапазоне регулирования, дБ, не более………1Уровень собственных шумов на выходе ТКРГв полосе частот 20…20 000 Гц, мкВ, не более………………3 Первый регулятор (рис. 1) выполнен на базе галетного переключателя на 23 положения и состоит из семи одинаковых корректирующих цепей A1 —  А7, каждая из которых представляет собой комбинацию фильтров нижних (R1- R4C1) и верхних (R1 — R4C2) частот. Номиналы резисторов и конденсаторов выбраны таким образом, что ослабление сигнала, создаваемое каждой из цепей на средних частотах, равно 10 дБ, шаг регулирования — 3 1/3 дБ, а АЧХ ТКРГ в целом максимально приближается к требуемым во всем рабочем диапазоне регулирования. Подключенные к выходу последней корректирующей цепи А7 элементы R5, R6, СЗ выполняют функций ее нагрузки, обеспечивая идентичность АЧХ всех корректирующих цепей.Работает ТКРГ так: по мере ослабления входного сигнала (рис. 2) включается все большее число корректирующих цепей, что приводит к увеличению подъема АЧХ на низших и высших звуковых частотах относительно средних (поскольку коэффициенты передачи всех предшествующих корректирующих цепей перемножаются). В последнем, 23-м положении переключателя сигнал на выходе ТКРГ отсутствует (бесконечное ослабление). Максимальное отклонение фактических АЧХ регулятора в области низших частот от АЧХ, рекомендованных в [2] наблюдается на частоте 250 Гц и по мере ослабления сигнала от 0 до -70 дБ увеличивается от 0 до 5 дБ.Второй ТКРГ (рис. 3) реализован на базе более доступного радиолюбителям галетного переключателя на 11 положений. В отличие от первого, число корректирующих цепей уменьшено в нем до трех, что сузило диапазон регулирования этого регулятора до 33 1/3 дБ. Расширение диапазона регулирования до 70 дБ достигнуто включением еще одной корректирующей цепи R5 — R7C3C4, ослабляющей сигнал на 37 дБ (включается нажатием кнопки SB1 «Тихо»). АЧХ этого ТКРГ (рис 4) более близки к требуемым (отклонение на низших частотах не превышает 2 дБ во всем диапазоне регулирования).Необходимо отметить, что подъем АЧХ в области высших звуковых частот у предложенных ТКРГ больше, чем рекомендовано в [2]. На это пришлось пойти, потому что прослушивание музыкальных программ на малой громкости в условиях жилых помещений показало субъективно ощущаемый недостаток высших частот в том случае, если АЧХ и этой области соответствовали рекомендациям.Предложенные ТКРГ следует использовать совместно с РМГ и индикатором уровня выходного сигнала.В ТКРГ по схеме на рис. 1 можно применить галетный переключатель МП1-2 на два направления и 24 положения с безобрывным переключением контактов, в ТКРГ по схеме на рис. 3 переключатель ПГК или ПГГ на два направления и 11 положений. Элементы фиксатора положений переключателя рекомендуется отрегулировать на меньший, но достаточный для четкой работы момент фиксации. Чтобы рассогласование АЧХ каналов стереофонических усилителей не превышало 1 дБ, сопротивления соответствующих резисторов и емкости конденсаторов, используемых в разных каналах ТКРГ, не должны отличаться более чем на 2 %.Элементы корректирующих цепей R2, R3, R4, С2 рекомендуется припаять непосредственно к выводам переключателя, a R1, С1 разместить на двух печатных платах, установленных между галетами на его стяжных шпильках. Элементы дополнительной корректирующей цепи (см. рис. 3) рекомендуется смонтировать на выводах кнопочного переключателя SB1 (П2K), разместив его в непосредственной близости от галетного.В отличие от известных, рассмотренные ТКРГ имеют значительно более высокое выходное сопротивление, которое мало зависит от выходного сигнала, поэтому для уменьшения внешних наводок все их элементы следует поместить в металлический экран, а входную и выходную цепи выполнить экранированными проводами.Субъективные испытания ТКРГ показали высокую точность тонкомпенсации: до самых малых уровней громкости сохранялся сбалансированный по высшим и низшим частотам тембр звучания, что практически исключало необходимость пользования регуляторами тембра при регулировании громкости.ЛИТЕРАТУРА1. Орлов П., Приходько А. О регулировании громкости в стереофонических усилителях. — Радио. 1980, № 6. с. 44-452. Терехов А. О регулировании громкости. — Радио 1982 № 9. с. 42-43.3. Зубченко Н. О регулировании громкости в высококачественной радиоаппаратуре. — Радио, 1981, № 9, с 44г. Челябинск***Используемые источники:

• https://audiogeek.ru/tonkompens-regulyator-gromkosti/
• http://soundbass.org.ua/primochki/tonkompensirovannyj-regulyator-gromkosti-s-aktivnoj-bas-korrekciej.html
• https://kot-ivan76.livejournal.com/339361.html