Гари Дэвис, Ральф Джонс

Звук: теория, устройства, практические рекомендации

Мы продолжаем публикацию большого курса, в котором последовательно будут рассмотрены наиболее важные теоретические вопросы, возможности и особенности различной аудиотехники, а также современные устройства для работы со звуком. Чтобы максимально использовать возможности любой аппаратуры, нужно понимать, как она работает в виде отдельного блока и в сочетании с другими компонентами, к которым она подключена. Разобраться в этом помогают принципиальные блок-схемы.

Глава 7
Принципиальные блок-схемы

В этой главе мы рассмотрим стандартные условные символы, используемые в принципиальных блок-схемах для обозначения различных элементов. Значение этих символов поможет научиться правильно читать те схемы, которые даются в описании устройств.

7.1. Общие представления

На принципиальной схеме устройство изображается в виде системы, составленной из отдельных функциональных элементов, которые соединены между собой особым образом. Различные функции устройства на схемах рисуют в виде отдельных блоков с помощью упрощенных обозначений, поэтому на них наглядно показан путь прохождения сигнала.

Принципиальные блок-схемы в простой и понятной форме отображают внутреннее устройство аппаратуры.

Принципиальные блок-схемы обычно даются в инструкции, прилагаемой к устройству, они отличаются от схем другого типа, которые называются "схемами электрических соединений". На такой схеме показаны все радиотехнические элементы устройства. Схемы электрических соединений не обязательно присутствуют в руководствах пользователя, но в руководствах по техническому обслуживанию они приводятся всегда. Дело в том, что информация, которую содержит схема электрических соединений, необходима для технического обслуживания устройства, а для работы с ним, как правило, не нужна.

Иногда схемы электрических соединений составляют не для всего устройства, а для каждой монтажной платы отдельно, что облегчает поиск электрических компонентов при выполнении текущего ремонта. Путь прохождения сигнала на таких схемах проследить довольно трудно. А вот основное назначение принципиальных блок-схем - наглядно показать путь прохождения сигнала. На схемах электрических соединений обязательно изображаются все соединения, включая силовой разъем и заземление, а на принципиальных схемах эти разъемы часто опускают. Схема электрических соединений должна содержать все элементы цепи, а на принципиальной схеме обычно показывают лишь самые важные функциональные элементы, например, усилитель мощности, вместо транзисторов, диодов, емкостей и резисторов, из которых он состоит.

Пользователи, имеющие определенную техническую квалификацию, могут использовать принципиальные схемы и схемы электрических соединений в качестве дополнительных инструментов. Принципиальная схема имеет очень большое значение и дополняет схему электрических соединений, если нужно определить, какие функции выполняют различные участки схемы. В то же время, информация, которую дает схема электрических соединений, может оказаться полезной при согласовании нестандартных устройств. На рис. 7.1 приведены символы, которые используются на принципиальных блок-схемах для обозначения усилителей.

Примечание 1. На принципиальных схемах, выполненных с соблюдением всех правил, символ треугольник используют только для простых (пассивных) функций. Для активных функций на схеме рисуют четырехугольники с соответствующей надписью. Но часто символ треугольника используют для обозначения и активных функций (например, каскадов эквализации), сопровождая его надписью, определяющей функцию.

Рис. 7.1. Обозначение усилителей

7.2. Обозначение различных элементов

Рис. 7.2. Обозначения различных элементов

a Однополюсный на одно направление (нормально разомкнут)
б Однополюсный на одно направление (нормально замкнут)
в Шина (точка пересечения сигналов), элемент коммутации с переменным количеством полюсов
г Двухполюсный с изменением направления
д Двухполюсный на одно направление
е Однополюсный на два направления
ж Однополюсный на одно направление
з Однополюсный на три направления
и Однополюсный на два направления
к Двухполюсный на одно направление

Примечание 2. Иногда обозначения 2 и 3 резервируются для внутренних регулировочных сопротивлений, которые обычно недоступны для пользователя. В этом случае для регулировочных сопротивлений под шлиц, доступных для пользователя, может использоваться обозначение 4. Обозначения 2 и 3 могут применяться и для обозначения линейного микшера.

Рис. 7.3. Обозначения трансформаторов

Примечание 3. Обозначение (1) используется для трансформатора без указания полярности подключения (предполагается, что он подключен синфазно). Противофазное подключение указывается обязательно. Обозначение (2) обычно применяется, чтобы показать полярность подключения трансформатора. Точка соответствует "плюсовому" или синфазному подключению обмоток. Если одна точка расположена над символом трансформатора, а другая под ним, то трансформатор изменяет полярность сигнала на выходе.

Рис. 7.4. Заземление

Примечание 4. Некоторые производители не делают различия между обозначениями заземления контура и заземлением корпуса, используя для них одинаковые символы. Но это вносит определенную путаницу в схемы.

Рис. 7.5. Индикаторы

Рис. 7.6. Разъемы

Рис. 7.7. Фильтры и эквалайзеры

Рис. 7.8. Обозначение других функций

Примечание 5. Существует одно простое правило, которое применяется при выборе обозначения на принципиальной схеме: "не знаешь, что рисовать, нарисуй четырехугольник и подпиши его". Оно приобретает все большую популярность, особенно часто им пользуются при составлении схем для цифровых процессоров сигнала. На многих таких схемах нет ничего, кроме подписанных четырехугольников, соединенных между собой линиями. Этот упрощенный подход, позволяет избежать разночтений, возникающих из-за существования разных стандартов на используемые обозначения.

Иногда на схемах можно встретить символы, отличающиеся от тех, что были приведены выше. Это объясняется отсутствием единых стандартов, которые бы определяли обозначения элементов. Но, как правило, ответственный чертежник, занимающийся подготовкой технической документации, использует только принятые обозначения и поясняет все нестандартные.

7.3. Обозначения пути прохождения сигнала и разъемов

Принципиальные блок-схемы составляют так, чтобы сигнал шел слева направо или сверху вниз, если схема не умещается в одну линию. Правда, иногда это правило иногда, чтобы сэкономить место или изобразить более простую схему.

Функциональные блоки, как бы они ни были нарисованы, соединяются линиями, которые показывают путь прохождения сигнала. Чтобы показать направление сигнала, на принципиальных схемах могут быть нарисованы стрелки. Но, если схема нарисована в соответствии с правилом "слева - направо", они не нужны.

Некоторые стандартные обозначения, принятые на принципиальных схемах, показаны на рисунке 7.9.

Рис. 7.9. Разъемы и путь прохождения сигнала

7.4. Анализ простых принципиальных схем

Рис. 7.10. Принципиальная схема микрофонного предусилителя

Пример 1. На основе принципиальной схемы микрофонного предусилителя, представленной на рис. 7.10, можно сделать определенные выводы относительно этого устройства.

Рассматривая схему в соответствии с принятым правилом для пути прохождения сигнала (слева направо), мы видим, что этот блок оснащен входным XLR-разъемом, причем, хотя на схеме это не указано, можно предположить, что 1-й контакт разъема - это заземление по постоянному току.

Исходя из того, что 2-й и 3-й контакты входного разъема подключены к первичной обмотке трансформатора, можно предположить, что они сигнальные. На схеме показано, что вход развязан с помощью трансформатора. С вторичной обмотки трансформатора сигнал подается на входной дифференциальный усилитель, на это указывают знаки "плюс" и "минус" на его разъемах (для усилителей с несимметричным выходом на принципиальных схемах обычно рисуется одна линия на входе и одна на выходе). Исходя из того, как на схеме нарисован вращающийся регулятор, можно предположить, что он регулирует коэффициент усиления усилителя мощности и не является линейным регулятором уровня с фиксированным коэффициентом усиления, который устанавливается до или после усилителя мощности. Надписи рядом с регулятором указывают на то, что коэффициент усиления изменяется в диапазоне от 6 дБ до 40 дБ.

Каскад усиления имеет симметричный выход, он не развязан трансформатором, и сигнал подается на выходной разъем напрямую.

Cхема 7.10 содержит достаточно информации для определения полярности на входе и выходе предусилителя. Учитывая то, что 2-й контакт входа соединен с "+" первичной обмотки трансформатора, а "плюс" вторичной обмотки идет на "плюс" усилителя, можно предположить, что "плюсовой" выход усилителя подключен ко 2-му контакту выходного разъема (что соответствует принятому стандарту). Поэтому контакт 3 имеет отрицательную полярность от входа до выхода. Таким образом, второй контакт XLR-разъема в этом предварительном усилителе является "плюсом" или контактом, не изменяющим полярность.

Примечание. В межблочных усилителях мощности с несимметричным выходом источник сигнала на самом деле чаще всего подключен к "отрицательному" (инвертирующему) входу усилителя. В этом случае полярность сигнала изменяется, зато цепь обратной связи для управления усилением и коэффициентом нелинейных искажений получается более простой. Выход не инвертируется в двух случаях: А - когда в системе четное число каскадов усиления, и изменения полярности все равно нивелируются; Б - когда полярность входных или выходных разъемом в схеме изменяется.

Пример 2. Рассмотрим принципиальную схему графического эквалайзера, показанную на рис. 7.11. Он оснащен разъемами XLR, контакты которых на схеме не подписаны. Однако, зная распайку таких разъемов, а также то, что контакт 1 всегда является заземлением по постоянному току, можно сделать выводы относительно других контактов.

Из того, что сигнал с контактов 2 и 3 подается на входы дифференциального усилителя напрямую без трансформатора, следует, что эквалайзер имеет электронно-согласованный вход. Определить, что контакт 2 является положительным, а контакт 3 - отрицательным, по схеме нельзя, но исходя из стандартной распайки разъемов XLR, скорее всего, так оно и есть. Входной усилитель, за которым установлен регулятор уровня, по-видимому, имеет фиксированный коэффициент усиления (правда, на схеме не показано, какой).

Рис. 7.11. Принципиальная блок-схема графического эквалайзера

В этой точке сигнал разветвляется, и он может либо идти на выход усилителя, либо в боковую цепь фильтрации. Понятно, что боковая цепь - это фильтры эквалайзера, причем, судя по схеме, они подключены последовательно.

Первым стоит ФВЧ с переменной частотой отсечки. Хотя рабочий диапазон частот фильтра не показан, можно предположить, что это фильтр с переменной частотой отсечки, который используется для вырезания нижних частот. (Эту информацию можно найти в технических данных устройства). За ФВЧ следует ФНЧ с переменной частотой отсечки, он предназначен для вырезания самых верхних частот. (Его характеристики также должны быть приведены в технических данных устройства).

Каскады, расположенные далее по цепи, - обычные полосовые фильтры графического эквалайзера. На схеме нарисованы два фильтра, соединенные пунктирной линией, из чего следует, что всего таких фильтров девять, причем, скорее всего, все характеристики, кроме рабочего диапазона частот, у них одинаковые. На схеме показано, что каждый фильтр имеет по одному регулятору воздействия. Тип регуляторов на схеме не определен, но можно предположить, что управление фильтрами осуществляется с помощью ползунковых переключателей. (Эта информация также должна быть приведена в технических данных устройства).

Выход последнего фильтра соединен со вторым контактом переключателя, подающим сигнал на выходной усилитель мощности. На схеме он обозначен надписью "Обход/Эквалайзер". Принцип работы этого переключателя понятен: стрелка замкнута в положении "проходит на выходной усилитель". В положении "Обход" (контакт в верхнем положении) на выходной усилитель мощности поступает только сигнал с входа. Предполагается, что сигналы проходят только в прямом направлении, и в точку, расположенную сразу за регулятором уровня, никаких сигналов с фильтров не поступает. В положении "Эквалайзер" (контакт замкнут в нижнем положении), на выходной усилитель поступает входной сигнал, прошедший через фильтр и каскады эквалайзера.

Выходной усилитель мощности показан с помощью простого и распространенного обозначения, применяемого для каскадов усиления мощности, поэтому можно предположить, что он не изменяет полярность. (Уточнить это, а также посмотреть, какую полярность имеет сигнал, можно в технических данных устройства).

Выходной сигнал с выходного усилителя мощности идет на трансформатор и далее на контакты 2 и 3 выходного разъема (здесь опять используется разъем XLR). Следовательно, выход графического эквалайзера симметричный и развязан с помощью трансформатора.

Чтобы проследить полярность сигнала, придется сделать несколько допущений:
1) выходной усилитель не является инверсным;
2) обмотки трансформатора подключены синфазно (полярность на схеме не показана);
3) цепь эквалайзера неинвертирующая.

Приняв эти допущения, можно сказать, что это эквалайзер не изменяет полярность сигнала на выходе, и 2-й контакт XLR-разъема является положительным.

слишком мало информации для определения полярности. Например, многие усилители мощности являются инверсными (при прохождении сигнала через такие усилители полярность изменяется), а "плюс" в разъеме XLR иногда может соответствовать 3-му контакту. Поэтому допущения, которые мы сделали, могут оказаться ошибочными, а для определения реальной полярности на входе и выходе этого эквалайзера следует обратиться к техническим данным устройства.

Пример 3. Рассмотрим принципиальную схему цифровой задержки, приведенную на рис. 7.12. На нем изображена упрощенная схема, на которой не изображены ни входной, ни выходной разъемы, а вместо некоторых сложных функциональных блоков нарисованы прямоугольники. Эта схема показывает только то, как устроена цифровая задержка, а подробные сведения о разъемах, полярности входа/выхода и коэффициенте усиления можно найти в технических характеристиках устройства. И все же она достаточно информативна.

Вход буферизируется усилителем мощности, коэффициент усиления которого задается с помощью регулятора входного уровня. За усилителем расположен фильтр нижних частот, функции которого заключаются в том, чтобы вырезать ультразвуковые частоты.

За фильтром нижних частот путь сигнала разветвляется. Одна ветвь идет в обход основной цепи на регулятор выходного уровня. Другой контакт этого регулятора подключен к выходу основной цепи процессора сигналов и замыкается на выходной блок. Поэтому регулятор выходного уровня используется для изменения соотношения между сигналом без задержки, напрямую проходящим на выход цифровой задержки с ФНЧ на входе устройства, и сигналом с задержкой. Другая ветвь с выхода ФНЧ идет на обратную связь (выход/вход), а регулятор обратной связи позволяет регулировать ее уровень. Выход аналого-цифрового преобразователя подается на блок линии задержки, в котором происходит задержка данных. (Подробное описание цифровых задержек приведено в гл. 14).

Рисунок 7.12. Принципиальная схема цифровой задержки

АЦП - Аналого-цифровой преобразователь
ЦАП - Цифро-аналоговый преобразователь

Сверху к блоку подключено два регулятора для выбора времени задержки. Поэтому можно сделать вывод, что диапазон времени задержки задается с помощью двух переключателей, расположенных на передней панели устройства. С выхода блока задержки сигнал подается на блок цифро-аналогового преобразователя. Далее сигнал опять возвращается в аналоговую область.

На выходе цифро-аналогового преобразователя путь сигнала опять разветвляется. Одна ветвь подключена к регулятору выходного уровня, роль которого мы уже обсудили. Этот регулятор подключен к другому фильтру нижних частот, функция которого, очевидно, заключается в удалении из выходного сигнала частоты тактового генератора, внесенной в процессе работы блока задержки. Путь сигнала после цифро-аналогового преобразователя снова разветвляется, причем одна ветвь идет на инвертирующий усилитель мощности, подключенный к переключателю полярности обратной связи, а вторая - в обход усилителя на другой контакт этого переключателя. Переключатель полярности обратной связи имеет два положения, обозначенные на схеме "плюс" и "минус". Этот переключатель позволяет выбрать синфазную или противофазную обратную связь. Варьируя время задержки, с помощью обратной связи можно генерировать многократное эхо, эффекты реверберации или эффекты типа фленжер.

Переключатель полярности обратной связи через регулятор уровня обратной связи соединен с переключателем обратной связи (выход/вход). Следовательно, мы можем регулировать уровень сигнала в обратной связи и при необходимости выключать ее. Обратите внимание, что здесь сигнал идет справа налево.

Нам осталось только проанализировать боковую цепь в нижней части принципиальной схемы. Она генерирует тактовый сигнал для блока цифровой обработки. Линии между блоками этой схемы показывают путь сигнала управления (не аудиосигнала).

На все три цифровых блока тактовый сигнал подается с тактового генератора, следовательно, тактовая частота блока, контролирующего время задержки, регулируется напряжением.

С тактовым генератором колебаний связана панель управления линии задержки, мы можем плавно изменять время задержки в диапазоне, который выбирается с помощью переключателя диапазона. На тактовый генератор колебаний поступает еще один сигнал от НЧ-генератора. Так обычно называют генераторы колебаний, предназначенных для работы на инфразвуковых частотах, лежащих в диапазоне от 0,001 Гц до 20 Гц или 100 Гц. Итак, НЧ-генератор генерирует модулирующий сигнал, далее он подается на тактовый генератор колебаний, который изменяет частоту тактовых импульсов на его выходе с определенным периодом (поскольку иное не оговорено, можно предположить, что форма модулирующей волны будет треугольная). НЧ-генератор подключается к тактовому генератору, через регулятор амплитуды модулирующего сигнала (глубины модуляции тактовой частоты). Частоту НЧ-генератора можно изменять с помощью регулятора частоты модуляции, который расположен на панели управления устройства.

7.5. Заключение

На основе методики, которую мы использовали в примерах, рассмотренных выше, можно проводить анализ гораздо более сложных принципиальных блок-схем. Основные принципы всегда остаются неизменными: если не оговорено иное, следует считать, что сигнал идет слева направо, и, рассуждая логически, нужно проследить каждый из путей прохождения сигнала.

Если схема составлена неудачно, информацию о том, что означает тот или иной символ или способ обозначения, использованные на схеме, придется искать в прилагаемой документации. Принципы составления принципиальных блок-схем, описанные в данной главе, применяются и в сложных схемах звуковых систем. Правильно составленная схема всегда будет служить удобным справочным материалом. Примеры принципиальных схем звуковых систем будут приведены в гл. 17 и 18, в которых описано, как собрать такие системы вместе с электроникой и громкоговорителями.