DIY или Сделай Сам / Простейший аттенюатор для аудиокарты

в 22:30, , рубрики: аттенюатор, звуковая карта, Радиотехника, резистор, усилитель, метки: , , , ,

DIY или Сделай Сам / Простейший аттенюатор для аудиокарты
В любительской радиотехнике, а именно в области проектирования усилителей низкой (звуковой) частоты, очень удобно использовать для измерений компьютер.
Профессиональные измерительные приборы стоят немалых денег, тогда как аудиокарта имеется почти в любом домашнем компьютере. В совокупности с доступным и разнообразным ПО мы получаем удобный инструмент для снятия всех основных характеристик: АЧХ (амплитудно-частотная характеристика), THD (уровень гармонических искажений), соотношение сигнал/шум и спектрограмму.
Единственным неудобством оказывается слишком чувствительный вход аудиокарты,
на который нельзя подать сигнал, превышающий напряжение 0.5-1.5 вольта.
И здесь на помощь приходит аттенюатор.
Его можно (и нужно) собрать самостоятельно. Ничего хитрого в этом опыте нет, но для тех, кто делает первые шаги в усилителестроении, материал будет полезным.
Аттенюатор является пассивным устройством и фактически, применительно к нашему случаю, представляет собой резистивный делитель напряжения. Его функция — ослабление уровня сигнала (переменного напряжения звуковой частоты) по заданным параметрам. Давайте определим эти параметры.
Задача

Необходимо подать на линейный вход аудиокарты сигнал, снятый с выходных клемм усилителя мощности, при этом не перегрузив аудиокарту. Для удобства установим величину выходного напряжения аттенюатора равным 0.775v RMS. Такое напряжение будет приемлемым для любой современной аудиокарты с линейным входом, к тому же величину 0.775v принято выбирать за опорный уровень (0dBu) при измерении абсолютных величин в децибелах.Внимание! Обратите внимание на суффикс dBu - он означает, что величина (напряжения) указывается безотносительно нагрузки (от англ. unloaded).
Про измерения и децибелы очень рекомендую ознакомиться со статьей Михаила Чернецкого «Что мы измеряем?» (ссылка на публикацию на сайте журнала «Звукорежиссер» есть в конце поста [1], но для глаз намного комфортнее читать на сайте автора)
Входное напряжение на аттенюаторе выберем таким образом, чтобы оно соответствовало мощности, рассеиваемой на эквивалентной нагрузке в 8 Ohm, и равнялось 1W.
Для среднеквадратичного значения напряжения (RMS) верна следующая формула расчета мощности:
Некоторые считают мощность синусоидального сигнала по формуле P = Ua^2/2R, перепутав амплитудное значение напряжения со среднеквадратичным. Может быть у них для этих измерений осциллограф всегда под рукой(?!), мы же используем TrueRMS вольтметр и знаем разницу (и зависимость) между амплитудным и среднеквадратичным значениями напряжения (если поймали себя на мысли, что забыли и нужно срочно освежить память — идем прямиком к Радиокоту [2]).
По выше приведенной формуле находим значение 2.83v (для 1W), 4v (для 2W) и 5.66v (для 4W). Обычно для промера характеристик маломощного усилителя этих значений вполне достаточно, но если требуются бОльшие значения — вы без труда рассчитаете их сами.
Не удивляйтесь таким «маленьким» значениям мощности — для примера: однотактный ламповый усилитель вашего покорного слуги (режим работы класс «A») мощностью 2W(!) «раскачивает» здоровую напольную акустику безо всякого труда (по немногочисленным просьбам хабрачитателей я в процессе обдумывания статьи про его конструирование, но покамест решил прощупать интерес к теме публикацией данного материала — тут есть связь с компьютерами хотя бы).
Итак, у нас есть входные данные — можно перейти к расчёту.
Расчёт

В общем случае формула для расчета делителя без нагрузки выглядит так:
Единственно надо учесть тот факт, что номинал резистора Z1 должен быть выбран на 3-4 порядка больше эквивалентной нагрузки 8 Ohm, чтобы для усилителя подключение атеннюатора осталось «незамеченным» (высокоомный, относительно выхода усилителя, вход аттенюатора практически не изменит значение сопротивления эквивалентной нагрузки, так как подключен параллельно нагрузке в 8 Ohm — вспоминаем правило сложения соединенных параллельно резисторов [3]).
Для удобства выберем Z1=20 kOhm, тогда номинал нижнего резистора (Z2) посчитаем по формуле:
Получим Z2 = 0.775*20000/2.828-0.775 = 7550 Ohm
Аналогично посчитаем номиналы для других входных напряжений: 4v (для 2W) и 5.66v (для 4W).
Дотошные читатели наверняка уже заметили, что мы нигде не учитываем входное сопротивление аудиокарты. И дело вот в чём: практически любая аудиокарта изменит сопротивление резистора Z2, так как фактически будет представлять собой включенное к нему сопротивление. Что это значит? Значит, что выходное напряжение нашего аттенюатора будет несколько меньше, чем 0.775v (sic!).
«Так значит надо измерить сопротивление линейного входа, делов-то!», — скажете вы. Но всё не так просто: обычно карта имеет на входе конденсатор — обычным мультиметром входное сопротивление карты не измерить. Здесь понадобится генератор и осциллограф, не у всех они имеются, поэтому в рамках данной статьи мы не учитываем входное сопротивление аудиокарты при расчете.
Однако, на случай, если вы уже знаете сопротивление линейного входа вашей звуковой карты (например, оно указано в спецификации) привожу формулу, учитывающую входное сопротивление аудиокарты при расчете аттенюатора:
где ZL — сопротивление линейного входа аудиокарты.
Принципиальная схема аттенюатора

В схеме использованы графические обозначения принципиальных схем авторства Сергея Комарова. Рекомендую скачать[5] и использовать.
Конструкция и детали

Нам понадобятся коннекторы типа «бананы» (2шт.) (или другие разъемы, совместимые с вашим усилителем), один RCA-разъем, поворотный переключатель (rotary switch) и ручка к нему (1/4"), а также резисторы (см. номиналы в схеме).
В качестве корпуса мне пришлось купить пластиковый корпус в «Чип и Дипе» за бешенные 90 рублей. Зато он очень подошел по размеру (65х45х22мм).
Выбор поворотного переключателя — дело вкуса. Можно выбрать самый дешёвый китайский, а можно — качественный. Я выбрал 2-ой вариант и заказал дорогущий Grayhill 71BD36-01-1-AJN. Ресурс 50000 поворотов, контакты ротора покрыты золотом (30 microinches — любопытная единица толщины покрытия), «военная приёмка», настоящее американское производство. Я ни разу не агитирую, но ссылку на даташит привожу [4].
Переключатель имеет 10 позиций, но нам понадобятся только три.
В идеале ещё нужен минимум инструментов: линейка или штангенциркуль, дрель, ключи-«многогранники» (чтобы закрепить рукоятку на вал).
Земляную шину лучше сделать из медной моножилы. У меня под рукой не было подходящего диаметра и я свил из медного проводника (22AWG) и облудил её бессвинцовым серебресодержащим припоем.
Резисторы можно взять любые, 1-2 ватта. Идеально выбрать проволочные или фольговые — у них минимальный шум. Я выбрал безиндуктивные проволочные Mills.
Припаивать к контактам очень удобно — у них большой шаг, а корпус переключателя сделан из термопластика и можно не опасаться повредить его горячим жалом паяльника.
После того, как закрепили разъемы и припаяли резисторы, можно закрыть корпус крышкой (я закрепил все детали в половинке корпуса), затянуть гайку переключателя, поставить два самореза (прилагаются к корпусу), закрепить ручку на вал и подписать на корпусе значения входных напряжений.
Финиш! Можно приступать к измерениям, но это уже тема для отдельной статьи.
Полезные ссылки
[1] «Что мы измеряем?» (архив журнала «Звукорежиссер») [2] «Измерение выходной мощности усилителей звуковой частоты» (Обучалка от Радиокота) [3] Параллельное соединение резисторов (страница резистора на Википедии) [4] Даташит на Grayhill 71-ой серии [5] «Старая добрая графика принципиальных схем» (автор Сергей Комаров)

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля