PWM erősítő I. - A PWM modulátor áramkör 2

Sikerült egy kicsit jobban letisztázni a múltkori áramkört, ami egy analóg PWM modulátor terve, és a TAS áramkör elé tervezem tenni. A végén nem voltam igazán elégedett a jelalakkal, meg elbénáztam a tápfeszültségekkel is, lásd a cikk végét és ábráit. Nem sokat, de egy kicsit módosítottam a kapcsolási rajzon, és a komparátor utáni TTL kapcsolással is próbálkoztam.

Mind a CMOS, mind a TTL kimenetről jó minőségű PWM jelet tudtam leszedni. Közben kidobtam az előző kapcsolásban még meglévő dead-time logikát, mert az semmiképp sem kell, a soft-start késleltetőt esetleg az invertert pedig meg tudom csinálni másképp is.

 Ezen az ábrán a zöld a háromszögjel, a piros 10 kHz szinusz, a sárha pedig a PWM kimenet, ezúttal egy CMOS 4009-es inverterről nézve. Az, hogy a háromszögjel olyan amilyen, annak hamarosan jelentősége lesz.

 Tudom hogy egyelőre nem számít, de mégsem tudom másként eldönteni hogy a PWM jel jó-e csak úgy ha visszaalakítom. A kék a visszaalakított jel.

A CMOS 4009-et (amit az előző ábrákon 15V-ról szimuláltam) TTL 7414-re cseréltem, ilyenkor +5V ról üzemel, a komparátor is, a CMOS áramkörnél 15V-ról üzemelt, ez jól látszik a visszaalakítás DC eltolásából is.

 A TTL áramkör kimenetének visszaalakítása a kék szinuszjel.

Az áramkörön apró módosítások így alakultak, kizárólag a komparátor utáni részen. A táppal való bénázást megoldottam két DC feszültségforrással, illetve a komparátor kimenetére csak egy TTL/CMOS áramkör került a dead time logika és a soft-start helyett. A komparátor kimenetén a jel visszaalakítás után kicsit recésebb, ettől függetlenül lehet hogy elhagyom az invertert a kimenete után.

Unbalanced - Balanced konverter szimulációja

Viszonylag sok tervemben szerepel egyfajta unbalanced/balanced konverter. Van olyan fejhallgató-erősítő és mikrofonerősítő is, ahol az áramkör tud fogadni balanced bemenetet. Ilyenkor az unbalanced is működik, de a mikrofonerősítő próbájánál érzékeltem, hogy a balanced jelforrás ilyenkor mekkora előny. Emiatt tegnap leszimuláltam az általam használt áramkört. Az érdekelt, hogy a +/- kimenete a kapcsolásnak valóban szimmetrikus-e, és a fáziseltolás stabilan 180 fok-e.

Az eredmények:

Szkóppal vizsgálva:


AC analízis:

UREI HP/LP filter szoftveres szimuláció

Esélyes hogy ez az utolsó lényeges post az UREI hangszínállítókkal kapcsolatban, hiszen az előző bejegyzésben elkészült a bővíthető modul rendszerű hangszínállító terve. Egyetlen tervem van még, stereo verziót készíteni, de ennek legnagyobb akadálya hogy egyszerre 4 potmétert kéne forgatni egy helyen és ez elég nehézkes ezért ez csak később lesz ha lesz. A modul rendszerű hangszínállító részt sikerült szépen kitalálni és leszimulálni, de az EQ modulokat megelőző LP/HP filter első verziója nem tetszett. Ez a kapcsolás megelőzi az equalizer részt legalábbis az URI546 EQ-ban, az UREI545-ben ez másképp van megoldva. Míg az EQ modullal alapvetően minden okés lett, addig az azt megelőz filter szimulációja nem igazán tetszett:


Ennél a résznél a C2 C3 és C4 C5 kondenzátorok határozzák meg a működés lényegét. Az eredeti UREI 546-ban ezek beállításai nem igazán tetszettek, a HP filter átvitele túl magasan kezdődött, az LP túl korán ért véget, és a kettő gyakorlatilag egybeért. Bár igaz, hangszereknek ez bőven több mint elég, hiszen a zenei hangok 7-8kHz környékén véget érnek, és ezt az EQ-t gitárra és énekre ajánlják mi még inkább a középtartományba esik. Ennek ellenére ebben a tervben minden állítható, emiatt érdemes a határértékeket úgy beállítani, hogy legyen benne tartalék, és inkább a középállások legyenek az ideális tartományban.

Az első szimulációnál a C2...C5 értékek mint a rajzon. Az LP filter szimulációja:

100%-os állásban 40kHz környékén találkozik a kikapcsolt állapot szintjével, és ez mindenképpen sok, bár nem túl nagy hiba, hiszen nem kell teljesen kitekerni. Mindenképpen sokallom, főleg az eredeti UREI verzió 15kHz-éhez képest, ezért lettek egy ezek a kondenzátorok 5.6nF-ra növelve később.

A HP filter szimulációja:

Nagyrészt itt is a szélső értékekkel van bajom, a legalja 14Hz környékén van ami mindenképpen fölöslegesen kevés, a teteje pedig mindössze 326Hz környékén találkozik a kikapcsolt érték jelszintjével. Emiatt lett ennek a filternek a modulja lecsökkentve 330nF-ra.

A két filter szimulációja egy ábrán:


Az új szimulációnál a LP filter 4.7nF-ja 5.6-ra lett növelve, a HP filter 470nF-ja pedig 330nF-ra csökkentve. Így a következőképpen alakul:


Az LP filter 5.6nF-al:

A kettő összege:


Önmagában persze nincs értelme csak magát az LP/HP filtert vizsgálni, ezért készítettem egy olyan szimulációt is, amin látszik hogyan hat az EQ-ra a bekapcsolt filter 50-50%-os potméterállásokban:

• A piros vonal a kikapcsolt EQ
• A kék vonal az LP/HP filter 50%-os potmétereknél
• A zöld vonal az EQ kikapcsolt LP/HP filternél
• A bordó vonal pedig amikor a filter és az EQ is be van kapcsolva.
  

UREI 546 EQ bővítése 8 csatornásra szoftveres szimulációval

Az előző bejegyzésben írtam a szoftveres szimulációról, ami számomra meglepően pontosan lemodellezi ezt a filtert, érdemes elolvasni. Miután sikerült a modellezés és egyezik a gyári adatokkal, elkezdtem kitalálni hogyan legyen ez az EQ több mint 4 csatornás. Képlet sajnos továbbra sincs, de a szimuláció ezt helyettesíti.

Első körben a kapcsolást 8 csatornásra módosítottam, és ezt is leszimulálta, ugyan annyi idő alatt mint az 1 csatornás filtert. Az egyszerűbb rajz miatt kivettem a DC feszültségforrásokat és simán VCC/VEE feszültségforrásokkal helyettesítettem, a ki/be kapcsolónak sincs igazából semmi értelme. A leegyszerűsített áramkör mind a virtuális műszerekkel, mind az AC analízissel hibátlanul futott miközben mást is csináltam a gépen.

Először is kellett egy képlet amivel a 20-20kHz közötti tartományt beosztom 8 részre. A 10 csatornás parametrikus EQ-t túlzásnak tartom, de az analízis során szerintem a 8 is sok. Még az URS szoftveres effektjeiben is 5 csatornás a parametrikus equalizer. Első körben ki kellett találnom hogy a felső, középső, vagy az alsó tartományt hogyan osszam be, mekkora legyen a Q, és a szabályozási tartomány. Ezeket az alkatrészek megváltoztatása után az AC anlízissel igen könnyű beállítani.

Találtam egy oldalt, ami két határérték között kiszámítja a geometriai középértéket. Ezen az oldalon lehet beosztani egy tartományt tetszőleges részekre. Ez persze nem túl elegáns megoldás. Hiszen beírjuk hogy 20kHz és 100 Hz között hol a középérték, és van 3 csatornánk:

Majd utána tudunk csinálni még 2 csatornát, 1414 és a 100 közé 1-et, és 1414 és a 20000 közé még egyet. Az 5. Talán nem véletlen hogy az URS ilyen hangszínje is 5 csatornás. Utána még tehetünk további középértékeket mindegyik kiszámolt érték közé, de akkor 9 csatornánk lesz. Ezzel a módszerrel sem 6, sem 8 csatornás EQ-t nem tudunk elegánsan számolni. Esetleg még lehet olyat, hogy a végső értéket 40kHz körülire állítjuk be, kiszámolunk ehhez 9 középértéket, és az utolsót kidobjuk, így marad 8, ahol a 8. érték 20kHz közül lesz. De ez nagyon amatőr megoldás.

Az igazán elegáns megoldás egy Excel táblázat. Sajnos nem az én művem, Frank Walker segített a képletben. Az Excel táblába csak beírjuk a kezdő és végső frekvenciát, hogy mennyi csatornát szeretnénk, és kidobja az eredményt a geometriai középértékekkel és egy logaritmikus egyenessel.

Először is ellenőrzés képen egy összehasonlítás az Excel eredményeivel és az UREI eredeti adatlapjával:

Az Excel 4 csatornára:Ezzel összehasonlítva az eredeti adatlapot és a szimuláció eredményét az látszik, hogy a számításokhoz közelebb áll az adatlap mint a szimuláció (ehhez hozzátartozik, hogy az UREI adatlapján van olyan kondenzátor, hogy 27.5 nF, emiatt lehet :


Nézzünk több csatornára táblázatokat:
A táblázat képlete (abból a cellából ami az eredményt adja):
=IF(C8<$D$5,$D$3*10^((LOG10($D$4)-LOG10($D$3))*(C8-1)/($D$5-1)), IF(C8=$D$5,$D$4,IF(C8>$D$5," ","?")))

Ez számolja a középfrekvenciákat a két határérték között. D3-as cellában van az alsó érték, D4-es a felső, D5-ben a csatornák száma. A C oszlop a 8-as sortól meg van sorszámozva 1-től addig amennyi a csatornák száma.

10-nél több csatorna már azért lehet problémás, mert nem lehet olyan minimális Q értéket beállítani hogy ennek értelme legyen. Ha kevesebb csatorna kell, 1-1 csatornát a bypass kapcsolóval ki lehet iktatni. Ha kell olyan frekvencia vagy Q ami nem középértéken vagy határértéken áll, azért parametrikus az EQ, hogy ezeket be lehessen állítani.

A mostani tervhez a 8 csatornás táblázat kell, ez lesz a csatornánként elérhető maximális középfrekvencia. A potméter alsó állását majd ehhez beszabályozzuk, hogy ne fogjon át akkora tartományt mint amekkorát 4 csatornás "korában", a közepe pedig majd adódik.

A kapcsolás így módosult:

Mindenképpen az volt a cél, hogy megvehető értékekkel módosuljanak. Ami módosult az eredetihez képest:

• R2 120 Ohm lett 390 Ohm helyett
• R3 1.5 KOhm lett 390 Ohm helyett

Azért, hogy kisebb értékek között lehessen szabályozni a Q értékét, és a maximálisan elérhető Q nagyobb legyen mint volt.

• R5 és R7 potméterek 55 KOhm helyett 22 KOhm, hogy az alsó és felső frekvenciák között kisebb legyen a különbség.

Ezután a csatornáknál csak C1 C2 kondenzátorokat kell módosítani:

1. 330 nF
2. 150 nF
3. 68 nF
4. 33 nF
5. 15 nF
6. 7.5 nF
7. 3.6 nF
8. C1 = 1.8 nF, C2 = 1.6 nF

Lehet finomítani a középfrekvenciákon azzal, hogy C1 és C2 nem azonos, hanem 2 szomszédos értéket vesz fel. Így mind a két irányba minimális mértékkel elmozdítható a középfrekvencia, és szabályozható a maximális Q értéke is anélkül hogy a középfrekvencia elmozdulna.

Először meghatároztam az első csatorna maximális értékét (zöld), majd lemértem ugyan ezt a csatornát középállásban (kék) és minimális állásban is (piros):

Ezután kezdtem el meghatározni a második csatorna C1 és C2 értékeit, de kíváncsi voltam hogy áll a 3 görbe az eredeti UREI EQ csatornáin:

Ez mind a 4 csatorna, csatornánként 3 frekvencia állással, 0%, 50% és 100%-ra állítva.

Végül nekem az első 3 csatorna nem sikerült olyan szép szabályosra mint az eredeti, ennek az az oka, hogy olyan értékű alkatrészeket nem lehet kapni ami ehhez kéne:

Ez pont a szabályozhatóság miatt nem probléma, inkább csak a görbe nem annyira szép, de az működés közben nem látszik :).

A következő lépés az volt, hogy mind a 8 csatorna elkészült a táblázat alapján:

Sajnos nem sikerült megoldani hogy olyan szépen fedjék egymást a görbék mint a 4 csatornás esetében.

A következő grafikonon 70%-ra csökkentettem a Q értékét minden csatornán. Ez így akkor érdekes, ha kikapcsolunk pár közbenső csatornát, illetve szabályozzuk a középfrekvenciát és az emelés/vágás mértékét.


Végül megpróbáltam korrigálni a görbe hibáit, úgy, hogy a középfrekvenciát lecsökkentettem úgy, hogy a legmagasabb értékek illeszkedjenek egy korábbi görbére (a vékonyabb piros vonal) de ennek végülis nincs semmi értelme. A frekvencia így 93...95% között lett beállítva, csatornánként kicsit eltérő mértékben:

Ehhez a hangszínállítóhoz jelenleg egy 4 és egy 6 csatornás panelem van. Készítek egy olyan modult, amivel tetszőleges számú csatornát lehet összerakni, és kiszámolom a szükséges értékeket 5, 6, 7, 10 csatornára is.

6 csatornás alaplap:

UREI 546 parametrikus EQ szoftveres szimulációja

Korábban nem igazán foglalkoztam szimulációval, célszerűbbnek tűnt elkészíteni egy panelt és azon méricskélni. De mivel az UREI EQ-hoz nem találtam sehol sem konkrét képletet, egyre inkább foglalkoztatott, hogy mit tudnék kezdeni egy szoftveres analízissel, illetve hogy az általam kiszámolt értékekkel meg lehet-e csinálni több csatornásra ezt az EQ-t úgy ahogy azt elképzeltem.

Végül elkezdtem vizsgálni egy UREI filtert a Multisim nevű programban. Az Altiummal is lehet szimulálni, de az nem áll kézre, és a youtuben sincs róla film, meg úgy tűnik hogy kevesen használják erre. Bár a végeredmény szempontjából kevésbé látványos AC analízis az benne van. A multisim-es szimuláció viszont nagyon népszerű, látványos, és elsőre sikerült is.



Ez a filter kapcsolási rajza, a bemeneten szoftveres függvénygenerátor, AC voltmérő és a szoftveres szkóp egyik csatornája, a kimeneten az oszcilloszkóp másik csatornája és AC voltmérő. A szimmetrikus feszültségforrás 2 db elem kapcsolóval, szintén működik, és benne van a rajzban a bypass kapcsoló is, az is működik. A szimuláció közben minden potméter és kapcsoló működik, a műszerek is úgy viselkednek mint a valóságban. Az eredmények szerint az áramkör rendkívül pontos. Bypass állapotban a kimeneti jel pont akkora mint a bemeneti, és amikor a Cut/Boost potméter középállásban van, akkor is. Film is készült, inkább a szoftver miatt, a lényegi analízis az később jön, az nem ennyire látványos:



Kiderült tehát hogy egy ilyen programmal még viszonylag nehezen követhető áramköröket is le lehet szimulálni, halál pontosan, de kíváncsi voltam hogy a szimuláció eredménye mennyire egyezik az eredeti UREI 546 adatlapjával. Ha igen, akkor nincs szükség képletre a módosításokhoz.

Az analízis maga nem annyira látványos és mozgalmas mint a filmen a szkópos vizsgálat, de sokkal komolyabb eredményre lehet jutni vele.



Meg lehet vizsgálni az EQ görbéjét, hogyan változik a frekvencia, a kiemelés/vágás, és a Q azaz a jósági tényező. Nem csak erre jó, hanem nagyon gyorsan el lehet dönteni, 1-1 alkatrész megváltoztatása milyen hatással van a kimeneti görbére. Ezen az áramkörön már nincs függvénygenerátor csak egy AC jelforrás ami végigmegy az analízis során 20 Hz-től 20 kHz-ig, később pedig 100 kHz-ig. A kimeneten sincs műszer, csak egy mérési pont, azt vizsgálja az AC analízis aminek eredménye a jobb oldali grafikon. Rendkívül gyorsan lefut.

Ebből persze még nem derül ki, hogy a szimuláció és a gyári adatlap mennyire egyezik. Emiatt megrajzoltam mind a 4 csatornát, és felvettem a beállítható minimális és maximális frekvenciák értékeit a görbével:



A piros vonal a mind a 4 csatornán a minimálisan beállított középfrekvencia, a kék pedig a potméter másik végállása, a legnagyobb beállítható frekvencia. A kettő között lehet a parametrikus EQ vágási vagy emelési frekvenciáját tetszőlegesen szabályozni. A görbék felett az eredeti adatlap értékei vannak. Én meglepődtem hogy ennyire egyezik. A felső értékek lényegében egyformák, az alsónál vannak eltérések. Szerintem zseniális és sokkal könnyebb leszimulálni egy ilyet mint megépíteni és cserélgetni az alkatrészeket benne.

Ugyancsak az eredeti rajz alapján elvégeztem egy csatornán a Q analízist 5 lépésben. Ez az analízis is egyezik az adatlapon lévővel:


Amihez ez a módszer óriási segítség, ha módosítani kell a filtert. Két alkatrészt megváltoztattam benne, hiszen 4-nél több csatornához növelnem kell a jósági tényezőt:

Itt két ellenállást cseréltem ki, és az elérhető min/max jósági tényező jelentősen megváltozott, ami a nagyobb csatornaszám miatt szükséges.

Íme két analízis eredménye a megnövelt Q értékkel, az első és az utolsó frekvencián a beállítható min/max értékek:

Az alsónál az integrátor kondenzátorai 680 nF, a felsőnél 2.2 nF, a frekvenciaállító potméterek 55 kOhm helyett 4.7 kOhm.

Ennél a fajta filternél a felső tartományokban kellemetlenül eltér az emelés/vágás mértéke az ideálistól, ezért csináltam egy analízist kisebb (80%-os) Q értékkel is:

Ezen az ábrán jól látszik a különbség, így kiderült hogy a Q értékét a 80 Ohmos ellenállással (390 helyett) túl nagyra állítottam. Később ez 120 Ohm lett, így még elég jó a Q több csatornához, de már nem akkora a csúcs a végállásban.

Hogy pontosan mekkora legyen az elérhető maximális Q érték, az is egyszerűen modellezhető. Itt az eredeti 390 Ohm és a túl meredek tüskét okozó 80 Ohm között vannak még közbenső értékek mérve, így ez is könnyen eldönthető az AC analízis eredményeinek egymásra vetítésével: