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 звуковая карта изменит сопротивление резистора Z2, так как фактически будет представлять собой включенное параллельно к нему сопротивление. Что это означает для нас? Означает, что выходное напряжение нашего аттенюатора будет несколько меньше, чем заложенное в расчётах 0.775v (sic!).
    «Так значит надо измерить сопротивление линейного входа, делов-то!», — скажете вы. Но всё не так просто: звуковая 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)
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 48

      +13
      30 microinches — любопытная единица толщины покрытия

      Это тысячная доля от mil, единицы, которую используют американцы повсеместно в электроние и электротехнике.

      P.S.: Простите, но один я не понимаю вот этого дрочева на позолоченные переключатели, посеребрённые провода и резисторы из волос девственниц, при этом в неэкранированном корпусе-мыльнице?
        +3
        :) Экранировать здесь нечего: сигнал низкочастотный, усиленный (посмотрите на коммерческий акустический кабель — он редко бывает экранирован).

        А насчет серебра — всё очень просто. Это один из лучших проводников в природе (окисляется только, зараза, страшно).

        Проволочные безиндуктивные резисторы, а что в них такого экзотичного?! Или я не понял шутки юмора…

        По поводу «коммерческих» радиокомпонентов.
        Конечно, очень много маркетингового «разводилова» и уловок, и у этих производителей есть своя паства. А есть промышленные серии радиокомпонентов, которые используются в метрологии и у военных. Вот это очень ценные детали. Они линейны в работе, точны (соответствуют написанным на них номиналам) и имеют длительный срок службы.

        У каждой продукции свой потребитель!
          0
          «коммерческий акустический кабель» неэкранирован потому, что по нему обычно идёт достаточно большой ток. У звуковухи же очень высокоомные входы.

          А насчёт номиналов: так просто надо иметь под рукой RLC-метр, или хотя-бы китайский мультиметр, ведь на заборе тоже много что написано…
            0
            Скорее тогда калибратор, а не китайский мультиметр :)
            Китайские мультиметры — они такие китайские…

            Но в общем и целом, взять резисторы 1% вместо 5% гораздо важнее, чем производитель :)

            Что же касательно наводок, то насколько я в курсе, повместно применяется следующий прием — если надо далеко передать аналоговый сигнал, то АЦП переносится поближе к источнику :)
              0
              Что же касательно наводок, то насколько я в курсе, повместно применяется следующий прием — если надо далеко передать аналоговый сигнал, то АЦП переносится поближе к источнику :)
              Полностью согласен! От аттенюатора до звуковой платы идёт короткий экранированный кабель.
              0
              А насчёт номиналов: так просто надо иметь под рукой RLC-метр, или хотя-бы китайский мультиметр, ведь на заборе тоже много что написано…
              Зачем же китайский?! На столе стоит старый добрый Fluke 8060A.
                0
                Китайский мультиметр вам интересного намеряет, да :). Да, даже если измерительный мост сгородить — надо ведь ещё большую коробку компонентов из которых делать отбор, образцы и тонну времени. Точные компоненты во многих случаях использовать существенно проще!

                У звуковухи входы может и высокоомные, но ведь тут как раз и включён аттенюатор, который и нормирует (этот, правда, не очень хорошо) входные-выходные сопротивления разумными величинами (в данном случае тоже не совсем очевидными, впрочем).
                  0
                  Зачем отбирать… Ставим на плату 2 резистора последовательно, один по номиналу — 1%, второй — добирает этот 1 процент.
                –3
                Серебро — благородный металл, оно не окисляется и не реагирует с протонами. Серебро реагирует с серой и ее газообразными соединениями. Очистить налет AgS можно в растворе щелочи.
                  +6
                  не реагирует с протонами

                  Чего? о_О
                    +2
                    Проблема еще в том, что сероводород есть в воздухе, ибо выделяется в малых количествах в процессах жизнедеятельности микроорганизмов. Даже пукая вы выпускаете сероводород в воздух, тем самым способствуете окислению серебра.
                      –1
                      Герметизировать корпус? если так хочется использовать серебро)))
                        +2
                        А ещё и воздух оттуда откачать. Или не! Лучше сразу инертным газом заполнить. Хотя-бы тем-же гелием. Заодно и носить легче будет.
                        0
                        Ой, не в ту ветку ответил. Сори, на сообщение выше хотел.
                          –2
                          Поэтому, первая заповедь ювелира — не пукать:)
                          0
                          >> не реагирует с протонами
                          > Чего? о_О

                          Не надо делать такие глаза :) Речь не о термоядерных реакциях, а о взаимодействии с кислотами, а точнее, с катионом водорода H+. Как несложно видеть, это и есть протон. Все правильно ksigne сказал.
                            0
                            А, тогда ясно :)
                              0
                              Правильно за исключением «оно не окисляется». Окисление случается не только от взаимодействия с кислородом, но и от взаимодействия с диоксидом серы (здесь он верно написал).

                              Чтобы не быть голословным: http://en.wikipedia.org/wiki/Tarnish
                                0
                                Проблема в том, что химия не оперирует таким понятием как протон, химия оперирует понятием ион. В этом и есть проблема, которая привносит путаницу.
                                  0
                                  Оперирует, к сожалению, хотя это и превносит путаницу. Есть даже термин «протонирование».
                              0
                              Конечно, окисляется.
                              Первая найденная «околонаучная» статья:
                              Tarnishing of Silver: A Short Review

                              И могу прислать фото почерневших выходных разъемов усилителя.
                            +3
                            Статья про расчет делителя напряжения… дожили… Автор забыл указать самое главное а какой именно программой пользуется со стороны компьютера.

                            На счет самой схемы я бы рекомендовал поставить защиту аудио карты от перенапряжения(какую именно сказать не могу думал как раз в этой статье будет), много чего случиться может и на выход будет скачек напряжения, и тогда минус аудио карта, если вся материнская плата.

                            и на так к слову я бы рекомендовал разводить плату а не делать навесной монтаж, ну совсем не солидно выглядит
                              +1
                              >Статья про расчет делителя напряжения… дожили…
                              Что плохого? В задачах любой сложности могут быть свои тонкости.
                                0
                                На счет самой схемы я бы рекомендовал поставить защиту аудио карты от перенапряжения(какую именно сказать не могу думал как раз в этой статье будет),
                                Два диода Зенера параллельно резистору Z2. Только это будет источником нелинейных искажений ;) Что противоречит идее девайса.

                                Автор забыл указать самое главное а какой именно программой пользуется со стороны компьютера.
                                Это абсолютно другая тема. Зачем все валить в кучу?

                                к слову я бы рекомендовал разводить плату а не делать навесной монтаж, ну совсем не солидно выглядит
                                Это дело вкуса, я например уважаю проводники серьезного сечения, а не микронные дорожки. И выглядит навесной монтаж аккуратнее, IMHO
                                Разводить плату стОит под высокочастотные девайсы, для аудио же все преимущества навесного монтажа давно известны
                                  0
                                  Два диода Зенера параллельно резистору Z2. Только это будет источником нелинейных искажений
                                  Есть те, кто попробовал. Рапортуют — да, это источник искажений. Впрочем, что еще ожидать от полупроводникового устройства в аналоговой схеме.
                                  0
                                  Автор забыл указать самое главное а какой именно программой пользуется со стороны компьютера.
                                  Существует огромное количества софта. В основе своей он платный, но это не означает, что удобный в использовании. У большинства есть демо-версии, которые в той или иной степени «обрезаны». Они позволяют определить пригодность программы для использования. На мой личный взгляд удобнее всего пользоваться программами ARTA Software. Это ARTA и STEPS — для спектрального анализа и снятия АЧХ соответственно. Очень все «с головой» сделано.
                                  Единственно, что мне не удалось «подружить» STEPS с сигналом от внешнего (не компьютерного) генератора. Но по сравнению с остальным софтом несомненно «рулит.»
                                +5
                                Приведенная схема хороша тем, что она простая, но плоха тем, что входное сопротивление аттенюатора будет переменным. Если это критично, то используют такую схему:

                                Аттенюатор состоит из набора П- или Т-секций, каждая из которых имеет свой коэффициент ослабления, но у всех одинаковые входные и выходные сопротивления. Включая-выключая секции в нужной комбинации, получают желаемое суммарное ослабление.
                                  0
                                  Подобную схему я видел как вариант улучшения (модернизации) щупа осциллографа, не думаю что для домашних замеров потребуется постоянное сопротивление аттенюатора.
                                    0
                                    Такие аттенюаторы в радиотехнике широко используются, где важно согласование входов-выходов.
                                    +1
                                    Спасибо за дополнение!
                                    И да, в моей схеме во главу угла ставилась простота.
                                    –3
                                    Подскажите, разве резисторы и конденсаторы на садят звуковую частоту? Я имею ввиду верхние частоты. Я когда баловался замерами частоты звука пропуская через потенциометр, «открыл» какой-то закон. Там какая-то зависимость апмлитуды частоты и сопротивления.
                                      +1
                                      Интересная статья! Ждем аналогичную, но про DIY усилитель :)
                                        0
                                        Первый позитивный комментарий за день:) Спасибо!
                                        PS: опасаюсь, что статья про конструирование лампового усилителя вызовет у многих сильнейшую аллергию. Впрочем, какой-то части аудитории точно будет интересно.
                                        +2
                                        Некоторые усилители имеют симметричный (мостовой) выход, то есть ни один из контактов не соединен с землей. Их подключать через такой аттенюатор нельзя! Ведь если общие провода усилителя и компьютера будут соединены (а они будут при грамотном заземлении), произойдет кз. В лучшем случае сработает защита, в худшем — выгорит выходной каскад усилителя.
                                          –1
                                          Откуда КЗ-то? Просто измерять будет только половинку моста.
                                            +3
                                              0
                                              Упс. Точно!
                                            0
                                            Верное замечание!
                                            Но по-моему симметричные схемы применяют во всяких DACах, профессиональном аудио, там где сигнал надо передавать на большие расстояния.
                                            Так как у меня лично усилитель работает в чистом классе «А», то мыслей о симметричном выходе и не возникало.

                                            А по поводу невозможности подключения вышеописанного аттенюатора к XLR-разъему думаю становится ясно сразу, просто по внешним признакам.
                                              +1
                                              Речь не об XLR, а именно о симметричном выходе УЗЧ. Мостовые каскады применяются в бытовой технике (не HiFi-HiEnd класса, а которая «чтобы бум-бум-тыц-тыц погромче») и в автоакустике почти повсеместно (из-за ограниченного питающего напряжения).
                                                0
                                                Значит, я отстал от прогресса. Для меня «симметричный»: это три проводника, в одном из которых сигнал идет в противофазе.
                                              0
                                              Заземленные комп и усилок еще поискать нужно.
                                                +1
                                                Достаточно, чтобы у них были шнуры питания с третьим контактом, и воткнуть их в один «пилот».
                                                  0
                                                  Тут согласен.
                                                    +1
                                                    Радует, что и у «прогресса» есть свои плюсы:
                                                    ноутбуки питаются от портативных импульсных БП, у которых шнур питания не имеет третьего контакта. А замеры энтузиасты всё чаще проводят на ноутбуках с внешней аудиокартой (АЦП), это видно по многочисленным фото в Сети.
                                                      0
                                                      Сетевой шнур ноутбучного адаптера (который к розетке 220) обычно имеет три контакта, причем земляной соединен с «минусом» низковольтного выхода, а значит, и с корпусом ноутбука. У моего ноута, по крайней мере, так.
                                                      Внешняя карточка тоже далеко не всегда означает гальваноразвязку. Полностью отвязаны от земли входы всяких измерительных АЦП, осциллографов и систем сбора данных. Но тем, кто пользуется таким железом, самодельный аттенюатор обычно не нужен :)
                                                        0
                                                        Но тем, кто пользуется таким железом, самодельный аттенюатор обычно не нужен :)
                                                        Ну, почему же. Сам пользуюсь USB-осциллографом с гальванической развязкой. Только мне не хватает разрядности его АЦП, поэтому и принялся мастерить :)

                                                        Сетевой шнур ноутбучного адаптера (который к розетке 220) обычно имеет три контакта, причем земляной соединен с «минусом» низковольтного выхода,

                                                        А фото не лень сделать? Первый раз слышу такое про ноутбучный сетевой шнур. На моей памяти все двухконтактное…
                                                          +1
                                                          Примерно так:
                                                          habrastorage.org/storage2/991/84e/5fe/99184e5fedb3e3d06a5e1bb941ded5e3.jpg
                                                          habrastorage.org/storage2/93f/3a0/f49/93f3a0f49b09eb9851cb4d35132c8f7c.jpg

                                                          Это адаптер от старого RoverBook'а. Средний контакт вилки соединен с минусом (внешний контакт) выхода. Сейчас, может быть, делают по-другому.
                                                            0
                                                            Думал у меня старый:) 16-вольтовый sony образца 2003 года, два проводника сетевого шнура и обычная «не-евро». Приносили Lenovo недавно, вроде как тоже был двухконтактный.
                                                            Но не суть! Спасибо за фото.

                                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                              Самое читаемое