Борис Семенов - Путеводитель в мир электроники. Книга 2
Если необходимо просуммировать несколько сигналов, используется инвертирующий сумматор сигналов (рис. 13.37).
Рис. 13.37. Сумматор сигналов
Выходное напряжение схемы определяется по формуле:
Uвых = — (Uвх1 + Uвх2 + Uвх3 + … + Uвхn).
Неинвертирующий сумматор получится, если входной сигнал подавать на прямой вход, как это показано пунктиром на схеме.
Сумматоры используются в очень широком классе электронных устройств. Их часто можно встретить в микросхемах управления источниками питания, в усилителях низкой частоты, в других устройствах аудиотехники. Давайте и мы познакомимся с сумматором, изготовив простой микшерский пульт.
Термин «микширование» означает смешивание нескольких сигналов. В данном случае мы будем смешивать аудиосигналы. Где может пригодиться такое устройство? Допустим, вы вернулись из туристической поездки, где снимали на видеокамеру, запечатлели самые приятные события этого путешествия. Вне всякого сомнения, вам захочется сделать фильм — убрать лишние звуки, наложить приятную музыку, где нужно — усилить записанный естественный звук, а где-то — подчеркнуть музыкальное сопровождение. Такая же задача может возникнуть при озвучивании школьного вечера.
Существуют пассивные микшерские пульты, в которых смешивание сигналов осуществляется с помощью резисторных делителей. Эти пульты очень просты в реализации, но ими крайне неудобно пользоваться, так как источники сигналов в таком случае не застрахованы от влияния друг на друга, и это может служить причиной неприятных эффектов. Воспользуемся нашими знаниями, чтобы сделать простой трехканальный микшерский пульт, лишенный этих недостатков. Нам понадобится четыре операционных усилителя типа КР544УД2А, но подойдут и другие. Схема этой конструкции изображена на рис. 13.38.
Рис. 13.38. Активный микшерский пульт
Микросхемы DA1—DA3 включены в режиме повторителей с высоким входным сопротивлением. Они устраняют влияние источников сигналов друг на друга. На микросхеме DA4 собран сумматор с коэффициентом усиления 1. Обратите внимание: конденсаторы С4—С11 выполняют роль блокировочных, то есть устраняют влияние микросхем друг на друга. Устанавливать эти конденсаторы желательно как можно ближе к выводам питания микросхем. В принципе, от них можно и отказаться, но тогда повышается риск получить самовозбуждение какой-либо микросхемы.
Собрать схему можно на макетной плате, используя любые имеющиеся под рукой детали. Если они будут исправными, схема начнет работать сразу. Резисторы R1— R3 лучше использовать движковые, разместив их на одной панели и нанеся на ней деления для удобства пользования микшером. Если появится желание, можно превратить один из повторителей в усилитель и работать со слабыми сигналами. В другом варианте можно сделать резистор R8 переменным и регулировать общий уровень сигнала. Остальные варианты подскажет фантазия и необходимость.
Разные фильтры на ОУ
Названные типовые схемы усилителей представляют собой широкополосные варианты, то есть такие, в которых усиливаются (или передаются без усиления) все частоты входного сигнала. Выходной сигнал появляется в них практически мгновенно (одновременно) с появлением входного. Однако очень часто нужно пропускать не все частоты, а только их часть, как это было необходимо нам в случае магнитофонного усилителя. Для этой цели, как нам уже известно, применяются схемы фильтров:
• фильтры низкой частоты (ФНЧ) — пропускают только низкие частоты и «обрезают» высокие;
• фильтры высокой частоты (ФВЧ) — имеют возможность пропускать только высокие частоты и «срезают» низкие;
• полосовые фильтры (ПФ) — пропускают только частоты в определенной полосе;
• заграждающие фильтры (ЗФ) — пропускают все частоты, кроме частот определенной полосы.
Простейшие фильтры (ФНЧ и ФВЧ), которые можно построить на ОУ, — аналоги RC цепей, обладающие по сравнению с ними улучшенными характеристиками. Эти аналоги RC цепей при подаче на них импульсного «скачка» напряжения могут сформировать линейно нарастающее или спадающее напряжение.
Схема построения интегратора на ОУ и его частотная характеристика приведены на рис. 13.39.
Рис. 13.39. Интегратор на ОУ и его частотная характеристика
Частота среза определяется параметрами элементов R2 и С. Резистор R не участвует в формировании частотной характеристики. Он может вообще отсутствовать или (что лучше) определяться по формуле:
Дифференциатор на ОУ и его частотная характеристика изображены на рис. 13.40.
Рис. 13.40. Дифференциатор на ОУ и его частотная характеристика
С интегратором мы уже встречались, «оживляя» магнитофон. В схеме рис. 13.35 функцию интегрирующей цепи выполняют элементы R4, С4, отсюда мы и наблюдаем спад частотной характеристики на частотах выше 100 Гц.
В реальных схемах интеграторы и дифференциаторы «в чистом виде» используются довольно редко — в основном встречаются варианты, модернизированные под конкретную задачу, дополненные другими элементами.
Теория фильтров на операционных усилителях (так называемых активных фильтров) — это целая наука, которой посвящены отдельные книги. Естественно, мы не сможем рассказать о всех премудростях активных фильтров, так как разработано очень много их видов: фильтры на основе гираторов (эквивалентов индуктивностей), фильтры с управляемыми источниками, фильтры на базе усилителей с общей отрицательной обратной связью, биквадратные фильтры.
Наиболее часто в радиолюбительской практике могут встретиться так называемые фильтры второго порядка на основе структуры Рауха.
Фильтр низких частот второго порядка изображен на рис. 13.41.
Рис. 13.41. Фильтр низких частот второго порядка и его частотная характеристика
Коэффициент усиления фильтра в полосе пропускания определяется по формуле:
Частота среза (в Гц):
Регулировать частоту среза можно резистором R3.
Фильтр высоких частот второго порядка показан на рис. 13.42.
Рис. 13.42. Фильтр высоких частот второго порядка и его частотная характеристика
Коэффициент усиления фильтра определяется по формуле:
Частота среза (в Гц):
Частоту среза этого фильтра удобнее всего регулировать резистором R5.
Спад частотных характеристик фильтров более высших порядков происходит круче, чем у простых интеграторов и дифференциаторов. Следовательно, они лучше фильтруют сигналы. Но схемы этих фильтров оказываются сложнее, что еще раз говорит: ничто даром не дается.
Чтобы закрепить на практике теоретические знания, мы изготовим очень полезный фильтр низких частот 4-го порядка, включив друг за другом два фильтра второго порядка. Этот фильтр пригодится нам для записи стереофонических радиопередач. Конечно, можно обойтись и без фильтра, подав сигнал с радиоприемника непосредственно на вход магнитофона. Но в таком случае существует опасность появления в фонограмме свиста. Кому понравится такой звук, сопровождаемый непрерывным пищанием…
Откуда берется этот «писк»? Быть может, в магнитофоне завелись мыши?
Нет, причина не биологического, а электронного происхождения. Чтобы осуществить передачу стереофонического сигнала по радио, в звуковой сигнал вводят модулирующую частоту 31,25 кГц (отечественный стандарт) или 38 кГц (зарубежный стандарт). Хотя эта частота в радиоприемнике должна быть подавлена фильтрами, иногда, по причине низкого качества фильтрации, она проходит на выход и попадает в тракт магнитофона. Более-менее приличный магнитофон имеет узел высокочастотного подмагничивания при записи, которое значительно улучшает качество фонограммы.
Если модулирующая частота из радиоприемника «встретится» в магнитофоне с сигналом внутреннего генератора на каком-то нелинейном элементе, произойдет умножение частот с выделением разностной составляющей, лежащей в звуковом диапазоне. А уж она-то обязательно запишется на пленку.
Предлагаемый внешний фильтр не даст «просочиться» паразитному сигналу от приемника в магнитофон и в то же время «пропустит» полезный звуковой сигнал. Принципиальная схема одного канала фильтра показана на рис. 13.43, а его частотная характеристика — на рис. 13.44, б. Для стереофонического варианта нужно иметь два канала.
