Набор модулей для измерительных приборов звукового диапазона частот

Публикация 23.12.2023

Начальник

Предисловие

Мало кто будет спорить с тем фактом, что большинство самодельных конструкций, изготавливаемых радиолюбителями в своих домашних лабораториях, относятся к области звукотехники. Это и всевозможные усилители, как предварительные, так и оконечные, темброблоки и эквалайзеры, микшеры и фонокорректоры, различные электромузыкальные инструменты и примочки для них, активные и пассивные акустические системы и множество других подобных устройств. Общим для них является то, что все эти устройства генерируют, усиливают, преобразовывают и всячески обрабатывают электрические сигналы, спектры которых лежат в звуковом диапазоне частот.

специализированные измерительные приборы

Для изготовления и настройки таких устройств домашнему радиоконструктору не обойтись без целого набора специализированных измерительных приборов. Пользуясь в качестве инструмента измерений одним лишь мультиметром, вряд ли можно создать что-нибудь стоящее в области звукотехники, особенно, если по замыслу своего создателя изготавливаемое изделие должно обладать характеристиками на уровне аппаратуры класса Hi-Fi или даже лучшими.

Поэтому прежде чем приступать к изготовлению чего-либо звукотехнического, начинающему радиоконструктору необходимо озаботиться оснащением своей мастерской хотя бы минимальным набором измерительных приборов звукового диапазона частот. Разумеется, все необходимые средства измерений можно просто купить, но мы решительно отвергаем такую идею - хорошие современные измерительные приборы стоят совершенно заоблачных денег и их приобретение неминуемо пустит вас и вашу семью по миру, чего бы нам совершенно не хотелось. Старые советские приборы более доступны по цене, но за десятилетия, прошедшие со дня их выпуска, они, скорее всего, уже потеряли всю свою былую точность, а главное, что покупать что-то готовое, когда это что-то гораздо интереснее создать своими руками - это не наш путь! Мало того, что самостоятельно изготавливая всё необходимое оборудование, вы оснастите свою лабораторию за вполне вменяемые деньги, но еще и наверняка узнаете в процессе этого изготовления что-то для вас новое и тем самым повысите уровень своих знаний в области радиоэлектроники и метрологии.

Под спойлером ниже вы найдете сверхкраткий обзор того, как вообще происходят измерения в звукотехнике, а если вам лень его читать, то можете его пропустить и продолжить чтение далее.

Процесс измерений в звукотехнике

Согласившись с тем, что мы самостоятельно будем создавать все необходимые в домашней лаборатории измерительные приборы звукового диапазона частот, посмотрим более внимательно на процесс измерений. Этот процесс в упрощенном виде обычно выглядит таким образом:

Рис.1. Упрощенная схема процесса звукотехнических измерений.

Источник испытательного сигнала формирует некий сигнал X с известными характеристиками, например, электрический сигнал синусоидальной формы с заданной частотой и амплитудой. Этот сигнал поступает на вход испытуемого устройства, в результате чего на его выходе образуется другой сигнал, являющийся функцией от входного. Измеряя параметры сигнала на выходе, мы можем делать выводы о характеристиках испытуемого устройства, например, о вносимых им нелинейных искажениях или о его частотной характеристике и так далее. Сигналы на входе и выходе испытуемого устройства могут быть не только электрическими, а, например, акустическими, то-есть звуковыми колебаниями, если речь идет, скажем, об испытаниях микрофона или громкоговорителя.

Средства измерений, применяемые в этом процессе, можно разделить на три группы:

Источники испытательного сигнала (примеры: звуковой генератор, генератор качающейся частоты, генератор шума)
Измерители параметров сигнала (примеры: милливольтметр, частотомер, анализатор спектра)
Комбинированные приборы, объединяющие в себе обе предыдущие категории сразу. Такие приборы в сущности ничего не меняют в показанной выше схеме, лишь объединяя источник входного сигнала и измеритель параметров выходного сигнала в одном корпусе.

Из чего состоят средства измерений

Проанализировав устройство всевозможных измерительных приборов, применяемых в звукотехнике, легко прийти к выводу, что в них входят в основном одни и те же функциональные узлы, а именно:

генераторы сигналов различной формы,
измерительные услилители, повышающие амплитуду сигналов в заданное число раз в широком диапазоне частот,
аттенюаторы, понижающие амплитуду сигналов также в заданное число раз и также в широком диапазоне частот,
избирательные усилители и фильтры (селективные, верхних частот, нижних частот, режекторные), позволяющие выделить или подавить определенные частотные области из спектра сложного сигнала),
преобразователи переменного напряжения в постоянное (они же амплитудные детекторы или прецизионные выпрямители), необходимые для измерения уровня сигналов,
аналогово-цифровые преобразователи, необходимые в случае цифровой индикации результатов измерений или для передачи этих результатов в компьютер для дальнейшей обработки и хранения.
источники питания, обеспечивающие все вышеперечисленные функциональные узлы необходимыми напряжениями.

Что мы будем делать в рамках этого проекта

Разобравшись с тем, зачем нам нужны средства измерений и из чего они состоят, приходим к логичному выводу о том, что можно создать некий набор универсальных модулей для использования в измерительных приборах звукового диапазона частот. Комбинируя эти модули в разных сочетаниях и дополняя их другими функциональными узлами, специфическими для отдельных видов измерений, мы получим всю гамму приборов, необходимых для своих радиолюбительских нужд.

Именно эту задачу мы и будем решать в нескольких проектах, описанных в разделах "Модули для средств измерений" и "Приборы на основе модулей" этого сайта. Сначала мы рассмотрим схемы и конструкции самих модулей, а затем начнем собирать из них законченные изделия - измерительные приборы для домашней мастерской. Однако, прежде чем приступить к этому увлекательному занятию, нам необходимо обсудить еще одну тему, а именно возможность автоматизации измерений с помощью разрабатываемых нами приборов.

Автоматизируем процесс измерений

На схеме, показанной под первым спойлером выше на рис. 1, неявным образом подразумевается еще один важный компонент процесса измерений - это оператор, который управляет процессом, взаимодействуя с источником испытательного сигнала на входе и измерителем параметров сигнала на выходе при помощи имеющихся у них органов управления и индикации. Вращая ручки и нажимая кнопки источника сигнала, он изменяет параметры входного сигнала X, а глядя на стрелочный прибор или цифровой индикатор измерителя, записывает на листочке бумаги получившиеся значения сигнала F(x) для их дальнейшей обработки. Например, для исследования амплитудно-частотной характеристики испытуемого устройства оператор должен последовательно подать на его вход несколько десятков сигналов синусоидальной формы с разной частотой и для каждой из них записать показания милливольтметра, подключенного к его выходу. Затем при необходимости по этим показаниям может быть построен соответствующий график. Очевидно, что такой процесс является крайне трудоемким, отнимает много времени и не исключает ошибок, особенно, если такое исследование АЧХ нужно будет повторить многократно по ходу настройки испытуемого устройства и подбора номиналов каких-либо компонентов его схемы. Возникает естественное желание как-то этот процесс автоматизировать.

Современная элементная база, в частности, появление доступных и недорогих микроконтроллеров и периферийных устройств для них, позволяет поручить выполнение многих рутинных операций автоматике, что сильно упрощает процессы измерений, ускоряет их и снижает количество возможных ошибок. При этом схема процесса измерений приобретает следующий вид:

Рис.2. Схема автоматизированного процесса измерений.

Важным отличием этой схемы от предыдущей является то, что здесь взаимодействие оператора с аппаратурой происходит только через микроконтроллер, вернее, через подключенные к нему периферийные устройства (кнопки, переключатели, энкодеры, символьные и графические дисплеи и др.), а источник испытательного сигнала и измеритель параметров сигнала никаких органов управления и индикации не имеют, полностью управляются только сигналами от микроконтроллера и ему же отправляют результаты измерений. Возвращаясь к примеру с исследованием АЧХ, который мы обсуждали выше, можно сказать, что в этом случае оператору уже не придется, вращая ручки источника сигнала, десятки раз изменять частоту и записывать в блокнот соответствующие уровни сигнала на выходе. Все эти рутинные операции выполнит микроконтроллер по заданной оператором программе. А кроме того, микроконтроллер при необходимости сохранит полученные данные в виде файла на диске или на карте памяти для последующего использования, построит по ним график, выведет на печать, перешлет в компьютер и даже опубликует в интернете, если к нему будут подключены необходимые для этого периферийные устройства.

Прочитавшие разъяснение под спойлером выше уже поняли (а остальные могут просто поверить), что автоматизированное управление процессом измерений имеет большие преимущества перед ручным и, разрабатывая наш набор модулей, мы будем ориентироваться на их использование именно в таком автоматизированном процессе. Это означает, что все параметры модулей должны задаваться не ручками и кнопками, расположенными на самих модулях, а только посредством обмена логическими сигналами с микроконтроллером. Это же касается и результатов измерений - наши модули должны иметь соответствующие интерфейсы для отправки результатов измерений микроконтроллеру, а уж он решит, как их отображать и что ними делать дальше.

Выбор элементной базы для модулей

Разрабатывая набор универсальных модулей для средств измерений звукового диапазона, мы будем стараться использовать в них широко доступную и недорогую элементную базу и достаточно простые схемотехнические и конструктивные решения с тем чтобы облегчить изготовление модулей и приборов на их основе в домашних условиях.

В аналоговой части модулей мы будем использовать в основном операционные усилители широко распространенных серий и некоторые другие аналоговые микросхемы, которые можно легко приобрести во всем известных интернет-магазинах, в цифровой части - на начальном уровне будем применять "народные" микроконтроллеры семейства Arduino и готовые периферийные модули к ним, а в случаях, когда их производительности окажется недостаточно - более мощные микроконтроллеры семейств STM32, ESP32 и другие.

Понятно, что использование бюджетных решений и в части схемотехники, и в части выбора компонентов вступает в противоречие с требованиями высокой точности измерений, которую мы, конечно же, хотим получить в итоге. Однако, как и всегда в технике, приходится идти на некоторый компромисс, чтобы найти оптимальное соотношение между качеством изделия и его ценой. В нашем случае эта задача облегчается тем, что наличие в составе приборов микроконтроллеров позволяет программными методами скомпенсировать определенные виды погрешностей аналоговой части. Например, уход нуля от температуры и другие виды дрейфа показаний, вызванные внешними воздействиями, могут быть скомпенсированы при помощи математической обработки результатов измерений, точность может быть повышена за счет многократных повторных измерений с последующим усреднением результатов, еще больше точность может быть повышена за счет периодической автокалибровки, выполняемой под управлением микроконтроллера и так далее.

Конструкция модулей

Конструктивно модули представляют собой небольшого размера платы с односторонним печатным монтажом и элементами, монтируемыми в отверстия, поскольку такие платы гораздо легче изготовить и смонтировать в домашних условиях. При желании читатели могут заменить все элементы, входящие в состав модулей, их аналогами, предназначеными для поверхностного (SMD) монтажа и самостоятельно разработать соответствующие двухсторонние печатные платы, сделав тем самым модули гораздо более компактными, однако, это требует более продвинутого владения технологиями и доступно не всем радиолюбителям.

Дополнение от 18.01.2024. Переход на новый тип разъемов.

В первых версиях всех модулей, описанных на этом сайте, для межплатных соединений использовались широко распространенные и недорогие разъемы Dupont. Именно такие разъемы (вернее, их вилки, монтируемые на плату) вы видите на фото набора модулей ниже на этой странице. Для сигнальных цепей и цепей управления использовались вилки черного цвета, а для цепей питания - желтого. Однако, в процессе работы довольно быстро выяснилось, что эти разъемы хороши в основном для создания на скорую руку макетов и прототипов электронных схем, особенно на так называемых бредбордах - макетных платах, не требующих пайки. В готовом же изделии их надежность оказалась явно недостаточной, контакт в межплатных соединениях часто пропадал и добиться стабильной работы прибора не удавалось. В итоге было решено заменить все соединители более надежными 2-х и 4-х контактными разъемами из серии KF2510.

Эти разъемы должны быть знакомы многим нашим читателям - они часто используются в настольных компьютерах для подключения вентиляторов охлаждения. Можно использовать также идентичные им по конструкции соединители KK254, выпускаемые компанией Molex. Дополнительным достоинством KF2510 по сравнению с разъемами Dupont кроме более высокой надежности контакта является также и то, что кабельную часть невозможно воткнуть, перевернув на 180 градусов - конструкция вилки и розетки не позволят это сделать. Разъемы KF2510 имеют такой же шаг контактов, как и разъемы Dupont - 2,54 мм, поэтому изменять разводку печатных плат модулей не пришлось. После замены разъемов Dupont во всех модулях на KF2510 проблемы с плохими контактами в межплатных соединениях исчезли полностью.

Обратите внимание! Далее на этом сайте могут встречаться фотографии модулей и приборов на их основе, где использованы как разъемы старого образца - Dupont, так и нового - KF2510 или и те и другие вперемешку. Это связано с тем, что фотографии делались (а модули изготавливались) в разное время, в том числе и до перехода на новый тип разъема. Начиная примерно с середины января 2024 года, во всех вновь изготавливаемых модулях используются только KF2510.

Единственное место, где по-прежнему используются 3-х контактные штыревые части от разъемов Dupont - это перемычки ("джамперы") SV1 на платах модулей аттенюатора ATT01 и измерительного усилителя AMP01.

История проекта и его состояние на текущий момент

Большой проект, включающий разработку и изготовление модулей, разработку и изготовление приборов для звукотехнических измерений на их основе, а также написание программного обеспечения для микроконтроллеров, управляющих их работой, продолжается в непрерывном режиме. На первом этапе (конец 2023 - середина 2024 г.) были разработаны, изготовлены в нескольких экземплярах и всесторонне испытаны 5 модулей, показанные на фото внизу:

Набор модулей для измерительных приборов звукового диапазона частот.

Некоторые из этих модулей за время разработки претерпели ряд изменений, например, модуль аттенюатора ATT01 на сегодняшний день имеет номер версии 2.2, это означает, что его первоначальная схема и печатная плата модернизировались уже не менее трех раз. Соответственно, вносились изменения и в описания модулей на этом сайте для того, чтобы наши читатели в любой момент времени имели доступ к актуальной версии.

Далее, во второй половине 2024 года, к перечисленным модулям добавился еще один - аттенюатор ATT02. О том, зачем понадобился еще один модуль аттенюатора и чем он отличается от аттенюатора более ранней модели ATT01 можно прочитать в его описании.

Одновременно, начиная со второй половины 2024 года, началась разработка сразу нескольких измерительных приборов для звукотехнических измерений на базе набора модулей.

По состоянию на февраль 2025 года, когда пишутся эти строки, разработаны, изготовлены и испытаны уже три прибора - аналоговый милливольтметр, звуковой генератор и цифровой милливольтметр. Их описания уже заняли свое место на этом сайте и, судя по посещаемости страниц, где они находятся, вызывают определенный интерес наших читателей. Изготовленные приборы активно используются автором в работе и, возможно, через какое-то время на сайте появятся публикации с описаними усовершенствованных версий этих приборов, с учетом накопленного опыта их эксплуатации. Например, автор думает о том, что неплохо было бы добавить в приборы, имеющие микроконтроллерное управление процедуры автоматической калибровки результатов измерений с тем чтобы на заниматься эти вручную.

Как обычно, автор будет рад услышать ваши отклики по поводу прочитанного и готов ответить на ваши вопросы.