Obwód opóźnienia dźwięku pozwala celowo przesunąć sygnał audio w czasie, a następnie zmieszać go z sygnałem oryginalnym. Dzięki temu suchy, płaski dźwięk może zyskać przestrzeń, powtórzenia, echo albo wrażenie pogłosu. Zasada jest prosta: układ pobiera sygnał wejściowy, przechowuje go przez krótki, kontrolowany czas i oddaje na wyjściu jako kopię opóźnioną.
W praktyce długość opóźnienia i sposób domieszania sygnału decydują o charakterze efektu. Bardzo krótkie czasy dają zmianę fazy, filtr grzebieniowy lub efekt poszerzenia stereo. Dłuższe czasy tworzą wyraźne echo, a kilka opóźnionych odbić może symulować pogłos. W tym artykule wyjaśniamy, jak działa obwód opóźnienia dźwięku, czym jest układ bucket-brigade oraz na co zwrócić uwagę przy budowie takiego toru audio.
1. Funkcja obwodu opóźnienia dźwięku
Linia opóźniająca audio jest blokiem, który zapisuje chwilową wartość sygnału i oddaje ją po określonym czasie. Można to zrobić cyfrowo, po konwersji analogowo-cyfrowej, albo analogowo, na przykład w układzie BBD (bucket-brigade device). W rozwiązaniu cyfrowym próbki trafiają do pamięci lub rejestru, a potem są zamieniane z powrotem na sygnał analogowy. W rozwiązaniu BBD sygnał pozostaje analogowy, ale jest próbkowany i przesuwany przez kolejne stopnie z kondensatorami.
Taki obwód nie tylko opóźnia sygnał, lecz także kształtuje odbiór przestrzeni. Pomieszczenie z dużą liczbą twardych powierzchni, na przykład szyb lub gołych ścian, odbija dźwięk mocno i może dawać nienaturalnie ostre echo. Z kolei pokój wypełniony miękkimi materiałami tłumi odbicia i odbiera nagraniu część przestrzeni. Elektroniczny układ opóźniający pozwala dodać kontrolowane echo lub pogłos niezależnie od akustyki pomieszczenia, choć nie zastępuje poprawnego projektu toru audio i głośników.
Dawniej uzyskanie stabilnego opóźnienia sygnału audio było kosztowne, szczególnie gdy potrzebna była dobra jakość i małe zniekształcenia. Dostępność układów bucket-brigade, a później procesorów DSP, znacznie uprościła projektowanie efektów opóźniających i obniżyła koszt całego obwodu.
W klasycznym torze z układem BBD sygnał audio trafia najpierw na wejściowy filtr i wzmacniacz buforujący. Następnie układ zegarowy przesuwa próbki ładunku przez kolejne stopnie linii opóźniającej. Na wyjściu otrzymujemy kopię sygnału przesuniętą w czasie. Po zmieszaniu tej kopii z sygnałem bezpośrednim powstaje efekt echa, pogłosu, phasera albo flangera, zależnie od czasu opóźnienia i sprzężenia zwrotnego.
Schemat blokowy obwodu opóźnienia dźwięku.
Źródło: Wikipedia.
2. Obwód opóźnienia dźwięku: zasada działania
W wielu analogowych efektach opóźniających najważniejszym elementem jest układ bucket-brigade. Zastąpił on kosztowne i kłopotliwe mechanicznie rozwiązania, takie jak taśmy magnetyczne używane w dawnych efektach echo. BBD pracuje jak analogowa linia przesuwająca: kolejne kondensatory przekazują sobie ładunek zgodnie z taktowaniem zegara, a liczba stopni i częstotliwość zegara określają czas opóźnienia.
Przy bardzo krótkich opóźnieniach układ może pracować jako phaser lub flanger. Jeżeli opóźniony sygnał zostanie dodany do sygnału bezpośredniego, część częstotliwości wzmocni się, a część wygasi. Powstaje wtedy filtr grzebieniowy, którego położenie zależy od czasu opóźnienia. Zmiana częstotliwości zegara przesuwa te wzmocnienia i wcięcia, co daje charakterystyczny, ruchomy efekt brzmieniowy. Podobną zasadę można wykorzystać do tworzenia wrażenia stereo z sygnału mono: jeden kanał dostaje sumę sygnału bezpośredniego i opóźnionego, a drugi odpowiednio dobraną różnicę.
Układ BBD wymaga filtrów po obu stronach linii opóźniającej. Filtr wejściowy ogranicza pasmo przed próbkowaniem, aby zmniejszyć aliasing, a filtr wyjściowy usuwa składowe związane z zegarem i wygładza sygnał. Dla przykładu, przy linii o 256 stopniach i zegarze 100 kHz uproszczone obliczenie daje opóźnienie rzędu 2,56 ms. W praktycznym projekcie trzeba jednak sprawdzić notę konkretnego układu BBD, bo sposób liczenia stopni i faz zegara może wpływać na dokładną wartość opóźnienia. Niższa częstotliwość zegara zwiększa opóźnienie, ale jednocześnie ogranicza użyteczne pasmo audio.
Schemat opóźnienia przekaźnika wyjściowego wzmacniacza audio.
Źródło: https://www.learningelectronics.net/cirCuits/index.html
Układ bucket-brigade
Układy bucket-brigade to scalone linie opóźniające zbudowane z wielu kondensatorów i przełączników MOS. Nazwa pochodzi od łańcucha ludzi podających sobie wiadra z wodą podczas gaszenia pożaru. W elektronice „wiadrami” są kondensatory, a przekazywaną zawartością są pakiety ładunku odpowiadające chwilowej wartości sygnału audio.
Typowy układ BBD ma setki lub tysiące stopni. Kondensatory o numerach nieparzystych i parzystych są sterowane dwiema fazami zegara, które nie powinny nakładać się na siebie. Gdy aktywna jest pierwsza faza, ładunek przechodzi do jednego zestawu stopni. Gdy aktywna jest druga faza, trafia do następnego zestawu. Dzięki temu sygnał może być przesuwany krok po kroku bez jednoczesnego ładowania i rozładowywania tego samego kondensatora.
Układ bucket-brigade.
Filtry all-pass
Filtr all-pass, czyli filtr wszechprzepustowy, przepuszcza składowe częstotliwościowe sygnału bez istotnej zmiany amplitudy, ale zmienia ich fazę. To właśnie kontrolowana zmiana fazy jest jego główną cechą. Zwykły przewód również nie tłumi sygnału w idealnym modelu, ale nie daje projektantowi takiej kontroli nad zależnością fazy od częstotliwości.
Filtry tego typu stosuje się w torach komunikacyjnych, audio i pomiarowych, gdy trzeba skompensować opóźnienie grupowe albo wyrównać fazę sygnału po przejściu przez inne bloki. W liniach transmisyjnych, przewodach telefonicznych i długich torach analogowych faza poszczególnych częstotliwości może przesuwać się inaczej, co pogarsza kształt przebiegu. Filtr all-pass pozwala tę zależność skorygować bez typowego podbijania lub tłumienia pasma.
W układach audio filtry all-pass są używane między innymi w pogłosach, korekcji fazy i efektach przestrzennych. W kaskadzie mogą tworzyć gęstszy, bardziej naturalny ogon pogłosowy, ponieważ zmieniają relacje fazowe między składowymi sygnału. Nie są jednak uniwersalnym lekarstwem na szum tła; poziom szumów zależy przede wszystkim od doboru elementów, zasilania, ekranowania, prowadzenia masy i jakości samej linii opóźniającej.
Filtry all-pass.
Budowa obwodu opóźnienia audio
Przy budowie obwodu opóźnienia audio trzeba najpierw rozróżnić dwa zagadnienia: efekt opóźniający sygnał muzyczny oraz układ opóźniający załączenie przekaźnika lub wzmacniacza. Oba mogą występować w jednym urządzeniu, ale pełnią inne funkcje. Efekt delay pracuje w torze sygnałowym, natomiast prosty układ RC z tranzystorem może jedynie opóźnić włączenie wyjścia, aby uniknąć stuknięcia w głośnikach po uruchomieniu zasilania.
W prostym układzie czasowym wartość rezystora i kondensatora określa, jak długo tranzystor pozostaje włączony lub wyłączony po zmianie stanu przycisku albo po pojawieniu się zasilania. Większa pojemność zwykle wydłuża opóźnienie, a dodatkowy stopień tranzystorowy może zwiększyć czułość i poprawić separację między częścią sterującą a obciążeniem. Takiego obwodu nie należy jednak traktować jako pełnopasmowej linii opóźniającej audio; to raczej układ sterowania czasem załączenia.
Podstawowe elementy w takim rozwiązaniu to tranzystory, kondensatory elektrolityczne, diody, rezystory oraz przekaźnik lub inny element wykonawczy. Kondensatory elektrolityczne muszą mieć właściwą polaryzację i odpowiedni zapas napięcia. Diody zabezpieczające przy cewkach przekaźników chronią tranzystory przed przepięciami powstającymi przy wyłączaniu obciążenia indukcyjnego.
W pokazanym zasilaczu regulator IC6 odpowiada za stabilizowane napięcie 15 V. Szyny zasilające i napięcia odniesienia, w tym poziom około 10,5 V dla wzmacniaczy operacyjnych pracujących z pojedynczym zasilaniem, muszą być zgodne ze schematem i wymaganiami zastosowanych układów scalonych. W torze z BBD szczególnie ważne są poziomy polaryzacji wejścia, amplituda zegara oraz filtracja zasilania, ponieważ bezpośrednio wpływają na zniekształcenia i szum.
Półprzewodniki i kondensatory elektrolityczne należy montować w prawidłowej orientacji. Układy MOS, w tym wiele linii BBD, są wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne, dlatego warto używać opaski antystatycznej, maty ESD i odpowiednich opakowań. Układy scalone można lutować bezpośrednio do PCB albo osadzić w podstawkach, jeśli projekt wymaga łatwej wymiany podczas uruchamiania i testów.
Zasilacz obwodu opóźnienia audio.
Wniosek
Obwód opóźnienia audio jest przydatny wszędzie tam, gdzie trzeba dodać sygnałowi przestrzeń, echo albo kontrolowane przesunięcie fazy. Układy bucket-brigade umożliwiły budowę analogowych efektów delay bez taśmy magnetycznej i nadal są cenione za charakterystyczne brzmienie. W projektach wymagających większej precyzji, dłuższych czasów opóźnienia lub powtarzalnych parametrów często stosuje się dziś rozwiązania cyfrowe.
Podczas projektowania takiego układu trzeba pilnować filtracji, poziomów sygnału, zasilania, prowadzenia masy i ochrony elementów wrażliwych na ESD. Jeżeli planujesz płytkę dla efektu audio, przed produkcją warto sprawdzić zarówno schemat, jak i layout: separację torów analogowych od zegara, powroty prądów masy, rozmieszczenie kondensatorów odsprzęgających oraz dostępność elementów. OurPCB może pomóc w wykonaniu PCB i montażu takiego projektu, a po przesłaniu plików produkcyjnych przygotowuje wycenę w 12 godzin roboczych.