基于RC雙T選頻網(wǎng)絡(luò)的立體聲仿真器

崔建國,寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

0 引言

常見的DV攝錄機(jī)或采訪工具，其攝錄的音頻部分一般都是單聲道，有時(shí)需要將單聲道音頻轉(zhuǎn)換為立體聲音頻，方法大致有軟件轉(zhuǎn)換法和硬件仿真器法。軟件轉(zhuǎn)換常用編輯工具只是簡單把單聲道(左聲道)音頻復(fù)制到右聲道，左右兩個(gè)音箱發(fā)出的聲音完全一模一樣,沒有方向感,聽上去有點(diǎn)單調(diào),缺少空間感，是一種假立體聲；一些硬件立體聲仿真器是把一般的非立體聲信號(hào)分在高頻和低頻兩個(gè)聲道，這種仿真器產(chǎn)生的立體聲仍覺得單調(diào)。

設(shè)計(jì)一種立體聲仿真器電路，這種方案的總體思路是采用帶阻濾波器技術(shù)，將普通的單聲道信號(hào)在兩個(gè)中心頻率(6 kHz和250 Hz)分開，將單聲道全信號(hào)中6 kHz～250 Hz的信號(hào)衰減掉，剩下的作為左聲道信號(hào)，此左聲道信號(hào)同時(shí)作為另一個(gè)差動(dòng)運(yùn)放B的正相輸入，單聲道全信號(hào)作為該差動(dòng)放大器B的另一個(gè)輸入(反相端)，故右聲道信號(hào)就是該運(yùn)放B兩個(gè)輸入的差模信號(hào)。這樣就從普通的單聲道信號(hào)中得到了兩個(gè)相異的信號(hào)，可以產(chǎn)生更舒適的立體聲效果。

1 基于RC雙T選頻網(wǎng)絡(luò)的立體聲仿真器

本設(shè)計(jì)利用兩個(gè)平行的RC(阻容)雙T選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)有源帶阻濾波器技術(shù)，詳細(xì)介紹該設(shè)計(jì)以前，有必要首先了解一下雙T選頻網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

1.1 雙T選頻網(wǎng)絡(luò)的陷波器特性

雙T網(wǎng)絡(luò)由于具有良好的濾波特性和選頻特性,常在電子測量儀器的濾波電路或振蕩電路中用作濾波網(wǎng)絡(luò)或選頻網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)上是由兩個(gè)T形網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)輸入端并聯(lián)，其相應(yīng)輸出端也并聯(lián)的二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示[1]。

圖1 雙T網(wǎng)絡(luò)無源帶阻濾波器

這兩個(gè)T形網(wǎng)絡(luò)分低通和高通濾波電路，一個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)濾波器由電阻R、R和電容2C組成，是一個(gè)低通濾波器，如圖2(a)所示；另一個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)濾波器由電容C、C和電阻R/2組成，為一個(gè)高通濾波器[2]。

圖2 T型網(wǎng)絡(luò)低通濾波器及其等效三角形連接方式

二者均是利用電容器的容抗隨頻率變化的特性進(jìn)行濾波，適當(dāng)選擇R、C的數(shù)值，可有效選出需要的頻率信號(hào)、濾除干擾信號(hào)，構(gòu)成二階無源帶阻濾波電路。如果加上運(yùn)算放大器即可構(gòu)成所需的二階有源帶阻濾波電路，所以被稱為雙T網(wǎng)絡(luò)有源帶阻濾波電路[3]。

從圖2(a)可以看出，T型網(wǎng)絡(luò)低通濾波器為星型連接方式，為了分析方便，可將星型連接方式的低通濾波電路等效變換為三角形連接方式電路，如圖2(b)。

類似地，對(duì)于T型網(wǎng)絡(luò)高通濾波器，也有此特性，此處略。

將兩個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)的等效三角形連接方式電路并聯(lián)，構(gòu)成雙T網(wǎng)絡(luò)的等效電路，如圖3所示。

圖3 雙T網(wǎng)絡(luò)三角形等效電路

在圖3中,假設(shè)雙T網(wǎng)絡(luò)輸入信號(hào)為Vi，輸出信號(hào)為VO，其頻率特性用F表 示，則

(1)

(2)

(3)

(4)

這里的f即為雙T網(wǎng)絡(luò)濾波器的諧振頻率(或中心頻率)，f單位赫茲，電阻單位歐姆，電容單位法拉。

圖4 RC雙T網(wǎng)絡(luò)幅頻特性曲線

1.2 雙T選頻網(wǎng)絡(luò)的立體聲仿真器電氣原理

阻容雙T網(wǎng)絡(luò)的立體聲仿真器電氣原理圖如圖5所示，包括輸入音頻前置放大電路、兩個(gè)平行工作的雙T選頻網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)放C組成的有源帶阻濾波電路、一個(gè)差動(dòng)工作方式的運(yùn)算放大器、電容耦合輸出電路共5個(gè)電路模塊。

圖5 基于RC雙T選頻網(wǎng)絡(luò)的立體聲仿真器電氣原理圖

1.2.1 運(yùn)算放大器作為音頻前置放大電路

立體聲仿真器的信號(hào)源種類繁雜，可以是DV、可以是采訪機(jī)，也可以是任何輸出單聲道聲音的音頻設(shè)備，為了適配各種輸出接口的不同輸出阻抗，需要輸入接口具有較大的輸入阻抗，電路的輸入阻抗大，意味著需要的輸入電流更小，也就是對(duì)前級(jí)理論上的輸出電壓大小影響很小。在前級(jí)不能輸出較大電流的場合必須要講究后級(jí)的輸入阻抗，也就是能從信號(hào)源獲取最大的信號(hào)。

理想運(yùn)算放大器的輸入阻抗為無窮大，實(shí)際集成運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想條件，故可以用運(yùn)算放大器作為音頻前置放大電路，如圖5，以匹配各種音頻設(shè)備。該電路的有源器件是運(yùn)算放大器IC1，型號(hào)為TL084，運(yùn)放電路A、B、C皆屬于IC1。這種放大器具有低噪聲和失真小的特點(diǎn)，也可以用LM324來代替TL084。

單聲道音頻信號(hào)通過耦合電容C1，從運(yùn)算放大器A之3腳輸入，運(yùn)算放大器A作為音頻前置放大電路，電位器VR1可以調(diào)節(jié)輸入信號(hào)幅度。

1.2.2 雙T網(wǎng)絡(luò)組成的有源帶阻濾波電路

經(jīng)過運(yùn)放A放大以后的音頻信號(hào)從運(yùn)放A的輸出端(1腳)輸出，單聲道音頻信號(hào)被分成兩路，其中一路通過兩個(gè)平行的阻容雙T網(wǎng)絡(luò)濾波器進(jìn)入運(yùn)放C的同相輸入端，構(gòu)成一個(gè)雙T網(wǎng)絡(luò)有源帶阻濾波電路；另一路信號(hào)通過電位器VR2進(jìn)入差動(dòng)運(yùn)放B的反相輸入端。

雙T網(wǎng)絡(luò)有源帶阻濾波電路由兩個(gè)平行的阻容雙T網(wǎng)絡(luò)組成，如圖5，每個(gè)雙T網(wǎng)絡(luò)各有一個(gè)低通濾波器和高通濾波器組成，電阻R4、R5以及電容C3構(gòu)成第一個(gè)雙T網(wǎng)絡(luò)的低通濾波器，電容C6、C7以及電阻R12構(gòu)成第一個(gè)雙T網(wǎng)絡(luò)的高通濾波器；同理，電阻R6、R7以及電容C4構(gòu)成第二個(gè)雙T網(wǎng)絡(luò)的低通濾波器，電容C8、C9以及電阻R13構(gòu)成第二個(gè)雙T網(wǎng)絡(luò)的高通濾波器。這兩雙T網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)放C組成一個(gè)雙T網(wǎng)絡(luò)有源帶阻濾波電路，利用上文公式4可求得每個(gè)雙T網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率：

兩個(gè)雙T網(wǎng)絡(luò)平行工作，單聲道全信號(hào)經(jīng)過這兩個(gè)雙T網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)入運(yùn)放C的同相輸入端，與運(yùn)放C組成一個(gè)有源帶阻濾波器后，將頻率在6 kHz～250 Hz的信號(hào)衰減掉，形成仿真立體聲的左聲道信號(hào)，由耦合電容C13輸出。

1.2.3 差模輸入運(yùn)算放大器

衰減掉6 kHz～250 Hz頻率的信號(hào)一路經(jīng)運(yùn)放C輸出，另一路信號(hào)通過耦合電容C5進(jìn)入運(yùn)放B的正相輸入端。上文已提到運(yùn)放A輸出的全信號(hào)除一路進(jìn)入兩個(gè)雙T網(wǎng)絡(luò)外，另一路信號(hào)通過電位器VR2進(jìn)入運(yùn)放B，運(yùn)放B以差動(dòng)方式工作，稱差動(dòng)放大器，這是一種零點(diǎn)漂移很小的直接耦合放大器，這樣右聲道信號(hào)就是該運(yùn)放正反相兩個(gè)輸入端(5腳和6腳)的差模信號(hào)，經(jīng)過放大后由耦合電容C12輸出，這樣就從普通的單聲道信號(hào)中得到了兩個(gè)相異的信號(hào)。

1.2.4 制作

電位器VR2用于手動(dòng)調(diào)節(jié)立體聲度，可稱為信號(hào)的均衡器；VR3用來調(diào)節(jié)左聲道的增益；C3、C4的值可根據(jù)立體聲的效果來選定。

2 結(jié)語

本文介紹的立體聲仿真器電路，由于采用了運(yùn)算放大器作為前置放大，故對(duì)信號(hào)源沒有過多的要求，常見的音頻輸出電路皆可以接入該仿真器，對(duì)于電視機(jī)伴音、DV攝錄機(jī)、采訪機(jī)、錄音筆等得到的單聲道音頻，接入本裝置，音質(zhì)可有相當(dāng)明顯的改善，只要調(diào)整的合適，有時(shí)可以達(dá)到接近真實(shí)的雙聲道立體聲音響效果。本電路經(jīng)過仿真軟件仿真測試，可以得出正確的邏輯結(jié)論，表明電路結(jié)構(gòu)、電氣元件參數(shù)準(zhǔn)確。