▍ Вступление
На Хабре в 2022 году была опубликована статья, в которой автор рассказал об интригующе простой схеме формирователя чётных гармоник. Она состояла из однокаскадного транзисторного усилителя мощности, в нагрузку которого был включён диод обыкновенной инфракрасной оптопары. Я повторил схему на макетке, провёл некоторые опыты. Да, при изменении напряжения питания схема вносила ощутимые на слух искажения. Но тогда меня этот результат не впечатлил, и плата была убрана в коробку.
▍ Переоткрытие интереса
Но позже интерес к акустике, музыке и аналоговой схемотехнике привёл меня на замечательный YouTube-канал «Узкомензурно». На нём увлечённый и технически подкованный автор затронул тему сатураторов — программных плагинов, преобразующих звуковой сигнал так, что в нём появляются гармоники. Чётные гармоники являются частотами, кратными двум (2f, 4f, 6f и т. д.), а нечётные — частотами, кратными нечётным числам (3f, 5f, 7f и т. д.).
Скажу честно, мой текущий уровень понимания нелинейных процессов в схемах не очень глубок, и я не возьмусь их объяснять. Моя цель состояла в том, чтобы собрать демонстрационную модель на реальных компонентах, затем испытать её в работе и поделиться результатами с вами. Ну и вдохновить вас на самостоятельные эксперименты.
Автор вышеупомянутой статьи на Хабре даёт недостаточно подробное описание принципа работы схемы на оптроне. Мне захотелось изучить вопрос получше и провести практические эксперименты со снятием АЧХ преобразованного сигнала.
Люблю делать прототипы сразу на макетных платах с металлизированными отверстиями под пайку: так получается надёжнее, и мне нравится паять. К тому же в таком виде удаётся обеспечить надёжность контакта между выводами.
Также повторил схему в симуляторе для визуализации процессов и экспериментов и со временем пришёл к пониманию нескольких серьёзных недостатков:
Во-первых, схема требовала двух независимых источников питания. У меня есть два лабораторника, но это неудобно.
Во-вторых, и это главное, в схеме невозможно контролировать рабочую точку транзистора, который находится внутри оптопары, и его база не имеет вывода наружу. Можно было углубиться в даташит и рассчитать смещение, манипулируя током покоя фотодиода, но все детали имеют индивидуальный разброс параметров. И мне показалось, что схема будет вести себя непредсказуемо.
▍ Упрощение
Долго размышлял над тем, как же поступить, и в один день меня осенило: ведь можно обойтись одной половиной оптопары, а именно взять кремниевый или любой другой диод, имеющий «перегиб» на вольт-амперной характеристике. За вечер собрал упрощённый макет, состоящий из светодиода салатового цвета и резистора (вот ссылка на интерактивную модель в симуляторе). Фильтрующий конденсатор по питанию не имеет принципиального значения и был поставлен для подстраховки, хотя мой трансформаторный сетевой ЛБП «Марс» имеет небольшие выходные шумы, измеряемые единицами мВ.
Нужно ли ставить развязывающие конденсаторы на вход и на выход? Нужно, если источник вашего сигнала не содержит развязывающего конденсатора внутри себя. Примером такого источника сигнала может служить катушка гитарного звукоснимателя. Если присоединить её напрямую, то постоянная составляющая смещения на диоде будет замыкаться на землю и препятствовать работе схемы. Я проверил прозвонкой вход и выход аудиокарты, и она не имела сквозного постоянного тока.
Ах да, не сказал самого главного. В чём же физический смысл моей гипотезы? Предположил, что если у нас в схеме диод будет находиться в состоянии небольшого «приоткрытия» в области, где его ВАХ перегибается. При амплитуде входящего переменного сигнала около 100 мВ, рабочая точка будет колебаться в области перегиба без «обрезки» (клипирования), но в нелинейной области, из-за чего могут появиться нужные «ламповые» гармоники. Выше в ролике канала «Узкомензурно» автор говорит именно о том же самом: при несимметричном искажении полуволн амплитуды переменного сигнала будут появляться преимущественно чётные гармоники.
За вечер, используя два мультиметра и манипулируя ручками регулировки на ЛБП, я снял показания и «скормил» их нейронке с просьбой сделать из них код для gnuplot. (Боже, это просто офигенно удобная и волшебная возможность! Мне всегда казалось, что такого ни за что не случится на моём веку.)
На графике видно пару ступенек, которые объясняются ограничением разрядности цифрового прибора, измерявшего напряжение. Решил не мухлевать с данными и оставить их как артефакт квантования. Я вообще стараюсь никогда не обманывать ни читателя, ни себя и давать ровно те данные, которые получил в ходе опыта.
Из полученного графика было решено установить рабочую точку светодиода в районе 1,76 В и подавать на вход сигнал с размахом примерно 120 мВ, чтобы она не уходила в отсечку и сигнал не клипировался. При небольшой амплитуде входного сигнала эффект мог не проявиться в должной мере.
Диод можно наглядно представить как подпружиненный клапан, который открывается при определённом давлении. Но не резко: сначала он чуть-чуть цедит через щёлочку, но если дать напор сильнее, то он открывается полностью и уже давление почти не сдерживает, пропуская максимальный поток. Но хочу предостеречь вас от соблазна объяснять электричество подобными аналогиями, это лишь упрощённая модель, имеющая множество отличий. Лучше изучайте основы электроники по учебникам.
Важно для общей картины упомянуть схемотехнику диодных «софт-клипперов», ограничителей амплитуды сигнала (ссылка на интерактивную модель). Такие решения повсеместно применяются при создании разного рода гитарных примочек. Насколько мне известно, у них есть множество вариаций (например, ставят в одно плечо два последовательно соединённых диода или комбинируют Ge и Si диоды — у них различается порог открытия в прямой части ВАХ).
▍ Превозмогая трудности
В назначенный день испытаний я решил использовать в качестве источника сигнала и приёмника аудиокарту M-Audio Fast Track Pro, которая определялась моей ОС Linux Mint и позволяла воспроизводить и записывать звук.
Сгенерировал синусоидальный сигнал частотой 1 кГц и сохранил в виде WAV-файла. Стандартное приложение-аудиоплеер должно было по задумке воспроизводить файл с синусоидой, а программа Audacity — записывать результирующий сигнал, прошедший сквозь схему…
Не хочется грузить вас всеми подробностями мытарств и попыток запустить данную систему, потому что драйвер при выборе неудачных сочетаний настроек то не воспроизводил звук, то не принимал на запись. Затем обнаружились глюки в работе программы Audacity на запись. Я кое-как после многих часов опытов и боданий с системой и при помощи весьма толковых советов ИИ Claude 3.5 смог добиться долгожданного результата. Причём запись произвёл через программу SimpleScreenRecorder как раз по совету ИИ.
И когда полученный файл открыл в Audacity и включил спектрограмму, увидел на ней те самые «тёплые гармоники».
Обратите внимание, что на спектрограмме есть сразу пара артефактов некорректной работы аудиокарты. Вертикальные линии — это щелчки, происходящие каждые три секунды по неясной для меня причине. Если приблизить одиночный щелчок, то видно, будто в этот момент происходила потеря данных или исчерпывался некий буфер. А второй странный эффект заключается в том, что нестабильность оцифровки записи принимаемого сигнала приводила к «съезжанию» частоты сигнала на несколько десятков герц.
Уже измученный, я решил остановиться и продолжить на следующий день, но с изменением методики работы. В качестве источника сигнала я использовал портативный цифровой плеер с батарейным питанием, который был нагружен на резистор 50 Ом, развязанный по постоянному току конденсатором в 100 мкФ. Я включил на воспроизведение синусоидального сигнала громкостью 0 dBu и частотой 1 кГц, и установил громкость, сверяясь с показаниями TrueRMS цифрового вольтметра. При напряжении 65 мВ, примерно равно размаху амплитуды пик-пик в 184 мВ (на максимальной громкости; тестовая аудиозапись тише, её пиковые амплитуды едва достигают значений полного размаха).
Я хочу поделиться с вами результатом: в файле вы можете послушать монтаж «в склейку» оригинального сигнала и записи, прошедшей через схему. Я выровнял уровни громкости и сделал фрагменты покороче. На спектрограммах обоих сигналов видна разница. Вы услышите попарное сравнение чистого звука и обработанного, обогащённого, так сказать, ламповым теплом. Честно признаюсь, на слух я сам вряд ли отличу оригинал и результат. Видимо, врата аудиофильского рая для меня закрыты…
Ссылка на прослушивание файла в формате *.ogg.
В конце аудиофайла можно увидеть три коротких фрагмента: горизонтальная узкая полоса, вертикальная широкая полоса и взмывающая вверх кривая. Эти сигналы соответствуют синусу в 1 кГц, коричневому шуму и sweep-сигналу с изменяющейся частотой. Отчётливо видно, что над синусоидальными сигналами появляются гармонические двойники. Забавно, что при источнике сигнала в лице плеера появились слабые нечётные гармоники.
Ссылка на оригинальный файл, результат и нарезку: disk.yandex.ru/d/wycVrsZr84SUgg.
Если присмотреться, то видны различия и в форме сигнала. При отображении формы волны в начале синусоидального сигнала видны некоторые переходные процессы. А в начале sweep сигнала заметен паразитный всплеск неизвестного происхождения. Возможно, виновник этих артефактов — плеер. А ещё он плох как источник сигнала, потому что привносит помехи в линию из-за электромагнитных шумов внутреннего DC-DC преобразователя. Так же не ясна его выходная характеристика (АЧХ, коэф. искажений и т. п.).
▍ Заключение
Разумеется, моё оборудование сложно назвать прецизионным, но лучше хоть что-то делать и экспериментировать, чем ждать идеальных условий, которые могут и не наступить. Призываю вас проводить опыты и справляться имеющимся оборудованием.
Ах да, напоследок мне хочется сказать, что данный опыт — лишь черновик. Я хочу довести свою исследовательскую лабораторию до более высокого уровня технического оснащения. Постепенно переведу аудиокарту на батарейное питание, отвяжу её электрически от компьютера, в который сигнал будет уже оцифрованным приходить по оптике в виде SPDIF. Также я буду делиться с вами полноценными схемами и платами устройств, если они будут получаться :)
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
Автор: engine9
