Детектор Блэкмера RMS

Детектор Блэкмера RMS — это электронный преобразователь истинного среднеквадратического значения, изобретенный Дэвидом Э. Блэкмером в 1971 году. Детектор Блэкмера в сочетании с ячейкой усиления Блэкмера образует ядро ​​системы шумоподавления dbx и различных профессиональных процессоров аудиосигналов, разработанных dbx, Inc. .

В отличие от более ранних детекторов RMS, которые усредняли по времени алгебраический квадрат входного сигнала, детектор Блэкмера выполняет усреднение по времени логарифма входного сигнала, являясь первым успешным коммерческим экземпляром логарифмического фильтра . Схема, созданная методом проб и ошибок , с высокой точностью вычисляет среднеквадратическое значение различных сигналов, хотя точная природа ее работы не была известна изобретателю. Первый математический анализ логарифмической фильтрации и математическое доказательство изобретения Блэкмера были предложены Робертом Адамсом в 1979 году; Общая теория синтеза логарифмических фильтров была разработана Дугласом Фреем в 1993 году.

Операция

Путь развития от традиционного логарифмически-антилогарифмического детектора RMS (вверху) к детектору Blackmer RMS (внизу) в его запатентованной конфигурации 1971 года. Символы диодов обозначают транзисторы с диодным соединением; Собственно диоды имеют худшие логарифмические характеристики, и их следует избегать в прецизионных схемах.

Среднеквадратичное значение (RMS), определяемое как квадратный корень из среднего квадратического входного сигнала с течением времени, является полезным показателем переменных токов . В отличие от пикового или среднего значения, среднеквадратичное значение напрямую связано с энергией и эквивалентно постоянному току , который потребуется для получения такого же нагревательного эффекта. В аудиоприложениях среднеквадратичное значение является единственным показателем, напрямую связанным с воспринимаемой громкостью , поскольку оно нечувствительно к фазе гармоник в сложных формах сигналов . Магнитная запись и воспроизведение неизбежно смещают фазы гармоник; настоящий преобразователь RMS не будет реагировать на такой фазовый сдвиг. Более простые пиковые детекторы или детекторы среднего , наоборот, реагируют на изменения фазы изменением выходных значений, хотя уровень энергии и громкость остаются неизменными. По этой причине Дэвиду Блэкмеру, разработчику системы шумоподавления dbx , требовался экономичный прецизионный детектор среднеквадратичных значений, совместимый с ячейкой усиления Блэкмера . Последний имел экспоненциальную характеристику управления, поэтому подходящий детектор должен был иметь логарифмический выходной сигнал.

Современные электронные детекторы среднеквадратичного значения имели «нормальный», линейный выходной сигнал и были построены в точном соответствии с определением среднеквадратического значения. Детектор будет вычислять квадрат входного сигнала, усреднять квадрат по времени с помощью фильтра нижних частот или интегратора , а затем вычислять квадратный корень из этого среднего значения для получения линейного, а не логарифмического выходного сигнала. Аналоговое вычисление квадратов и квадратных корней выполнялось с использованием либо дорогих аналоговых умножителей с переменной крутизной (которые остаются дорогими в 21 веке). ) или более простые и дешевые логарифмические преобразователи, использующие экспоненциальную вольт-амперную характеристику транзистора биполярного . Преобразование термического среднеквадратичного значения было слишком медленным для аудио; электронные детекторы среднеквадратичных значений прекрасно работали в измерительных приборах, но их динамический диапазон был слишком узок для профессионального звука - именно потому, что они работали с квадратами входного сигнала, занимая вдвое больший динамический диапазон.

Блэкмер предположил, что детектор логарифм-антилогарифм можно упростить, взяв обработку логарифмической области, исключив физическое возведение в квадрат входных сигналов и, таким образом, сохранив его полный динамический диапазон. Возведение в квадрат и извлечение квадратных корней в логарифмической области очень дешевы, поскольку представляют собой простое масштабирование с коэффициентом 2 или 1/2. Однако простые линейные фильтры не работают в журнале, выдавая неправильный и нерелевантный результат. Для правильного усреднения по времени потребовались нелинейные фильтры еще неизвестной топологии. Блэкмер предложил простую замену резистора в RC -цепи на кремниевый диод, смещенный с фиксированным током холостого хода. такого диода при слабом сигнале Поскольку импеданс линейно контролируется током, изменение этого тока контролирует время установления детектора. Частота среза этого фильтра первого порядка равна

$f_{c}={\frac {1}{2\pi }}({\frac {I_{idle}}{\phi _{t}C}})$,

где $\phi _{t}$ — тепловое напряжение (следовательно, частота смещается с температурой). Уравнение справедливо для диапазона токов холостого хода более 60 дБ , что обеспечивает широкие возможности настройки. Схема имеет быструю атаку и медленное затухание, которые привязаны друг к другу и не могут регулироваться отдельно. Логарифмическое выходное напряжение пропорционально среднему квадрату при скорости около 3 мВ/дБ и пропорционально среднеквадратическому значению при скорости около 6 мВ/дБ.

Когда была построена грубая испытательная схема, Блэкмер и его коллеги не ожидали, что она будет работать как настоящий среднеквадратичный детектор, но это сработало. По словам Роберта Адамса, он «вёл себя идеально». и строгие испытания с различными формами сигналов подтвердили идеальные среднеквадратичные характеристики. Схема была абсолютно нечувствительна к фазовым сдвигам входного сигнала. Он был немедленно запатентован и использован в dbx, Inc. профессиональные аудиопроцессоры. Никто в компании, включая Блэкмера, не мог объяснить, почему это вообще работает, до 1977 года, когда Роберт Адамс начал работу над правильным математическим доказательством соответствия RMS. Адамс попытался распространить концепцию домена журнала на топологию Саллена – Ки, но потерпел неудачу. Он опубликовал свою диссертацию в 1979 году, а позже был признан изобретателем концепции логарифмического фильтра. но идея оставалась неизвестной широкой публике до новаторской работы Дугласа Фрея в 1993 году .

Ссылки

Библиография

• Адамс, Роберт (2006). «Предисловие». У Гордона В. Робертса, Винсента В. Люнга (ред.). Проектирование и анализ схем логарифмического фильтра на основе интегратора . Springer Science & Business Media. ISBN  9780306470547 .
• Робертс, Гордон; Люнг, Винсент (2006). Гордон В. Робертс, Винсент В. Люнг (ред.). Проектирование и анализ схем логарифмического фильтра на основе интегратора . Springer Science & Business Media. ISBN  9780306470547 .
• Тайлер, Лес; Кирквуд, Уэйн (2008). «12.3.4 Специальные аналоговые интегральные схемы для аудиоприложений». В Глене Баллоу (ред.). Справочник для звукорежиссеров. Четвертое издание . Фокальный/Эльзевир. ISBN  978-0-240-80969-4 .