CN1098539A - 声学系统增益和均衡电路 - Google Patents

Abstract

一种接收并处理声频信号的多频带均衡器，包括 多个分别处理不同频带的声频信号的运算放大器。 每个运算放大器包括反相输入端、非反相输入端、连 接于非反向输入端的电阻器、输出端、连接于输出端 与反相输入端之间的确定所处理频带上限用的反馈 电路，连接于反相输入端与地线之间的确定所处理频 带下限用的输入电路。加法电路连接于所有放大器 的输出端，以合成它们的输出信号。一组可变控制器 可选择地改变各输出的大小。

Description

本发明涉及一种均衡器电路，更确切地说涉及一种用来在各种目前能买到的声学系统中减少畸变和其他异常，并提高“清晰度”的增益和均衡电路。

声的产生、记录和重放系统可以取各种形式并实现各种功能，当然所有这些都涉及声信号的处理，其共同的目标在于最终尽可能准确地重放原始产生或记录的声音甚至“放大”它。在这些系统中值得提出的有扩声系统和使用传声器和扬声器的类似系统，无线电和电视广播系统，无线电和电视接收机，磁带录声机及唱片录声机和唱机，家用、汽车和便携式立体声系统，以及录音演播室系统。在所有这些系统中，都把声音转换成代表声音的电气声频信号，以某种方式处理它，然后再重放、传送到别的地方或者记录。在产生声音和处理声频信号的各个阶段，都有机会引进噪声来掩蔽真信号或使信号畸变（信号波形的不想要的改变），以致难以准确地重放声音。这样的噪声和/或畸变可能发生在声源本身中，例如仪器、语音等，发生在房间或演播室的声学配置中，发生在拾声并把它转换成电气声频信号的传声器中，发生在声频放大器和其他声频信号处理组件中，发生在录声设备和录声媒体中，发生在扬声器系统中，以及发生在声频信号传送设备中。

按理想，应从声频信号中去除所有噪声（或不允许其的最初影响），而且声频信号的所有处理应该没有畸变地进行，例如在声频信号的整个频带（声频谱）上应该等同地均匀地进行放大。然而，得到一个根本无畸变的最终声频信号是不可能的;相反，在重放一个声频信号和对这样一个信号进行其他处理的过程中，不可避免地引入某种形式的畸变（相位畸变、频率畸变、谐波畸变、互调畸变和噪声寄生）。与频率有关的畸变意味着所处理的信号按信号中所含有的不同频率而被不同地处理了，例如按不同数量被放大或相移了。该畸变，妨碍了所传送、记录或产生的原始声的准确重放。

由于力图在可能范围内减少那些由房间音响装置、传声器、扬声器、录声机和其他声频信号产生和处理组件所产生的畸变和其他不希望有的缺陷，提供了所谓“均衡器”。均衡器引起或引进一种很平坦的频率响应的受控畸变，去补偿或消除在信号原始产生和处理期间所引进的畸变。均衡器实际上以某种想要的方式改变声频系统的频率响应。最初均衡器由无源组件构成，旨在按某些频率提供衰减或削波。后来的设计通常由有源组件构成，一般是由真空管电路和运算放大器构成。

在如今使用的比较有名的均衡器中有所谓图形均衡器，该均衡器已被引入许多专业、家用及汽车声学系统中。图形均衡器一般这样构成，以使控制台和控制器呈现出由均衡器所建立的频率响应的图形显示外观，例如哪些声频信号的频带被放大和哪些被削波的外观。在被称为参量式均衡器的另一种均衡器中，包括频率选择、放大或削波、以及带宽控制在内的三个均衡参量都可以单独变化。

录制、广播和电视演播室中使用比较复杂的演播室均衡器，这种均衡器主要由一组并联的带通滤波器组成，其中各滤波器的中心频率由像倍频程或其分数（一般是三分之一）之类的某个限定数量来分离。每个滤波器的增益或衰减可以单独调整，其结果是可在整个声频范围内连续设定总频率响应。

《混频器》1992年12月第22页的一篇最新评论指出，目前可提供的均衡器在进行高质量“均衡”方面无能为力，其内容是：

“一直存在伴随均衡器（EQ）的严重问题。当然我指的是我们的老朋友模拟均衡器先生。它从来没有正确地工作过，而且永远也不会正确地工作。……。

”虽然模拟均衡器将改变一个电路的响应特性，借此增加或减少在给定的频带中所通过的能量，但价格高得吓人。……

“均衡器使你的磁迹模糊、削弱、损坏。用不了多久你就会认识到均衡器是一场交易。你要尽你所能在副作用干的破坏超过均衡器干的好事之前使用它。……“所有这一切都是由于相移。越均衡则相移越大;这就是它在如何干！在真正的零系数（FIR）（有限脉冲响应）数字均衡器最近问世之前，无相移的均衡只不过是一场梦。……”

上面引述的评论中作为实现无相移均衡的一种手段提到数字均衡的一种手段提到数字均衡器，而这可能是也可能不是真的，但是无论如何数字均衡器是非常贵的，它需要模-数转换电路、数字处理电路和数-模转换电路，所有这些电路都可能以某种方式使信号改变或畸变。

本发明的一个目的在于提供用来对声频信号加以处理并进行均衡的一种新的改进的均衡器电路。

本发明的另一个目的在于提供这样一种电路，使该电路能对声频输入信号有选择地提供增益和均衡。

本发明的另一个目的在于提供这样一种电路，使该电路用来在目前现有的声学系统中有效地减少畸变，借此提高清晰度。

本发明的另一个目的在于提供一种模拟均衡器，该均衡器设计简单，比较便宜并且在实现没有明显相移的均衡方面仍然有效。

本发明的另一个目的在于提供这样一种电路，使该电路能准确地重放一个声频方波。

本发明的另一个目的在于提供这样一种电路，该电路能作为一个声频前置放大器的一部分实施并在需要均衡的其他环境中实施。

本发明的另一个目的在于提供一种增益和均衡电路，该电路具有大体上无畸变（平坦）的频率响应。

本发明的以上目的和其他目的是在用来处理所收声频信号的增益和均衡电路的具体的说明性的实施例中实现的，它包括多个运算放大器，每个运算放大器用来处理并有选择地放大声频信号的不同频带以便产生一个输出信号。每个运算放大器包括一个反相输入端、一个用来接收声频信号的非反相输入端、一个输出端、一个耦合于反相输入端与地电位之间的用来确定由该运算放大器所处理的频带的低端的高通滤波器网络，以及一个耦合于输出端与反相输入端之间的用来确定由该运算放大器所处理的频带的高端的低通滤波器网络。该增益和均衡电路还包括一个加法电路，其耦合于各运算放大器的输出端的，用来有选择地衰减一些所选输出信号，并用来把这些信号合成以产生覆盖声频谱或其想要的部分谱的最终合成信号。

根据对下面结合附图给出的详细描述的思考，本发明的以上和其他目的、特征和优点将变得显而易见，这些附图中。

图1画出按照本发明的原理制成的一种增益和均衡电路的原理图;以及

图2画出由图1的运算放大器电路所产生的单个波形及通过单个波形的组合产生的最终波形。

参见图1，图中画出按照本发明制成的一种均衡器电路的一个说明性实施例，该电路包括多个带有配套的反馈电路8和输入电路12的互相并联的运算放大器4。一个声频信号输入端14经由一个电阻分压器16和17、及电阻器18耦合于这些运算放大器4的各自的非反相输入端，多个各由一个电容器20和一个电阻器24的串联组成的输入电路12耦合于地电位与每个运算放大器4的反相输入端之间。多个各由一个电容器28和电阻器32并联组成的反馈电路把每个运算放大器4的输出端耦合于它的反相输入端，如图所示。

每个运算放大器4的输出端耦合于一个加法电路40，该电路包括各耦合于不同的运算放大器4的输出端的一组可变电阻器36。该加法电路40还包括一个运算放大器44，该放大器的非反相输入端耦合于地而它的输出端经由一个电容器48和一个电阻器52的并联电路耦合于该放大器的反相输入端。每个可变电阻器36同样耦合于运算放大器44的反相输入端。

该加法电路40的输出端耦合于一个输出负载隔离电路60，该电路包括一个电容器64、并联耦合于该电容器64和一个输出端76之间的一个电阻器68和电感器72、以及一个从地电位耦合到电容器64、电阻器68与电感器72之间的结点的电阻器80。

每个带有配套的输入和反馈电路的运算放大器4起滤波器的作用，让输入声频信号的一个不同的频带通过。例如，如果想要一个六频带均衡器，就设置六个运算放大器，六个频带的频率中心，为便于说明，可以是但不限于10Hz、40Hz、160Hz、640Hz、2560Hz和10240Hz，边缘（skirt）变化在离各自的中心频率一个倍频程处≈11/2dB，在两个倍频程处≈6dB，在三个倍频程处≈10dB，在四个倍频程处≈13    1/2dB。由电容器28与电阻器32所组成的反馈R/C网络的值和由电容器20与由阻器24所组成的输入R/C网络的值选成得到所考虑的频带各自的中心频率。每个运算放大器的反馈R/C网络8形成一个低通滤波器以便确定所考虑频带的高端衰减或截止，而每个运算放大器的输入R/C网络12形成一个高通滤波器以便确定该频带的低端衰减。用图1的配置时，各电容器20可使用相同值的电容器;而各电容器28也可使用相同值的电容器，但需要不同值的电阻器以保证想要的工作特性。例如，为了得到上面针对一个六频带均衡器所确定的中心频率，电容器和电阻器的适当值可以是：

电容器    20a-20f＝2μf

电容器    28a-28f＝0.2μf

电阻器    24a＝8Ω

电阻器    24b＝32Ω

电阻器    24c＝128Ω

电阻器    24d＝512Ω

电阻器    24e＝2048Ω

电阻器    24f＝8192Ω

电阻器    32a＝80Ω

电阻器    32b＝320Ω

电阻器    32c＝1280Ω

电阻器    32d＝5120Ω

电阻器    32e＝20480Ω

电阻器    32f＝81920Ω

其它电路元件的示例值为：

电阻器    18＝1.0kΩ

可变电阻器    36＝从1.1kΩ至101.1kΩ

电阻器    52＝11.1kΩ

电容器    48＝22pf

电容器    64＝470μf

电阻器    80＝10kΩ

电阻器    68＝47Ω

电感器    72＝100μH

图1的运算放大器4，为便于说明，可以是但不限于Signetics公司制造的NE5532AN型放大器。

用所述的电路配置时，相位畸变（相移）减少，在每个频带的输出端测量时中心频率处基本上没有相移，只在靠近该频带的高端和低端处有边缘相移。最终信号（把所有频带分量相加得出）是高清晰的、基本上没有畸变的声频信号。

图2画出图1的几个相邻的运算放大器的输出波形，及把几个波形组合或相加得出的最终波形，以便表明可达到的平坦的频率响应。

设置电阻分压器16以便衰减或降低供给输入端14的声频信号的输入值，如果这样一个信号的振幅过大的话，例如当从一个声频线放大器收到声频信号时。在用运算放大器4及配套电路实现均衡的过程中，除了能够修整频率响应之外，还能再次把声频信号放大到想要的值。;如果不需要声频输入信号的衰减，则可从图1电路中去掉电阻分压器，例如，如果图1的均衡器电路作为一个组合式均衡器/前置放大器而用于一个传声器/扬声器系统，就是这种情况。在该情况下，只是用图1的电路代替传声器/扬声器系统中常规的前置放大器，而带有配套电路的运算放大器4则提供从传声器收到的信号的想要的放大或“前置放大”和均衡。

设置电阻器18以便使工作及运算放大器4对输入信号的处理稳定。

设置可变电阻器36以便有选择地放大或衰减供给它的各自频带。宜设置一些十一位置可变电阻器开关，每个开关提供五档增益和五档衰减，在中央位置的一档信号值不发生变化。这样一来，可通过这些可变电阻器36的人工调整来确定每个运算放大器信号在最终“均衡”信号中的分量。来自每个运算放大器的分量信号由加法电路40合成，然后经由隔离电路60送到输出端76。

应该指出，上述方案仅是本发明原则的说明性的应用。本专业的技术人员可以设计出各种修改和替代方案而不脱离本发明的精神和范围，所附权利要求书用于覆盖这些修改和方案。

Claims (14)

1、一种用来处理一个所收到的声频信号的电压增益和均衡电路，它包括：

多个运算放大器装置，每个都用来处理并有选择地放大该声频信号的一个不同的频带以便产生一个输出信号，并且每个都包括：

一个反相输入端，

一个用来接收该声频信号的非反相输入端，

一个输出端，

耦合于该反相输入端和地线之间的、用来确定由所述每个运算放大器装置所处理的该频带的低端的高通滤波器装置，

耦合于该输出端与该反相输入端之间的、用来确定由所述每个运算放大器装置所处理的该频带的高端的低通滤波器装置，以及

耦合于每个运算放大器装置的这些输出端的、用来合成它们的输出信号以便产生一个最终信号的装置。

2、根据权利要求1所述的电压增益和均衡电路，它还包括一个用来把该合成装置耦合于一个负载的隔离网络。

3、根据权利要求1所述的电压增益和均衡电路，其中所述合成装置包括一组可变电阻装置，每个都耦合于各自的运算放大器装置的所述输出端与该合成装置之间，以便有选择地改变来自所述各自的运算放大器装置的所述输出信号的大小。

4、根据权利要求1所述的电压增益和均衡电路，其中每个运算放大器装置包括一个耦合于所述每个运算放大器装置的所述非反相输入端的电阻装置。

5、根据权利要求4所述的电压增益和均衡电路，其中每个高通滤波器装置包括一个耦合于反相输入端与地线之间的一个第一电容器和一个第一电阻器的串联电路，其中该第一电容器的电容和该第一电阻器的电阻被选成使不同于其他运算放大器装置的那些频带的一个频带的低端被衰减。

6、根据权利要求5所述的电压增益和均衡电路，其中每个低通滤波器装置包括一个由一个第二电容器和一个第二电阻器组成的并联电路，其中该第二电容器的电容和该第二电阻器的电阻被选成使不同于其他运算放大器装置的那些频带的一个频带的高端被衰减。

7、根据权利要求6中所述的电压增益和均衡电路，其中由该组运算放大器装置所处理的频带之间的间隔约为一个系数4。

8、根据权利要求6所述的电压增益和均衡电路，其中有六个用来分别处理声频信号的六个不同频带中各自的一个的运算放大器装置，这里各个频带的中心频率为10Hz、40Hz、160Hz、640Hz、2560Hz和10240Hz，而在离各个中心频率一个倍频程处的边缘变化约为1  1/2dB，在两个倍频程处约为6dB，在三个倍频程处约为10dB，在四个倍频程处约为13  1/2dB。

9、根据权利要求6所述的电压增益和均衡电路，其中所有这些第一电容器的电容值基本上相同，而且其中所有这些第二电容器的电容值也基本上相同。

10、一种用来接收并处理一个声频信号的多频带均衡器，它包括：

多个运算放大器装置，每个都用来处理该声频信号的一个不同的频带以便产生一个输出信号，并且每个都包括：

一个反相输入端，

一个非反相输入端，

耦合于该非反相输入端的用来接收声频信号并把它供应给该非反相输入端的电阻器装置，

一个输出端，

耦合于该输出端与该反相输入端之间的用来确定由所述每个运算放大器装置所处理的该频带的上限的反馈电路装置，

耦合于该反相输入端与地电位之间的用来确定由所述每个运算放大器装置所处理的该频带的下限的输入电路装置，以及耦合于每个运算放大器装置的这些输出端的用来合成它们的输出信号以便产生一个最终信号的加法电路装置。

11、根据权利要求10所述的均衡器，其中所述加法电路包括一组可变电阻装置，每个都耦合于一个不同的运算放大器装置的所述输出端，以便有选择地改变来自所述各自的运算放大器装置的所述输出信号的大小。

12、根据权利要求11所述的均衡器，其中每个反馈电路装置包括一个由一个电容器和一个电阻器组成的并联电路，而且其中每个输入电路装置包括一个由一个电容器和一个电阻器组成的串联电路。

13、一种用来对从传声器等接收的一些声频信号进行处理的组合式前置放大器/均衡器，它包括：

多个用来有选择地放大这些声频信号的一个不同的频带以便产生一个输出信号的运算放大器装置，每个运算放大器装置包括一个反相输入端，一个非反相输入端，一个输出端，以及用来接收这些声频信号并把它们供应给该非反相输入端的电阻器装置，

多个可变电阻器装置，每个都耦合于一个不同的运算放大器装置的所述输出端，以及

耦合于这些可变电阻器装置中的每一个的用来合成这些运算放大器装置的这些输出信号以便产生一个最终信号的加法电路装置。

14、根据权利要求13的所述的组合式前置放大器/均衡器，其中每个运算放大器装置包括：

耦合于所述每个运算放大器装置的所述输出端与反相输入端之间的反馈装置，它包括一个由一个电容器和一个电阻器组成的并联电路以及

耦合于所述每个运算放大器装置的反相输入端的输入装置，它包括一个由一个电容器和一个电阻器组成的串联电路。

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