Детектор Blackmer RMS - Blackmer RMS detector

В Детектор Blackmer RMS электронный истинный преобразователь RMS изобретен Дэвид Э. Блэкмер в 1971 году. Детектор Блэкмера в сочетании с Ячейка усиления Блэкмера, формирует ядро уменьшение шума dbx система и различные профессиональное аудио сигнальные процессоры разработан dbx, Inc.

В отличие от более ранних детекторов RMS, которые усредненный по времени алгебраический квадрат входного сигнала, детектор Блэкмера выполняет усреднение по времени на логарифм входа, являясь первым успешным, коммерциализированным экземпляром лог-домен фильтр.[1] Схема, созданная методом проб и ошибок, вычисляет среднеквадратичный различных форм сигналов с высокой точностью, хотя точный характер его работы не был известен изобретателю. Первый математический анализ фильтрации лог-домена и математическое доказательство изобретения Блэкмера были предложены Роберт Адамс в 1979 г .; Общая теория синтеза лог-доменных фильтров была разработана Дуглас Фрей в 1993 г.[2]

Операция

Путь развития от традиционного детектора логарифмического анти логарифмического СКЗ (вверху)[3] к детектору Blackmer RMS (внизу) в его запатентованной конфигурации 1971 года.[4] Символы диодов обозначают транзисторы с диодным соединением; Собственно диоды имеют худшие логарифмические характеристики, и их избегают в прецизионных схемах.[5]

Среднеквадратичное значение (RMS), определяемый как квадратный корень из средний квадрат входного сигнала с течением времени является полезным показателем переменные токи. В отличие от пикового значения или среднего значения, RMS напрямую связано с энергия, что эквивалентно постоянный ток это потребовалось бы для получения такого же нагревающего эффекта. В аудиоприложениях RMS - единственный показатель, напрямую связанный с воспринимаемым громкость, нечувствительный к фазе гармоники в комплексе формы волны.[6] Магнитная запись и воспроизведение неизбежно смещается фазы гармоник; а истинный преобразователь RMS не будет реагировать на такой сдвиг фазы. Проще пиковые детекторы или же средние детекторы напротив, реагируют на изменения по фазе изменением выходных значений, хотя уровень энергии и громкость остаются неизменными. По этой причине Дэвид Блэкмер, дизайнер уменьшение шума dbx системе, требовался экономичный прецизионный детектор RMS, совместимый с Ячейка усиления Блэкмера.[6] Последний имел экспоненциальную регулирующую характеристику, поэтому подходящий детектор должен был иметь логарифмический выход.[1]

Современные электронные детекторы RMS имели «нормальные» линейные выходные сигналы и были построены в точном соответствии с определением RMS. Детектор будет вычислять квадрат входного сигнала, усредняя квадрат по времени, используя фильтр нижних частот или интегратор, а затем вычислить квадратный корень из этого среднего, чтобы получить линейный, а не логарифмический результат. Аналоговое вычисление квадратов и квадратных корней выполнялось с использованием либо дорогостоящей переменной крутизны, либо аналоговые умножители (которые остаются дорогими в 21 веке[7]) или проще и дешевле логарифмические преобразователи использование экспоненциальный вольт-амперная характеристика из биполярный транзистор.[1] Преобразование теплового RMS был слишком медленным для аудио; электронные детекторы RMS отлично работали в измерительных приборах, но их динамический диапазон были слишком узкими для профессионального аудио - именно потому, что они работали на квадраты входного сигнала, увеличивая вдвое динамический диапазон.[1][7]

Блэкмер рассуждал, что детектор лог-антилогарифмический анализ можно упростить, перенеся обработку на лог-домен, исключив физическое возведение входных сигналов в квадрат и, таким образом, сохранив его полный динамический диапазон.[3] Возведение в квадрат и извлечение квадратного корня из логарифмической области очень дешево, так как это простое масштабирование в 2 или 1/2 раза.[7] Однако простой линейные фильтры не работают в домене журнала, производя неправильный, не относящийся к делу результат. Требуется правильное усреднение по времени нелинейные фильтры еще неизвестной топологии. Блэкмер предложил простую замену резистор в RC сеть с кремнием диод пристрастный с фиксированным током холостого хода. Поскольку слабосигнальный сопротивление такого диода линейно регулируется током, изменяя этот ток, регулируя время установления детектора.[3] Частота среза этого фильтра первого порядка равна

,[5]

куда является тепловое напряжение (следовательно, частота сдвигается с температурой). Уравнение действительно для диапазона токов холостого хода более 60 дБ, что дает широкие возможности настройки.[4][8] Схема имеет быструю атаку и медленное затухание, которые связаны друг с другом и не могут быть настроены отдельно.[9] Логарифмическое выходное напряжение пропорционально среднему квадрату со скоростью около 3 мВ / дБ и пропорционально среднеквадратичному значению на уровне около 6 мВ / дБ.[9]

Когда была построена грубая испытательная схема, Блэкмер и его сотрудники не ожидали, что она будет работать как истинный детектор среднеквадратичного значения, но это произошло. По словам Роберта Адамса, он «вел себя идеально»,[4] и тщательные испытания с различными формами сигналов подтвердили идеальные среднеквадратичные характеристики. Схема была абсолютно нечувствительна к фазовым сдвигам входного сигнала. Он был немедленно запатентован и применен 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 надлежащим математическое доказательство соответствия RMS.[4] Адамс попытался расширить концепцию лог-домена на Топология Саллена – Ки и не удалось.[4] Он опубликовал свою диссертацию в 1979 году и позже был признан изобретателем концепции фильтра лог-домена.[10] но идея оставалась неизвестной широкой публике до новаторской работы 1993 г. Дуглас Фрей.[11][2]

Рекомендации

  1. ^ а б c d Адамс 2006, п. xii.
  2. ^ а б Робертс и Люн 2006, п. 11.
  3. ^ а б c Адамс 2006, п. xiii.
  4. ^ а б c d е Адамс 2006, п. xiv.
  5. ^ а б Робертс и Люн 2006, п. 10.
  6. ^ а б Адамс 2006, п. xi.
  7. ^ а б c Тайлер и Кирквуд, 2008 г., п. 346.
  8. ^ Робертс и Люн 2006, п. XV.
  9. ^ а б Тайлер и Кирквуд, 2008 г., п. 348.
  10. ^ Робертс и Люн 2006, п. 6.
  11. ^ Адамс 2006, п. XV.

Библиография

  • Адамс, Роберт (2006). «Предисловие». В Гордоне В. Робертсе, Винсенте В. Люнге (ред.). Проектирование и анализ схем лог-доменных фильтров на основе интеграторов. Springer Science & Business Media. ISBN  9780306470547.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Робертс, Гордон; Люн, Винсент (2006). Гордон В. Робертс, Винсент В. Люн (ред.). Проектирование и анализ схем лог-доменных фильтров на основе интеграторов. Springer Science & Business Media. ISBN  9780306470547.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Тайлер, Лес; Кирквуд, Уэйн (2008). «12.3.4 Выделенные аналоговые интегральные схемы для аудио приложений». В Глен Баллоу (ред.). Справочник звукорежиссера. Четвертый выпуск. Focal / Elsevier. ISBN  978-0-240-80969-4.