Доработка бюджетного студийного конденсаторного микрофона или нестандартное схемное решение для стандарта фантома 48V, 6.8 кОм/6.8 кОм.

[Павлунчик]

ВНИМАНИЕ! - Данная схема НЕ РАБОТАЕТ с трансформаторным входом. Таковой проектировалась изначально и сознательно.
Вопросы о "пристройке транса" с ТС не обсуждаются.

Хочу поделиться с интересующимися довольно своеобразным схемным решением преобразователя импеданса студийного конденсаторного микрофона. Схема с успехом прошла испытания в десятках студий (любительских и профессиональных). Интересно ваше мнение, пожелания, критика основанная на реальных измерениях или эмуляции.
Идея (кстати родилась в Ташкенте) простая - два повторителя с раздельным питанием от резисторов источника фантома 48V звуковой карты + ПОС "слежения" с выхода усилителя в цепь питания первого каскада посредством двух конденсаторов.
Более полугода шло активное обсуждение этой идеи на другой площадке - где тема называлась "В помощь Самоделкину. "Нерадивый" конденсаторный микрофон зазвучит лучше!", её нетрудно найти в инете. Немало повторивших эту схему, тестов-сравнений, восторженных отзывов, здоровой критики и, куда без них - группа "вечно критикующих но не практикующих". Недавно вышел ролик, где эту схему тестирует один из увлечённых микрофонной тематикой. Естественно не "доктор акустических наук" но треки для сравнения любезно представил за что ему огромная благодарность.
https://www.youtube.com/watch?v=o6fv...ature=youtu.be
Схема -
Полевой транзистор можно выбрать из широкого списка маломощных - K30, 5457,305, 202, 5485 и т.п. Простая настройка - подбор R8 для установки на выходе "3" (он же третий контакт XLR разъёма) постоянного напряжения в пределах 20-21V.
Дроссели - ферритовые бусинки. Хотя можно и без них. Возбуждение схемы на ВЧ не замечалось.



---------- Сообщение добавлено 17:00 ---------- Предыдущее сообщение было 16:54 ----------

Тест в эмуляторе -


---------- Сообщение добавлено 19:09 ---------- Предыдущее сообщение было 17:00 ----------

Тест - коэффициент передачи -



Тест - эффективность компенсации паразитной ёмкости входа (сигнал подаётся на вход через очень малую ёмкость - 0.1 пФ). Как это отражается на КНИ и коэффициенте передачи -



---------- Сообщение добавлено 22:43 ---------- Предыдущее сообщение было 19:09 ----------

Далеко не во всех бюджетных КМ встроен высоковольтный преобразователь (варианты ВП рассмотрим позже) но и без него схема может "оставить" для питания капсюля около 46 Вольт, а вкупе с малыми потерями по передаче, после доработки "нерадивого" мика, мы получим ощутимый прирост чувствительности.
Капсюль обозначен на схеме, как C1.



---------- Сообщение добавлено 23:36 ---------- Предыдущее сообщение было 22:43 ----------

Тест - питание 24V -
Схема, сама по себе, достаточно линейна даже при значительном снижении напряжения питания и превосходно линейна от 40V вплоть до 60V.



По совету уважаемого semimat, для предотвращения резкого броска напряжения на выходе схемы, около 10 Вольт, в момент включения фантомного питания, схема дополняется диодом (1N4148 или аналогом) -



Для обеспечения наиболее плавного и безопасного запуска включать фантомное питание только после подключения устройства. Эта рекомендация относится и к другим КМ с фант.пит. 48В.

[Igor EV]

Не на затвор, а между общим и оторванной от него "нижней" обкладкой эквивалента капсюля. В первом посте это рис 2.

ОК. Теперь давайте определимся с сопротивлениями резисторов делителя. Имеет ли это значение? Напр, 2 варианта: а) 15кОм и 960 Ом; б) 3кОм и 192 Ом

[Tuvalu]

Особого значения не имеет, т.к. 75 пФ - это гигантское входное сопротивление. Но я бы выбрал б).

[semimat]

По поводу калибровки не только предусилителя, но и разных звуковых карт с целью создания одинаковых условий при записи звуковых файлов для последующего обмена и корректного сравнения, мы здесь в районе 4хх...5хх постов много идей предлагали. Я все-таки рекомендую всем спаять одинаковый генератор меандра 1 кГц на КМОП логической микросхеме 561ЛП2 (CD4030). Она самая дешевая - 10 рублей (конечно, можно и на других). Амплитуда или полный размах меандра в этом случае контролируется простым напряжением питания, которое легко точно установить, например, 5 Вольт. Делитель напряжения лучше выбрать так, чтобы сигнал р-р на выходе был около 5мВ, а выходное сопротивление около 30 Ом. Тогда такой сигнал можно подать и на вход любой звуковой карты без значимой просадки амплитуды, а не только на вход полевика. Сигнал 5 мВ р-р способны проглотить практически все усилители, и при этом сигнал/шум будет вполне достаточный даже не в спектральных измерениях. Выходное сопротивление 30 Ом позволит также измерять шумы (при выключении питания генератора), поскольку оно почти равноценно короткому замыканию.
Рекомендую попробовать такой простой генератор двух противофазных меандров. Он может оказаться полезным для многих измерений. Он обладает малым током потребления и может питаться от гальванически развязанного источника с напряжением, отличным от 5 Вольт (главное - знать сколько).

Вот его парафазные меандры

А вот просадка полок меандров из-за наличия разделительных конденсаторов С2 и С3. Она не превосходит 15 микровольт.

При спектральных измерениях мы будем иметь набор пиков на частотах 1, 3, 5, 7 и т.д кГц.
Можно, конечно, еще добавить делитель частоты пополам на 651ТМ2, чтобы получить более симметричный меандр, но я думаю, что и этого варианта хватит.
При наличи у всех одинакового генератора достаточно к каждой записи добавлять одну...пять секунд меандра. Это позволит иметь во всех файлах единую калибровку.
Можно, конечно, надеяться и на встроенные в звуковые карты генераторы, полагая, что они калиброванные у всех звуковых карт. Но я считаю старый способ более надежным и универсальным.

[real64]

Просто нужно придумать методику, которую может повторить кто угодно.

В изначальной теме у меня это было вот так:
https://rmmedia.ru/threads/140756/post-2484144
https://rmmedia.ru/threads/140756/post-2484384

[Igor EV]

Мы так по кругу будем ходить Каждый предлагает свой вариант.
ИМХО, методика должна быть максимально простая, иначе повторить сможет/захочет далеко не каждый.
У нас есть два варианта:
1) Генератор, предложенный semimat. Между прочим, у меня нет ни 561ЛП2, ни CD4030. Думаю, что я такой не один.
2) Программный генератор, который имеется в составе SpectraPlus. Единственный минус этого варианта - необходимость измерить напряжение на выходе карты. Но это значительно проще, чем паять схему из варианта 1.
Есть еще варианты?

[Гоша]

Для измерения напряжения шума микрофона с имитатором капсюля не нужно мастырить никаких генераторов, тем более подавать сигнал с генератора на вход микрофона.
Нужно знать 2 величины - коэффициент усиления карты Кcard в режиме измерения и напряжение ее шума Ncard в этом режиме.
Под режимом измерения я подразумеваю такие начальные установки регуляторов канала записи ЗК (Gain, Pad, etc), которые всегда при измерении устанавливаются одинаково. "Положение регулятора Gain на 12 часов" неприемлемо, регуляторы должны быть введены/выведены до упора.
Как узнать Кcard карты при начальных установках?
Надо соединить вход ЗК с ее выходом через делитель 1/100 (1/1000).Если речь идет о схеме FIN, то нижний резистор делителя должен быть 47 Ом, соответственно верхний 4К7 или 47К. Впрочем, коэффициент деления непринципиален, его потом можно учесть арифметически.
Если вход ЗК дифференциальный, то сигнал на 3 пин XLR надо подавать с делителя, а пин 2 соединить с землей через конденсатор 100+мкФ.
Заводим генератор ЗК на частоте 100Гц. 100 Гц для того, чтобы можно было измерить RMS на выходе генератора любым мультиметром.
Я для генерации синуса на выходе ЗК использую Audacity, поскольку она позволяет одновременно воспроизводить синус на выходе и записывать сигнал с входа. Можно использовать любую другую программу, умеющую делать то же.
Регулятором уровня выходного сигнала добиваемся такого сигнала в канале записи, чтобы не было ограничения. Многие ЗК имеют индикатор клипа, надо установить выходной уровень сигнала ЗК так, чтобы канал записи был на грани загорания индикатора клипа, и будет еще 3дБ запаса.
Теперь измеряем напряжение на выходе ЗК и запоминаем его.
Регуляторы больше не трогаем.
Записываем сигнал с входа в .wav файл. Он запишется со шкалой 1В.
Вычисляем RMS сигнала в .wav файле. Для этого я пользуюсь программой LTSpice, которая умеет и проигрывать wav файлы, и считать RMS и многое другое, о чем позже.
Вычисленный RMS делим на RMS сигнала на выходе генератора и умножаем на коэффициент деления делителя. Это и будет Кcard канала записи при начальных установках для измерений. Запоминаем его как Кcard.
Например, Кус канала записи аудиоинтерфейса Behringer U-Phoria-404HD при установке Gain в максимальное положение и отключенном Pad составляет 153 (недифферинциальный режим, шкала 1В).
Далее отключаем выход ЗК от ее входа. Пин 2 и 3 разъема XLR соединяем с пин 1 последовательно соединенными конденсаторами 100 мкФ и 47 Ом. Все это, конечно, желательно заэкранировать.
Проверяем установки регуляторов канала записи и пишем .wav тишины.
Вычисляем RMS полученного шума. Запоминает его как Ncard.
Подключаем к входу микрофон с имитатором капсюля. Пишем .wav тишины микрофон+интерфейс. Вычисляем RMS этого сигнала и запоминаем его как Ntot.
По формуле Nmic=(SQRT(Ntot²-Ncard²))/Кcard вычисляем RMS шума микрофона.
Вычисления Ntot и Ncard я также произвожу при помощи LTSpice и вот почему. Прежде чем вычислять RMS надо ограничить частотный диапазон исследуемого сигнала и убрать мешающие сигналы, такие как наводки 50Гц и их гармоники. В LTSpice легко установить модели идеальных фильтров и сделать это.
Все.

P.S.: Зачем я все это делал? Проверял, насколько совпадет прогноз, сделанный симулятором по шумам с реально измеренным шумом. Совпадение получилось не хуже 3%. Измеренный шум выше предсказанного на 3% (для схемы FIN), поскольку симулятор не учитывает контактные шумы элементов, а только модельные.
При таком хорошем совпадении прогноза с реальностью заниматься измерением шума буду только для устройств, схема которых неизвестна. Если схема известна, то только из спортивного интереса.

[real64]

Мы так по кругу будем ходить

А мы и так ходим.
Некоторое время назад мы уже это делали и здесь.

[Igor EV]

Гоша, все понятно, за исключением LTSpice, спасибо! На выходных постараюсь это всё проделать. LTSpice потом. Сейчас достаточно получить wav-файлы.
Если оценивать грубо, то можно и без LTSpice. Просто прогнать wav-файл через SpectraPlus и посмотреть RMS шума. Конечно без фильтров, то и так будет довольно информативно для начала.

[Гоша]

Просто прогнать wav-файл через SpectraPlus и посмотреть RMS шума.

К сожалению, мне так и не удалось установить Spectr-у в постоянном режиме. А триальный период закончился, поэтому ничего не могу сказать об этом.
И, насколько я помню, Спектра дает RMS тоже в дБ, а не в Вольтах. Для определения Кcard и N нужны абсолютные величины, а не децибеллы, для децибеллов формула не работает.
Понимаю, что можно пересчитать, но мне все равно, какой программе подсовывать файл для анализа, поэтому пересчетом занимается компьютер, а не я.
LTSpice программа суперценная, рекомендую всем.

[shura1959]

Для измерения напряжения шума микрофона с имитатором капсюля

Отличная метода, спасибо.

[semimat]

... Между прочим, у меня нет ни 561ЛП2, ни CD4030. Думаю, что я такой не один....

Да, эта микросхема, хоть и очень дешевая, но не распространенная. Однако можно спаять генератор меандра на других, более популярных микросхемамх КМОП. По запросу "ГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА МИКРОСХЕМАХ КМОП" выпадает большой список сайтов, где приведены простые схемы. Вот некоторые из них.
Онлайн калькулятор расчёта элементов генераторов с симметричной формой выходного сигнала
ГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА МИКРОСХЕМАХ КМОП
Генераторы импульсов на микросхемах КМОП
Генераторы на КМОП логике
Эти генераторы не сложнее (проще) тех предусилителей, которые здесь паяются в разных вариантах. Зато у всех будет одинаковое простое средство калибровки для сравнения совершенно неодинаковых звуковых устройств - от предусилителей и усилителей до звуковых карт. Наверное у каждого найдется свой собственный хороший генератор, и для собственных исследований в одних и тех же условиях они безусловно лучше. Но они у всех разные, и нет гарантии, что у них не закончился срок поверки. Поэтому для удаленного сравнения нужен простой единообразный источник эталонного сигнала, амплитудная калибровка которого производится измерением напряжения его питания.

[Гоша]

semimat,
Все бы хорошо с генератором на КМОП.
Одно плохо - это не синус.
И амплитуду не изменить, а чтобы изменить - опять же нужен мультиметр.
Ну и насчет поверки это ты загнул.
Самое наипростейшее - генератор из звуковой карты. Даже из встроенной.
Все равно работаем с ЗК, так почему ее не использовать по полной?

Offтопик:
Я вот сейчас пробую измерить КНИ того же FIN.
Тут, конечно, без качественного генератора не обойтись.
И что странно, самые меньшие искажения кажет встроенный в ноут ЦАП.
Все равно хочется поменьше гармоник, приходится фильтроваться, но тем не менее...

[Igor EV]

Я вот сейчас пробую измерить КНИ того же FIN.

Интересно, как? Без спец. фильтров это вряд ли возможно. Да и с фильтрами такой мизерный уровень гармоник по-моему нереально измерить.
Если Вы придумали методику, будет интересно узнать, когда у Вас что-то получится.

[semimat]

[b]
Самое наипростейшее - генератор из звуковой карты. Даже из встроенной.
Все равно работаем с ЗК, так почему ее не использовать по полной?

Я с этим не спрою. Но я не уверен, что генераторы на разных картах легко дистанционно одинаково откалибровать. Два человека это еще могут сделать. А вот если кому-то захочется через некоторое время воспользоваться их результатами, для сравнения со своими, то это вызовет трудности.

[b]
Все бы хорошо с генератором на КМОП.
Одно плохо - это не синус.

Для измерения коэффициента усиления меандр не хуже синуса. Если усилитель не искажает форму (полку) меандра, то можно пользоваться напрямую измерением размаха р-р. Если же усилитель сильно искажает меандр, тогда надо работать со спектром и сравнивать уровни любой из гармоник меандра на входе и выходе.
Если нужны абсолютные измерения (для оценки шумов), то можно еще учесть, что амплитуда первой гармоники меандра связана с его амплитудой соотношением:
А_{первгарм}=А_{меандра}*4/Pi.

Насчет невозможности изменить амплитуду. Тестовый сигнал с размахом 5 мВ р-р примет практически любой усилитель, и одновременно отношение с/ш будет достаточным для корректных измерений.

---------- Сообщение добавлено 19:56 ---------- Предыдущее сообщение было 19:46 ----------

Я вот сейчас пробую измерить КНИ того же FIN.
Тут, конечно, без качественного генератора не обойтись.

Я рекомендую попробовать двухчастотный метод измерения искажений. Для простых схем с широкой АЧХ интермодуляционные искажения жестко связаны с гармоническими, и их можно пересчитать одни в другие. Нужно только два независимых генератора, собственные гармоники которых могут быть и существенно больше тех, которые мы хотим измерить.

[Гоша]

Интересно, как? Без спец. фильтров это вряд ли возможно.

Ну, я же не зря талдычу про LTSpice. В нем можно реализовать любой фильтр, передаточная характеристика которого задана хоть схемой, хоть лаплассианом.
Важно, чтобы сквозной КНИ канала воспроизведение-запись был не слишком большим. Сейчас вышел на показатель 0,005%, борюсь с помехами, питаюсь от аккумуляторов, меняю драйвера.
А метод простой. Сначала измеряется КНИ измерительного тракта, потом в тракт добавляется испытуемое устройство. Строится спектр, по разнице амплитуд гармоник вычисляется КНИ испытуемого. Таким образом легко измерить КНИ на порядок меньшие, чем сквозной КНИ измерительного устройства.

semimat,
Генератор в общем то относительно не при чем, тем более что аппаратным фильтром я подавил высшие гармоники более чем на 30 дБ.
Есть еще нелинейность АЦП, вот с ней ничего поделать не получится. Хоть одночастотным, хоть двухчастотным методом измеряй.
Вот RMS гармоник сигнала 900 Гц с RMS 227 мВ, которые пока получилось достичь. В цифрах 2 гармоника 6,57 мкВ, 3-я 9 мкВ, 4-я 2 мкВ, 5-я 1,5 мкВ и т.д.

[Igor EV]

Гоша, супер! Расскажите потом, когда будет результат.
Меня особенно интересует это:

Таким образом легко измерить КНИ на порядок меньшие, чем сквозной КНИ измерительного устройства.

[Гоша]

Igor EV,
Обязательно.
Но Вы же тоже проходили борьбу с помехами и наводками, понимаете всю сложность.
Вот откуда лезет помеха 250 и 500 Гц? При том, что ни 50, ни 100, ни 150Гц нету?

[Igor EV]

Вот откуда лезет помеха 250 и 500 Гц? При том, что ни 50, ни 100, ни 150Гц нету?

Я со своими помехами разобрался. До меня долго не доходило. Оказалось всё просто - помехи лезут от трансформатора (у меня обычный трансформаторный блок питания мощностью примерно 10Вт). Так вот, я первоначально разместил всю свою конструкцию, включая трансформатор, в одном корпусе. И я не предполагал, что помехи будут такими огромными. Когда я понял, что помехи от трансформатора, я пытался его экранировать. Ага, щас Видимо нужен слой пермаллоя в сантиметр толщиной. Поэтому оставалось только одно решение - вынести блок питания. И сейчас он у меня в отдельном корпусе, даже не из металла:

И когда я располагаю блок питания в полуметре от мик.усилителя, наводок нет вообще. А экранирование похоже бесполезно.
Из блока питания выходит кабель, в котором 6 жил. Там у меня +/-20В, +11В, +63В и два земляных провода. А стабилизаторы уже внутри пред.усилителя.

[semimat]

semimat,
Генератор в общем то относительно не при чем, тем более что аппаратным фильтром я подавил высшие гармоники более чем на 30 дБ.

Я лишь отреагировал на сообщение:

Offтопик:
Я вот сейчас пробую измерить КНИ того же FIN.
Тут, конечно, без качественного генератора не обойтись....

поскольку двухчастотный метод позволяет снизить требования к гармоникам генератора. Но если ты пошел по пути фильтрации гармоник одного генератора, то это тоже нормальный путь.

Есть еще нелинейность АЦП, вот с ней ничего поделать не получится. Хоть одночастотным, хоть двухчастотным методом измеряй.

Вопрос интересный. Когда в теме "Выбираем измерительный микрофон" двухчастотным методом исследовали искажения капсюля WM61, измеряя вторую и третью гармоники на уровне снизу до 0,001% (см. посты начало: #2670 и финал: #3040), об этой опасности не думали. Или считали, что при 24 битах оцифровки хорошая звуковая карта дает THD+Noise менее -100 дБ, а это менее 0,001%, то есть, соответствует точности измерений. Вообще, при таких низких искажениях возникает вопрос, а как их оценивать на слух, если акустические воспроизводящие системы имеют намного большие искажения?

[Гоша]

Или считали, что при 24 битах оцифровки хорошая звуковая карта дает THD+Noise менее -100 дБ, а это менее 0,001%

Это нереально.
С Noise, похоже, уже разобрались - не надо путать спектральную плотность шума с его RMS, и все будет в порядке.
А с НИ тоже не все гуд. Вот у меня АЦП на CS4272, не самый плохой случай. Читаем даташит - действительно, THD+Noise -100дБ (не хуже -94 дБ) для уровня -1дБ. А для -20 дБ уже всего -91дБ типичных.
Читаем сноску - уровень THD+Noise отнесен к полной шкале. Ага, а какая у нас полная шкала? А полная шкала у нас 1,13 VA от пика к пику, а VA = 5В. Итого полная шкала +-2,85В от пика к пику.
RMS сигнала с такой шкалой чуть больше 2В.
А я работаю с сигналом 283 мВ амплитуды, что составляет -20 дБ для шкалы 2,85В, то есть для такого сигнала THD+Noise по даташиту уже не 100 дБ, а 91. Это соответствует отношению 35000, и если перевести в проценты, то получится не обещанные 0,001%, а втрое хуже, 0,003%.
Добавим сюда погрешность дискретизации.
И это голый АЦП, а ведь есть еще предусилители.
Вот я и вышел на 0,005% THD при прямом измерении, работая даже не с микрофонным входом, а с входом INSERT, где между АЦП и входом меньше всего напихано, и считаю это неплохим результатом.
А что касается оценки таких искажений на слух при помощи акустических систем - тут я пас, комментариев не имею
Кстати, имея систему со сквозным КНИ 0,005% я считаю вполне реальным измерять дополнительные КНИ, вносимые измеряемым устройством, на уровне 0,0005% и даже меньше. Тому есть косвенные доказательства.
И я уже придумал лабораторную работу для проверки этого тезиса.
Прям щас и побегу паять
UPDATE.
Короче, все работает.
В качестве тестовой искажающей схемы была спаяна диодно-резистивная цепь, с прогнозом искажений 0,00037%.
Результат измерения по предложенной методике дал 0,00036%.
Различия в спектре видны достаточно хорошо и надежно.
Да, чуть не забыл.
И ЦАП и АЦП применялись в режиме 96000/24, .wav файлы писались 48000/24.