寫給音響工程師的科普文章(一)——從模電角度去了解調音臺的信號流程

    很多自稱做了多年調音師的音響工程師,由於沒有模電基礎,外加網絡教程千篇一律,說法不一,並沒有從根本上去解釋一些很常見的問題,比如說最簡單的,動圈話筒線1和3要不要短接,DI盒有沒有必要使用,這些問題在網絡上各有說法,但是卻沒有從根本上去解釋,雖然音響工程師的技術有感性的一面,但是我認爲,如果去多學習一些模電基礎,可能就會對你現在所使用的設備有更新的認識。所以一些千篇一律的教程,我就不再多說了,自己上網查,我把自己從教材上的知識和實物聯繫起來,去解釋一些很常見但是卻在網上找不到解釋的東西。

     先從調音臺說起,調音臺的內部是由N多運放組成的,可能很多工程師做了很多年,卻沒有自己動手搭建過一塊基礎的放大電路,所以這一開始我還得講慢一點。運放,也就是運算放大器,當年集成電路還沒有發達的時候,電視機、收音機的放大都是由N多晶體管組成的,晶體管也就是我們常說的三極管,三極管具有電壓和電流的放大作用,不同的接法決定這個部分的電路是電壓放大還是電流放大,如今集成電路取代了分立元件,在音響方面最常見的就是我們說的運放,運放就是整合一堆三極管在裏面的一顆IC,常常在發燒論壇上見到某些大師說某某運放味道怎樣中頻怎樣飽滿高頻怎樣通透低頻怎樣有力等等,有些燒友常常淘一些所謂的發燒運放回來更換,這其中的道理就是因爲運放本身就是一堆三極管的組合,包含着各個廠家各個型號的設計理念,但是我不講這些感性的東西,我從模電角度去解釋一些基礎概念,否則後面寫的東西,沒有基礎的人根本看不懂。

    沒有模電基礎的,請不要覺得看見圖紙就煩,接觸電聲設備就是在跟電打交道,強硬記住關鍵部分,後面你會覺得突然學會很多知識。

  1、音響中常見放大電路的類型大致爲同相放大電路、反相放大電路、差分放大電路、加法器。同相放大就是輸入信號在正半週期時,輸出信號也在正半週期;反相放大電路剛好相反;差分放大電路是調音臺的第一級放大電路,對差模信號進行放大,而對噪聲這樣的共模信號起着抵消作用。

 

 2、從識圖開始搭建一個簡單的放大電路

以最常見的NJM4580運放爲例,NJM4580有8個引腳,以半圓缺角爲上,或者以圓點爲上,左上第一個引腳爲1腳。

4腳是負電源,8腳是正電源,1是A通道輸出,7是B通道輸出,2腳是A通道的反相輸入端,3腳是A通道同相輸入端。

         

看到這裏,目前重點是先記住這8個引腳的作用,在電路原理圖中,三角形符號就是運放,畫一個最簡單的同相比例放大電路,如下圖所示

同相放大器可以用這個方法簡單的去記憶:輸出通過一根電阻接到反相輸入端,反相輸入端接一根電阻到地線,信號由同相輸入端進來。

這樣,一個簡單的放大電路就搭建好了,是不是特別簡單?那麼這個同相放大電路的放大倍數爲 G=1+R1/R2,也就是11倍放大,但是運放不僅可以放大交流信號,也可以放大直流信號,音頻屬於交流信號,我們知道電容器有通交流隔直流的作用,所以我們還得在輸入和輸出加上隔直電容,於是原理圖就變成下圖這樣:

然後我們增加卡農輸入輸出接口,然後再增加電源,用個實物圖示範一下,就像下圖這樣的

於是,一個超級簡單的11倍同相比例前級放大器做好了,同相比例放大器輸入與輸出相位爲同相,反之。一般大多數音響前級設備中運放都是以雙電源供電,也就是+-15V來供電的。一般音響前級維修圖紙中並沒有畫出電源部分,默認就是+-15V,因爲大多數運放的最大輸入電壓是+-18V。

接下來就是反相比例放大電路,因爲它在電路板上佈線更簡單所以很多設備都喜歡使用反相比例放大器,原理圖如下:

反相放大器可以用這個方法簡單的去記憶:輸出通過一根電阻接到反相輸入端,反相輸入端接一根電阻到信號源,同相輸入端接地,信號從反相輸入端進來。

放大倍數公式爲 G=R1/R2,也就是10倍放大。

那麼牢記這兩個放大電路的基礎形式,我們就以實物的電路圖來學習看了,下面我們用yamahaMG16-fx的維修手冊來分析。

3、用真實電路圖來分析信號流程

 

首先信號由卡農口去到主板main1/3的CN101排線,然後進入一對三極管做差分放大,然後雙端輸出到運放的同相和反相端,運放做差分放大後單端輸出,下圖是差分放大部分,VR101這個10K的電位器就是增益旋鈕

接着由C110電容耦合到下一級的80HZ高通部分(藍色筐)

80hz高通後又通過C118電容耦合到下一級的均衡電路

均衡部分通過C127電容耦合到insert接口,由於截圖太大,這部分我就不放圖了,insert接口回來以後纔是進入fader(推子),所以前面講了那麼多,學會看原理圖或者直接看電路圖,對整個信號的流程是非常有用的,接下來重點來了,信號就要進入推子部分了,它用到了剛纔講到的第一個放大電路:同相比例放大電路,見下圖:

 

 

首先看推子,推子就是電位器,一端接地,一端接信號輸入,中間抽頭爲輸出,意味着中間抽頭越靠近地,輸出電壓越小,然後到綠色方框內的部分,運放的輸出接一根電阻到反相輸入,反相輸入接一根電阻到地線,這就是開頭講到的同相放大器的特徵,所以這裏R143和R144的比值就是這一級的放大倍數,於是G=1+15K/6.8K,也就是3倍左右了。

 

        那麼,講了那麼多,知道這些又有什麼用呢?

1、讓你知道對於這款臺子,insert接口是均衡後,推子前的。

2、音量推子是屬於電位器,電位器都是屬於衰減器,那麼我們調音臺上的0db以上還有餘量,這個餘量就是靠這一級3倍的放大電路完成的,所以電位器處於0db位置事實上是被衰減了的,然後到後面又用運放給增益回去,這個事實跟數字調音臺是有本質上的區別的。

3、如果你嫌這塊臺子增益不夠大,你可以減小R143電阻的阻值,比如說換成4.7k,或者最簡單的再並聯一根6.8k上去,兩根6.8k並聯得到3.4k,再或者可以增大R144電阻,總之改變了比例就改變放大倍數。

4、insert送出去這根線分了一路信號給C131電容,然後進入削波指示燈部分,LD101就是發光二極管,所以削波指示燈也就指示到這裏了,至於insert的返回電平,你就要注意了。

5、音響圈設備魚龍混雜,學會看懂圖紙是鑑別設備真僞的重要依據之一,比如第一級用了2sc3324音頻對管,運放採用NJM2608,推子用的是A20K電位器,A就是指數型電位器,網上大多買的是B型線性電位器,只有原裝纔是A型,尤其是增益電位器,很多高仿機沒有使用A型電位器,導致前面2/3圈增益效果不明顯,後1/3圈增益急劇增大。比較重要的部分是效果器這部分,因爲模擬部分就算是個人制作也可以把電路板做出來,而效果部分用到的芯片是原廠技術的核心,比如這個臺子的效果器部分用了PCM3001這片code(數模模數一體轉換器),而混響芯片圖紙中只寫了ZFX2,不知道是什麼東西,也說明了一般情況下是買不到它的,於是一些高仿機就會用其他低端芯片來替換它,比如什麼PT2399、三菱的M65831、愛麗絲的AL3201等等,尤其是AL3201,4X4的program剛好組成16個效果參數,那麼在高仿機中往往會磨去印絲,讓你看不出來它的真身。

    到這個節點爲止,每一個通道都是按這樣的電路重複着,再往下,就是混音部分了,混音器在運放電路中稱爲加法器電路,原理圖如下:

 

R2、R3、R4匯流在一起進入運放,就是所謂的混音器了,左邊的反相加法器圖中去掉R2,R3,R4後,實質也就是基本的反相放大器了,右邊的同相加法器也是一樣。

 

那麼在實際的圖紙中是這樣的:

 

看出來沒?爲什麼是反相加法器,因爲運放+端是接地的,信號從-端進來,那麼是不是跟前面的同相反相口訣一致?

那麼這兩個18K電阻關係爲1:1,也就是不進行放大,而每一路都是18k匯流,所以每一路也是1:1混合。

理論上每經過一次電位器,後面都要跟一級運放,同樣的,每一通道都要從推子前開關分配到AUX、FX、GROUP去,如果你要把信號複製出去,分線以後也需要一級運放,原理圖就像下面這樣:

那麼這就是一個簡單的信號分配器,或者叫耳機分配器了。

 

到現在爲止,從第一級放大到混音輸出的信號流程已經分析完了,調音臺裏面密密麻麻的佈滿運放,在模電時代,想要功能更多的調音臺是要下成本的,其實我們可以總結出,從模電角度去看,每一個部分與教材裏講到的知識點都是一樣的,教材裏講的是最基礎的圖例,各個廠商在這個基礎上進行優化設計,那麼關於均衡部分和濾波部分在教材中也有圖例,我就不多講了。

4、如何判斷輸出極性

早在12年的時候我入手了一塊MG12臺子,也許沒有誰像我這麼無聊,直接把AUX返回到輸入通道,當時我的系統連接是下圖這樣的

結果令我驚訝的事情發生了,當第一和第二通道推子量程一致時,竟然沒有信號輸出,只要這兩個通道推子其中一個稍微改變量程,信號就出現了,我馬上意識到AUX被反相了。這意味着如果你使用一個外部效果器,它的輸入輸出極性也是未知的,那麼返回的信號就是一個大坑。所以MG系列提供了一個RETUNE通道來返回,以保證信號極性一致。

假設你外接了一塊yamaha REV100混響效果器,返回到任一輸入通道時,直達聲有可能會被抵消掉。有些大師一上來就是拿出測試麥進行各種頻響測試,現在看來是不是很可笑?本來一個很簡單的系統,卻隱藏着這麼大一坑,於是看似簡單的系統,在前期調試時便多了很多事情要做,你需要準備筆記本電腦,準備聲卡測試麥,打開smarrt,測試聲卡延遲,測試聲卡本身的極性,然後才能去測試你的系統。。。。。。

如果從第一級放大器到揚聲器輸出均爲同相極性時,我們認爲,MIC在音箱後面使用纔是正確的使用方法,否則,你應該在話放上激活“反相”開關,如果沒有反相開關,應該在適合的鏈路上,將喇叭線反接,或者是平衡線的熱端和冷端對調。

在模電教材中,是以瞬時極性法來判斷的,在某一時刻假定輸入信號爲“正”,正就是信號處於正半週期的意思,於是,經過同相放大器,輸出極性不變,若經過反相放大器,極性相反。而差分輸入部分是這樣的:

於是,一級一級推到下去就可以得到整個系統的極性,有時候,並不是所以設備輸入輸出極性都是相同的,當PCB設計師覺得這個部分的功能可以實現的時候就大功告成了。當然這裏不是要大家都能看懂這些圖紙,關鍵是,進一步瞭解你的設備,至於如何使用軟件來測試極性那是另外的問題,需要自己去學習。

 

那麼其實模擬調音臺最重要的部分就是第一級差分放大電路,是不是越貴的臺子,前級放大就越好?話筒線的冷端和地線要不要接到一起?我就打算放到下一篇重點講差分放大電路(同時還有很多關於平衡與不平衡的問題,DI問題,嘯叫問題),因爲模擬調音臺在這個數字時代還有立足之地就靠第一級放大部分了,下一篇着重去對比低端系列的yamaha MG16、soundcraft epm-12、美奇1604,中低端的yamaha 01V96,百靈達X32,還有中端的yamaha TF5 ls9系列還有看起來牛逼哄哄的M7CL等。

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