專利名稱：聲學系統(tǒng)增益和均衡電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種均衡器電路，更確切地說涉及一種用來在各種目前能買到的聲學系統(tǒng)中減少畸變和其他異常，并提高“清晰度”的增益和均衡電路。
聲的產生、記錄和重放系統(tǒng)可以取各種形式并實現(xiàn)各種功能，當然所有這些都涉及聲信號的處理，其共同的目標在于最終盡可能準確地重放原始產生或記錄的聲音甚至“放大”它。在這些系統(tǒng)中值得提出的有擴聲系統(tǒng)和使用傳聲器和揚聲器的類似系統(tǒng)，無線電和電視廣播系統(tǒng)，無線電和電視接收機，磁帶錄聲機及唱片錄聲機和唱機，家用、汽車和便攜式立體聲系統(tǒng)，以及錄音演播室系統(tǒng)。在所有這些系統(tǒng)中，都把聲音轉換成代表聲音的電氣聲頻信號，以某種方式處理它，然后再重放、傳送到別的地方或者記錄。在產生聲音和處理聲頻信號的各個階段，都有機會引進噪聲來掩蔽真信號或使信號畸變(信號波形的不想要的改變)，以致難以準確地重放聲音。這樣的噪聲和/或畸變可能發(fā)生在聲源本身中，例如儀器、語音等，發(fā)生在房間或演播室的聲學配置中，發(fā)生在拾聲并把它轉換成電氣聲頻信號的傳聲器中，發(fā)生在聲頻放大器和其他聲頻信號處理組件中，發(fā)生在錄聲設備和錄聲媒體中，發(fā)生在揚聲器系統(tǒng)中，以及發(fā)生在聲頻信號傳送設備中。
按理想，應從聲頻信號中去除所有噪聲(或不允許其的最初影響)，而且聲頻信號的所有處理應該沒有畸變地進行，例如在聲頻信號的整個頻帶(聲頻譜)上應該等同地均勻地進行放大。然而，得到一個根本無畸變的最終聲頻信號是不可能的;相反，在重放一個聲頻信號和對這樣一個信號進行其他處理的過程中，不可避免地引入某種形式的畸變(相位畸變、頻率畸變、諧波畸變、互調畸變和噪聲寄生)。與頻率有關的畸變意味著所處理的信號按信號中所含有的不同頻率而被不同地處理了，例如按不同數(shù)量被放大或相移了。該畸變，妨礙了所傳送、記錄或產生的原始聲的準確重放。
由于力圖在可能范圍內減少那些由房間音響裝置、傳聲器、揚聲器、錄聲機和其他聲頻信號產生和處理組件所產生的畸變和其他不希望有的缺陷，提供了所謂“均衡器”。均衡器引起或引進一種很平坦的頻率響應的受控畸變，去補償或消除在信號原始產生和處理期間所引進的畸變。均衡器實際上以某種想要的方式改變聲頻系統(tǒng)的頻率響應。最初均衡器由無源組件構成，旨在按某些頻率提供衰減或削波。后來的設計通常由有源組件構成，一般是由真空管電路和運算放大器構成。
在如今使用的比較有名的均衡器中有所謂圖形均衡器，該均衡器已被引入許多專業(yè)、家用及汽車聲學系統(tǒng)中。圖形均衡器一般這樣構成，以使控制臺和控制器呈現(xiàn)出由均衡器所建立的頻率響應的圖形顯示外觀，例如哪些聲頻信號的頻帶被放大和哪些被削波的外觀。在被稱為參量式均衡器的另一種均衡器中，包括頻率選擇、放大或削波、以及帶寬控制在內的三個均衡參量都可以單獨變化。
錄制、廣播和電視演播室中使用比較復雜的演播室均衡器，這種均衡器主要由一組并聯(lián)的帶通濾波器組成，其中各濾波器的中心頻率由像倍頻程或其分數(shù)(一般是三分之一)之類的某個限定數(shù)量來分離。每個濾波器的增益或衰減可以單獨調整，其結果是可在整個聲頻范圍內連續(xù)設定總頻率響應。
《混頻器》1992年12月第22頁的一篇最新評論指出，目前可提供的均衡器在進行高質量“均衡”方面無能為力，其內容是“一直存在伴隨均衡器(EQ)的嚴重問題。當然我指的是我們的老朋友模擬均衡器先生。它從來沒有正確地工作過，而且永遠也不會正確地工作?！?br> ”雖然模擬均衡器將改變一個電路的響應特性，借此增加或減少在給定的頻帶中所通過的能量，但價格高得嚇人。……“均衡器使你的磁跡模糊、削弱、損壞。用不了多久你就會認識到均衡器是一場交易。你要盡你所能在副作用干的破壞超過均衡器干的好事之前使用它?！八羞@一切都是由于相移。越均衡則相移越大;這就是它在如何干！在真正的零系數(shù)(FIR)(有限脈沖響應)數(shù)字均衡器最近問世之前，無相移的均衡只不過是一場夢?！?br> 上面引述的評論中作為實現(xiàn)無相移均衡的一種手段提到數(shù)字均衡的一種手段提到數(shù)字均衡器，而這可能是也可能不是真的，但是無論如何數(shù)字均衡器是非常貴的，它需要模-數(shù)轉換電路、數(shù)字處理電路和數(shù)-模轉換電路，所有這些電路都可能以某種方式使信號改變或畸變。
本發(fā)明的一個目的在于提供用來對聲頻信號加以處理并進行均衡的一種新的改進的均衡器電路。
本發(fā)明的另一個目的在于提供這樣一種電路，使該電路能對聲頻輸入信號有選擇地提供增益和均衡。
本發(fā)明的另一個目的在于提供這樣一種電路，使該電路用來在目前現(xiàn)有的聲學系統(tǒng)中有效地減少畸變，借此提高清晰度。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種模擬均衡器，該均衡器設計簡單，比較便宜并且在實現(xiàn)沒有明顯相移的均衡方面仍然有效。
本發(fā)明的另一個目的在于提供這樣一種電路，使該電路能準確地重放一個聲頻方波。
本發(fā)明的另一個目的在于提供這樣一種電路，該電路能作為一個聲頻前置放大器的一部分實施并在需要均衡的其他環(huán)境中實施。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種增益和均衡電路，該電路具有大體上無畸變(平坦)的頻率響應。
本發(fā)明的以上目的和其他目的是在用來處理所收聲頻信號的增益和均衡電路的具體的說明性的實施例中實現(xiàn)的，它包括多個運算放大器，每個運算放大器用來處理并有選擇地放大聲頻信號的不同頻帶以便產生一個輸出信號。每個運算放大器包括一個反相輸入端、一個用來接收聲頻信號的非反相輸入端、一個輸出端、一個耦合于反相輸入端與地電位之間的用來確定由該運算放大器所處理的頻帶的低端的高通濾波器網(wǎng)絡，以及一個耦合于輸出端與反相輸入端之間的用來確定由該運算放大器所處理的頻帶的高端的低通濾波器網(wǎng)絡。該增益和均衡電路還包括一個加法電路，其耦合于各運算放大器的輸出端的，用來有選擇地衰減一些所選輸出信號，并用來把這些信號合成以產生覆蓋聲頻譜或其想要的部分譜的最終合成信號。
根據(jù)對下面結合附圖給出的詳細描述的思考，本發(fā)明的以上和其他目的、特征和優(yōu)點將變得顯而易見，這些附圖中。


圖1畫出按照本發(fā)明的原理制成的一種增益和均衡電路的原理圖;以及圖2畫出由圖1的運算放大器電路所產生的單個波形及通過單個波形的組合產生的最終波形。
參見圖1，圖中畫出按照本發(fā)明制成的一種均衡器電路的一個說明性實施例，該電路包括多個帶有配套的反饋電路8和輸入電路12的互相并聯(lián)的運算放大器4。一個聲頻信號輸入端14經由一個電阻分壓器16和17、及電阻器18耦合于這些運算放大器4的各自的非反相輸入端，多個各由一個電容器20和一個電阻器24的串聯(lián)組成的輸入電路12耦合于地電位與每個運算放大器4的反相輸入端之間。多個各由一個電容器28和電阻器32并聯(lián)組成的反饋電路把每個運算放大器4的輸出端耦合于它的反相輸入端，如圖所示。
每個運算放大器4的輸出端耦合于一個加法電路40，該電路包括各耦合于不同的運算放大器4的輸出端的一組可變電阻器36。該加法電路40還包括一個運算放大器44，該放大器的非反相輸入端耦合于地而它的輸出端經由一個電容器48和一個電阻器52的并聯(lián)電路耦合于該放大器的反相輸入端。每個可變電阻器36同樣耦合于運算放大器44的反相輸入端。
該加法電路40的輸出端耦合于一個輸出負載隔離電路60，該電路包括一個電容器64、并聯(lián)耦合于該電容器64和一個輸出端76之間的一個電阻器68和電感器72、以及一個從地電位耦合到電容器64、電阻器68與電感器72之間的結點的電阻器80。
每個帶有配套的輸入和反饋電路的運算放大器4起濾波器的作用，讓輸入聲頻信號的一個不同的頻帶通過。例如，如果想要一個六頻帶均衡器，就設置六個運算放大器，六個頻帶的頻率中心，為便于說明，可以是但不限于10Hz、40Hz、160Hz、640Hz、2560Hz和10240Hz，邊緣(skirt)變化在離各自的中心頻率一個倍頻程處≈11/2dB，在兩個倍頻程處≈6dB，在三個倍頻程處≈10dB，在四個倍頻程處≈131/2dB。由電容器28與電阻器32所組成的反饋R/C網(wǎng)絡的值和由電容器20與由阻器24所組成的輸入R/C網(wǎng)絡的值選成得到所考慮的頻帶各自的中心頻率。每個運算放大器的反饋R/C網(wǎng)絡8形成一個低通濾波器以便確定所考慮頻帶的高端衰減或截止，而每個運算放大器的輸入R/C網(wǎng)絡12形成一個高通濾波器以便確定該頻帶的低端衰減。用圖1的配置時，各電容器20可使用相同值的電容器;而各電容器28也可使用相同值的電容器，但需要不同值的電阻器以保證想要的工作特性。例如，為了得到上面針對一個六頻帶均衡器所確定的中心頻率，電容器和電阻器的適當值可以是電容器20a-20f＝2μf電容器28a-28f＝0.2μf電阻器24a＝8Ω電阻器24b＝32Ω電阻器24c＝128Ω電阻器24d＝512Ω電阻器24e＝2048Ω電阻器24f＝8192Ω電阻器32a＝80Ω電阻器32b＝320Ω電阻器32c＝1280Ω電阻器32d＝5120Ω電阻器32e＝20480Ω電阻器32f＝81920Ω
其它電路元件的示例值為電阻器18＝1.0kΩ可變電阻器36＝從1.1kΩ至101.1kΩ電阻器52＝11.1kΩ電容器48＝22pf電容器64＝470μf電阻器80＝10kΩ電阻器68＝47Ω電感器72＝100μH圖1的運算放大器4，為便于說明，可以是但不限于Signetics公司制造的NE5532AN型放大器。
用所述的電路配置時，相位畸變(相移)減少，在每個頻帶的輸出端測量時中心頻率處基本上沒有相移，只在靠近該頻帶的高端和低端處有邊緣相移。最終信號(把所有頻帶分量相加得出)是高清晰的、基本上沒有畸變的聲頻信號。
圖2畫出圖1的幾個相鄰的運算放大器的輸出波形，及把幾個波形組合或相加得出的最終波形，以便表明可達到的平坦的頻率響應。
設置電阻分壓器16以便衰減或降低供給輸入端14的聲頻信號的輸入值，如果這樣一個信號的振幅過大的話，例如當從一個聲頻線放大器收到聲頻信號時。在用運算放大器4及配套電路實現(xiàn)均衡的過程中，除了能夠修整頻率響應之外，還能再次把聲頻信號放大到想要的值。;如果不需要聲頻輸入信號的衰減，則可從圖1電路中去掉電阻分壓器，例如，如果圖1的均衡器電路作為一個組合式均衡器/前置放大器而用于一個傳聲器/揚聲器系統(tǒng)，就是這種情況。在該情況下，只是用圖1的電路代替?zhèn)髀暺?揚聲器系統(tǒng)中常規(guī)的前置放大器，而帶有配套電路的運算放大器4則提供從傳聲器收到的信號的想要的放大或“前置放大”和均衡。
設置電阻器18以便使工作及運算放大器4對輸入信號的處理穩(wěn)定。
設置可變電阻器36以便有選擇地放大或衰減供給它的各自頻帶。宜設置一些十一位置可變電阻器開關，每個開關提供五檔增益和五檔衰減，在中央位置的一檔信號值不發(fā)生變化。這樣一來，可通過這些可變電阻器36的人工調整來確定每個運算放大器信號在最終“均衡”信號中的分量。來自每個運算放大器的分量信號由加法電路40合成，然后經由隔離電路60送到輸出端76。
應該指出，上述方案僅是本發(fā)明原則的說明性的應用。本專業(yè)的技術人員可以設計出各種修改和替代方案而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，所附權利要求書用于覆蓋這些修改和方案。
權利要求
1.一種用來處理一個所收到的聲頻信號的電壓增益和均衡電路，它包括多個運算放大器裝置，每個都用來處理并有選擇地放大該聲頻信號的一個不同的頻帶以便產生一個輸出信號，并且每個都包括一個反相輸入端，一個用來接收該聲頻信號的非反相輸入端，一個輸出端，耦合于該反相輸入端和地線之間的、用來確定由所述每個運算放大器裝置所處理的該頻帶的低端的高通濾波器裝置，耦合于該輸出端與該反相輸入端之間的、用來確定由所述每個運算放大器裝置所處理的該頻帶的高端的低通濾波器裝置，以及耦合于每個運算放大器裝置的這些輸出端的、用來合成它們的輸出信號以便產生一個最終信號的裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的電壓增益和均衡電路，它還包括一個用來把該合成裝置耦合于一個負載的隔離網(wǎng)絡。
3.根據(jù)權利要求1所述的電壓增益和均衡電路，其中所述合成裝置包括一組可變電阻裝置，每個都耦合于各自的運算放大器裝置的所述輸出端與該合成裝置之間，以便有選擇地改變來自所述各自的運算放大器裝置的所述輸出信號的大小。
4.根據(jù)權利要求1所述的電壓增益和均衡電路，其中每個運算放大器裝置包括一個耦合于所述每個運算放大器裝置的所述非反相輸入端的電阻裝置。
5.根據(jù)權利要求4所述的電壓增益和均衡電路，其中每個高通濾波器裝置包括一個耦合于反相輸入端與地線之間的一個第一電容器和一個第一電阻器的串聯(lián)電路，其中該第一電容器的電容和該第一電阻器的電阻被選成使不同于其他運算放大器裝置的那些頻帶的一個頻帶的低端被衰減。
6.根據(jù)權利要求5所述的電壓增益和均衡電路，其中每個低通濾波器裝置包括一個由一個第二電容器和一個第二電阻器組成的并聯(lián)電路，其中該第二電容器的電容和該第二電阻器的電阻被選成使不同于其他運算放大器裝置的那些頻帶的一個頻帶的高端被衰減。
7.根據(jù)權利要求6中所述的電壓增益和均衡電路，其中由該組運算放大器裝置所處理的頻帶之間的間隔約為一個系數(shù)4。
8.根據(jù)權利要求6所述的電壓增益和均衡電路，其中有六個用來分別處理聲頻信號的六個不同頻帶中各自的一個的運算放大器裝置，這里各個頻帶的中心頻率為10Hz、40Hz、160Hz、640Hz、2560Hz和10240Hz，而在離各個中心頻率一個倍頻程處的邊緣變化約為1 1/2dB，在兩個倍頻程處約為6dB，在三個倍頻程處約為10dB，在四個倍頻程處約為13 1/2dB。
9.根據(jù)權利要求6所述的電壓增益和均衡電路，其中所有這些第一電容器的電容值基本上相同，而且其中所有這些第二電容器的電容值也基本上相同。
10.一種用來接收并處理一個聲頻信號的多頻帶均衡器，它包括多個運算放大器裝置，每個都用來處理該聲頻信號的一個不同的頻帶以便產生一個輸出信號，并且每個都包括一個反相輸入端，一個非反相輸入端，耦合于該非反相輸入端的用來接收聲頻信號并把它供應給該非反相輸入端的電阻器裝置，一個輸出端，耦合于該輸出端與該反相輸入端之間的用來確定由所述每個運算放大器裝置所處理的該頻帶的上限的反饋電路裝置，耦合于該反相輸入端與地電位之間的用來確定由所述每個運算放大器裝置所處理的該頻帶的下限的輸入電路裝置，以及耦合于每個運算放大器裝置的這些輸出端的用來合成它們的輸出信號以便產生一個最終信號的加法電路裝置。
11.根據(jù)權利要求10所述的均衡器，其中所述加法電路包括一組可變電阻裝置，每個都耦合于一個不同的運算放大器裝置的所述輸出端，以便有選擇地改變來自所述各自的運算放大器裝置的所述輸出信號的大小。
12.根據(jù)權利要求11所述的均衡器，其中每個反饋電路裝置包括一個由一個電容器和一個電阻器組成的并聯(lián)電路，而且其中每個輸入電路裝置包括一個由一個電容器和一個電阻器組成的串聯(lián)電路。
13.一種用來對從傳聲器等接收的一些聲頻信號進行處理的組合式前置放大器/均衡器，它包括多個用來有選擇地放大這些聲頻信號的一個不同的頻帶以便產生一個輸出信號的運算放大器裝置，每個運算放大器裝置包括一個反相輸入端，一個非反相輸入端，一個輸出端，以及用來接收這些聲頻信號并把它們供應給該非反相輸入端的電阻器裝置，多個可變電阻器裝置，每個都耦合于一個不同的運算放大器裝置的所述輸出端，以及耦合于這些可變電阻器裝置中的每一個的用來合成這些運算放大器裝置的這些輸出信號以便產生一個最終信號的加法電路裝置。
14.根據(jù)權利要求13的所述的組合式前置放大器/均衡器，其中每個運算放大器裝置包括耦合于所述每個運算放大器裝置的所述輸出端與反相輸入端之間的反饋裝置，它包括一個由一個電容器和一個電阻器組成的并聯(lián)電路以及耦合于所述每個運算放大器裝置的反相輸入端的輸入裝置，它包括一個由一個電容器和一個電阻器組成的串聯(lián)電路。
全文摘要
一種接收并處理聲頻信號的多頻帶均衡器，包括多個分別處理不同頻帶的聲頻信號的運算放大器。每個運算放大器包括反相輸入端、非反相輸入端、連接于非反向輸入端的電阻器、輸出端、連接于輸出端與反相輸入端之間的確定所處理頻帶上限用的反饋電路，連接于反相輸入端與地線之間的確定所處理頻帶下限用的輸入電路。加法電路連接于所有放大器的輸出端，以合成它們的輸出信號。一組可變控制器可選擇地改變各輸出的大小。
文檔編號H03G3/12GK1098539SQ9410524
公開日1995年2月8日 申請日期1994年4月28日 優(yōu)先權日1993年4月28日
發(fā)明者克里福德·馬格, 蘭斯·帕克 申請人:耐特國際技術公司