Circuito de linha de atraso de áudio - para efeitos de eco e reverberação

Uma linha de atraso de áudio é uma técnica na qual um determinado sinal de áudio passa por uma série de estágios de armazenamento digital, até que a saída de áudio final seja atrasada por um determinado período (geralmente em milissegundos). Quando essa saída de áudio atrasada é realimentada para o áudio original, resulta em um áudio incrivelmente aprimorado, que é mais rico, mais volumoso e repleto de recursos como eco e reverberação.

Visão geral

A experiência de escuta de uma música tocada dentro de uma sala depende significativamente do interior da sala.

Se o interior da sala for preenchido com muitas decorações modernas e janelas de vidro, isso pode criar muito efeito de eco na música.

Por outro lado, se a sala incluir muitos elementos baseados em tecido, como cortinas pesadas, móveis acolchoados, etc., a música tenderá a perder todos os efeitos de eco e reverberação, e pode soar bastante monótona e desinteressante.

No último caso, você provavelmente pode escolher descartar e jogar fora todas as cortinas, travesseiros, almofadas, conjunto de sofás ou optar pelo circuito de linha de atraso de áudio proposto, que o ajudará a restaurar o ambiente da música naturalmente, sem sacrificar seu favorito interiores.

Através deste circuito você pode gerar eco (atraso de sinal de áudio) e reverberação (após reflexões) e obter um áudio muito mais rico.

Até não muito tempo atrás, a única técnica de adquirir um atraso de sinal de áudio era usando dispositivos eletrônicos muito caros. Hoje temos uma nova forma de IC, chamada de 'brigada de balde', que permite que você construa seu sistema de atraso pessoal de forma muito barata.

Conectado entre a fonte de áudio e o pré-amplificador, ou entre o pré-amplificador e o amplificador de potência, o conceito oferece um eco de sinal variável, que pode enriquecer o som da maioria dos sistemas de música doméstica.

Com pequenas modificações no circuito, a ideia adicionalmente poderia ser aplicada como fasor / flanger, permitindo ao usuário obter efeitos sonoros para aplicações de gravação e para guitarras elétricas utilizadas por especialistas.

O CI de brigada de balde é um registrador de deslocamento tipo MOS que consiste em dois registradores de 512 estágios em um pacote solitário de 14 pinos.

Se um sinal de áudio é alimentado para a entrada do projeto de brigada de balde, e os ICs relevantes acionados com um gerador de relógio, faz com que o sinal de áudio se mova de maneira escalonada, estágio por estágio, até que finalmente o sinal chegue na saída com o atraso pretendido.

O diagrama de blocos para o circuito de linha de atraso é mostrado abaixo:

Quando este sinal atrasado é realimentado (recirculado) no sinal original, um efeito de reverberação é simulado.

Além de fornecer um ambiente em tempo real, o circuito bucket-brigade pode ser implementado com qualquer sistema de áudio para produzir som estéreo sintético a partir de fontes de áudio mono, uma opção útil para 'voz dupla' e 'phasor / flanging'.

O que é Bucket Brigade

O termo 'brigada de baldes' nos lembra de uma fila de homens entregando baldes de água para combater o risco de incêndio.

O registrador de deslocamento analógico de brigada de balde funciona de maneira idêntica, daí o nome.

Com os registradores de deslocamento, por outro lado, os capacitores representam os 'baldes' conectados diretamente no CI PMOS. Pode haver mais de 1000 desses capacitores em cada chip (um único capacitor e alguns transistores MOS por estágio).

Os elementos que estão sendo transmitidos são, na verdade, os pacotes de carga elétrica de um estágio a outro. Sabemos que não é fácil colocar água de maneira uniforme dentro e fora de um balde simultaneamente.

Da mesma forma, não é fácil carregar e descarregar simultaneamente um capacitor. Esse problema é resolvido pelos registradores de deslocamento e por meio de um par de frequências de relógios fora de fase.

Durante o período em que o primeiro relógio está alto, os baldes com os números 'ímpares' são jogados nos baldes subsequentes com os números 'pares'. Assim que chega o segundo relógio máximo, os baldes pares são lançados nos baldes ímpares sucessivos seguintes.

Dessa forma, as cargas individuais são deslocadas ao longo da linha de um estágio, uma de cada vez.

A imagem acima é uma manifestação esquemática de 4 estágios padrão do registrador de deslocamento analógico MN3001.

Cada IC MN3001 consiste em dois registradores de deslocamento de 512 estágios. Lembre-se de que os estágios A e C estão vinculados a um relógio específico, enquanto os estágios B e D são acoplados ao outro relógio para fornecer a relação ímpar / par.

Como funciona o circuito de linha de atraso

O esquema a seguir mostra o esquema completo para a linha de atraso de áudio.

Quando você realmente cria um atraso em um sinal de áudio, você gera uma variedade de efeitos de áudio interessantes. O mais perceptível é a simulação do efeito de eco.

No entanto, os atrasos criados pela brigada de baldes são geralmente muito pequenos para serem reconhecidos como ecos discretos.

A repetição do sinal atrasado com ganho diminuído pode imitar a decadência saudável dos ecos em um espaço reverberante.

Ao introduzir certo ganho em toda a recirculação do sinal atrasado, pode ser possível gerar um resultado não natural de 'mola de porta' para a música.

Causar atraso em um sinal instrumental ou faixa de voz em 30 ou 40 ms e empurrar o sinal atrasado de volta ao sinal original produzirá o áudio de saída mais volumoso e dará a impressão de ter mais do que a quantidade inicial de vozes ou profundidade musical.

Esse tipo de abordagem popular é chamado de 'voz dupla'. Outro efeito de curto atraso bem conhecido pode ser na forma de um som peculiar que surge por meio de uma técnica chamada 'phasing' ou 'reel-flanging'.

O título vem de sua experimentação original em que um gravador foi empregado para gerar o retardo de tempo, e o esfregar de uma mão habilidosa no lado externo da bobina alimentada pela fita alterou o retardo para gerar o efeito acústico.

Hoje, esse efeito pode ser desenvolvido inteiramente por meio da tecnologia digital, atrasando o sinal de 0,5 a 5 ms enquanto adiciona ou subtrai o sinal atrasado do sinal original.

Na configuração do fasor / flanger, a frequência e seus harmônicos, cujos comprimentos de onda são idênticos ao retardo de tempo, acabam totalmente, enquanto todas as outras frequências são fortalecidas.

Desta forma, um filtro comb com uma frequência entre os entalhes é modificado mudando a frequência do relógio, como mostrado abaixo.

O resultado é uma melhoria tonal introduzida em um áudio não tonal, por exemplo, bateria, pratos, bem como frequências vocais.

O modo fasor / flanger permite replicar sinais estereofônicos de uma origem monofônica. Para conseguir isso, a saída em fase extraída pela introdução do sinal atrasado é enviada para um canal, enquanto a saída extraída pela subtração do sinal atrasado é enviada para o canal oposto.

Para o público, o efeito de progressão é cancelado, permitindo um bom efeito estéreo sintético aos ouvidos.

Os principais elementos dos projetos, sem dúvida, são os CI's bucket-brigade, que são capazes de sintetizar diretamente os sinais analógicos. Os circuitos não envolvem conversores analógico para digital e digital para analógico caros.

Assim que o pulso de clock do flipflop é alimentado para o CI balde-brigada, a alimentação DC existente na entrada é transferida para o registrador. Os bits discretos são deslocados estágio a estágio por meio de pulsos de clock sequenciais até que, eventualmente, após 256 pulsos, eles chegam ao final da linha e entregam o sinal de saída.

A forma de onda de saída é limpa com um filtro passa-baixa e qualquer sinal duplicado que existia na entrada, mas atrasado 256 vezes o período da frequência do clock.

Por exemplo, quando a frequência do relógio é 100 kHz, o atraso pode ser 256 x 1 / 100.000 = 2,56 ms. Considerando que a taxa de amostragem do sinal de música na entrada depende da frequência do relógio, um limite assumido de 50% da frequência do relógio menor poderia ser a frequência máxima de áudio que pode ser efetivamente transferida.

No entanto, devido às restrições da vida real, 1/3 da frequência do relógio pode parecer um objetivo de design mais realista. Os circuitos podem ser conectados sequencialmente ou em cascata para oferecer atrasos mais longos em taxas de clock maiores, embora o ruído mais alto nos circuitos conectados em série possa superar o aumento na largura de banda.

No modo de atraso, os 2 registradores de deslocamento são conectados em série, o que permite o uso de frequências de clock duas vezes mais altas.

Isso permite que duas vezes a largura de banda para cada registrador de deslocamento seja programado para o mesmo retardo. Mesmo neste modo de largura de banda dupla, a frequência do clock necessária para um atraso de 40 ms restringe a largura de banda a um sinal de entrada máximo de 3750 Hz, o que parece suficiente para a frequência de voz, embora não seja suficiente para a maioria dos equipamentos musicais.

Em muitas aplicações nas quais a transmissão atrasada é implementada para o sinal original, a diminuição na largura de banda pode ser ocultada devido aos sinais de alta frequência contidos na entrada do sinal original. Para compensar a atenuação normal do sinal, um amplificador de 8,5 dB é empregado entre os registradores de deslocamento.

No modo fasor / flanger, o maior retardo necessário é de aproximadamente 5 ms, que é pequeno o suficiente para o uso de um único registrador de deslocamento sem sacrificar a largura de banda.

O segundo registrador de deslocamento é conseqüentemente anexado em paralelo com o primeiro para aumentar a relação S / R. As frequências do sinal são aplicadas em fase, enquanto os sinais de ruído são adicionados e deduzidos aleatoriamente.

O Fasor / Flanger

O diagrama de blocos dos designs do fasor / flanger é mostrado no diagrama a seguir.

O diagrama esquemático para o fasor / flanger é dado abaixo:

Em cada cenário, quad NOR gate IC4 é montado como multivibrador astável funcionando em duas vezes a freqüência da taxa de clock especificada.

A saída IC4 conecta-se ao IC5 flip-flop, que oferece alguns sinais de clock de saída contributivos (180 ° fora de fase entre si) com ciclos de trabalho de CINQUENTA POR CENTO.

Esses pulsos agem então como entradas de relógio para os registradores de deslocamento em IC2. O resistor R16 determina a frequência e é um valor fixo no circuito de atraso.

A frequência do clock pode ser alterada conforme desejado, adicionando-se mais resistores em paralelo através dos conectores fornecidos no fasor / flanger.

O sinal de entrada de áudio é processado por meio de sete pólos de estágios de filtro passa-baixa, onde IC3 e 1/2 IC1 são utilizados. Os filtros garantem uma atenuação geral de 42 dB / oitava em uma frequência sintonizada.

Como ilustração, quando o filtro é ajustado para 5000 Hz, um sinal de 10.000 Hz é atenuado em mais de 100: 1.

Enquanto os filtros são operados com amplificadores operacionais de alto ganho, você pode maximizar suas saídas antes de diminuir a taxa de 6 dB / oitava por polo. Esse tipo de filtro é chamado de 'under damped'.

Através da seleção adequada do equilíbrio dos estágios de filtro subamortecido e superamortecido (RC), é fácil configurar um filtro com uma resposta plana na banda passante pretendida, a fim de atingir 3 dB abaixo na frequência de sintonia, e recurso uma taxa de roll-off de 6 dB vezes a quantidade de postes.

Isso é exatamente o que é implementado nos projetos de linha de retardo e fasor / flanger apresentados neste artigo. Geralmente, é necessária uma quantidade substancial de trabalho estatístico para identificar os valores do resistor para os filtros.

Para tornar as coisas mais fáceis, você pode escolher os valores de resistor adequados na Tabela de Valores de Resistor de Filtro.

Aproveite esta tabela para escolher os valores do resistor especificamente para o circuito de linha de atraso. (Os valores do resistor do filtro fornecidos na Fig. 4 e sua lista de materiais associada darão a você um atraso de 5 ms aprimorado, com a saída de 3 dB abaixo de 15 kHz para o fasor / flanger.)

Fonte de energia

Lista de Peças

C12 - 470 µF, 35 V
C13, C15, C16 - capacitor de disco 0,01 uF, capacitor de disco C14 -100 pF
C17 - 33 µF, 25 V

D1, D2 - IN4007
D3 -1N968 (20 V) diodo zener
F1 -1/10 -ampere fusível
IC6 -723 regulador de tensão de precisão

Todos os resistores têm tolerância de I / 4 watt 5%:

R17-1k
R18 - 1M

RI9-10 ohms
R20 - 8,2 k ohms
R21 - 7,5k ohms
R22 - 33k ohms
R23 - 2,4k

O circuito de alimentação para a linha de atraso de áudio é mostrado na imagem acima. Ele é construído em torno de um regulador de tensão, IC6, para acionar a saída de alimentação primária de 15 volts. O registro de deslocamento envolve fontes de +1 e +20 volts.

O trilho de +20 volts é adquirido usando o diodo zener D3, e a linha de +1 volts vem do divisor de tensão configurado em R22 e R23.

Como os amplificadores operacionais são acionados por meio de uma fonte de terminação única, torna-se essencial que a linha de tensão de 10,5 volts funcione como referência no circuito para esses dispositivos.

Construção

O manual de gravação e perfuração em dimensão real, e o mesmo para os dois layouts de circuito, mas conectado de maneira diferente conforme necessário, é demonstrado nas figuras abaixo.

Antes de encaixar qualquer peça no PCB, você deve inserir e soldar os vários links de jumpers nos slots. Em seguida, conecte a placa conforme especificado acima, de acordo com o modo de operação preferido.

Tenha cuidado com a orientação dos pinos de todos os dispositivos semicondutores e capacitores eletrolíticos e insira-os corretamente.

Certifique-se de segurar e montar os dispositivos MOS com cuidado, pois eles são sensíveis a cargas estáticas e podem ser danificados pela carga estática desenvolvida em seus dedos. Você pode inserir os ICs diretamente no PCB ou também usar soquetes de IC.

Especificações principais do circuito de linha de atraso de áudio proposto