Audio Delay Line Circuit - Für Echo, Reverb-Effekte

Eine Audioverzögerungsleitung ist eine Technik, bei der ein bestimmtes Audiosignal durch eine Reihe digitaler Speicherstufen geleitet wird, bis die endgültige Audioausgabe um einen bestimmten Zeitraum (normalerweise in Millisekunden) verzögert ist. Wenn diese verzögerte Audioausgabe auf das Originalaudio zurückgeführt wird, ergibt sich ein erstaunlich verbessertes Audio, das satter, voluminöser und mit Funktionen wie Echo und Hall gefüllt ist.

Überblick

Das Hörerlebnis für eine Musik, die in einem Raum gespielt wird, hängt wesentlich von der Innenausstattung des Raums ab.

Wenn das Innere des Raums mit vielen modernen Dekoren und Glasfenstern gefüllt ist, kann dies zu viel Echoeffekt auf die Musik erzeugen.

Wenn der Raum hingegen viele Elemente auf Stoffbasis wie schwere Vorhänge, gepolsterte Möbel usw. enthält, verliert die Musik tendenziell alle Echo- und Hall-Effekte und klingt möglicherweise ziemlich langweilig und uninteressant.

Im letzteren Fall können Sie wahrscheinlich alle Vorhänge, Kissen, Kissen und Sofas wegwerfen und wegwerfen oder sich für die vorgeschlagene Audio-Delay-Line-Schaltung entscheiden, um das Ambiente der Musik auf natürliche Weise wiederherzustellen, ohne Ihren Favoriten zu beeinträchtigen Innenräume.

Durch diese Schaltung können Sie tatsächlich ein Echo (Zeitverzögerung des Audiosignals) und einen Nachhall (nach Reflexionen) erzeugen und ein viel satteres Audio erzielen.

Bis vor nicht allzu langer Zeit bestand die einzige Technik zum Erfassen einer Audiosignalverzögerung darin, sehr kostspielige elektronische Geräte zu verwenden. Heute haben wir eine brandneue Form von IC, die 'Bucket-Brigade', mit der Sie Ihr persönliches Verzögerungssystem sehr kostengünstig aufbauen können.

Das Konzept ist zwischen der Audioquelle und dem Vorverstärker oder zwischen dem Vorverstärker und dem Leistungsverstärker angebracht und bietet ein variables Signalecho, das den Klang der meisten Heimmusiksysteme bereichern kann.

Mit einer kleinen Schaltungsänderung könnte die Idee zusätzlich als Zeiger / Flanger angewendet werden, so dass der Benutzer Soundeffekte für Aufnahmeanwendungen und für E-Gitarren erhalten kann, die von den Spezialisten verwendet werden.

Der Bucket-Brigade-IC ist ein Schieberegister vom MOS-Typ, das aus zwei Registern mit 512 Stufen in einem einzelnen 14-Pin-Gehäuse besteht.

Wenn dem Eingang des Bucket-Brigade-Designs ein Audiosignal zugeführt wird und die entsprechenden ICs mit einem Taktgenerator angesteuert werden, bewegt sich das Audiosignal schrittweise, bis das Signal schließlich am Ausgang mit ankommt die beabsichtigte Verzögerung.

Das Blockschaltbild für die Verzögerungsleitungsschaltung ist unten gezeigt:

Wenn dieses verzögerte Signal in das ursprüngliche Signal zurückgeführt (umgewälzt) wird, wird ein Nachhalleffekt simuliert.

Neben der Echtzeitatmosphäre kann die Bucket-Brigade-Schaltung mit jedem Audiosystem implementiert werden, um synthetischen Stereoklang aus Mono-Audioquellen zu erzeugen, eine nützliche Option für 'Double Voicing' und 'Phasor / Flanging'.

Was ist Bucket Brigade?

Der Begriff 'Eimer-Brigade' erinnert uns an eine Reihe von Männern, die Eimer mit Wasser reichen, um eine Brandgefahr zu bekämpfen.

Das analoge Schieberegister der Schaufelbrigade funktioniert auf identische Weise und daher der Name.

Bei Schieberegistern hingegen repräsentieren die Kondensatoren die direkt am PMOS-IC angeschlossenen 'Buckets'. Auf jedem einzelnen Chip können mehr als 1000 solcher Kondensatoren vorhanden sein (ein einzelner Kondensator und ein paar MOS-Transistoren pro Stufe).

Das Element, das weitergegeben wird, sind tatsächlich die elektrischen Ladungspakete von einer Stufe zur nächsten. Wir wissen, dass es nicht einfach ist, gleichzeitig Wasser gleichmäßig in und aus einem Eimer zu füllen.

Ebenso ist es nicht einfach, einen Kondensator gleichzeitig zu laden und zu entladen. Dieses Problem wird durch die Schieberegister und durch ein Paar phasenverschobener Taktfrequenzen gelöst.

Während des Zeitraums, in dem die erste Uhr hoch ist, werden die Eimer mit den 'ungeraden' Zahlen in die nachfolgenden Eimer mit 'geraden' Zahlen geworfen. Sobald die zweite hohe Uhr eintrifft, werden die geraden Eimer in die folgenden aufeinanderfolgenden ungeraden Eimer geworfen.

Auf diese Weise werden einzelne Ladungen von einer Stufe nach der anderen über die Leitung verschoben.

Das obige Bild ist eine schematische Darstellung von 4 Standardstufen des analogen Schieberegisters MN3001.

Jeder MN3001-IC besteht aus zwei 512-Stufen-Schieberegistern. Denken Sie daran, dass die Stufen A und C mit einem bestimmten Takt verbunden sind, während die Stufen B und D mit dem anderen Takt gekoppelt sind, um die ungerade / gerade Beziehung zu liefern.

Funktionsweise der Verzögerungsleitung

Das folgende Schema zeigt das vollständige Schema für die Audio-Verzögerungsleitung.

Wenn Sie tatsächlich eine Verzögerung in einem Audiosignal erzeugen, erzeugen Sie eine Vielzahl interessanter Audioeffekte. Am auffälligsten ist die Simulation des Echoeffekts.

Die von der Eimerbrigade verursachten Verzögerungen sind jedoch normalerweise sehr gering, um als diskrete Echos erkannt zu werden.

Das Wiederholen des verzögerten Signals mit verringerter Verstärkung könnte den gesunden Abfall von Echos in einem halligen Raum nachahmen.

Durch Einführen einer bestimmten Verstärkung während der Umwälzung des verzögerten Signals kann es möglich sein, ein unnatürliches 'Türfeder' -Ergebnis für die Musik zu erzeugen.

Wenn Sie eine Verzögerung eines Instrumentensignals oder einer Sprachspur um 30 oder 40 ms verursachen und das verzögerte Signal auf das ursprüngliche Signal zurückschieben, wird das ausgegebene Audio voluminöser und es entsteht der Eindruck, mehr als die anfängliche Anzahl von Stimmen oder die Musiktiefe zu haben.

Diese Art von populärem Ansatz wird als 'Doppelstimme' bezeichnet. Ein weiterer bekannter Kurzverzögerungseffekt kann in Form eines eigenartigen Klangs auftreten, der durch eine Technik entsteht, die als 'Phasing' oder 'Reel-Flanging' bezeichnet wird.

Der Titel stammt aus seinem ursprünglichen Experiment, bei dem ein Tonbandgerät verwendet wurde, um die Zeitverzögerung zu erzeugen, und das Reiben einer erfahrenen Hand auf der Außenseite der Bandvorschubspule die Verzögerung veränderte, um den akustischen Effekt zu erzeugen.

Heutzutage könnte dieser Effekt vollständig durch digitale Technologie entwickelt werden, indem das Signal um 0,5 bis 5 ms verzögert wird, während das verzögerte Signal zum ursprünglichen Signal addiert oder von diesem subtrahiert wird.

In der Zeiger- / Flanger-Einstellung werden die Frequenz und ihre Harmonischen, deren Wellenlängen mit der Zeitverzögerung identisch sind, zufällig vollständig beendet, während alle anderen Frequenzen verstärkt werden.

Auf diese Weise wird ein Kammfilter mit einer Frequenz zwischen den Kerben durch Ändern der Taktfrequenz modifiziert, wie nachstehend gezeigt.

Das Ergebnis ist eine Klangverbesserung, die bei einem nicht-tonalen Audio, beispielsweise Schlagzeug, Becken sowie Stimmfrequenzen, eingeführt wurde.

Im Zeiger- / Flanger-Modus können Sie stereophone Signale monophonen Ursprungs replizieren. Um dies zu erreichen, wird der durch Einführen des verzögerten Signals extrahierte phasengesteuerte Ausgang an einen Kanal gesendet, während der durch Subtrahieren des verzögerten Signals extrahierte Ausgang an das Gegenteil gesendet wird.

Für das Publikum wird der Phaseneffekt aufgehoben, wodurch ein guter synthetischer Stereoeffekt für die Ohren entsteht.

Die Hauptelemente der Entwürfe sind zweifellos die ICs der Bucket-Brigade, die die analogen Signale direkt synthetisieren können. Die Schaltungen beinhalten keine teuren Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler.

Sobald der Taktimpuls vom Flipflop dem Schaufelbrigaden-IC zugeführt wird, wird die am Eingang vorhandene Gleichstromversorgung in das Register übertragen. Die diskreten Bits werden schrittweise durch aufeinanderfolgende Taktimpulse verschoben, bis sie schließlich nach 256 Impulsen am Ende der Leitung ankommen und das Ausgangssignal liefern.

Die Ausgangswellenform wird mit einem Tiefpassfilter und dem am Eingang vorhandenen doppelten Signal bereinigt, das jedoch um das 256-fache der Taktfrequenz verzögert ist.

Wenn beispielsweise die Taktfrequenz 100 kHz beträgt, könnte die Verzögerung 256 x 1 / 100.000 = 2,56 ms betragen. In Anbetracht der Tatsache, dass die Abtastrate des Musiksignals am Eingang von der Taktfrequenz abhängt, könnte eine angenommene Grenze von 50% niedrigerer Taktfrequenz die maximale Audiofrequenz sein, die effektiv übertragen werden kann.

Aufgrund realer Einschränkungen scheint jedoch 1/3 der Taktfrequenz ein realistischeres Entwurfsziel zu sein. Schaltungen könnten nacheinander verbunden oder kaskadiert werden, um längere Zeitverzögerungen bei erhöhten Taktraten zu bieten, obwohl das höhere Rauschen in den in Reihe geschalteten Schaltungen möglicherweise den Anstieg der Bandbreite übertreffen kann.

Im Verzögerungsmodus sind die 2 Schieberegister in Reihe geschaltet, was die Verwendung von Taktfrequenzen ermöglicht, die doppelt so hoch sind.

Dadurch kann die doppelte Bandbreite für jedes Schieberegister für dieselbe Zeitverzögerung programmiert werden. Selbst in diesem Modus mit doppelter Bandbreite beschränkt die für eine Verzögerung von 40 ms erforderliche Taktfrequenz die Bandbreite auf ein maximales Eingangssignal von 3750 Hz, was für die Sprachfrequenz völlig ausreichend aussieht, für die meisten Musikgeräte jedoch nicht ausreicht.

In vielen Anwendungen, in denen die verzögerte Übertragung auf das ursprüngliche Signal implementiert ist, kann die Verringerung der Bandbreite aufgrund der im ursprünglichen Signaleingang enthaltenen Hochfrequenzsignale verdeckt werden. Um die normale Signaldämpfung zu kompensieren, wird zwischen den Schieberegistern ein 8,5-dB-Verstärker verwendet.

Im Zeiger- / Flanger-Modus beträgt die höchste erforderliche Verzögerung ungefähr 5 ms, was klein genug für die Verwendung eines einzelnen Schieberegisters ist, ohne die Bandbreite zu beeinträchtigen.

Das zweite Schieberegister wird folglich parallel zum ersten angebracht, um das S / N-Verhältnis zu verbessern. Die Signalfrequenzen werden gleichphasig angelegt, während die Rauschsignale zufällig addiert und abgezogen werden.

Der Zeiger / Flanger

Das Blockschaltbild der Zeiger- / Flanger-Konstruktionen ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Das schematische Diagramm für den Zeiger / Flanger ist unten angegeben:

In jedem Szenario ist das Quad-NOR-Gatter IC4 wie ein stabiler Multivibrator aufgebaut, der mit der doppelten Frequenz der angegebenen Taktrate arbeitet.

Der IC4-Ausgang ist mit dem Flip-Flop IC5 verbunden, der einige beitragende (180 ° phasenverschoben zueinander) Ausgangstaktsignale mit einem Tastverhältnis von 50 Prozent bietet.

Diese Impulse wirken dann als Takteingänge für die Schieberegister in IC2. Der Widerstand R16 bestimmt die Frequenz und ist ein fester Wert in der Verzögerungsschaltung.

Die Taktfrequenz kann nach Wunsch geändert werden, indem mehr Widerstände parallel über die angegebenen Anschlüsse im Zeiger / Flanger hinzugefügt werden.

Das Audioeingangssignal wird durch sieben Pole von Tiefpassfilterstufen verarbeitet, wobei IC3 und 1/2 IC1 verwendet werden. Die Filter gewährleisten eine Gesamtdämpfung von 42 dB / Oktave über eine abgestimmte Frequenz.

Wenn der Filter beispielsweise auf 5000 Hz eingestellt ist, wird ein 10.000-Hz-Signal um mehr als 100: 1 gedämpft.

Während die Filter mit Operationsverstärkern mit hoher Verstärkung betrieben werden, können Sie ihre Ausgänge maximieren, bevor Sie mit einer Rate von 6 dB / Oktave pro Pol abrollen. Diese Art von Filtern wird als 'unterdämpft' bezeichnet.

Durch die richtige Auswahl des Gleichgewichts zwischen unter- und überdämpften (RC) Filterstufen ist es einfach, ein Filter mit einer flachen Reaktion im vorgesehenen Durchlassbereich zu konfigurieren, um 3 dB weniger als die Abstimmfrequenz und -funktion zu erreichen eine Abrollrate von 6 dB mal der Polzahl.

Dies ist genau das, was in den in diesem Artikel vorgestellten Verzögerungsleitungs- und Zeiger- / Flanger-Designs implementiert ist. Normalerweise ist ein erheblicher statistischer Aufwand erforderlich, um die Widerstandswerte für die Filter zu ermitteln.

Zur Vereinfachung können Sie die geeigneten Widerstandswerte aus der Tabelle der Filterwiderstandswerte auswählen.

Nutzen Sie diese Tabelle für die Auswahl von Widerstandswerten speziell für die Verzögerungsleitungsschaltung. (Die in Abb. 4 angegebenen Filterwiderstandswerte und die zugehörige Stückliste ergeben eine verbesserte Verzögerung von 5 ms, wobei der Ausgang für den Zeiger / Flanger bei 15 kHz um 3 dB niedriger ist.)

Netzteil

Liste der Einzelteile

C12 - 470 uF, 35 V.
C13, C15, C16 - 0,01 uF Scheibenkondensator, C14 - 100 pF Scheibenkondensator
C17 - 33 uF, 25 V.

D1, D2 - IN4007
D3 -1N968 (20 V) Zenerdiode
F1 -1/10 -ampere Sicherung
Präzisionsspannungsregler IC6 -723

Alle Widerstände haben eine Toleranz von I / 4 Watt und 5%:

R17-1k
R18 - 1M

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

Die Stromversorgungsschaltung für die Audioverzögerungsleitung ist in der obigen Abbildung dargestellt. Es ist um einen Spannungsregler IC6 herum aufgebaut, um den primären 15-Volt-Versorgungsausgang herauszuschalten. Das Schieberegister enthält Quellen von jeweils +1 und +20 Volt.

Die +20 Volt Schiene wird unter Verwendung der Zenerdiode D3 erfasst, und die +1 Volt Leitung kommt von dem Spannungsteiler, der um R22 und R23 konfiguriert ist.

Da die Operationsverstärker über eine Single-Ended-Versorgung angesteuert werden, ist es wichtig, dass die 10,5-Volt-Spannungsleitungsfunktion als Referenz in der Schaltung für diese Geräte dient.

Konstruktion

Das Handbuch zum Ätzen und Bohren mit realen Abmessungen und das gleiche für beide Schaltungslayouts, jedoch nach Bedarf auf unterschiedliche Weise verkabelt, ist in den folgenden Abbildungen dargestellt.

Bevor Sie Teile auf die Leiterplatte montieren, sollten Sie die verschiedenen Steckbrücken in die Steckplätze einsetzen und löten. Schließen Sie danach die Karte wie oben angegeben gemäß der bevorzugten Betriebsart an.

Achten Sie auf die Stiftausrichtung aller Halbleiterbauelemente und Elektrolytkondensatoren und setzen Sie sie richtig ein.

Achten Sie darauf, die MOS-Geräte vorsichtig zu halten und zusammenzubauen, da diese empfindlich gegenüber statischen Aufladungen sind und durch die an Ihren Fingern entstehende statische Aufladung beschädigt werden können. Sie können die ICs direkt auf der Platine einsetzen oder auch IC-Sockel verwenden.

Hauptspezifikationen des vorgeschlagenen Audio Delay Line Circuit