Микрофоны (электродинамические, электромагнитные, электретные, угольные) - основные параметры, маркировка и включение в электронных схемах.
В радиоэлектронике находит широкое применение микрофон — устройство, преобразующее звуковые колебания в электрические. Под микрофоном обычно понимают электрический прибор, служащий для обнаружения и усиления слабых звуков.
Основные параметры микрофонов
Качество работы микрофона характеризуется несколькими стандартными техническими параметрами:
- чувствительностью,
- номинальным диапазоном частот,
- частотной характеристикой,
- направленностью,
- динамическим диапазоном,
- модулем полного электрического сопротивления,
- номинальным сопротивлением нагрузки
- и др.
Маркировка
Марка микрофона обычно наносится на его корпусе и состоит из букв и цифр. Буквы указывают тип микрофона:
- МД - катушечный (или «динамический»),
- МДМ - динамический малогабаритный,
- ММ - миниатюрный электродинамический,
- MЛ - ленточный,
- МК - конденсаторный,
- МКЭ - электретный,
- МПЭ - пьезоэлектрический.
Цифры обозначают порядковый номер разработки. После цифр стоят буквы А, Т и Б, обозначающие, что микрофон изготовлен в экспортном исполнении — А, Т — тропическом, а Б - предназначен для бытовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).
Маркировка микрофона ММ-5 отражает его конструктивные особенности и состоит из шести символов:
- первый и второй............... ММ — микрофон миниатюрный;
- третий................................ 5 — пятое конструктивное исполнение;
- четвертый и пятый........... две цифры, обозначающие типоразмер;
- шестой............................... буква, которая характеризует форму акустического входа (О — круглое отверстие, С — патрубок, Б — комбинированное).
В практике радиолюбителей используется несколько основных типов микрофонов: угольные, электродинамические, электромагнитные, конденсаторные, электретные и пьезоэлектрические.
Электродинамические микрофоны
Название микрофонов этого типа считается устаревшим и сейчас эти микрофоны называют катушечными.
Микрофоны этого типа очень часто используют любители звукозаписи, благодаря их сравнительно высокой чувствительности и практической нечувствительности к атмосферному влиянию, в частности, действию ветра.
Они также не боятся толчков, просты в использовании и обладают способностью выдерживать без повреждений большие уровни сигналов. Положительные качества этих микрофонов преобладают над их недостатком: средним качеством записи звука.
В настоящее время для радиолюбителей большой интерес представляют выпускаемые отечественной промышленностью малогабаритные динамические микрофоны, которые используются для звукозаписи, звукопередачи, звукоусиления и различных систем связи.
Изготавливаются микрофоны четырех групп сложности — 0, 1, 2 и 3. Микрофоны малогабаритные групп сложности 0, 1 и 2 используются для звукопередачи, звукозаписи и звукоусиления музыки и речи, а группы 3 — для звукопередачи, звукозаписи и звукоусиления речи.
Условное обозначение микрофона состоит из трех букв и цифр. Например, МДМ-1, микрофон динамический малогабаритный первого конструктивного исполнения.
Особый интерес представляют электродинамические миниатюрные микрофоны серии ММ-5, которые можно впаивать прямо в плату усилителя или использовать в качестве встроенного элемента радиоэлектронной аппаратуры.
Микрофоны относятся к четвертому поколению компонентов, которые разработаны для РЭА на транзисторах и интегральных микросхемах.
Микрофон ММ-5 выпускается одного типа в двух вариантах: высокоомном (600 Ом) и низкоомном (300 Ом), а также тридцати восьми типоразмеров, которые отличаются только сопротивлением обмотки постоянному току, расположением акустического входа и его вида.
Основные электроакустические параметры и технические характеристики микрофонов серии ММ-5 приведены в табл. 1.
Таблица 1.
| Тип микрофона | ММ-5 | |
| Вариант исполнения | низкоомный | высокоомный |
| Номинальный диапазон рабочих частот, Гц |
500...5000 | |
| Модуль полного электрического сопротивления обмотки, Ом |
135115 | 900±100 |
| Чувствительность на частоте 1000 Гц, мкВ/Па, не менее (сопротивление нагрузки) |
300 (600 Ом) | 600 (300 Ом) |
| Средняя чувствительность в диапазоне 500...5000 Гц, мкВ/Па, не менее (сопротивление нагрузки) |
600 (600 Ом) | 1200 (3000 Ом) |
| Неравномерность частотной характеристики чувствительности в номинальном диапазоне частот, дБ, не более |
24 | |
| Масса, г, не более | 900 ± 100 | |
| Срок службы, год, не менее | 5 | |
| Размеры, мм | 9,6x9,6x4 | |
Рис. 1. Принципиальная схема включения на входе УЗЧ громкоговорителя в качестве микрофона.
При отсутствии динамического микрофона радиолюбители часто используют вместо него обычный электродинамический громкоговоритель (рис. 1).
Электромагнитные микрофоны
Для усилителей низкой частоты, собранных на транзисторах и имеющих низкое входное сопротивление, обычно используют электромагнитные микрофоны.
Электромагнитным микрофонам свойственна обратимость, то есть они могут использоваться и как телефоны. Широкое распространение имеют так называемый дифференциальный микрофон типа ДЭМШ-1 и его модификация ДЭМШ-1А.
Неплохие результаты получаются при использовании вместо электромагнитных микрофонов ДЭМШ-1 и ДЭМ-4М обычных электромагнитных наушников от головных телефонов ТОН-1, ТОН-2, ТА-56 и др. (рис. 2 - 4).
Рис. 2. Принципиальная схема включения на входе УЗЧ электромагнитного наушника в качестве микрофона.
Рис. 3. Принципиальная схема включения электромагнитного микрофона на входе УЗЧ на транзисторах.
Рис. 4. Принципиальная схема включения электромагнитного микрофона на входе УЗЧ на операционном усилителе.
Электретные микрофоны
В последнее время в бытовых магнитофонах используются электретные конденсаторные микрофоны. Электретные микрофоны имеют самый широкий диапазон частот - 30...20000 Гц.
Микрофоны этого типа дают электрический сигнал в два раза больший нежели обычные угольные.
Промышленность выпускает электретные микрофоны МКЭ-82 и МКЭ-01 по размерам аналогичные угольным МК-59 и им подобным, которые можно устанавливать в обычные телефонные трубки вместо угольных без всякой переделки телефонного аппарата.
Этот тип микрофонов значительно дешевле обычных конденсаторных микрофонов, и поэтому более доступны радиолюбителям.
Отечественная промышленность выпускает широкий ассортимент электретных микрофонов, среди них МКЭ-2 односторонней направленности для катушечных магнитофонов 1 класса и для встраивания в радиоэлектронную аппаратуру — МКЭ-3, МКЭ-332 и МКЭ-333.
Для радиолюбителей наибольший интерес представляет конденсаторный электретный микрофон МКЭ-3, который имеет микроминиатюрное исполнение.
Микрофон применяется в качестве встраиваемого устройства в отечественные магнитофоны, магниторадиолы и магнитолы, такие как, «Сигма-ВЭФ-260», «Томь-303», «Романтик-306» и др.
Микрофон МКЭ-3 изготовляется в пластмассовом корпусе с фланцем для крепления на лицевой панели радиоустройства с внутренней стороны. Микрофон является ненаправленным и имеет диаграмму круга.
Микрофон не допускает ударов и сильной тряски. В табл. 2 приведены основные технические параметры некоторых марок миниатюрных конденсаторных электретных микрофонов.
Таблица 2.
| Тип микрофона | МКЭ-3 | МКЭ-332 | МКЭ-333 | МКЭ-84 |
| Номинальный диапазон рабочих частот, Гц |
50...16000 | 50... 15000 | 50... 15000 | 300...3400 |
| Чувствительность по свободному полю на частоте 1000 Гц, мкВ/Па |
не более 3 | не менее 3 | не менее 3 | А - 6...12 В - 10...20 |
| Неравномерность частотной характеристики чувствительности в диапазоне 50... 16000 Гц, дБ, не менее |
10 | - | - | - |
| Модуль полного электрического сопротивления на 1000 Гц, Ом, не более |
250 | 600 ±120 | 600 ± 120 | - |
| Уровень эквивалентного звукового давления, обусловленного собственными шумами микрофона, дБ, не более |
25 | - | - | - |
| Средний перепад уровней чувствительности «фронт — тыл», дБ |
- | не, менее 12 | не более 3 | - |
| Условия эксплуатации: температура, С относительная влажность воздуха, не более |
5...30 85% при 20"С |
-10...+50 95±3% при 25"С |
10...+50 95±3% при 25"С |
0...+45 93% при 25"С |
| Напряжения питания, В | - | 1,5...9 | 1,5...9 | 1,3...4,5 |
| Масса, г | 8 | 1 | 1 | 8 |
| Габаритные размеры (диаметр х длина), мм |
14x22 | 10,5 х 6,5 | 10,5 х 6,5 | 22,4x9,7 |
На рис. 5 приведена схема включения распространенного в радиолюбительских конструкциях электретного микрофона типа МКЭ-3.
Рис. 5. Принципиальная схема включения микрофона типа МКЭ-3 на входе транзисторного УЗЧ.
Рис. 6. Фото и внутренняя приниципиальная схема микрофона МКЭ-3, расположение цветных проводников.
Угольные микрофоны
Невзирая на то что угольные микрофоны постепенно вытесняются микрофонами других типов, но благодаря простоте конструкции и достаточно высокой чувствительности они все еще находят свое место в различных устройствах связи.
Наибольшее распространение имеют угольные микрофоны, так называемые телефонные капсюли, в частности, МК-10, МК-16, МК-59 и др.
Наиболее простая схема включения угольного микрофона приведена на рис. 7. В этой схеме трансформатор должен быть повышающим и для угольного микрофона с сопротивлением R = 300...400 Ом его можно намотать на Ш-образном железном сердечнике с сечением 1...1,5 см2.
Первичная обмотка (I) содержит 200 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,2 мм, а вторичная (II) — 400 витков ПЭВ-1 диаметром 0,08...0,1 мм.
Угольные микрофоны в зависимости от их динамического сопротивления делят на 3 группы:
- низкоомные (около 50 Ом) с током питания до 80 мА;
- среднеомные (70... 150 Ом) с током питания не более 50 мА;
- высокоомные (150...300 Ом) с током питания не более 25 мА.
Из этого следует, что в цепи угольного микрофона необходимо устанавливать ток, соответствующий типу микрофона. В противном случае при большом токе угольный порошок начнет спекаться и микрофон испортится.
При этом появляются нелинейные искажения. При очень малом токе резко снижается чувствительность микрофона. Угольные капсюли могут работать и при пониженном токе источника питания, в частности, в усилителях на лампах и транзисторах.
Снижение чувствительности при пониженном питании микрофона компенсируется простым повышением коэффициента усиления усилителя звуковой частоты.
В этом случае улучшается частотная характеристика, значительно снижается уровень шумов, повышается стабильность и надежность работы.
Рис. 7. Принципиальная схема включения угольного микрофона с использованием трансформатора.
Вариант включения угольного микрофона в усилительный каскад на транзисторе дано на рис 8.
Вариант включения угольного микрофона в сочетании с транзистором на входе лампового усилителя звуковой частоты по схеме рис. 9 позволяет получить большое усиление по напряжению.
Рис. 8. Принципиальная схема включения угольного микрофона на входе транзисторного УЗЧ.
Рис. 9. Принципиальная схема включения угольного микрофона на входе гибридного УЗЧ, собранного на транзисторе и электронной лампе.
Литература: В.М. Пестриков - Энциклопедия радиолюбителя.
Построение основных каскадов приёмо-передающего тракта трансивера KENWOOD TS-990S.
DSP – обработчик сигнала второго приёмника построен на микросхеме DSP фирмы Analog Devices ADSP-21369 .
Вот что пишет* производить про чип ADSP-21363:
«Третье поколение процессоров SHARC ®, включает в себя следующие чипы: ADSP-21261, ADSP-21262, ADSP-21266, ADSP-21363, ADSP-21364, ADSP-21365 и ADSP-21366. Они имеют повышенную производительность и ориентированы для аудио приложений и программно-ориентированных приложений. Конфигураций памяти процессора, способна поддерживать алгоритмы обработки объемного звука. Все устройства являются совместимыми друг с другом и полностью имеют совместимый код со всеми предыдущими процессорами SHARC - архитектуры. Семейство процессоров SHARC основано на ядре типа "одна команда много данных", которое поддерживает как 32-разрядные инструкции с фиксированной запятой, так и 32/40-битную арифметику с плавающей запятой, что делает этот процессор особенно хорошо подходящим для высокопроизводительных аудио приложений.
Чип ADSP-21363 имеет высокую производительность – тактовая частота процессора 333 МГц имеет производительность 2 GFLOPs, присущую всем SHARC процессорам семейства третьего поколения. Такой уровень производительности делает ADSP-21363 особенно хорошо подходящим для решения всё возрастающих потребностей и многих приложений общего назначения для обработки сигнала.
Процессоры третьего поколения с SHARC архитектурой предназначены для интегрированных приложений периферийных устройств, и могут использоваться для упрощения проектирования аппаратного обеспечения, минимизировать риски при проектировании устройств и в конечном итоге сократить время выпуска устройств на рынок»
*(Вольный перевод)
И вот что пишется* про чип ADSP-21369:
«Третье поколение процессоров SHARC ® имеют повышенную производительность и новую конфигурации памяти. Они предназначены для периферийных устройств и аудио-ориентированных приложений.Чип ADSP-21369 имеет увеличенную производительность и тактовые частоты до 400 МГц. Для упрощения разработки алгоритмов и интеграции чип имеет очень гибкий интерфейса внешней памяти с высокой пропускной способностью.Чип ADSP-21369 совместим с семейством процессоров SHARC, основанном на ядре типа "одна команда много данных", которое поддерживает как 32-разрядные инструкции с фиксированной запятой, так и 32/40-битную арифметику с плавающей запятой, что делает этот процессор особенно хорошо подходящим для высокопроизводительных аудио приложений.
Чип ADSP-21369 имеет увеличенное количество памяти до 2 МБ SRAM и 6 МБ ПЗУ.Чип имеет следующие периферийные устройства: полностью цифровой S/PDIF-передатчик/приемник, 8-канальный асинхронный преобразователь частоты дискретизации, 8 высокоскоростных последовательных порта, 4 генератора точного времени, а также несколько последовательных интерфейсов, в совокупности позволяющих обеспечить максимальную пропускную способность системы и минимизировать затраты на разработку приложений»
*(Вольный перевод)
Что мы видим из приведённого выше текста? Если начать мерять производительность по частоте, получается, что в Sub-приёмнике стоит более мощный чип, чем в тракте основного приёмного тракта. Нелогично как то, правда? Или логично? Узнаем ниже…
Зато, глаз зацепился за цену. При максимальной стоимости чипа ADSP-21369 38 долларов, разница с чипом ADSP-21363 составляет целых 10 долларов. Что можно предположить? Что всё же, чип DSP с максимальной производительностью поставили в тракт, где заранее характеристики всего тракта второго приёмника чуть-чуть, но хуже, чем у главного приёмного тракта. Тем самым вроде как перестраховались. А дальше – всё качество определяется алгоритмами обработки сигналов. Тем более, что оба DSP-чипа работают не на максимально заявленных частота, а немного меньших и работают в тандеме с главным процессором управления.
Отрисовкой панорамы спектра диапазонов, а так же «водопада», занимается такой же чип DSP, что и чип обработчика основного приёмного тракта – ADSP-21363. Он же занимается декодированием RTTY и PSK сигналов.
Взглянув на схему построения DSP блока, см. рисунок 36, становится понятно, почему в трансивере применены DSP-чипы разной мощности. DSP-чип главного приёмного тракта занимается только обработкой поступившего сигнала. В это же время, DSP-чип второго приёмного тракта несёт на себе помимо функций обработки сигнала Sub-приёмника, ещё и функции интерфейса со всеми внешними и внутренними устройствами. Таким образом, оба чипа DSP работают в паре.
Рисунок 36. Общая схема блока DSP
Общая цепочка АРУ выполняется совместно аналогово-цифровым методом и выполнена всё на тех же DSP-чипах. См рисунок 34.
Рисунок 37. Структурная схема блока АРУ и взаимодействие его с DSP.
Вторым, и на этот раз объективным параметром качества работы всего цифрового DSP-блока, является частота оцифровки сигнала и разрядность микросхем АЦП, применяемых в цифровом блоке. Разрядность АЦП будет определять динамический диапазон сигналов, которые сможет обработать DSP-блок. В последние 10-15 лет, практически во всех трансиверах всех фирм в основном применяются 24-битные АЦП. В трансивере KENWOOD TS-990S оцифровывается последняя промежуточная частота 24кГц.
Для сравнения, это не самая высокая цифра последней ПЧ. У трансивера ICOM IC-7800 и IC-7700 она составляет 36кГц. И в этом месте обычно возникают споры между фанатами ICOM-а и противниками KENWOOD-а. В народе считается, что чем выше цифра последней ПЧ – тем лучше.
В этом месте мы сразу бы задали обоим сторонам вопрос: «А чем же, собственно, лучше?» Думается, объективно, вопрос может остаться без ответа, т.е. риторическим, по причине того, что людей программирующих DSP-чипы на программном уровне среди радиолюбительской братии по пальцам можно пересчитать и те, себя не особо афишируют, ибо заняты.
Но, нам удалось найти настоящих специалистов со светлыми головами, которые пишут программы под DSP-чипы и проконсультироваться с ними по этому, весьма щекотливому вопросу. Для того, что бы окончательно, раз и навсегда расставить все точки над i, приводим в этой статье пояснения программистов DSP по вопросу, какая ПЧ всё же лучше - высокая или низкая.
«По сути, в приложении к радиолюбительской связи и трансиверу в частности, нет абсолютно ни какой разницы, какую промежуточную частоту применил производитель. Полоса, которую обрабатывает DSP-модуль, составляет максимум 5кГц. В случае обработки звука, речь не идёт об отрисовки панорамы или «водопада», где полоса оцифровки играла бы решающую роль, а потому, нет ни какой разницы, используется ПЧ=24кгц или 36кГц.
На что может влиять, а точнее, что влечёт за собою увеличение частоты оцифровки ПЧ в плане написания программы DSP? В первую очередь увеличение частоты оцифровки ПЧ влияет на сложность построения алгоритма работы программы DSP. В случае применения DSP-чипа как фильтра нижних частот, обычно используемых в связной аппаратуре – увеличение частоты оцифровки ПЧ влечёт увеличение порядка применяемого программного фильтра.
Так, приблизительно, на частоте 24кГц порядок фильтра будет 500-ым, в то время как на ПЧ=36кГц для достижения тех же параметров фильтра, потребуется увеличение порядка фильтра в 1.5-2 раза. Это, в свою очередь, требует увеличение мощности процессора и привлечения бОльших вычислительных ресурсов. Если, применяемый в трансивере DSP-чип обладает соответствующими ресурсами для больших вычислений, то опять приходим к выводу, что разницы ни какой нет.
Частота ядра на которой работает DSP-чип в настоящее время, так же является слабым показателем производительности. Для сравнения, производительность чипов DSP фирмы А* практически в 5-10 раз меньше чем производительность фирмы Б* при тех же скоростях частоты вычислительного ядра.
Тут вопрос скорее экономический, при проектировании модуля DSP, экономисты фирмы производителя просчитывают, что заложить в проект ТОП-трансивера будет рентабельнее, мощный DSP-процессор фирмы А ценою 50 долларов, а в трансивер среднего класса менее мощный DSP-процессор фирмы Б, но ценою 20 долларов. Программисты же фирмы напишут эффективную программу, как на первый, так и на второй процессор.»
*(Умышленно не названы имена фирм, т. К. В контексте статьи это не имеет значение)
Что мы можем вынести для себя из этого пояснения? Что все споры на тему лучше или хуже высокая последняя ПЧ у трансиверов ICOM или низкая ПЧ у трансиверов KENWOOD являются пустыми. И что объективно, чем выше класс трансивера, будь то трансивер компании ICOM или KENWOOD – у более дорогих трансиверов DSP-тракт обработки сигнала АПРИОРИ будет более совершенным, чем в более дешевых моделях.
Потому, перейдём к следующему блоку – блоку АЦП и ЦАП.
В модуле АЦП последней ПЧ применяются микросхемы AK5385 . На сегодняшний день – это одна из самых популярных микросхем у производителей звуковой аппаратуры. С её параметрами вы можете ознакомиться, перейдя по ссылке, нажав на название микросхемы мышкой. Если кратко, то это микросхема АЦП имеет максимальную полосу оцифровки сигнала 192кГц, с разрядностью 24 бита. Динамический диапазон и соотношение сигнал\шум составляют 114дБ.
Оцифровкой сигнала с микрофона осуществляется отдельной микросхемой кодеком - WM8782 .
Обратное преобразование сигнала из цифры в звук и формирование сигнал передачи осуществляется с помощью не менее известных микросхем-кодеков ЦАП – AK4387ET и AK4396VF .
На рисунке 38 и 39, ниже, показан путь прохождения сигнала обоих приёмников трансивера KENWOOD TS-990S от тракта последней ПЧ, до динамиков или наушников.
Рисунок 38. Структурная схема сквозного тракта DSP трансивера KENWOOD TS-990S
Рисунок 39. Структурная схема микрофонного тракта DSP трансивера KENWOOD TS-990S
Помимо звуковых каналов, непосредственно функционирующих с пользователем, таких как выходы на динамики, наушники или микрофон, в трансивере KENWOOD TS-990S предусмотрены несколько дополнительных аудио портов, взаимодействующих с внешним миром, посредствам USB – интерфейса, оптического интерфейса, линейных входа и выхода. Так же присутствует внутренний канал взаимодействия обоих приёмных трактов с магнитофоном. Все эти интерфейсы взаимодействуют между собою через свои чипы АЦП\ЦАП, которые в свою очередь висят на самом мощном DSP-чипе. См. Рисунок 40.
Рисунок 40. Структурная схема внутреннего и внешнего взаимодействия аналогового тракта DSP трансивера KENWOOD TS-990S
11. И в завершении...
После наброски основного текста стать мы долго думали, стоит ли сопоставлять в техническом плане трансивер KENWOOD TS-990S с его ближайшими конкурентами ICOM IC-7700 и ICOM IC-7800. В результате долгих обсуждений, мы решили всё же не сопоставлять их в силу того, что новый трансивер KENWOOD TS-990S имеет структуру построения главного приёмного тракта отличающуюся от того, что делали все производители трансиверов последние 15-20 лет. Плюс к этому, ещё ни одна из известных и авторитетных лабораторий не сделала достоверных обмеров параметров трансивера. А первые пользователи только-только осваивают новый трансивер и радуются новым возможностям…
Потому в этой статье мы ограничились обычным рассмотрением структурных блоков, из чего и как сделаны те или иные узлы трансивера KENWOOD TS-990S. Для особо интересующихся схемами, полный сервис-мануал на трансивер можно найти на просторах интернета. Он находится в свободном доступе. Для полноты картины, в конце статьи лежит полная структурная схема трансивера.
Хотим добавить, что по представленному в свободном доступе сервис-мануалу на трансивер KENWOOD TS-990S можно спокойно изучать технологию измерения параметров и настройки основных блоков любых трансиверов. Естественно, имея при этом некие общие базовые понятия о работе приёмо-передающих трактов.
До встрече в следующей части…
О чём она будет, пусть останется для всех секретом.
Вы можете скачать печатный вариант первой части статьи
Вы можете скачать печатный вариант второй части статьи
Практически все гарнитуры, которые предназначены для работы с ПК, имеют настолько «жалкие» характеристики, что попытайся вы использовать микрофон от такой гарнитуры для звукозаписи или того же караоке, ничего кроме разочарования не получите. Причина здесь одна – все подобные микрофоны предназначены для передачи речи и имеют очень узкий частотный диапазон. Это не только удешевляет саму конструкцию, но и способствует разборчивости речи, что является главным требованием гарнитуры.
Попытки же подключить обычный динамический или электретный микрофон обычно заканчиваются провалом – уровня с такого микрофона явно недостаточно для «раскачки» звуковой карты. Дополнительно сказывается незнание входной схемы звуковых карт и неправильное подключение динамического микрофона завршает дело. Собирать микрофонный усилитель и подключить «по уму»? Было бы неплохо, но гораздо проще использовать микрофон МЭК-3, который одно время широко использовался в носимой аппаратуре и до сих пор достаточно распространен. Но подключать «по уму», конечно, придется.
Микрофон этот электретный, обладает достаточно высокими характеристиками (частотный диапазон, к примеру, лежит в интервале 50 – 15 000 Гц) и, самое главное, в него встроен истоковый повторитель, собранный на полевом транзисторе, который не только согласует высокое сопротивление микрофона с усилителем, но и имеет более чем достаточный для любой звуковой карты уровень выходного сигнала. Единственный, пожалуй, недостаток – микрофону требуется питание. Но ток потребления его настолько мал, что двух пальчиковых батареек, соединенных последовательно, хватит на многие месяцы непрерывной работы. Взглянем на внутреннюю схему микрофона, которая расположена в алюминиевом стакане, и подумаем, как его подключить к компьютеру:
Серым цветом обозначен алюминиевый стакан, который является экраном и соединен с общим проводом схемы. Как я уже говорил, такой микрофон требует внешнего питания, причем минус 3-5 В нужно подать на резистор (красный провод), а плюс – на синий. С белого будем снимать полезный сигнал.
А теперь взглянем на схему микрофонного входа компьютера:
Оказывается сигнал должен подаваться только на самый кончик разъема, обозначенный зеленым, а на красный сама звуковая карта подает +5 В через резистор. Сделано это для питания предварительных усилителей гарнитур, если они используются. Мы этим напряжением не будем пользоваться по двум причинам: во-первых, нам нужна другая полярность, а если просто «перевернуть» провода, то микрофон будет сильно «фонить». Во-вторых, блок питания ПК импульсный и помеха на этих пяти вольтах будет приличная. Использование же гальванических элементов в плане помех идеально – чистая «постоянка» без малейших пульсаций. Итак, полная схема подключения нашего микрофона к компьютеру будет выглядеть следующим образом.
В этом документе собраны электрические схемы и информация о том, как построено питание электретных микрофонов. Документ написан для людей, способных читать простейшие электрические схемы.
- Введение
- Введение в электретные микрофоны
- Основные схемы питания электретных микрофонов
- Звуковые карты и электретные микрофоны
- Plug-in power
- Фантомное питание в профессиональной аудиотехнике
- T-Powering
- Другая полезная информация
1. Введение
Микрофонам большинства видов для работы требуется электропитание, как правило это конденсаторное микрофоны, а так же микрофоны сходные с ними по принципу действия. Электропитание необходимо для работы внутреннего предусилителя и поляризации мембран микрофонного капсюля. В случае, если встроенного источника питания (батареи, аккумулятора) в микрофоне нет, напряжение к микрофону подается по тем же проводам что и сигнал от микрофона к предусилителю.
Бывают случаи, когда микрофон принимают за сломанный только потому, что не знают о необходимости подать на него фантомное питание или вставить батарейку.
2. Введение в электретные микрофоны
Электретные микрофоны обладают наилучшим соотношением цена/качество. Эти микрофоны могут быть очень чувствительными, достаточно прочными, предельно компактными, а так же обладать малым энергопотреблением. Электретные микрофоны находят широчайшее применение, в силу компактных размеров их часто встраивают в готовые изделия, сохраняя при этом высокие рабочие характеристики. Согласно некоторым оценкам, электретный микрофон используется в 90% случаев, что, учитывая вышеизложенное, более чем оправданно. Большинство петличных микрофонов, микрофонов используемых в любительских видеокамерах и микрофонов применяемых совместно с компьютерными звуковыми картами, являются электретными микрофонами.
Электретные микрофоны схожи с конденсаторными по принципу преобразования механических колебаний в электрический сигнал. Конденсаторные микрофоны преобразуют механические колебания в изменение емкости конденсатора, получаемого при подаче напряжения на мембраны микрофонного капсюля. Изменение емкости, в свою очередь, ведет к изменению напряжения на обкладках пропорционально звуковым волнам. В то время как капсюль конденсаторного микрофона нуждается во внешнем (фантомном) питании, мембрана капсюля электретного микрофона имеет свой заряд в несколько вольт. Питание ему необходимо для встроенного буферного предусилителя , а не для поляризации мембран.
Типичный электретный микрофонный капсюль (Рис.01) имеет два пина (бывает три) для подключения к источнику тока 1-9 вольт и, как правило, потребляет менее 0,5мА. Эта мощность расходуется на питание миниатюрного буферного предусилителя, встроенного в микрофонный капсюль, и служащего для согласования высокого сопротивления микрофона и подключенного кабеля. Следует помнить, что кабель обладает собственной емкостью, и на частотах более 1кГц его сопротивление может достигать несколько 10-ков кОм.
Нагрузочный резистор определяет сопротивление капсюля, и предназначен для согласования с малошумящим предусилителем. Это, как правило, 1-10кОм. Нижний предел определяется шумом усилителя по напряжению, в то время как верхний - шумом усилителя по току. В большинстве случаев напряжение 1,5-5В подается на микрофон через резистор в несколько кОм.
В связи с тем, что электретный микрофон имеет в своем составе буферный предусилитель, который добавляет к полезному сигналу собственный шум, он и определяет отношение сигнал/шум (обычно в районе 94дБ), что эквивалентно акустическому отношению сигнал/шум 20-30дБ.
Электретные микрофоны нуждаются в напряжении смещения для встроенного буферного предусилителя. Это напряжение должно быть стабилизировано, не содержать пульсаций, так как в противном случае они поступят на выход в составе полезного сигнала.
3. Основные схемы питания электретных микрофонов
3.1 Принципиальная схема
На рисунке Рис.02 представлена основная схема питания электретного микрофона, на нее следует ссылаться при рассмотрении подключения любого электретного микрофона. Выходное сопротивление определяется резисторами R1 и R2. Практически выходное сопротивление можно принять R2.
3.2 Питание электретного микрофона от батарейки (аккумулятора)
Эта схема (Рис.04) может быть использована совместно с бытовыми магнитофонами и звуковыми картами, изначально предназначенными для работы с динамическими микрофонами. Когда вы соберете эту схему внутри корпуса микрофона (или в небольшом внешнем боксе), ваш электретный микрофон найдет универсальное применение.При построении данной схемы, будет полезно добавить выключатель, чтобы отключать батарейку в то время, когда микрофон не используется. Следует отметить, что уровень выходного сигнала этого микрофона значительно выше уровня, получаемого при использовании динамического микрофона, так что необходимо контролировать усиление на входе звуковой карты (усилителя/микшерного пульта/магнитофона и т.д.). Если этого не сделать, высокий уровень входного сигнала может привести к перемодуляции. Выходное сопротивление этой схемы в районе 2кОм, поэтому не рекомендуется использовать слишком длинный микрофонный кабель. В противном случае он может сработать как фильтр нижних частот (несколько метров не окажет сильного влияния).
3.3 Простейшая схема питания электретного микрофона
В большинстве случаев допустимо использовать одну/две батарейки 1,5В (в зависимости от используемого микрофона) для питания микрофона. Батарейка включается последовательно с микрофоном (Рис.05).Эта схема работает, если постоянный ток, поступающий от батарейки, не оказывает на предусилитель негативного влияния. Это случается, но далеко не всегда. Обычно предусилитель работает только как усилитель переменного тока, и постоянная компонента не оказывает на него никакого влияния.
Если вы не знаете правильную полярность батарейки, попробуйте включить ее в двух направлениях. В подавляющем большинстве случаев неправильная полярность при низком напряжении не вызывает никаких повреждений микрофонного капсюля.
4. Звуковые карты и электретные микрофоны
В данном разделе рассматриваются варианты подачи питания на микрофоны от звуковых карт.
4.1 Вариант Sound Blaster
Звуковые карты Sound Blaster (SB16, AWE32, SB32, AWE64) от Creative Labs используют 3,5мм stereo jack-и для подключения электретных микрофонов. Распиновка jack-а представлена на Рисунке 06.Creative Labs на своем сайте приводит характеристики. которыми должен обладать микрофон, подключаемый к звуковым картам Sound Blaster:
- Тип входа: небалансный (несимметричный), низкоомный
- Чувствительность: около -20дБВ (100 мВ)
- Входное сопротивление: 600-1500 Ом
- Разъем: 3,5 мм stereo jack
- Распиновка: Рисунок 07
 |
| Рис.07 - Распиновка разъема с сайта Creative Labs |
 |
| Рис.08 - Микрофонный вход звуковой карты Sound Blaster |
4.2 Другие варианты подключения микрофона к звуковой карте
Звуковые карты других моделей/производителей могут использовать метод рассмотренный выше, а могут иметь собственный вариант. Звуковые карты, которые используют 3,5мм разъем mono jack для подключения микрофонов, как правило имеют перемычку, позволяющую в случае необходимости подать питание на микрофон, либо его отключить. Если перемычка находится в положении при котором осуществляется подача напряжения к микрофону (обычно +5В через резистор 2-10кОм), то это напряжение подается по тому же проводу что и сигнал от микрофона к звуковой карте (Рис.09).
Входы звуковой карты в этом случае имеют чувствительность около 10мВ.
Это подключение также используется в компьютерах Compaq, выпускаемых со звуковой картой Compaq Business Audio (микрофон Sound Blaster хорошо работает с Compaq Deskpro XE560). Напряжение смещения, измеренное на выходе Compaq, 2,43В. Ток короткого замыкания 0,34мА. Это говорит о том, что напряжение смещения подается через резистор около 7кОм. Кольцо 3,5мм jack-а не используется, и ни к чему не присоединяется. Руководство пользователя Compaq говорит, что этот микрофонный вход используется только для подключения электретного микрофона с фантомным питанием, например микрофона поставляемого самим Compaq. Если верить Compac, этот метод подачи питания называется фантомным питанием, однако не следует путать этот термин с тем, что используется в профессиональной аудио технике. Согласно заявленным техническим характеристикам входное сопротивление микрофона 1кОм, а максимально допустимый уровень входного сигнала 0,013В.
4.3 Подача напряжения смещения к трех- проводному капсюлю электретного микрофона от звуковой карты
Эта схема (Рис.10) подходит для подключения трех- проводного капсюля электретного микрофона к звуковой карте Sound Blaster, которая поддерживает подачу напряжения смещения (НС) к электретному микрофону.
4.4 Подача напряжения смещения к двух- проводному капсюлю электретного микрофона от звуковой карты
Эта схема (Рис.11) подходит для сопряжения двух- проводного электретного капсюля со звуковой картой (Sound Blaster), которая поддерживает подачу напряжения смещения. |
| Рис.12 - Простейшая схема, работающая с SB16 |
4.5 Питание электретных микрофонов с 3,5 мм mono jack-ом от SB16
Приведенная ниже схема питания (Рис.13) может применяться с микрофонами, напряжение смещение которым подается по тому же проводу, по которому передается аудио сигнал.4.6 Подключение микрофона телефонной трубки к звуковой карте
Согласно некоторым новостным статьям на портале comp.sys.ibm.pc.soundcard.tech, этаже схема может использоваться для подключения к звуковой карте Sound Blaster электретного капсюля телефонной трубки. В первую очередь необходимо убедиться что микрофон в выбранной трубке электретный. Если это так, то необходимо отсоединить трубку, открыть ее и найти плюс микрофонного капсюля. После этого капсюль подключается как показано на рисунке выше (Рис.13). Если вы хотите использовать разъем RJ11 телефонной трубки, то микрофон подключен к проводам внешней пары. Различные трубки имеют разные уровни сигнала на выходе, и уровня некоторых может быть недостаточно для использования со звуковой картой Sound Blaster.Если вы хотите использовать динамик трубки, то подключите его к Tip и вставьте в звуковую карту. Перед этим убедитесь что он имеет сопротивление более 8Ом, в противном случае усилитель на выходе звуковой карты может сгореть.
4.7 Питание мультимедийного микрофона от внешнего источника
Основная идея питания мультимедийного (ММ) микрофона приведена ниже (Рис.14).
Общая схема питания компьютерного микрофона, предназначенная для работы с Sound Blaster и другими подобными звуковыми картами приведена на рисунке ниже (Рис.15):
 |
| Рис.15 - Общая схема питания компьютерного микрофона |
Примечание 2: обычно напряжение питания микрофонов, подключаемых к звуковой карте составляет около 5 вольт, подаваемых через резистор 2,2кОм. Микрофонные капсюли обычно не восприимчивы к к постоянному току от 3 до 9 вольт, и будут работать (хотя уровень подаваемого напряжения может повлиять на выходное напряжение микрофона).
4.8 Подключение мультимедийного микрофона к обычному микрофонному входу
Напряжение +5В может быть получено из большего с помощью стабилизатора напряжения, такого как 7805. В качестве альтернативы можно использовать последовательное включение трех батареек 1,5В, а можно использовать и одну на 4,5В. Включать ее следует как показано на рисунке выше (Рис.16).
4.9 Plug-in power
Множество небольших видео камер и рекордеров используют 3,5мм микрофонный стерео штекер для подключения стерео микрофонов. Некоторые устройства предназначены для микрофонов с внешним источником питания, в то время как другие подают питание через тот же разъем, по которому передается аудио сигнал. В характеристиках устройств, которые обеспечивают питание капсюлей через микрофонный вход, этот вход называется "Plug-in power".
Для устройств, которые используют подключение Plug-in power для электретных микрофонов, схема приведена ниже (Рис.17):
Технология подключения микрофонов Plug-in power с точки зрения схемотехники записывающего устройства (Рис.18):
 |
| Рис.18 - Схемотехника разъема Plug-in power |
Примечания
Буферный предусилитель электретного микрофона - это также просто предусилитель, преобразователь напряжения, повторитель, полевой транзистор, согласователь сопротивления.
Подключение динамического микрофона к компьютеру.
Микрофонный вход звуковых карт предназначен для подключения электретных(разновидность конденсаторных) микрофонов . Конденсаторный микрофон имеет встроенный усилитель и поэтому на выходе достаточно сильный сигнал.
Рис.1 Схема конденсаторного микрофона.
В большинстве случаев электретные микрофоны имеют худшие характеристики чем динамические. Имеет смысл при необходимости качественной звукозаписи использовать более качественный (в сравнении с тем что устанавливается, например, в гарнитурах) динамический микрофон , который мог остаться со времен СССР, например от магнитофона, или микрофон шел от комплекта DVD с караоке. На фото нескольких примеров динамических микрофонов.
Рис.2 Динамический микрофон от DVD плеера с караоке.
Рис.3 Динамический микрофон Октава МД-47. Год выпуска 1972. Замечательный звук.
Рис.4 Динамический микрофон. Капсюль ДЭМШ-1А.
Рис.5 Стильная ретро гарнитура с динамическим микрофоном.
Подключив к микрофонному входу звуковой карты динамический микрофон , не возможно получить нормальный уровень сигнала, по крайней мере, если не кричать в этот микрофон. Необходимо усиление.
В отличие от динамических микрофонов, все конденсаторные микрофоны требуют питания усилителя. Для работы встроенного в конденсаторный микрофон усилителя на средний контакт подается питание примерно 3 вольта - Vbias(на рис.8 - +V ). Схема усилителя для динамического микрофона аналогична встроенному усилителю конденсаторного микрофона.
Рис.7 Схема усилителя для динамического микрофона.
Рис.8 Штекер микрофона.
Номиналы деталей варьируются очень широко.
Транзистор V1 n-p-n типа. Например С945, КТ315Б, КТ3102. Резистор R1 в пределах 47..100кОм, желательно поставить подстроечный, и вывести транзистор в оптимальный режим, а затем измерить сопротивление построечного резистора и поставить постоянный близкого номинала. Хотя работать схема будет сразу с любым транзистором и резистором с номиналом в этих пределах. Конденсаторы С1,С2 от 10 мкф и до 100 мкф, оптимально 47 мкф на 10 В. Резистор R2 1..4,7кОм
Схему желательно разместить в самом корпусе микрофона, как можно ближе к капсюлю, чтобы избежать усиления шумов, которые могут проникнуть в кабель. Если же микрофон должен использоваться по прежнему назначению или нужна возможность подключать разные динамические микрофоны, то схему можно смонтировать в отдельном экранированном корпусе с гнездом для подключения микрофонов и кабелем для подключения к звуковой карте.
