Detektor Blackmer RMS

Detektor Blackmer RMS to elektroniczny konwerter True RMS wynaleziony przez Davida E. Blackmera w 1971 roku. Detektor Blackmer w połączeniu z komórką wzmocnienia Blackmera stanowi rdzeń systemu redukcji szumów dbx i różnych profesjonalnych procesorów sygnału audio opracowanych przez firmę dbx, Inc. .

W przeciwieństwie do wcześniejszych detektorów RMS, które uśredniały w czasie algebraiczny kwadrat sygnału wejściowego, detektor Blackmer przeprowadza uśrednianie w czasie na logarytmie wejściowym , będąc pierwszym udanym, skomercjalizowanym przypadkiem filtra logarytmicznego. Układ, stworzony metodą prób i błędów , oblicza średnią kwadratową różnych przebiegów z dużą precyzją, chociaż dokładny charakter jego działania nie był znany wynalazcy. Pierwsza analiza matematyczna filtrowania w domenie logarytmicznej i matematyczny dowód wynalazku Blackmera zostały zaproponowane przez Roberta Adamsa w 1979 roku; ogólna teoria syntezy filtrów w domenie logarytmicznej została opracowana przez Douglasa Freya w 1993 roku.

Operacja

Ścieżka rozwoju od tradycyjnego detektora log-antilog RMS (na górze) do detektora Blackmer RMS (na dole) w jego opatentowanej konfiguracji z 1971 roku. Symbole diod oznaczają tranzystory połączone z diodami; właściwe diody mają gorszą charakterystykę logarytmiczną i są unikane w precyzyjnych obwodach.

Średnia kwadratowa (RMS), zdefiniowana jako pierwiastek kwadratowy ze średniej kwadratowej sygnału wejściowego w czasie, jest użyteczną miarą prądów przemiennych . W przeciwieństwie do wartości szczytowej lub wartości średniej, RMS jest bezpośrednio powiązany z energią i jest odpowiednikiem prądu stałego , który byłby wymagany do uzyskania tego samego efektu ogrzewania. W aplikacjach audio RMS jest jedyną miarą bezpośrednio związaną z postrzeganą głośnością , ponieważ jest niewrażliwa na fazę harmonicznych w złożonych kształtach fal . Magnetyczne nagrywanie i odtwarzanie nieuchronnie przesuwa fazy harmonicznych; prawdziwy konwerter RMS nie zareaguje na takie przesunięcie fazowe. Z kolei prostsze detektory szczytowe lub średnie reagują na zmiany fazy zmieniającą się wartością wyjściową, chociaż poziom energii i głośność pozostają niezmienione. Z tego powodu David Blackmer, projektant redukcji szumów dbx , potrzebował niedrogiego, precyzyjnego detektora RMS kompatybilnego z komórką wzmacniającą Blackmera . Ten ostatni miał wykładniczą charakterystykę sterowania, więc odpowiedni detektor musiał mieć logarytmiczne .

Współczesne elektroniczne detektory RMS miały „normalne”, liniowe wyjścia i zostały zbudowane dokładnie zgodnie z definicją RMS. Detektor oblicza kwadrat sygnału wejściowego, uśrednia kwadrat w czasie za pomocą filtra dolnoprzepustowego lub integratora , a następnie oblicza pierwiastek kwadratowy z tej średniej, aby uzyskać liniowy, a nie logarytmiczny sygnał wyjściowy. Analogowe obliczenia kwadratów i pierwiastków kwadratowych przeprowadzono albo przy użyciu drogich mnożników analogowych o zmiennej transkonduktancji (które pozostają drogie w XXI wieku), albo prostszych i tańszych konwerterów logarytmicznych wykorzystujących wykładniczą charakterystykę prądowo-napięciową tranzystora bipolarnego . Konwersja termiczna RMS była zbyt wolna dla celów audio; elektroniczne detektory RMS działały dobrze w przyrządach pomiarowych, ale ich zakres dynamiczny był zbyt wąski dla profesjonalnego audio - właśnie dlatego, że działały na kwadratach sygnału wejściowego, zajmując dwukrotnie jego zakres dynamiczny.

Blackmer doszedł do wniosku, że detektor log-antilog można uprościć, przyjmując przetwarzanie do domeny log, pomijając fizyczne podnoszenie do kwadratu sygnałów wejściowych, a tym samym zachowując jego pełny zakres dynamiczny. Podnoszenie do kwadratu i pierwiastki kwadratowe w domenie logarytmicznej jest bardzo tanie, ponieważ jest prostym skalowaniem o współczynnik 2 lub 1/2. Jednak proste filtry liniowe nie działają w domenie dziennika, generując nieprawidłowe, nieistotne dane wyjściowe. Poprawne uśrednianie w czasie wymagało filtrów nieliniowych o nieznanej jeszcze topologii. Blackmer zaproponował prostą wymianę rezystora w sieci RC na krzemową diodę spolaryzowaną stałym prądem spoczynkowym. Ponieważ impedancja małosygnałowa takiej diody jest sterowana liniowo prądem, zmiana tego prądu steruje czasem ustalania się detektora. Częstotliwość odcięcia tego filtra pierwszego rzędu jest równa

$\ Displaystyle f_ {c} = {\ Frac {1} {2 \ pi}} ({\ Frac {I_ {bezczynny}}} {\ fi$ ,

gdzie $)$ termicznym (stąd częstotliwość zmienia się wraz z temperaturą . Równanie jest ważne dla zakresu prądów jałowych powyżej 60 dB , umożliwiając szerokie możliwości strojenia. Obwód ma szybki atak i powolny zanik, które są ze sobą powiązane i nie można ich regulować oddzielnie. Logarytmiczne napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do średniej kwadratowej przy współczynniku około 3 mV/dB i proporcjonalne do wartości skutecznej przy około 6 mV/dB.

Kiedy zbudowano prymitywny obwód testowy, Blackmer i jego współpracownicy nie spodziewali się, że będzie on działał jako prawdziwy detektor RMS, ale tak się stało. Według Roberta Adamsa „wydawał się zachowywać idealnie”, a rygorystyczne testy z różnymi przebiegami potwierdziły idealną skuteczność RMS. Układ był absolutnie niewrażliwy na przesunięcia fazowe sygnału wejściowego. Został natychmiast opatentowany i zastosowany w dbx, Inc. profesjonalne procesory dźwięku. Nikt w firmie, łącznie z Blackmerem, nie potrafił wyjaśnić, dlaczego to w ogóle działa, aż do 1977 roku, kiedy Robert Adams rozpoczął pracę nad właściwym matematycznym dowodem zgodności RMS. Adams próbował rozszerzyć koncepcję domeny dziennika na topologię Sallena-Keya i nie powiodło się. Opublikował swoją pracę w 1979 roku, a później został uznany za wynalazcę koncepcji filtra log-domain, ale pomysł ten pozostawał nieznany ogółowi społeczeństwa aż do pionierskiej pracy Douglasa Freya z 1993 roku.

Bibliografia

•   Adams, Robert (2006). "Przedmowa". W Gordon W. Roberts, Vincent W. Leung (red.). Projektowanie i analiza obwodów filtrów domeny dziennika opartych na integratorze . Springer Science & Business Media. ISBN 9780306470547 .
•   Roberts, Gordon; Leung, Vincent (2006). Gordon W. Roberts, Vincent W. Leung (red.). Projektowanie i analiza obwodów filtrów domeny dziennika opartych na integratorze . Springer Science & Business Media. ISBN 9780306470547 .
•   Tyler, Les; Kirkwood, Wayne (2008). „12.3.4 Dedykowane analogowe układy scalone do zastosowań audio” . W Glen Ballou (red.). Podręcznik dla inżynierów dźwięku. Wydanie czwarte . Focal/Elsevier. ISBN 978-0-240-80969-4 .