Разработка лабораторной установки по исследованию каналов утечки речевой информации (стр. 6 из 14)
В качестве датчика шума возможно использование как внутреннего, так и внешнего источника. Внешними источниками могут являться стандартный генератор шума, магнитофонная запись с шумом и ряд других устройств.
Для простоты работы и минимизации стандартной аппаратуры необходимо разработать внутренний (встроенный) генератор шума.
При использовании внутреннего генератора шума необходимо, усилить выходной сигнал с генератора, для обеспечения нормальной работы октавного эквалайзера и достижения нужного коэффициента усиления.
Учитывая сказанное выше, функциональная схема акустического излучателя имеет вид представленный на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Функциональная схема акустического излучателя.
3.3.Разработка принципиальной схемы акустического излучателя
3.3.1 Усилитель мощности с регулятором громкости
В настоящее время существует множество различных схем усилителей мощности звуковой частоты, как отечественного, так и зарубежного производства. При выборе схемного решения устройства будем придерживаться следующих критериев:
- Коэффициент усиления не менее 50 дБ;
- Выходная мощность не менее 10 Вт;
- Сопротивление нагрузки 4 Ом;
- Частотный диапазон от 100 Гц до 10 кГц;
- Минимальное количество навесных элементов.
Выбор остановим на усилителе мощности низкой частоты, разработанный фирмой SGSTHOMSONMICROELECTRONICS, со следующими основными показателями:
- Коэффициент усиления 84 дБ;
- Выходная мощность 15 Вт;
- Сопротивление нагрузки 4 Ом;
- Частотный диапазон от 30 Гц до 20 кГц;
- Напряжение питания ±6В - ±18В.
Основным усилительным элементом выступает микросхема TDA 2030 (отечественный аналог - микросхема серии К174УН19). В качестве простейшего регулятора громкости может служить обычный переменный резистор, включенный по схеме делителя напряжения. Принципиальная схема усилителя мощности с регулятором громкости представлена на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Принципиальная схема усилителя мощности низкой частоты с регулятором громкости.
3.3.2 Расчет октавного эквалайзера
Октавный эквалайзер представляет собой набор полосовых фильтров со срединными частотами 250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 2000 Гц, 4000 Гц, 8000 Гц и соответствующими октавами 177 Гц – 354 Гц, 354 Гц – 707 Гц, 707 Гц – 1410 Гц, 1410 Гц – 2830 Гц, 2830 Гц – 5660 Гц, 5660 Гц – 11300 Гц, с последующей независимой регулировкой уровня напряжения сигнала. На выходе фильтров смесь сигналов суммируется с помощью буферного усилителя, представляющего собой операционный усилитель, включенный по стандартной схеме приведенной на рис 3.4.
Рис. 3.4. Схема включения операционного усилителя, работающего в режиме усиления.
В качестве устройства, реализующего необходимые характеристики, выберем полосовой фильтр со сложной отрицательной обратной связью, который отличается простотой реализации и удовлетворяет заданным требованиям.
Соответствующая схема фильтра приведена на рис. 3.5
Рис. 3.5. Схема полосового фильтра со сложной отрицательной связью
Примем С1 = С2 = С
Его передаточная функция имеет следующий вид:
. (3.10)Из сравнения этого выражения с передаточной функцией полосового фильтра в общем случае:
(3.11)гдеAr – коэффициент передачи на резонансной частоте;
Q – добротность.
следует, что коэффициент при p2 должен быть равен 1, отсюда находим резонансную частоту fр
. 
. 
. 3.12)Подставив это выражение для резонансной частоты в передаточную функцию (3.10), и приравняв соответствующие коэффициенты к коэффициентам выражения (3.11), получим остальные формулы для вычисления характеристик фильтра:
. 
. (3.13) 
. 
. 
.(3.14)из которых видно, что коэффициент передачи, добротность и резонансная частота рассматриваемого полосового фильтра могут выбираться произвольно.
Выражение для полосы пропускания фильтра получим из формулы:
.(3.15)Для нахождения параметров схемы R1, R2 и R3 зафиксируем с,B,fр и возьмем Аr=-1
Þ 
. (3.16) 
Þ 
Þ 
. (3.17) Þ 
ÞÞ
. (3.18)Для нахождения АЧХ фильтра подставим в выражение (3.10).
и возьмем его модуль. 
. (3.19) 
- АЧХ фильтраПо изложенной выше методике рассчитаем параметры схемы для всех шести полос и построим АЧХ фильтров. Расчет и построение проведем с помощью профессионального приложения Mathcad 7 Professional
Данные расчетов приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1.
Параметры схемы полосовых фильтров
| fСРЕД (Гц) | R1 (Ом) | R2 (Ом) | R3 (Ом) | C (нФ) |
| 250 | 89,92×103 | 179,80×103 | 30,07×103 | 10 |
| 500 | 45,09×103 | 90,17×103 | 14,97×103 | 10 |
| 1000 | 22,64×103 | 45,28×103 | 7,43×103 | 10 |
| 2000 | 11,21×103 | 22,42×103 | 3,78×103 | 10 |
| 4000 | 5,62×103 | 11,25×103 | 1,88×103 | 10 |
| 8000 | 2,82×103 | 5,64×103 | 0,93×103 | 10 |
АЧХ фильтров приведены на рис. 3.6.а и 3.6.б
а)
б)
Рис. 3.6. АЧХ полосовых фильтров
а) для fср=250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц;
б) для fср=2000 Гц, 4000 Гц, 8000 Гц,
гдеН0(f) – АЧХ фильтра с fСР = 250 Гц;
Н1(f) – АЧХ фильтра с fСР = 500 Гц;
Н2(f) – АЧХ фильтра с fСР = 1000 Гц;
Н3(f) – АЧХ фильтра с fСР = 2000 Гц;
Н4(f) – АЧХ фильтра с fСР = 4000 Гц;
Н5(f) – АЧХ фильтра с fСР = 8000 Гц.
В качестве активного элемента выберем микросхему серии К157 УД2, которая представляет собой двухканальный операционный усилитель общего назначения, построенный по "стандартной" трехкаскадной схеме с защитой выхода от короткого замыкания. Типовая схема включения операционного усилителя приведена на рис. 3.7. Для обеспечения устойчивой работы ОУ в каждом каскаде необходимо подключить емкость коррекции С1, С2 величиной от 0 до 30 пФ.
Напряжение питания ОУ выбирается из диапазона питающих напряжений ±3В - ±18В.
Рис. 3.7. Типовая схема включения операционного усилителя К157УД2
Нумерация и назначение выводов:
1, 14 – частотная коррекция 1 канала;
2 – неинвертирующий вход 1 канала;
3 – инвертирующий вход 1 канала;
4 – отрицательный источник питания;
5 – инвертирующий вход 2 канала;
6 – неинвертирующий вход 2 канала;
7, 8 – частотная коррекция 2 канала;
9 – выход 2 канала;
10, 12 – свободный вывод;
11 – положительный источник питания;
13 – выход 1 канала.
В качестве пассивных элементов выбираем резисторы типа МЛТ 0,125, СП3-04А, конденсаторы типа К10-17а.
3.3.2 Генератор шума с предусилителем
В качестве первичного источника шума в данном дипломном проекте выбран полупроводниковый стабилитрон Д814. Основным требованием к первичному источнику шума является стабильность характеристик последнего.
Хотя генераторы на стабилитронах обладают рядом недостатков по сравнению с другими источниками шума, при малых сопротивлениях нагрузки эти недостатки пропадают и на таких генераторах становится возможным создание довольно стабильных устройств.
В качестве предусилителя воспользуемся операционным усилителем К157 УД2 построенным по схеме усиления.
Принципиальная схема генератора шума с предусилителем представлена на рис. 3.8
