Circuito de línea de retardo de audio: para efectos de eco y reverberación

Circuito de línea de retardo de audio: para efectos de eco y reverberación

Una línea de retardo de audio es una técnica en la que una señal de audio determinada pasa a través de una serie de etapas de almacenamiento digital, hasta que la salida de audio final se retrasa un cierto período (generalmente en milisegundos). Cuando esta salida de audio retrasada se retroalimenta al audio original, da como resultado un audio increíblemente mejorado, que es más rico, más voluminoso y lleno de características como eco y reverberación.

Visión general

La experiencia auditiva de una música que se reproduce dentro de una habitación depende significativamente del interior de la habitación.



Si el interior de la habitación está lleno de muchas decoraciones modernas y ventanas de vidrio, eso podría crear demasiado efecto de eco en la música.

Por otro lado, si la habitación incluye muchos elementos de tela como cortinas pesadas, muebles acolchados, etc., la música tenderá a perder todos los efectos de eco y reverberación, y puede sonar bastante aburrida y poco interesante.

Para el último caso, probablemente pueda optar por descartar y tirar todas las cortinas, almohadas, cojines, juego de sofás u optar por el circuito de línea de retardo de audio propuesto, que lo ayudará a restaurar el ambiente de la música de forma natural sin sacrificar su favorito. interiores.

A través de este circuito, puede generar un eco (retardo de tiempo de la señal de audio) y reverberación (después de los reflejos) y lograr un audio mucho más rico.

Hasta hace poco tiempo, la única técnica para adquirir un retardo de la señal de audio era mediante el uso de dispositivos electrónicos muy costosos. Hoy tenemos una nueva forma de CI, llamada 'brigada de cubos', que le permite construir su sistema de demora personal a muy bajo costo.

Conectado entre la fuente de audio y el preamplificador, o entre el preamplificador y el amplificador de potencia, el concepto ofrece un eco de señal variable, que podría enriquecer el sonido de la mayoría de los sistemas de música domésticos.

Con pequeñas modificaciones en el circuito, la idea también se podría aplicar como fasor / flanger, lo que permite al usuario obtener efectos de sonido para aplicaciones de grabación y para guitarras eléctricas utilizadas por los especialistas.

El IC de la brigada de cubo es un registro de desplazamiento tipo MOS que consta de dos registros de 512 etapas en un paquete solitario de 14 pines.

Si se alimenta una señal de audio a la entrada del diseño de la brigada de cubeta, y los circuitos integrados relevantes se activan con un generador de reloj, hace que la señal de audio se mueva de manera escalonada, etapa por etapa, hasta que finalmente la señal llega a la salida con el retraso previsto.

El diagrama de bloques del circuito de línea de retardo se muestra a continuación:

Cuando esta señal retrasada se retroalimenta (recircula) a la señal original, se simula un efecto de reverberación.

Además de ofrecer un ambiente en tiempo real, el circuito bucket-brigade podría implementarse con cualquier sistema de audio para producir sonido estéreo sintético a partir de fuentes de audio mono, una opción útil para 'doble voz' y 'fasor / flanger'.

¿Qué es Bucket Brigade?

El término 'brigada de baldes' nos recuerda a una fila de hombres que entregan baldes de agua para combatir un peligro de incendio.

El registro de desplazamiento analógico de la brigada de cubeta funciona de manera idéntica, y de ahí el nombre.

Con los registros de desplazamiento, por otro lado, los condensadores representan los 'cubos' conectados directamente en el PMOS IC. Puede haber más de 1000 capacitores de este tipo en cada chip (un solo capacitor y un par de transistores MOS por etapa).

El elemento que se transmite son en realidad los paquetes de carga eléctrica de una etapa a la siguiente. Sabemos que no es fácil poner agua de manera uniforme en un balde y al mismo tiempo.

De la misma forma, no es fácil cargar y descargar un condensador simultáneamente. Este problema se resuelve mediante los registros de desplazamiento y mediante un par de frecuencias de reloj fuera de fase.

Durante el período en el que el primer reloj está alto, los cubos con las cifras 'impares' se tiran a los siguientes cubos con cifras 'pares'. Tan pronto como llega el segundo reloj alto, los cubos pares se tiran a los siguientes cubos impares sucesivos.

De esta manera, las cargas individuales se desplazan a través de la línea desde una etapa, una a la vez.

La imagen de arriba es una manifestación esquemática de 4 etapas estándar del registro de desplazamiento analógico MN3001.

Cada IC MN3001 consta de dos registros de desplazamiento de 512 etapas. Recuerde que las etapas A y C están vinculadas a un reloj en particular, mientras que las etapas B y D están acopladas al otro reloj para entregar la relación par / impar.

Cómo funciona el circuito de línea de retardo

El siguiente esquema muestra el esquema completo de la línea de retardo de audio.

Cuando realmente crea un retraso en una señal de audio, genera una variedad de efectos de audio interesantes. El más notable es la simulación del efecto de eco.

Sin embargo, los retrasos creados por la brigada de baldes suelen ser muy pequeños para ser reconocidos como ecos discretos.

La repetición de la señal retardada con una ganancia disminuida podría imitar la caída saludable de los ecos en un espacio reverberante.

Al introducir cierta ganancia a lo largo de la recirculación de la señal retardada, puede ser posible generar un resultado de 'resorte de puerta' antinatural para la música.

Causar un retraso de 30 o 40 ms en una señal instrumental o pista de voz y empujar la señal retrasada a la señal original, producirá el audio de salida más voluminoso y le dará la impresión de tener más que la cantidad inicial de voces o profundidad musical.

Este tipo de enfoque popular se llama 'doble voz'. Otro efecto de retardo corto conocido puede ser en forma de un sonido peculiar que surge a través de una técnica llamada 'phasing' o 'reel-flanging'.

El título proviene de su experimentación original en la que se había empleado una grabadora para generar el retardo de tiempo, y el roce de una mano experta en el lado exterior del carrete alimentador de cinta alteró el retardo para generar el efecto acústico.

Hoy en día, este efecto podría desarrollarse íntegramente a través de la tecnología digital, retrasando la señal de 0,5 a 5 ms y sumando o restando la señal retrasada de la señal original.

En el ajuste fasor / flanger, la frecuencia y sus armónicos, cuyas longitudes de onda son idénticas al retardo de tiempo, terminan por completo, mientras que todas las demás frecuencias se fortalecen.

De esta manera, un filtro de peine que tiene una frecuencia entre las muescas se modifica cambiando la frecuencia del reloj, como se muestra a continuación.

El resultado es una mejora tonal introducida en un audio no tonal, por ejemplo, tambores, platillos, así como en las frecuencias vocales.

El modo fasor / flanger le permite replicar señales estereofónicas de un origen monofónico. Para lograr esto, la salida en fase extraída al introducir la señal retrasada se envía a un canal, mientras que la salida extraída restando la señal retrasada se envía al opuesto.

Para la audiencia, el efecto de fase se cancela, lo que permite un buen efecto estéreo sintético para sus oídos.

Los elementos principales de los diseños, sin duda, son los IC's tipo bucket-brigade, que son capaces de sintetizar directamente las señales analógicas. Los circuitos no involucran convertidores de analógico a digital y de digital a analógico costosos.

Tan pronto como el pulso de reloj del flipflop se alimenta al IC de la brigada de cubos, el suministro de CC existente en la entrada se transfiere al registro. Los bits discretos se desplazan paso a paso a través de pulsos de reloj secuenciales hasta que finalmente, después de 256 pulsos, llegan al final de la línea y entregan la señal de salida.

La forma de onda de salida se limpia con un filtro de paso bajo y cualquier señal duplicada que haya existido en la entrada pero que se haya retrasado 256 veces el período de la frecuencia de reloj.

Por ejemplo, cuando la frecuencia del reloj es de 100 kHz, el retardo podría ser de 256 x 1 / 100.000 = 2,56 ms. Teniendo en cuenta que la frecuencia de muestreo de la señal de música en la entrada depende de la frecuencia del reloj, un límite supuesto del 50% menos de frecuencia del reloj podría ser la frecuencia de audio máxima que se puede transferir de manera efectiva.

Sin embargo, debido a las limitaciones de la vida real, 1/3 de la frecuencia del reloj puede parecer un objetivo de diseño más realista. Los circuitos se podrían conectar secuencialmente o en cascada para ofrecer retrasos de tiempo más prolongados a velocidades de reloj aumentadas, aunque el ruido más alto en los circuitos conectados en serie posiblemente supere el aumento en el ancho de banda.

En el modo de retardo, los 2 registros de desplazamiento están conectados en serie, lo que permite el uso de frecuencias de reloj dos veces más altas.

Esto permite programar dos veces el ancho de banda para cada registro de desplazamiento para el mismo retardo de tiempo. Incluso en este modo de doble ancho de banda, la frecuencia de reloj necesaria para un retardo de 40 ms, restringe el ancho de banda a una señal de entrada máxima de 3750 Hz, lo que parece suficiente para la frecuencia de voz, aunque no lo suficiente para la mayoría de los equipos musicales.

En muchas aplicaciones en las que la transmisión retrasada se implementa en la señal original, la disminución del ancho de banda puede ocultarse debido a las señales de alta frecuencia contenidas en la señal de entrada original. Para compensar la atenuación normal de la señal, se emplea un amplificador de 8,5 dB entre los registros de desplazamiento.

En el modo fasor / flanger, el retardo más alto necesario es de aproximadamente 5 ms, que es lo suficientemente pequeño para el uso de un solo registro de desplazamiento sin sacrificar el ancho de banda.

En consecuencia, el segundo registro de desplazamiento se adjunta en paralelo con el primero para mejorar la relación S / N. Las frecuencias de las señales se aplican en fase, mientras que las señales de ruido se agregan y deducen al azar.

El fasor / flanger

El diagrama de bloques de los diseños fasor / flanger se muestra en el siguiente diagrama.

El diagrama esquemático del fasor / flanger se muestra a continuación:

En cada escenario, la puerta NOR cuádruple IC4 está montada como un multivibrador estable que funciona al doble de la frecuencia de reloj especificada.

La salida IC4 se conecta con el flip-flop IC5, que ofrece un par de señales de reloj de salida contribuyentes (180 ° desfasadas entre sí) con un CINCUENTA POR CIENTO de ciclos de trabajo.

Estos pulsos luego actúan como entradas de reloj para los registros de desplazamiento en IC2. La resistencia R16 determina la frecuencia y es un circuito fijo en el circuito de retardo.

La frecuencia del reloj se puede cambiar como se desee agregando más resistencias en paralelo a través de los conectores dados en el fasor / flanger.

La señal de entrada de audio se procesa a través de siete polos de etapas de filtro de paso bajo, donde se utilizan IC3 y 1/2 IC1. Los filtros aseguran una atenuación general de 42 dB / octava sobre una frecuencia sintonizada.

Como ilustración, cuando el filtro está sintonizado para 5000 Hz, una señal de 10,000 Hz se atenúa en más de 100: 1.

Si bien los filtros funcionan con amplificadores operacionales de alta ganancia, puede maximizar sus salidas antes de rodar a una velocidad de 6 dB / octava por polo. Este tipo de filtros se denominan 'poco amortiguados'.

A través de la selección adecuada del equilibrio de las etapas de filtro con amortiguación insuficiente y amortiguación excesiva (RC), es fácil configurar un filtro que tenga una respuesta plana en la banda de paso prevista, para lograr 3 dB por debajo de la frecuencia de sintonización, y la característica una tasa de caída de 6 dB por la cantidad de polos.

Esto es exactamente lo que se implementa en los diseños de línea de retardo y fasor / flanger presentados en este artículo. Generalmente se necesita una cantidad sustancial de trabajo estadístico para identificar los valores de resistencia para los filtros.

Para facilitar las cosas, puede seleccionar los valores de resistencia adecuados de la Tabla de valores de resistencia de filtro.

Aproveche esta tabla para elegir valores de resistencia específicamente para el circuito de línea de retardo. (Los valores de la resistencia del filtro dados en la Fig.4 y su lista de materiales asociada le darán un retardo mejorado de 5 ms, con una salida de 3 dB hacia abajo a 15 kHz para el fasor / flanger).

Fuente de alimentación

Lista de partes

C12 - 470 µF, 35 V
C13, C15, C16 - Condensador de disco de 0.01 uF, Condensador de disco C14 -100 pF
C17: 33 µF, 25 V

D1, D2 - IN4007
Diodo Zener D3 -1N968 (20 V)
Fusible F1 -1/10 amperios
Regulador de voltaje de precisión IC6 -723

Todas las resistencias tienen una tolerancia de I / 4 vatios al 5%:

R17-1k
R18 - 1 M

RI9-10 ohmios
R20 - 8,2 k ohmios
R21 - 7.5k ohmios
R22 - 33 k ohmios
R23 - 2.4k

El circuito de suministro de energía para la línea de retardo de audio se muestra en la imagen de arriba. Está construido alrededor de un regulador de voltaje, IC6, para encender la salida de suministro primario de 15 voltios. El registro de desplazamiento incluye fuentes de +1 y +20 voltios.

El riel de +20 voltios se adquiere mediante el uso del diodo Zener D3, y la línea de +1 voltios proviene del divisor de voltaje configurado alrededor de R22 y R23.

Dado que los amplificadores operacionales funcionan a través de un suministro de un solo extremo, es esencial que la línea de voltaje de 10,5 voltios funcione como referencia en el circuito para estos dispositivos.

Construcción

El manual de grabado y taladrado de dimensiones reales, y el mismo para ambos diseños de circuito, pero cableado de una manera diferente según sea necesario, se muestra en las figuras siguientes.

Antes de colocar cualquier pieza en la PCB, debe insertar y soldar los distintos puentes en las ranuras. Después de eso, conecte la placa como se especifica arriba, de acuerdo con el modo de operación preferido.

Tenga cuidado con la orientación de los pines de todos los dispositivos semiconductores y condensadores electrolíticos, e insértelos correctamente.

Asegúrese de sujetar y ensamblar los dispositivos MOS con cuidado, ya que son sensibles a las cargas estáticas y pueden dañarse con la carga estática que se desarrolla en sus dedos. Puede insertar los circuitos integrados directamente en la placa de circuito impreso o también utilizar enchufes para circuitos integrados.

Especificaciones principales del circuito de línea de retardo de audio propuesto



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