Введение. Что такое микрофон? Микрофон – это электроакустический прибор для преобразования звуковых колебаний в электрические. Применяется в телефонии, радиовещании, телевидении, системах звукоусиления и звукозаписи. И трудно было бы представить нашу жизнь без этого устройства. Микрофоны подключаются к устройствам записи посредством кабеля, что не совсем удобно, например, для проведения концертных выступлений. Для таких целей очень удобно применять радиомикрофоны. Радиомикрофон – это микрофон, объединенный с радиоканалом и предназначенный для передачи акустической информации на расстоянии. В простейшем случае радиомикрофон состоит из собственного микрофона, т.е. устройства для преобразования звуковых колебаний в электрические, задающего высокочастотного (ВЧ) генератора - устройства, генерирующего ВЧ-колебания (несущую частоту), промодулированные электрическими сигналами с микрофона, и антенны, излучающей эти электромагнитные колебания. Также радиомикрофоны активно используются в системах караоке, устройствах радиослежения за объектом, лекторами ВУЗов при выступлении в больших аудиториях, как звукосниматель для музыкальных инструментов. Требования, предъявляемые к радиомикрофонам: небольшие габариты и вес, особенно это актуально для петличных радиомикрофонов, которые крепятся на одежду говорящего; небольшое потребление питания (так как питается устройство от элементов питания тапа “АА” или “ААА”); простота и надежность конструкции; небольшая стоимость; работа на фиксированной частоте. Есть много типов промышленных радиосистем, дня наглядности приведу описание некоторых из них. РАДИОСИСТЕМА AUDIOVOICE VHF002-2VM. Характеристики:
Несущие частоты: VHF 210 - 270MHz Частотная устойчивость: ±0,005% Тип модуляции: FM Максимальная девиация: ± 20kHz, Сигнал/шум:-75 dB Кг: 0.8% Разность частот: 100Hz- 15KHz ± 3dB Мощность аудио-выхода:0- 280mV Радиус действия до 80м РАДИОСИСТЕМА AUDIOVOICE VHF002-2HM. Характеристики:
Несущие частоты: VHF 210 - 270MHz Частотная устойчивость: ±0,005% Тип модуляции: FM Максимальная девиация: ± 20kHz, Сигнал/шум:-75 dB Кг: 0.8% Разность частот: 100Hz- 15KHz ± 3dB Мощность аудио-выхода:0- 280mV Радиус действия до 80м Это хорошо зарекомендовавшие себя радиосистемы, недостатком которых является их стоимость – около 4000р. Далее по ходу чтения статьи будет представлен и подробно рассмотрен радиомикрофон, разработанный мною для использования его в домашней аудиосистеме в качестве микрофона для караоке. В представленном далее радиомикрофоне будет устранен недостаток описанных выше радиосистем. Дешевизна радиосистемы заключается в использовании в качестве приемника обычного промышленного приемника работающего в FM диапазоне на частотах от 64 MHz до 108 MHz. Радиомикрофон будет собран по-модульно для удобства в настройке: в случае необходимости можно легко заменить необходимый модуль на другой. Рассмотренный в данной статье радиомикрофон имеет 3 модуля: шумоподавитель; генератор высокой частоты; блок питания. На практике модулей может быть больше. Шумоподавление. Необходимым условием в радиомикрофоне является подавление шумов. Так как посторонние шумы приводят к неразборчивости речи. Несколько снизить шумы в канале передачи можно, включив в противофазе два динамических микрофона, соединив положительный вывод одного из них с отрицательным выводом другого.
Два свободных вывода подключают к микрофонному усилителю. Один микрофонный капсюль располагают на передней стороне радиомикрофона, в который будет читать речь диктор или петь песню певец, а другой на задней части устройства. Принцип работы прост. Речь диктора (певца) поступает только на один микрофон и вторым микрофоном практически не улавливается. Окружающие шумы попадают на оба микрофона одновременно, происходит их взаимное подавление. Это простой способ устранения шума в канале. Проблема, тем не менее, остается и требует серьезных решений. На мой взгляд, есть три пути решения этой проблемы. Первый, в современном мире практически невыполнимый, поскольку предполагает полную изоляцию от людей окружающих нас в квартире, от компьютера, современного усилителя мощности с вентилятором, от открытого окна, из которого слышен шум улицы. Второй путь, это использование профессиональных цифровых устройств обработки звука, в состав которых наряду с основными функциями заложена функция подавления постороннего шума в канале в паузах между словами. Называется она системой Noise Gate и работает весьма успешно даже в условиях очень высоких акустических шумов. Одно из таких устройств - цифровой процессор эффектов DSP2024P фирмы Behringer, в котором заложен также и Noise Gate. Пример использования данной системы: включенными были компьютер, усилитель мощности с вентилятором, а также дополнительный вентилятор создававший комфортные условия в комнате. Испытания прошли успешно. Система Noise Gate работала превосходно. Выяснилось, что единственный недостаток подобных цифровых устройств - их высокая стоимость. Третий путь решения проблемы более доступный многим радиолюбителям, это изготовление простых самодельных схем, которые в своем классе работают достаточно эффективно, хотя, безусловно, уступают работе сложных цифровых устройств. Рассмотрю более качественную, но более сложную схему шумоподавления. Транзисторы VT1 и VT3 обеспечивают фазовый сдвиг, необходимый для подавления локальных шумов. VT2 и VT4 работают как буферные усилители. Далее сигнал идет к генератору высокой частоты. Резистор R2 подбирают или устанавливают вместо него потенциометр 22 к. Подстройка этого элемента также способствует максимальному подавлению постороннего шума в канале. Транзисторы желательно использовать 2N2222. Хотя можно применить и аналоги. В этой схеме используются два электретных микрофона типа МКЭ-332. Этот тип микрофона наиболее подходящий для использования в данной схеме, так как обладает широким частотным диапазоном (50-12500Гц), имеет малую неравномерность частотной характеристики (не более 12 дБ), низкие нелинейные и переходные искажения, высокую чувствительность, низкий уровень собственных шумов (30дБ). Принцип действия данной системы шумоподавления аналогичен предыдущей. Все детали необходимо использовать с малым коэффициентом собственного шума. Очень хорошо справляются с поставленной задачей SDM (безвыводные) компоненты, называемые ЧИП компонентами. Конденсаторы С1 – С5 желательно использовать танталовые, так как в случае использования оксидных конденсаторов КПД шумоподавителя становится меньше. Для наглядности приведу рисунок монтажной платы. Размеры платы 10*12 мм. Плата вытравлена на двухстороннем стеклотекстолите – вторая сторона платы является экраном. При изготовлении платы использовалась «лазерно-утюжная» технология (ЛУТ). Типоразмер SMD компонентов – 0603. Транзисторы, используемые в схеме MMBT4401. Такой тип монтажа позволяет полностью исключить влияние емкости монтажа на работу схемы в целом, минимизировать затраты на радиоэлементы и уменьшить вес и габариты устройства. Для наглядности приведу фото монтажной платы. На этом описание первого модуля радиомикрофона закончено. Коррекция ЧХ. Органы слуха человека способны воспринимать колебания частотой от 16 Гц до 20 КГц. А органы речи человека воспроизводят звук по-разному. Мужской голос, например, звучит в диапазоне частот от 100 Гц до 7КГц, женский от 200 Гц до 9КГц. Следовательно, радиомикрофон должен работать на частотах от 100 Гц до 9 КГц, другие же частоты звукового диапазона отфильтровывать как ненужные. Радиомикрофон должен быть рассчитан на уровень громкости звука от 40 дБ (тихий разговор) до 60 дБ (громкий разговор). И не превышать в этом диапазоне номинального Кг. Это необходимо учитывать при расчете схем шумоподавителя и генератора высокой частоты. Подавление посторонних шумов, искажений. В целях подавления посторонних шумов и собственного шума электретного микрофона в радиомикрофоне предусмотрен блок шумоподавителя. Однако посторонний шум в процессе работы могут наводить электромагнитные поля, создаваемые различными электрическими приборами; вибрации, действующие на корпус радиомикрофона; и даже емкость человеческих рук. Эти внешние факторы приводят к отклонениям в рабе устройства, вносят множество различных искажений, шум в передаваемый звук, что не допустимо в работе радиомикрофона. Для устранения этих вредных воздействий предусмотрен ряд мер: экранировка корпуса радиомикрофона; микрофонные капсюли вешаются на специальных резиновых подвесах, которые гасят вибрации корпуса, а не крепятся жестко на корпусе. Подключение микрофона. Акустическая связь. Собрав радиомикрофон, сталкиваются с такой проблемой как свист, писк в динамике приёмника во время приёма. Такой эффект может возникнуть по двум причинам. Первая, это подсевший источник питания радиомикрофона, плохая развязка каскадов по питанию, экранировка УНЧ и т.д. и т.п. Вторая, это обратная акустическая связь, между динамиком приёмника и микрофоном передатчика. Первую причину разбирать не буду, так как она не относится к тематике данного раздела, а вот на второй остановлюсь подробней.
Между динамиком приёмника и микрофоном передатчика может возникнуть акустическая обратная связь. Условиями для возникновения такого эффекта можно считать близкое расположение друг от друга приемника и передатчика, а так же уровень громкости, установленный на приёмнике. Чем больше добавить уровень громкости – тем сильнее вероятность возникновения такого эффекта. Для наглядности приведу поясняющий рисунок. Микрофон улавливает посторонние звуки, а так же шумы из динамика. Он усиливает эти звуки, шумы, и по радиоканалу отправляет в приёмник. Приёмник, принимая и усиливая этот сигнал, через динамик снова отправляет этот звук в пространство, и он достигает микрофона. И так бесконечно. Прием-отправка сигнала происходит с определённой частотой. Эту частоту повторения мы и слышим из динамика в виде писка, либо свиста. Чтобы устранить данный эффект во время настройки радиомикрофона, к приёмнику необходимо подключить телефоны, наушники. Они предотвращают распространение принимаемого звука в пространство, тем самым исключают связь с микрофоном. Или сделать громкость меньше, также можно отдалиться от громкоговорителя радиоприемника. Генератор высокой частоты. При выборе генератора высокой частоты мой взор остановился на схеме емкостной трехточки. Объясню почему. Вообще это одна из немногих схем по таким параметрам как стабильность частоты и КПД превосходящая остальные. При использовании в микропередатчиках этой схемы следует уделить большое внимание выбору транзистора. Его граничная частота должна быть в 5-10 раз выше рабочей, а коэффициент передачи по постоянному току (h21Э) не менее 150. Несмотря на ее явное достоинство - высокий КПД, у нее есть существенный недостаток. Очень сильная зависимость частоты от напряжения питания схемы. Измерения показывают, что уход частоты (на частоте 116 МГц) при изменении напряжения питания на 1 В составляет у разных экземпляров передатчиков от 0.5-1 МГц. Зато этот недостаток покрывается низким уровнем фазового шума (что является важным фактором для радиомикрофона) и нечувствительностью схемы к разбросу параметров используемых радиоэлементов. Например, схема прекрасно работает на транзисторе КТ3102Е при частоте 145 МГц (несмотря на то, что граничная частота для КТ3102 составляет 250 МГц). Хочу отметить, что при касании рукой антенны передатчика частота может уйти на несколько мегагерц. Это обусловлено тем, что частотозадающий контур включен в коллекторную цепь, оттуда же снимается напряжение ВЧ. Касание рукой антенны приводит к изменению параметров колебательного контура и как следствие изменение частоты. Поэтому для устранения влияния на частоту генератора антенну или УМ подключают через слабую индуктивную или емкостную связь. Транзистор VT1 для схемы данного типа необходим с граничной частотой не менее 320 МГц, с коэффициентом усиления по току не менее 150, с малым собственным шумом. Я использовал MMBT4401, но можно использовать также КТ315, КТ312, КТ3102, 2N2222, 2N3904, BC547, BC548, 2N3563 с любыми буквенными индексами. Резисторы любые с малой мощностью рассеивания и допуском ± 10%. Конденсаторы с маленьким ТКЕ. Катушка индуктивности L1 содержит 5 витков провода диаметром 0.75мм на оправке 3.5мм. Если для намотки катушки использовать посеребренный провод, то добротность катушки, а, следовательно, и КПД генератора увеличится. Плата собирается на 2-х стороннем текстолите, вторая сторона которого соединена с “-“ клеммой источника питания и является экраном. Настройка схемы заключается в настройке на необходимую частоту, путем сжатия\растяжения витков катушки. После настройки катушку лучше залить эпоксидной смолой для исключения изменения параметров колебательного контура(ухода частоты) в течении времени и при изменении температуры окружающей среды. Схема питается стабилизированным напряжением 4.5В, потребление тока при этом составляет 10 – 12 мА. Уверенная дальность приема при этом на приемник со средней чувствительностью составляет не менее 100 метров. Принятый с микрофона сигнал, “обработанный” шумоподавителем подается на вход генераторного транзисторного каскада. Конденсатор С1 емкостью 1.2 нФ соединяет вход генератора на высокой частоте с общим проводом, превращая таким образом генераторный каскад в усилитель с общей базой. Эту емкость не стоит брать выше 2 нФ, так как возникнет неразборчивость речи(бубнящий эффект). Резистор R1 подает напряжение смещения на базу транзистора, задавая режим работы транзистора. Резистор R2 в цепи эмиттера обеспечивает стабилизацию исходного режима каскада в некоторых случаях к нему можно параллельно подключить конденсатор емкость 56 пФ или поднять его номинал до 400 – 500 Ом, при этом стабилизация режима работы по постоянному току будет лучше, но коэффициент усиления уменьшится. Положительная обратная связь в каскаде генератора ВЧ образуется конденсатором С3 емкостью 10 пикофарад, включенным между коллектором и эмиттером транзистора. Номинал этого конденсатора не стоит поднимать выше 20 пФ, так как это может вызвать возбуждение каскада по низкой частоте. Частотозадающий контур L1-C2 создает резонанс токов и усиливает сигнал определенной частоты, в данном случае 95 МГц. Конденсатор С4 служит для развязки антенны передатчика с колебательным контуром, емкость желательно выбрать от 1 до 10 пФ. Для наглядности приведу фото генератора высокой частоты. На фото отсутствует катушка, и присутствует буферный каскад, который в последующем был убран за неимением подходящего СВЧ транзистора. На этом описание генератора высокой частоты закончено. Блок питания. Питание радиомикрофона осуществляется от одной батареи типа NH-9V250 (крона) с напряжение питания 9В. Шумоподавитель питается от источника с напряжением 9В, что удовлетворительно при использовании батареи данного типа. Генератор высокой частоты питается от источника со стабилизированным напряжением 4.5В. Следовательно, для понижения напряжения питания до 4.5В и развязки модулей необходимо использовать блок питания. Требования, предъявляемые к блоку питания: высокий КПД, миниатюрность и простота конструкции. Ниже приведу схему, удовлетворяющую данным требованиям. Очень простая схема. Ее настройка заключается в подборе резистора R1, номинал которого определяется по закону Ома. Мощность теплового рассеивания резистора 0.125Вт. Конденсаторы любые малогабаритные, с номинальным рабочим напряжение не ниже 16В. Заключение. В итоге получился радиомикрофон, отвечающий поставленным ранее требованиям. Ток потребления не более 30 мА – это показывает на экономичность и высокий КПД данного устройства. В схеме умышлено, не предусмотрен усилитель высокой частоты, так как устройство собрано в учебных целях. Для наглядности приведу фото устройства в сборе. В заключении отмечу, что использование передатчиков, работающих в FM диапазоне, может быть запрещено законом. Данное устройство разработано и предоставлено только в целях образования. |