A lavoro sui VU-meter

"E pur si muove"
Bravo Alex, i miei vu-meter stanno per arrivare.

password ha scritto:"E pur si muove"
Bravo Alex, i miei vu-meter stanno per arrivare.

Il problema non è farli muovere, è farli muovere bene.

Grande Alex!

Eh Eh!  

Grande Alex!

Torniamo seri.  

L'idea iniziale era quella di usare un indicatore a LED, ma poi sono stato rapito dal fascino dei classici indicatori a lancetta. Il loro nome ufficiale è "VU METER", dove VU sta per Volume Unit. Oggi si trovano raramente nelle apparecchiature audio, ma negli anni '70 erano molto diffusi, soprattutto negli amplificatori e nei registratori a nastro. Molto più utilizzati in ambito professionale, dove il VU meter è fondamentale.

A cosa serve un VU meter? Risposta: a dare un'indicazione visiva del livello del segnale audio. In un amplificatore indica sempre la potenza erogata sul carico, mentre in un preamplificatore o in un mixer di solito indica una tensione, quella generata dalla sorgente o in uscita dal mixer.

Sta di fatto che, qualunque cosa si misuri (tensione o corrente), sarà sempre una corrente a far muovere l'ago dello strumento. Quindi, anche quando pensiamo di rilevare un voltaggio, in realtà stiamo misurando una corrente. E' questo il motivo per cui ogni amperometro ha un preciso fondo scala, indicato (di solito) in microampere (μA). Uno strumento da 100 μA fondo scala porterà il suo indicatore all'estremità destra della scala quando sarà attraversato da una corrente di 100 μA.

Un'altra cosa fondamentale è che tutti gli amperometri misurano correnti continue, a meno che al loro interno non sia incorporato un apposito rettificatore (cosa alquanto rara di questi tempi). Quando la corrente che attraversa la bobina scorre in un verso l'ago si sposta a destra, e viceversa.

Il fatto che il segnale audio sia quanto di più lontano da una corrente continua, spalanca tutta una seria di problematiche che vanno affrontate. Se si collega un amperometro direttamente sul segnale di linea di un pre, ad esempio, l'ago rimane quasi fermo, in quanto la corrente scorre prima in un verso e poi nell'altro in maniera così veloce che l'inerzia dell'equipaggio mobile non fa in tempo a stargli dietro.

Mentre in un altoparlante (che funziona con lo stesso principio) è proprio il movimento in entrambi i versi della bobina che si sfrutta per far vibrare la membrana, in un amperometro è fondamentale che il verso sia sempre lo stesso, e quindi il segnale audio va rettificato.

Non solo, ma poichè in genere la sensibilità dello strumento non è mai quella giusta per il tipo di segnale da misurare, è necessaria anche un'operazione di amplificazione/attenuazione per fare in modo che l'ago si muova esattamente nell'intervallo consentito dalla scala di misura.

Dopo di che, c'è un altro problema. La dinamica di un segnale musicale è ben più ampia di quella che può gestire lo strumento, per cui se si lascia il segnale così com'è, c'è il rischio di veder muovere l'indicatore solo nei picchi più alti, oppure di schiacciarlo sul fondo scala. Bisogna comprimere il segnale, possibilmente in maniera logaritmica.

Ora, in tutto questo, dovete sapere che esistono delle regole ben precise, stabilite da norme internazionali che definiscono esattamente come debba muoversi l'ago di un VU meter. Roba da non dormirci la notte.

(segue)

Bisogna dire innanzitutto che i VU meter che si vedono sulla maggioranza degli apparati consumer sono del tutto inutili. Appagano la vista con il loro movimento a tempo di musica, ma nulla più di questo. Il motivo è che un VU meter reale è abbastanza costoso: l'equipaggio mobile deve avere delle caratteristiche precise di inerzia e smorzamento. Il fattore di smorzamento, che definisce la velocità di spostamento e il livello di overshoot dell'indicatore, è in genere completamente sballato negli strumentini economici che si usano per questo scopo. In ambito consumer ci si accontenta di veder muovere l'ago, e basta.



A meno di non voler spendere qualche centinaio di euro, bisogna addomesticare uno degli amperometri che si trovano in commercio a pochi euro, e per fare questo è necessario un circuito di pilotaggio che approssimi, almeno, il comportamento di un vero VU meter.

Quindi, le funzioni che deve svolgere il circuito sono le seguenti:

1) rettificazione
2) controllo dello smorzamento
3) amplificazione/attenuazione
4) compressione

Il tutto è complicato dal fatto che gli strumentini non seguono uno standard preciso e ciascuno ha le sue caratteristiche di impedenza e sensibilità, per cui il circuito deve prevedere un punto di taratura per adattarsi a qualunque amperometro.

Ma prima di iniziare a disegnare il circuito, la domanda fondamentale da porsi è: cosa misurare? In un amplificatore per diffusori si tratta di misurare la potenza di uscita, in un mixer i livelli del segnale di linea e delle sorgenti, in un alimentatore si tratta delle tensioni e delle correnti erogate... ma in un amplificatore per cuffia cosa misuriamo?

La domanda è solo apparentemente banale, perchè nasconde un problema non da poco. Un amplificatore per diffusori ad esempio ha un carico standard di 8 ohm, e da quel valore - anche volendo considerare le variazioni del modulo dell'impedenza - ci si discosta poco. Un amplificatore per cuffia può avere un carico che va dai 16 ohm di una cuffietta portatile ai 600 ohm della T1, e questa enorme possibilità di variazione rende del tutto senza valore l'indicazione di potenza erogata da un meter, che per forza di cose si basa solo sul valore di una tensione ai capi del carico. Mi spiego meglio: se misuro 1 Volt ai capi di un carico di 16 ohm, so che la potenza erogata dall'ampli è di 62 mW, e su tale carico posso tarare il VU meter. Ma se cambio cuffia, e ne collego una da 300 ohm, lo stesso Volt vale solo 3.33 mW. Ma che ho cambiato cuffia, il VU meter non può saperlo, e l'indicazione di potenza sarà del tutto sballata.

Per questo motivo, molto tempo fa, decisi che se mai l'AF-6 avesse avuto una coppia di VU meter, questi avrebbero dovuto avere una loro utilità, e che quindi non avrebbero misurato una potenza, e nemmeno una tensione, ma che sarebbe stato utile misurare una corrente, la corrente che scorre nel carico.

La corrente nel carico infatti ci da un mucchio di informazioni: ci dice se l'ampli sta lavorando in classe A o B, ad esempio. E ci da un'indicazione dello sforzo reale compiuto dal finale (dandoci pure un'indicazione indiretta dell'impedenza del carico). Quello che mette in difficoltà lo stadio finale in effetti è la corrente erogata, non tanto la tensione. Inoltre, la corrente è un dato molto aderente alla potenza effettivamente erogata, molto di più della tensione.

In commercio però la stragrande maggioranza degli amplificatori si accontenta di misurare il valore di tensione sul carico, e il motivo di questo è che la misura della corrente è più difficile da fare, non tanto concettualmente quanto da realizzare in pratica.



(segue)

Come tante altre volte, spendida spiegazione . Credevo che i vu-meter fossero semplici strumenti, invece.....

leoni ivano ha scritto:Come tante altre volte, spendida spiegazione . Credevo che i vu-meter fossero semplici strumenti, invece.....

Grazie, Ivano.  

La misura di una corrente può avvenire solo interponendo tra l'ampli e il carico un componente che faccia da rivelatore, ovvero una resistenza.

Nello schema qui riportato si vede la cuffia collegata tra l'uscita dell'amplificatore e la massa, come avviene di solito. In serie alla cuffia però è interposta una resistenza R di valore noto, che viene quindi attraversata dalla stessa corrente che circola nella cuffia.


(schema 1)

Ai capi della resistenza R si sviluppa una tensione che, come dice la legge di Ohm, sarà proporzionale alla corrente che la attraversa:

V = R x I

Maggiore sarà la corrente erogata dall'amplificatore, e maggiore sarà la tensione V. Questa tensione può quindi essere misurata e visualizzata su un VU meter.

Non vi sarà sfuggito il fatto che, per misurare una corrente, di fatto si misura una tensione... che però è lo specchio della corrente che circola. Quindi, a prescindere dalla cuffia collegata e dalla sua impedenza, si sa esattamente quanta corrente sta erogando l'amplificatore.

L'unico "difetto", per così dire, di questo metodo è che si interpone qualcosa tra l'ampli e la cuffia, e per questo motivo è importante che la R abbia il valore più basso possibile, per fare in modo che la sua presenza non influenzi in alcun modo l'ascolto.

Un valore possibile per tale resistenza è di qualche frazione di ohm, ad esempio 0.5 ohm. E' chiaro che più piccolo è tale valore, e più piccola sarà la tensione che si svilupperà ai suoi capi, e più difficile sarà utilizzare tale tensione come segnale per il VU meter. Facciamo un esempio pratico.

L'AF-6 funziona in classe A fino ad una corrente nel carico di 240 mA. Possiamo stabilire quindi per tale valore lo 0 dB del VU meter. Con 240 mA, e supponendo una R di 0.5 ohm, la tensione che dovremo misurare sarà di

0.24 * 0.5 = 0.12 V di picco

Volendo far indicare al VU meter il valore di 0 dB quando l'ampli passa dalla classe A alla classe B di funzionamento, dovremo fare in modo che l'indicatore sia sullo zero quando ai capi della R ci sarà una tensione di 120 mV.

Questa tensione è piuttosto bassa, e quindi è necessario amplificare il segnale ai capi della R. Senza entrare troppo nei dettagli, vi posso dire che l'amplificazione necessaria, considerando anche il discorso relativo alla compressione della dinamica, è di circa 3000 volte. Ovvero, con una R di 0.5 ohm, si deve amplificare il segnale ai suoi capi (oltre che ovviamente rettificarlo) di qualche migliaio di volte in tensione per poterlo effettivamente utilizzare.

E' chiaro che si scontrano due esigenze contrastanti, quella di mantenere la R più bassa possibile per non influenzare l'ascolto, e quella di averla più alta per facilitare la rilevazione della corrente.

(segue)

Quello che si vede sul video immagino sia il risultato del prototipo del circuito su cui stai lavorando. Funziona bene o ancora hai da risolvere problemi? Inoltre volevo chiederti, ma quando l' AF-6 lavora solo come pre, cosa indicano i vu- meter, visto che non c'è il carico della cuffia?

password ha scritto:Quello che si vede sul video immagino sia il risultato del prototipo del circuito su cui stai lavorando. Funziona bene o ancora hai da risolvere problemi?

I problemi (di cui devo ancora parlare) sono stati drasticamente risolti.

Inoltre volevo chiederti, ma quando l' AF-6 lavora solo come pre, cosa indicano i vu- meter, visto che non c'è il carico della cuffia?

Bella domanda. Con il metodo indicato, quando la cuffia non è collegata il VU meter rimane immobile, ovviamente, visto che, non essendoci alcun carico, l'ampli non eroga alcuna corrente.

Questo metodo di rilevazione è molto preciso, ma presenta due problemi di ordine pratico:

1) quando la cuffia non è collegata il VU meter non funziona

2) per avere una rilevazione stereo, le masse dei trasduttori della cuffia devono essere separate

Il primo problema è abbastanza chiaro, e non ha soluzione (e forse, non è nemmeno un problema).

Il problema n. 2 invece è più sottile, ed è causato dal tipo di connettore usato per le cuffie: il classico jack.

Come sapete, il connettore jack delle cuffie ha 3 poli: canale sinistro, canale destro, e la massa. I conduttori di ritorno dei due trasduttori sono collegati insieme all'interno del connettore, sul polo di massa.

Non è possibile quindi inserire una resistenza di rilevazione (come nello schema precedente) separatamente per ciascun canale, ma solo per la somma di entrambi i canali. Da ciò ne consegue che:

- tale metodo di rilevazione non è adatto a pilotare una coppia di VU meter.

Va bene però per pilotare un indicatore a LED sullo stato complessivo dell'ampli. Tale indicatore potrà essere composto ad esempio da un LED che cambia colore in base allo stato: verde per la classe A, arancione per la classe B e rosso per il clipping. Oppure 3 LED separati, se preferite.

E' chiaro quindi che il segnale per i VU meter dovrà essere di altro tipo. Nei prossimi post vedremo di cosa si tratta.

(segue)

bandAlex ha scritto:1) quando la cuffia non è collegata il VU meter non funziona

Non si potrebbe inserire nella presa cuffia un carico standard che entra quando si disinserisce il jack sfruttando i contatti che credo siano in origine pensati per disinserire il pre out quando si collega la cuffia?

Ehm non so se si nota la differenza nella chiarezza d'esposizione tra me ed Alex

Sarebbe senz'altro un'ottima soluzione al problema n. 1, ma rimane il problema n. 2...

Nel post precedente abbiamo compreso il motivo per cui il progetto di un VU meter che doveva indicare lo stato di funzionamento dell'ampli è crollato miseramente: per colpa di un semplice jack.

Naturalmente una possibile soluzione poteva essere quella di cambiare il connettore, e utilizzare, ad esempio, un XLR a 4 poli. Ma questo avrebbe comportato l'obbligo della sostituzione del connettore di tutte le  cuffie utilizzate, un'ipotesi impraticabile.

Tecnicamente, c'è un'altra strada, in realtà. Quella di spostare la R di rilevazione in quest'altra posizione:


(schema 2)

Ai fini del funzionamento non cambierebbe nulla: la tensione V sarebbe sempre il risultato della corrente che circola, e ci sarebbe il vantaggio di poterla avere separata per i due canali destro e sinistro.

Purtroppo però, mentre è molto facile rilevare e misurare una tensione riferita alla massa, è molto più difficile rilevare e misurare una tensione con un riferimento diverso, e il circuito per farlo sarebbe molto più complicato. Non è detto che nel futuro non affronterò il problema, ma per il momento ho deciso di lasciar perdere.

(segue)

Chissà come finisce. 

password ha scritto:Chissà come finisce. 

Già.

La cosa migliore da fare, è quella di misurare il livello della sorgente, tarando lo 0 dB dei VU meter sul livello standard delle sorgenti digitali, ovvero circa 3 Vp. Questo vuol dire prelevare il segnale dall'uscita LINE-OUT dell'ampli, in modo da inviare ai VU meter quello della sorgente che si sta ascoltando.

Nei prossimi post vedremo in dettaglio il modulo dei VU meter con lo schema relativo.

(segue)

E qui si apre tutto un altro scenario...

Alex, una proposta "eretica": usare un vu-meter per la rilevazione della tensione in entrata (su un canale?) e l' altro per la corrente sul carico?

gig ha scritto:Alex, una proposta "eretica": usare un vu-meter per la rilevazione della tensione in entrata (su un canale?) e l' altro per la corrente sul carico?

In effetti, il fatto di far lavorare un VU meter per le faccende del canale sinistro, e l'altro per quelle del canale destro, è abbastanza eretica da farmi accapponare la pelle.

Alla fine, vi ho raccontato tutta la storia di questi giorni. Sono partito in quarta con un'idea quasi rivoluzionaria e, come spesso accade ai rivoluzionari, sono rimasto steso sul campo. Nonostante tutto l'idea rimane, ovviamente, e non è detto che non sarà realizzata in futuro (sarà sufficiente sostituire la schedina del VU meter). Ma per il momento, visto che il tempo stringe, la soluzione di misurare il segnale all'ingresso non è da vedere come un ripiego. Meglio un'indicazione precisa e utile, quella della sorgente, piuttosto che un inutile monitoraggio della tensione sulla cuffia.

Il concetto è questo: se si misura il segnale dopo il controllo di volume, allora l'unica cosa che ha senso è quella di misurare un valore reale come quello della corrente sulla cuffia; altrimenti è meglio misurare il segnale prima del controllo di volume.

Quindi chi utilizzerà questa scheda VU meter vedrà gli indicatori muoversi indipendentemente dalla posizione della manopola del volume. All'inizio può sembrare strana la cosa, ma in realtà è proprio la cosa giusta da fare in questo caso.

A colpo d'occhio si capirà subito se la sorgente che abbiamo collegato esce con il livello giusto e, ovviamente, se manda segnale.

(segue)

Quindi sull'uscita line out ci saranno in parallelo sia l'uscita vera e propria che il segnale per i vumeter?

b.veneri ha scritto:Quindi sull'uscita line out ci saranno in parallelo sia l'uscita vera e propria che il segnale per i vumeter?

Esatto, dall'uscita line out sarà prelevato il segnale per i VU meter. L'impedenza di ingresso del circuito relativo è molto alta, tale da essere del tutto ininfluente per il segnale audio.

Molto interessante! Grazie, Boss!!!

bandAlex ha scritto:

gig ha scritto:Alex, una proposta "eretica": usare un vu-meter per la rilevazione della tensione in entrata (su un canale?) e l' altro per la corrente sul carico?

In effetti, il fatto di far lavorare un VU meter per le faccende del canale sinistro, e l'altro per quelle del canale destro, è abbastanza eretica da farmi accapponare la pelle.  

Ehm... veramente intendevo un utilizzo differenziato dei due vu-meter, uno per misurare la corrente della somma dei due canali in uscita sulla resistenza a valle del jack cuffia verso massa (ammesso che la cosa abbia un senso...) e l' altro vu-meter per misurare il livello di segnale dal line-out anche se di un solo canale