Blackmer RMS-detektor

Blackmer RMS-detektorn är en elektronisk sann RMS-omvandlare som uppfanns av David E. Blackmer 1971. Blackmer-detektorn, tillsammans med Blackmer-förstärkningscellen , utgör kärnan i dbx-brusreduceringssystemet och olika professionella ljudsignalprocessorer utvecklade av dbx, Inc. .

Till skillnad från tidigare RMS-detektorer den tidsgenomsnittliga algebraiska kvadraten på insignalen, utför Blackmer-detektorn tidsgenomsnitt på logaritmen för ingången, och är den första framgångsrika, kommersialiserade instansen av log-domänfilter. Kretsen, skapad av trial and error , beräknar rotmedelkvadrat för olika vågformer med hög precision, även om den exakta typen av dess funktion inte var känd för uppfinnaren. Den första matematiska analysen av log-domänfiltrering och matematiska bevis för Blackmers uppfinning föreslogs av Robert Adams 1979; generell log-domän filtersyntesteori utvecklades av Douglas Frey 1993.

Drift

Utvecklingsväg från traditionell log-antilog RMS-detektor (överst) till Blackmer RMS-detektor (nederst) i dess patenterade 1971-konfiguration. Diodsymboler betecknar diodanslutna transistorer; egentliga dioder har sämre logaritmiska egenskaper och undviks i precisionskretsar.

Root mean square (RMS), definierad som kvadratroten av medelkvadraten av insignalen över tid, är ett användbart mått på växelströmmar . Till skillnad från toppvärde eller medelvärde är RMS direkt relaterad till energi , vilket motsvarar den likström som skulle krävas för att få samma värmeeffekt. I ljudapplikationer är RMS det enda måttet som är direkt relaterat till upplevd ljudstyrka , eftersom det är okänsligt för fasen av övertoner i komplexa vågformer . Magnetisk inspelning och uppspelning förskjuter oundvikligen faser av övertoner; en sann RMS-omvandlare kommer inte att reagera på en sådan fasförskjutning. Enklare toppdetektorer eller medeldetektorer svarar tvärtom på förändringar i fas med ändrade utvärden, även om energinivån och ljudstyrkan förblir oförändrade. Av denna anledning behövde David Blackmer, designer av dbx brusreduceringssystem , en kostnadseffektiv precisions-RMS-detektor kompatibel med Blackmer-förstärkningscellen . Den senare hade en exponentiell styrkarakteristik, så en lämplig detektor måste ha logaritmisk utsignal.

Samtida elektroniska RMS-detektorer hade "normala", linjära utgångar och byggdes exakt enligt definitionen av RMS. Detektorn skulle beräkna kvadraten av insignalen, tidsbedöma kvadraten med hjälp av ett lågpassfilter eller en integrator och sedan beräkna kvadratroten av detta medelvärde för att producera linjär, inte logaritmisk, utsignal. Analog beräkning av kvadrater och kvadratrötter utfördes antingen med hjälp av dyra analoga multiplikatorer med variabel transkonduktans (som förblir dyra under 2000-talet) eller enklare och billigare logaritmiska omvandlare som använder exponentiell ström-spänningskarakteristik för en bipolär transistor . Termisk RMS-konvertering var för långsam för ljudändamål; elektroniska RMS-detektorer fungerade bra i mätinstrument, men deras dynamiska omfång var för snävt för professionellt ljud - just för att de arbetade på kvadrater av insignalen och tog upp två gånger dess dynamiska omfång.

Blackmer resonerade att log-antilog-detektorn kan förenklas genom att ta upp bearbetning till log-domän, utelämna fysisk kvadrering av insignaler och därmed behålla sitt fulla dynamiska omfång. Att kvadrera och ta kvadratrötter i logdomän är väldigt billigt, eftersom det är enkelt att skala med en faktor 2 eller 1/2. Enkla linjära filter fungerar dock inte i loggdomänen, vilket ger felaktiga, irrelevanta utdata. Korrekt tidsgenomsnitt krävde icke-linjära filter av ännu okänd topologi. Blackmer föreslog enkelt utbyte av ett motstånd i RC-nätverket med en kiseldiod förspänd med en fast tomgångsström. Eftersom småsignalimpedansen av denna ström inställningstiden för detektorn. Gränsfrekvensen för detta första ordningens filter är lika med

$f_{c}={\frac {1}{2\pi }}({\frac {I_{tomgång}}{\phi _ {t}C}})$ ,

där $\phi _{t}$ är termisk spänning (därav frekvensen skiftar med temperaturen). Ekvationen är giltig för ett intervall av tomgångsströmmar över 60 dB , vilket möjliggör breda inställningsmöjligheter. Kretsen har snabb attack och långsam avklingning, som är låsta till varandra och inte kan justeras separat. Logaritmisk utspänning är proportionell mot kvadratens medelvärde med en hastighet av cirka 3 mV/dB, och proportionell mot RMS vid cirka 6 mV/dB.

När den råa testkretsen byggdes förväntade sig Blackmer och hans medarbetare inte att den skulle fungera som en riktig RMS-detektor, men det gjorde den. Enligt Robert Adams "verkade den bete sig idealiskt", och rigorösa tester med olika vågformer bekräftade idealisk RMS-prestanda. Kretsen var absolut okänslig för fasförskjutningar i insignalen. Det patenterades omedelbart och användes i , Inc. professionella ljudprocessorer. Ingen i företaget, inklusive Blackmer, kunde förklara varför det fungerar överhuvudtaget förrän 1977, när Robert Adams började arbeta med korrekta matematiska bevis för RMS-efterlevnad. Adams försökte utöka loggdomänkonceptet till Sallen-Key-topologin och misslyckades. Han publicerade sin avhandling 1979 och krediterades senare som uppfinnaren av log-domänfilterkonceptet, men idén förblev okänd för allmänheten fram till 1993 års banbrytande arbete av Douglas Frey.

Bibliografi

•   Adams, Robert (2006). "Förord". I Gordon W. Roberts, Vincent W. Leung (red.). Design och analys av integratorbaserade loggdomänfilterkretsar . Springer Science & Business Media. ISBN 9780306470547 .
•   Roberts, Gordon; Leung, Vincent (2006). Gordon W. Roberts, Vincent W. Leung (red.). Design och analys av integratorbaserade loggdomänfilterkretsar . Springer Science & Business Media. ISBN 9780306470547 .
•   Tyler, Les; Kirkwood, Wayne (2008). "12.3.4 Dedikerade analoga integrerade kretsar för ljudtillämpningar". I Glen Ballou (red.). Handbok för ljudtekniker. Fjärde upplagan . Focal/Elsevier. ISBN 978-0-240-80969-4 .