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平衡与不平衡接口转换终极解构

电脑教程 2021-10-06 09:54:00

 在音频设备当中,历来就有平衡和不平衡二种接口。到底是先有平衡接口的呢,还是先有不平衡接口的呢?应该是先有非平衡接口的。

第一节平衡接口的来历

平衡传输线最早是来自最早期的电话线(早到啥时候?应该是刚有电灯电话的时候,在坐的没人见过了)。当时的电话音频信号,电平很低(最早期的电话机,是没有放大电路的。电子管的出现比电话晚好多),如果使用普通屏蔽线长距离传输的时候,很容易受到干扰。因此,就采用了平衡式传输。

平衡式传输,电缆包括屏蔽层,屏蔽层内有二根电线。当时的电话都是采用直流供电的炭精话筒,本身不平衡(一个地,一个信号端),因此在电话机,电话机房之间,都采用变压器隔离。变压器隔离的同时,也就将电话信号输出变成了平衡的。变压器的次级就接在电缆的二根芯上。其中,跟源电位相同的叫热端,另外一端就叫冷端。(见图1)。

平衡与不平衡接口转换终极解构

图1

从图1,可以看得很清楚。有用的音频信号,是在两根芯线之间传输,跟屏蔽层(地线)没有关联。二根芯线上的信号,电压相等,相位相反。而干扰信号造成的干扰电压,则是电压相等,相位也相等。由于平衡传输系统对两根芯线之间的电压差才有传输作用,对同相位的干扰电压没有传输作用(因为干扰电压是建立在地和二根芯线之间的,而不是建立在二根芯线互相之间的),故此,平衡传输系统,对传输过程中混入的干扰视而不见,只传输有用信号,因此,平衡传输系统得到了广泛的应用。

而不平衡接口,信号则在信号端和地线二端传输。干扰电压会之间跟有用信号电压叠加在一起,无法彻底根除。

当年的电话线传输中,使用的隔离变压器,阻抗统一为600Ω,为能够传输最大功率(要注意,重复一次,那个时候没有有源放大器,所以线路需要考虑减少传输功率的损失,现在这一点早已被抛诸脑后了,现在的传输线,我们只要求传输电压即可),所有端口阻抗需要匹配。因此在电话线路中,所有地方的阻抗都是600Ω。

三个概念

以下内容,有些干了一辈子音响工程的,音频器材维修的,到退休的时候都没有真正搞清楚,只在脑子里有一笔糊涂账,时不时就将好多相似概念,相似单位混为一谈,或者避而不谈,只说dB,没有后面的东西了。这些概念就是

dBm的概念

为建立电话线路上传输电压的统一标准,人们提出了dBm的概念。规定,0dBm=0.775V(rms)。为什么0dBm=0.775V呢?那就是因为,最初的0dBm,是以电话线上传输一毫瓦强度的电功率信号时所对应的信号电压。当功率是0.001W,电阻600Ω的时候,根据P=的公式,由于P=0.001,R=600Ω,因此V=0.774596V(rms)。dBm后面的那个m,就是毫瓦的那个m。

dBu的概念

dBu采用与dBm同样的电压标准,但是不考虑功率,只考虑电压。因此你可以认为dBu是跟阻抗(源阻抗,负载阻抗)无关的电平单位。它的数字跟dBm一样,所以0dBu=0.775V,+4dBu=1.228V

dBV的概念

在非平衡的场合,使用dBV单位的时候也比较多。dBV的概念很简单,直接对电压有效值取对数,1V(rms)就是0dBV,因为1的对数值等于0,就是这么来的。

所以,以后要再说起什么平衡输出电平啊,VU表对应的输出电平之类的时候,麻烦您说清楚到底是dBm,dBu还是dBV,它们是不同的哦!

平衡与不平衡接口的标准电平

对于专业音频设备,平衡接口的统一信号电压是,当接口(无论输入还是输出)电平是机器的0VU的时候,端子的电平必须是+4dBu(相当于1.228Vrms)

对于专业音频设备的非平衡接口(例如大二芯耳机插口),一般情况下标准的信号电压是-10dBV,相当于0.3V(精确值是0.3162V)左右。

对家用音频设备的接口―――随便您,没标准!不过一般情况下,家用音响器材的RCA接口的额定电压一般低者只有不到几十mV,高者则可以超过1V,完全是厂家自己决定的。

由此可见,平衡接口与不平衡接口的电压,前者比后者高好多。所以当平衡输出给不平衡的时候,需要衰减。当不平衡输出给平衡的时候,需要放大。

第二节平衡接口的内部结构以及接口转换

变压器平衡接口

平衡接口来源于电话线路,由此隔离变压器是平衡接口不可或缺的东西。有了变压器之后,就可以把原先某一端给电源地之间的信号电压,隔离掉直流,并且变成变压器(初)次级二个端子之间的电压。因为变压器次级对地是绝缘的(也就是悬浮的),所以,信号电压是存在于变压器(初)次级的二个端子之间的,对地是没有任何电压的。所以,平衡接口如果其中一个端子断路的话,靠另外一个端子和地线,是得不到任何信号的。同样对于输入接口,如果平衡接口其中一端断路的话,信号也不能进入变压器的次级。在变压器平衡传输线路中,地线的作用只是提供屏蔽减少干扰,并且让一些设备有共同的参考地电位而已,它是不传输任何信号的。

早期的专业音频设备,无论是话筒,调音台,录音机,扩音机,效果器等等,输出输入界面无一不用变压器。例如Studer从最早期的电子管扩音机,到新型的DAT,CD机,调音台,乃至一些工作站相关的产品,都使用了变压器。

变压器平衡接口的不平衡转换

看看电路图就明白了。对于变压器平衡接口来说,因为只有两个平衡端子之间才有信号电压,而不平衡接口只有信号端和地之间才有信号电压。所以要在平衡与不平衡之间转换,平衡的两个端子其中之一必须要跟地线连接,才能将输出信号建立在信号端与地线之间。考虑到系统的相位一致性原则,我们都是将平衡接口的低端(冷端)接地,高端(热端)接信号端。(图2,图3)

平衡与不平衡接口转换终极解构

图2

平衡与不平衡接口转换终极解构

图3

再考虑到平衡与不平衡之间电平的差异,当平衡出转换不平衡入的时候,可以插入一个大约10倍的衰减电路就可以了(图4)。

平衡与不平衡接口转换终极解构

图4

当使用衰减网络的时候,注意网络本身的阻抗,应该比其中任何一端的输入阻抗高10倍以上就差不多了。否则除了会使电平下降之外,还会使得整个系统的频率响应变差,因为变压器的阻抗是跟工作频率直接相关的。至于不平衡出转换平衡入的时候,有条件就应该增加不平衡输出端的电平,或者提升平衡输入端的灵敏度。在中间环节加额外的独立放大器是下策,主要是麻烦。


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