復(fù)古風(fēng)潮再起，黑膠唱片憑什么在流媒體下“逆流而上”？

在“儀式感”的追逐上，各圈子的發(fā)燒友們總是樂此不疲。比如一股復(fù)古風(fēng)潮正在音樂圈不斷涌動(dòng)，厚重且充滿質(zhì)感的黑膠唱片迎來了再次復(fù)興，從束之高閣，任其落滿灰塵的上世紀(jì)遺物，搖身一變時(shí)下最“in”的聲音媒介。RIAA數(shù)據(jù)顯示美國去年的黑膠銷量高達(dá)4400萬張，超過了CD銷量的3300萬張，占據(jù)了全美唱片銷量的70%。如今，無論是價(jià)格、還是玄妙的音質(zhì)，黑膠都站在了鄙視鏈的頂端，甚至它還成為了裝潢的一部分。當(dāng)一個(gè)人在家里擺著唱片機(jī)和黑膠，甚至擁有一柜子、一整墻的唱片，它們不僅填充了空間，也會(huì)為主人帶來“文藝”“有品位”的評(píng)價(jià)。

TMC5130A-TA被應(yīng)用于“世界上最好的唱機(jī)轉(zhuǎn)盤”Dereneville Modulaire MK II的新型全自動(dòng)切向唱臂DerenevilleDTT-01-S

然而就算賦予再多的意義，音樂終究要回歸到聽覺體驗(yàn)的本質(zhì)，就像每個(gè)模擬音樂愛好者都希望在聆聽自己喜愛的曲目時(shí)體驗(yàn)清晰、高保真、完美高音且無失真的聲音。但在以黑膠唱片為代表的模擬唱片中，許多因素會(huì)扭曲原始曲目的信息，例如主動(dòng)式線性唱臂的機(jī)電組件，即小型步進(jìn)電機(jī)，會(huì)直接在唱臂的固定裝置上產(chǎn)生振動(dòng)，然后傳遞到唱頭殼和唱針。這種振動(dòng)會(huì)增加噪音，使頭罩震動(dòng)，并降低音頻信號(hào)的質(zhì)量。那么，當(dāng)使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，這些額外的振動(dòng)及噪音從何而來又該如何規(guī)避呢？

黑膠唱片機(jī)的噪聲都來自哪里？

要知道線性跟蹤唱臂是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)非常特殊且典型的應(yīng)用，因?yàn)槌瑱C(jī)需要定位，非常精確地定位，而步進(jìn)電機(jī)天生適合定位任務(wù)，并且成本相對(duì)較低，在靜止和低速時(shí)具有高扭矩，無需使用變速箱。此外，與三相無刷電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器相比，步進(jìn)電機(jī)不一定需要復(fù)雜的控制算法或位置反饋進(jìn)行換向。但其缺點(diǎn)同樣明顯，噪音水平較高，即使在低速或靜止時(shí)也是如此。步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)有兩個(gè)主要來源：步進(jìn)分辨率，以及斬波器和脈寬調(diào)制(PWM)模式產(chǎn)生的副作用。

步進(jìn)分辨率

典型的步進(jìn)電機(jī)有50個(gè)磁極，可實(shí)現(xiàn)200個(gè)完整步長，每個(gè)步距角為1.8°，可實(shí)現(xiàn)360°的完整機(jī)械旋轉(zhuǎn)。但也有步數(shù)較少的步進(jìn)電機(jī)，甚至高達(dá)800個(gè)全步。最初，這些電機(jī)用于全步或半步模式。施加在兩個(gè)電機(jī)線圈A（藍(lán)色）和B（紅色）上的電流矢量在整個(gè)電氣旋轉(zhuǎn)（電氣360°）上顯示為矩形。下面兩張圖中突出顯示的那樣，電機(jī)線圈以90°相移模式以全電流或無電流供電。因此，每個(gè)周期的一電轉(zhuǎn)由4個(gè)整步或8個(gè)半步組成。也就是說，50極步進(jìn)電機(jī)需要50次電氣旋轉(zhuǎn)才能完成一整機(jī)械轉(zhuǎn)。

全步操作（電機(jī)線圈A=藍(lán)色和B=紅色）

半步操作（電機(jī)線圈A=藍(lán)色和B=紅色）

全步或半步等低分辨率步進(jìn)模式是步進(jìn)電機(jī)的主要噪聲源。它們引入了巨大的振動(dòng)，這種振動(dòng)遍布系統(tǒng)的整個(gè)力學(xué)，特別是在低速和接近某些共振頻率時(shí)。在較高的速度下，由于慣性矩，這些影響會(huì)降低。

轉(zhuǎn)子可以想象成一個(gè)諧波振蕩器或彈簧擺，如下圖所示。在驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備施加新的電流矢量后，轉(zhuǎn)子將沿著新指令位置的方向步進(jìn)到下一個(gè)全步或半步位置。與脈沖響應(yīng)類似，轉(zhuǎn)子過沖并圍繞下一個(gè)位置振蕩，從而導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)和噪音。運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)非平穩(wěn)，尤其是在較低的速度下。

轉(zhuǎn)子的擺動(dòng)行為導(dǎo)致振動(dòng)

為了減少這些振蕩，可以應(yīng)用一種稱為微步進(jìn)的機(jī)制。這將一個(gè)完整的步驟分成更小的部分，或微步驟。典型分辨率為2（半步）、4（四分之一步）、8、32甚至更多微步。定子線圈不是以全電流或零電流供電，而是以中間電流水平接近完整的正弦波波形超過4個(gè)完整的步驟。這將永磁轉(zhuǎn)子定位在兩個(gè)后續(xù)完整步驟之間的中間位置。這甚至允許適應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的物理特性或應(yīng)用的特殊定制電流波形（ADI Trinamic的驅(qū)動(dòng)芯片支持該功能）。

微步進(jìn)的最大分辨率由驅(qū)動(dòng)器的A/D和D/A功能定義。ADI Trinamic的步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器允許使用每整步高達(dá)256（8位）微步的步進(jìn)電機(jī)，使用芯片的集成可配置正弦波表甚至完全自定義電流波形。

使用這種高微步分辨率的結(jié)果是電機(jī)轉(zhuǎn)子現(xiàn)在以更小的角度或更短的距離步進(jìn)。當(dāng)切換到新位置時(shí)，如上圖所示的過沖和下沖會(huì)大大減少。而下圖顯示了這種差異。

從全步分辨率切換到高微步分辨率時(shí)減少電機(jī)振動(dòng)

斬波器和PWM模式

另一個(gè)噪聲和振動(dòng)源源自步進(jìn)電機(jī)通常使用的傳統(tǒng)斬波器和PWM模式。由于粗步進(jìn)分辨率的主要影響，這些模式的寄生效應(yīng)常常被忽略。但隨著使用微步進(jìn)提高步進(jìn)分辨率，這些寄生效應(yīng)變得明顯甚至可以聽見。

經(jīng)典的恒定關(guān)斷時(shí)間PWM斬波器模式是一種電流控制的PWM斬波器，它以快衰減和慢衰減相位之間的固定關(guān)系工作。在其最大值點(diǎn)，電流達(dá)到指定的目標(biāo)電流，這導(dǎo)致平均電流低于所需的目標(biāo)電流，如下圖所示。

恒定關(guān)斷時(shí)間(T_OFF)PWM斬波模式：平均電流達(dá)不到目標(biāo)電流

在完整的電氣旋轉(zhuǎn)中，當(dāng)電流的符號(hào)（方向）發(fā)生變化時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致正弦波的過零區(qū)域周圍出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)的影響是電機(jī)繞組中電流為零的一小段時(shí)間，這意味著根本沒有扭矩。這會(huì)導(dǎo)致擺動(dòng)和振動(dòng)，尤其是在較低的速度下。

傳統(tǒng)斬波器

與恒定關(guān)斷時(shí)間斬波器相比，ADI Trinamic 的SpreadCycle（高精度斬波算法）PWM斬波器模式應(yīng)用采用磁滯功能，自動(dòng)使用慢速和快速衰減周期之間的擬合關(guān)系。平均電流反映了配置的標(biāo)稱電流。在正弦波的過零區(qū)域沒有平臺(tái)。這減少了電流和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并接近了真正的正弦波形，與恒定關(guān)斷時(shí)間的PWM斬波器相比，電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。這在靜止和慢速到中等速度時(shí)尤其重要。

具有平滑過零的SpreadCycle 磁滯斬波器

步進(jìn)電機(jī)完全靜音秘訣：

硬件中實(shí)現(xiàn)StealthChop算法！

盡管微步減少了由低步分辨率引起的大部分振動(dòng)，但高微步分辨率可以更容易地感知其他振動(dòng)源。先進(jìn)的電流控制PWM斬波器模式，如ADI Trinamic的SpreadCycle（高精度斬波算法）算法，在硬件中實(shí)現(xiàn)，在很大程度上減少了振動(dòng)和抖動(dòng)。這對(duì)于許多標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了，也非常適合高速應(yīng)用。

但即使使用像SpreadCycle這樣的電流控制斬波器模式，由于電機(jī)線圈不同步、檢測電阻上幾毫伏的調(diào)節(jié)噪聲和PWM抖動(dòng)，仍然會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)可聽噪聲和振動(dòng)。這種噪音和振動(dòng)對(duì)于高端應(yīng)用、低速到中速應(yīng)用以及零噪聲應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)閬碜晕?a href="http://www.ttokpm.com/tags/步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器/" target="_blank">步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和混合步進(jìn)器的噪聲會(huì)疊加在音頻信號(hào)上，尤其是在各個(gè)音軌之間過渡的普通凹槽內(nèi)。

對(duì)此，ADI Trinamic的StealthChop算法也在硬件中實(shí)現(xiàn)，最終使步進(jìn)電機(jī)靜音。但是StealthChop實(shí)際上如何對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)靜音，為什么它不會(huì)產(chǎn)生額外的噪音和振動(dòng)？與基于電流的斬波器模式（如SpreadCycle）相比，StealthChop采用了不同的方法：它是一種基于電壓斬波器的技術(shù)，負(fù)責(zé)唱臂和唱針的無噪音和平穩(wěn)移動(dòng)。結(jié)合閉環(huán)跟蹤角度調(diào)節(jié)和精密激光光學(xué)，這使得頭殼和測針的最大跟蹤角度誤差<0.05°。良好的傳統(tǒng)樞軸唱臂具有<2°-3°的典型跟蹤角誤差，并且還受到滑行力和凹槽的機(jī)械磨損的影響。

ADI推出的TMC5130A-TA就是一款包含StealthChop模式的小型智能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器IC，是黑膠唱片機(jī)的終極解決方案。除了StealthChop之外，ADI Trinamic還改進(jìn)了電壓模式操作并將其與電流控制相結(jié)合。為了最大限度地減少電流波動(dòng)，TMC5130A-TA芯片的驅(qū)動(dòng)器根據(jù)電流反饋調(diào)節(jié)電壓調(diào)制。這允許系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)參數(shù)和工作電壓進(jìn)行自我調(diào)整。值得一提的是，被譽(yù)為“世界上最好的唱機(jī)轉(zhuǎn)盤”Dereneville Modulaire MK III就采用了該款I(lǐng)C。

Dereneville Modulaire MK III轉(zhuǎn)盤

消除了由直流控制環(huán)路的調(diào)節(jié)算法引起的小振蕩。由于SpreadCycle和其他電流調(diào)節(jié)斬波器原理總是對(duì)線圈電流測量做出逐個(gè)周期的反應(yīng)，因此復(fù)雜系統(tǒng)中總是存在幾毫伏的噪聲，以及內(nèi)部兩個(gè)線圈之間的電磁耦合。導(dǎo)致產(chǎn)生的電機(jī)電流的微小變化，從而影響斬波器。

下面兩張圖比較了電壓控制的StealthChop和電流控制的SpreadCycle。StealthChop的過零行為是完美的：當(dāng)電流值的符號(hào)從正變?yōu)樨?fù)或反之亦然時(shí)，沒有平臺(tái)，而是零電流水平的直線交叉，因?yàn)殡娏魇腔谡{(diào)制的PWM占空比。在50%PWM占空比下，電流實(shí)際上為零。

具有電壓控制StealthChop斬波器模式的一個(gè)電機(jī)相位的正弦波

具有電流控制的SpreadCycle（高精度斬波算法）斬波器模式的一個(gè)電機(jī)相位的正弦波

電壓控制的StealthChop斬波模式下電機(jī)相位和線圈電流的放大PWM視圖

電流控制的SpreadCycle（高精度斬波算法）斬波模式下電機(jī)相位和線圈電流的放大PWM視圖

配備StealthChop的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)合了與模擬非常相似的電流波形，并在不增加成本的情況下對(duì)功耗進(jìn)行了一些小幅改進(jìn)，除了無法改變的滾珠軸承噪音外，StealthChop提供了異常安靜的步進(jìn)電機(jī)性能，而使用StealthChop的應(yīng)用已實(shí)現(xiàn)低于經(jīng)典電流控制10dB的噪聲水平。

用于切向唱臂DTT-01-S 的機(jī)電致動(dòng)器的控制器 PCB，以及Trinamic 的智能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案

? ?查看往期內(nèi)容↓↓↓