復古風潮再起，黑膠唱片憑什么在流媒體下“逆流而上”？

亞德諾半導體 2023-08-24 18:03

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在“儀式感”的追逐上，各圈子的發燒友們總是樂此不疲。比如一股復古風潮正在音樂圈不斷涌動，厚重且充滿質感的黑膠唱片迎來了再次復興，從束之高閣，任其落滿灰塵的上世紀遺物，搖身一變時下最“in”的聲音媒介。RIAA數據顯示美國去年的黑膠銷量高達4400萬張，超過了CD銷量的3300萬張，占據了全美唱片銷量的70%。

如今，無論是價格、還是玄妙的音質，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。當一個人在家里擺著唱片機和黑膠，甚至擁有一柜子、一整墻的唱片，它們不僅填充了空間，也會為主人帶來“文藝”“有品位”的評價。

TMC5130A-TA被應用于“世界上最好的唱機轉盤”Dereneville Modulaire MK II的新型全自動切向唱臂Dereneville?DTT-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的本質，就像每個模擬音樂愛好者都希望在聆聽自己喜愛的曲目時體驗清晰、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，許多因素會扭曲原始曲目的信息，例如主動式線性唱臂的機電組件，即小型步進電機，會直接在唱臂的固定裝置上產生振動，然后傳遞到唱頭殼和唱針。這種振動會增加噪音，使頭罩震動，并降低音頻信號的質量。那么，當使用步進電機時，這些額外的振動及噪音從何而來又該如何規避呢？

黑膠唱片機的噪聲都來自哪里？

要知道線性跟蹤唱臂是步進電機的一個非常特殊且典型的應用，因為唱片機需要定位，非常精確地定位，而步進電機天生適合定位任務，并且成本相對較低，在靜止和低速時具有高扭矩，無需使用變速箱。此外，與三相無刷電機和伺服驅動器相比，步進電機不一定需要復雜的控制算法或位置反饋進行換向。但其缺點同樣明顯，噪音水平較高，即使在低速或靜止時也是如此。步進電機的振動有兩個主要來源：步進分辨率，以及斬波器和脈寬調制(PWM)模式產生的副作用。

步進分辨率

典型的步進電機有50個磁極，可實現200個完整步長，每個步距角為1.8°，可實現360°的完整機械旋轉。但也有步數較少的步進電機，甚至高達800個全步。最初，這些電機用于全步或半步模式。施加在兩個電機線圈A（藍色）和B（紅色）上的電流矢量在整個電氣旋轉（電氣360°）上顯示為矩形。下面兩張圖中突出顯示的那樣，電機線圈以90°相移模式以全電流或無電流供電。因此，每個周期的一電轉由4個整步或8個半步組成。也就是說，50極步進電機需要50次電氣旋轉才能完成一整機械轉。

全步操作（電機線圈A=藍色和B=紅色）

半步操作（電機線圈A=藍色和B=紅色）

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

轉子可以想象成一個諧波振蕩器或彈簧擺，如下圖所示。在驅動器電子設備施加新的電流矢量后，轉子將沿著新指令位置的方向步進到下一個全步或半步位置。與脈沖響應類似，轉子過沖并圍繞下一個位置振蕩，從而導致機械振動和噪音。運動遠非平穩，尤其是在較低的速度下。

轉子的擺動行為導致振動

為了減少這些振蕩，可以應用一種稱為微步進的機制。這將一個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個完整的步驟。這將永磁轉子定位在兩個后續完整步驟之間的中間位置。這甚至允許適應步進電機的物理特性或應用的特殊定制電流波形（ADI Trinamic的驅動芯片支持該功能）。

微步進的最大分辨率由驅動器的A/D和D/A功能定義。ADI Trinamic的步進電機控制器和驅動器允許使用每整步高達256（8位）微步的步進電機，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果是電機轉子現在以更小的角度或更短的距離步進。當切換到新位置時，如上圖所示的過沖和下沖會大大減少。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減少電機振動

斬波器和PWM模式

另一個噪聲和振動源源自步進電機通常使用的傳統斬波器和PWM模式。由于粗步進分辨率的主要影響，這些模式的寄生效應常常被忽略。但隨著使用微步進提高步進分辨率，這些寄生效應變得明顯甚至可以聽見。

經典的恒定關斷時間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系工作。在其最大值點，電流達到指定的目標電流，這導致平均電流低于所需的目標電流，如下圖所示。

恒定關斷時間(T_OFF)PWM斬波模式：平均電流達不到目標電流

在完整的電氣旋轉中，當電流的符號（方向）發生變化時，這會導致正弦波的過零區域周圍出現一個平臺。這個平臺的影響是電機繞組中電流為零的一小段時間，這意味著根本沒有扭矩。這會導致擺動和振動，尤其是在較低的速度下。

傳統斬波器

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

具有平滑過零的SpreadCycle 磁滯斬波器

步進電機完全靜音秘訣：

硬件中實現StealthChop算法！

盡管微步減少了由低步分辨率引起的大部分振動，但高微步分辨率可以更容易地感知其他振動源。先進的電流控制PWM斬波器模式，如ADI Trinamic的SpreadCycle?（高精度斬波算法）算法，在硬件中實現，在很大程度上減少了振動和抖動。這對于許多標準應用來說已經足夠了，也非常適合高速應用。

但即使使用像SpreadCycle這樣的電流控制斬波器模式，由于電機線圈不同步、檢測電阻上幾毫伏的調節噪聲和PWM抖動，仍然會產生一點點可聽噪聲和振動。這種噪音和振動對于高端應用、低速到中速應用以及零噪聲應用至關重要，因為來自微步進驅動器和混合步進器的噪聲會疊加在音頻信號上，尤其是在各個音軌之間過渡的普通凹槽內。

對此，ADI Trinamic的StealthChop?算法也在硬件中實現，最終使步進電機靜音。但是StealthChop實際上如何對電機實現靜音，為什么它不會產生額外的噪音和振動？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，負責唱臂和唱針的無噪音和平穩移動。結合閉環跟蹤角度調節和精密激光光學，這使得頭殼和測針的最大跟蹤角度誤差<0.05°。良好的傳統樞軸唱臂具有<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電機驅動器和控制器IC，是黑膠唱片機的終極解決方案。除了StealthChop之外，ADI Trinamic還改進了電壓模式操作并將其與電流控制相結合。為了最大限度地減少電流波動，TMC5130A-TA芯片的驅動器根據電流反饋調節電壓調制。這允許系統根據電機參數和工作電壓進行自我調整。值得一提的是，被譽為“世界上最好的唱機轉盤”Dereneville Modulaire MK III就采用了該款IC。