Эта история произошла более 35 лет тому назад. В то время я был студентом пятого курса электроаккустического факультета КПИ и подрабатывал в научно-исследовательском секторе родной кафедры, в лаборатории, которая занималась прикладными задачами магнитной записи. Это сейчас все сигналы в цифре, хранить любую информацию можно, где угодно и в каком угодно формате, а если нужно — то и в сжатом виде. А тогда…
Все решил случай: друзья меня познакомили с заведующим лабораторией, и он согласился взять меня на полставки. В качестве входного экзамена я рассчитал по постоянному току усилитель на двух транзисторах с непосредственной связью. Устраиваясь на работу на кафедре, я преследовал материальную выгоду (все-таки 50 руб. чистыми!) и желание повысить свой уровень начинающего разработчика, коим я себя видел в будущем, углубив познания в практической электронике.
Фигуры из двух букв
Первая практическая задача — создание макета для изучения метода векторной развёртки по отображению на экране осциллографа буквенно-цифровой информации. Тридцать лет спустя я столкнулся с такой же идеологией формирования знаков на экране ЭЛТ, ремонтируя ИЛС — индикатор на лобовом стекле — самолета МиГ-29 (но это уже совершенно другая история).
Предполагалось сделать устройство, которое при подключении к осциллографу на входы Х, У и Z, позволяло отображать на нём два символа в 16-ти сегментной матрице. Эта матрица, в отличие от стандартной семисегментной, позволяла с приемлемым качеством отображать не только цифры, но и все буквы алфавита. Почему только два символа, а не три или более? При двух символах частота сканирования была достаточно низкой и формирователи векторных напряжении были относительно простыми. Руководитель пошутил, что если сделать три знакоместа, то студенты на лабораторной работе обязательно напишут известное матерное слово и всем будет не до матриц с векторами. Стенд давался трудно: сказывалось отсутствие опыта в использовании операционных усилителей, а с логикой на 155-й серии я вообще столкнулся впервые.

Рис 1. Пример использования К155РЕ3 для обслуживания семисегментных индикаторов
диагностической POST-карты для ISA-шины
Пришлось изготовить программатор, составить таблицу программирования и самому «прошивать» новейшую по тем временам микросхему памяти с пережигаемыми перемычками К155РЕ3. Она использовалась в качестве формирователя всех цифровых последовательностей устройства. Перепортил я, по незнанию, много активных компонентов, долго возился с возбуждением и нелинейностью операционных усилителей 140УД1Б. На практике постигал основы аналоговой схемотехники, параллельно усваивая практические азы проектирования стабилизаторов напряжения на ИМС 142ЕН1…
Вся работа велась под неусыпным оком и контролем завлаба. Стенд был отмакетирован и собственноручно изготовлен в виде законченной конструкции. На экран осциллографа С1-65 я вывел два знакоместа. При помощи тумблерного регистра мог подсвечивать или гасить любой сегмент матрицы в каждом знакоместе отдельно. Информация хранилась в регистрах К155ИР1. Все прекрасно работало, радости границ не было, и душа жаждала новых побед и свершений.
В это время подоспел срок определиться с темой дипломного проекта. Было естественно и логично делать диплом по тематике лаборатории, в которой я работал уже почти год. А тематика была очень специфическая — создание цифровых устройств, реализующих компенсацию колебаний скорости носителя в процессе магнитной записи.
Колебания скорости носителя. Что это такое?
В любом магнитофоне есть магнитный носитель — магнитная лента или тонкая (0,07мм) проволока. Лента имеет свойство растягиваться и деформироваться, проволока — тоже не абсолютно жесткое тело. Кроме того, невозможно изготовить механические узлы магнитофона с абсолютной точностью. Всегда будет присутствовать биение валов, непараллельность направляющих, нестабильная скорость вращения приводного двигателя и непостоянство прижима ленты к магнитной головке и тонвалу (это такой маховик для стабилизации скорости протяжки магнитной ленты). Влияние этих факторов приводит к флуктуациям скорости относительно среднего значения, что вызывает крайне нежелательные искажения временного масштаба и спектрального состава записываемых сигналов. В видеомагнитофонах это проявляется в искажениях цвета и срыву синхронизации, в звукотехнике — к детонации, а в точной магнитной записи — к потере временного масштаба и формы исходного сигнала.
Можно привести примерную аналогию для понимания феномена колебаний скорости: спускаясь на эскалаторе, мы обычно держимся за поручень, который должен двигаться с той же скоростью, что и эскалатор. В действительности поручень постоянно дрожит и перемещается относительно ступенек эскалатора или вперед или назад. Пассажирам постоянно приходится менять положение руки. Дрожание поручня — детонация, а плавное смещение поручня принято называть скольжением — в звукотехнике параметр несущественный и трудно устранимый.
Тема оказалась весьма актуальной, и я с огромным энтузиазмом принялся за работу. Для обхода всяких режимных ограничений и возможности официально оформить работу как дипломный проект, было решено делать макет устройства компенсации детонации для бытового магнитофона первого класса. За основу был взят магнитофон «Ростов-101».

Рис 2. Магнитофон «Ростов-101» (фото из сети)
Он был удобен тем, что имел сквозной тракт записи и воспроизведения: возможность одновременно с записью прослушивать записываемый сигнал, неплохой динамический и частотный диапазоны. Кроме того, его механика была унифицирована с такими аппаратами как «Юпитер» и «Маяк». Хотя по паспорту у этого магнитофона коэффициент детонации был не хуже 0,1%, в реальности такое получить на серийном изделии было затруднительно по ряду причин.
- Во-первых, аппарат построен по однодвигательной схеме со всеми вытекающими негативными последствиями.
- Во-вторых, используемый двигатель КД6-4У имел мягкую механическую характеристику и в плане стабильности протяжки ленты оставлял желать лучшего.
Это означало, что снижать коэффициент детонации в этой механике есть куда. Имеющийся в лаборатории аппарат «Ростов-101» был полностью исправен и идеально настроен по электрическому тракту. Для экспериментов по компенсации колебаний скорости носителя годился.
О компенсации
Теперь несколько слов о принципе компенсации колебаний скорости протяжки. Если во время записи на магнитофон подавать опорный сигнал с постоянной частотой вне спектра информационного звукового сигнала, то при воспроизведении опорный сигнал будет содержать в себе информацию о временной ошибке, так как его частота будет отличаться от записанной. Если проанализировать его частотным детектором, то мы получим сигнал, амплитуда которого пропорциональна временной ошибке.
NB. Это на первый взгляд все просто. Разрабатывая математическую модель проектируемого устройства, я столкнулся со многими трудностями и нюансами, игнорирование некоторых, как будет сказано в дальнейшем, привело к полной неработоспособности устройства в целом при абсолютно корректно работающих отдельных блоках и узлах.
Если информационный сигнал пропустить через управляемую напряжением линию задержки, на управляющий вход которой подать в соответствующем масштабе и полярности продетектированный опорный сигнал, то произойдет частичная компенсация искажений временного масштаба (полная невозможна теоретически), что нам и требуется.
Принцип цифровой компенсации временных искажений в магнитной записи можно примерно объяснить на таком примере: представьте себе, что один цифровой отсчет — это зернышко. Если эти зернышки насыпать в мешок горстями и через произвольные промежутки времени, а ссыпать их из мешка через небольшое отверстие внизу, то скорость высыпания зернышек будет постоянной. Аналогия очевидна — мешок это буферная память с произвольной выборкой, зерна — цифровые отсчеты сигнала, входные горсти зерен — считанные с магнитофона цифровые данные, а выходное отверстие мешка — считанные из буферной памяти данные с постоянной скоростью. Главное, чтобы скорости записи в буферную память и считывания были примерно одинаковые во избежание её переполнения.
На то время уже существовали полностью цифровые линии задержки аналоговых сигналов. Даже в нашей лаборатории использовалась одна из первых советских микросхем динамической памяти 565РУ1А. Главным недостатком их применения была жуткая дороговизна, запредельное потребление электроэнергии и огромные размеры всего узла в целом. Ни о каких встраиваемых в магнитофон платах не могло быть и речи.
Была доступна и альтернативная техника — так называемая дискретно-аналоговая, которая в своей основе использовала приборы с зарядовой связью (ПЗС). Привлекательность этой техники заключалась в том, что для дискретной обработки сигнала не нужно было использовать аналого-цифровые преобразователи. Дискретизировались аналоговые сигналы напрямую. Это тогда представлялось очень удобным и считалось, что на какое-то время оттянет переход на полностью цифровую обработку сигналов, пока не будет разработана соответствующая элементная база.

Рис 3. Внутренняя структура линии задержки 528БР1 (фото из сети)
На киевском заводе «Кристалл» с 1979 года выпускалась в интегральном исполнении управляемая линия задержки 528БР1 на ПЗС структурах с трехфазным управлением. Очень неудобная и капризная. Моему руководителю удалось раздобыть десятка три этих микросхем. На них и решено было строить компенсатор, и мы приступили к макетированию.

Рис 4. Внешний вид микросхемы 528БР1 (фото из сети)
Было много перипетий с подключением этой линии задержки. Одно только трехфазное тактирование с крутизной фронта 20нс и амплитудой в –24V чего стоило! Преодолев трудности не без потерь микросхем, мне удалось получить стабильно работающее устройство с динамическим диапазоном около 40дБ и нелинейными искажениями около 0,5%.
Основной узел был готов, и можно было приступать к проектированию и изготовлению остальных блоков устройства. Неожиданно возникла принципиальная проблема. Линия задержки управлялась изменением частоты (точнее сказать периода) тактирующих импульсов, следовательно, для правильной работы линии задержки нужен был периодный модулятор. Другими словами, нужен был генератор импульсов, период следования которых линейно бы зависел от управляющего напряжения. Частотных модуляторов было полно, схемотехника известная, а вот информацию о периодных модуляторах я не смог найти нигде. На забывайте — на дворе был 1982 год, интернет существовал тогда в виде жутко засекреченной американской сети DARPA, единственным источником информации у меня была библиотека КПИ. Но, увы, я там ничего найти не смог. Пришлось придумывать схему периодного модулятора самому.
Решение пришло в голову, как это обычно бывает, совершенно неожиданно. Я подумал, если в классическом частотном модуляторе на базе интегратора-компаратора изменение частоты колебаний производится путем изменения порога срабатывания, то никто мне мешает менять ток заряда времязадающего конденсатора при постоянном пороге срабатывания компаратора. Тогда период колебаний будет линейно зависеть от изменения тока заряда частотозадающего конденсатора.
К тому моменту уже был собран частотный модулятор с приемлемыми параметрами. Видоизменив его схему, я получил периодный модулятор с удовлетворительной линейностью. Я долго не понимал, зачем завлаб заставлял меня работающий модулятор засовывать в термошкаф и мерять его стабильность и уход частоты при +60 градусах Цельсия. Потом, много лет спустя, я столкнулся с проблемой термостабильности разрабатываемых устройств и с благодарностью вспоминал свой первый опыт в этом вопросе.
Остальные составные части устройства были классикой, не стоящей внимания. В процессе этой работы я научился практически рассчитывать, синтезировать и настраивать активные фильтры (ФНЧ, ПФ, ФВЧ), частотные детекторы на базе цифровых методов, сумматоры и интеграторы на операционных усилителях, что сильно помогло мне в дальнейшей трудовой деятельности.
По тем временам детонацию измеряли следующим образом: на магнитофон записывался синусоидальный сигнал с частотой 3150 Гц (на этой частоте человеческий слух имеет наибольшую чувствительность). При воспроизведении к линейному выходу магнитофона подключался специальный прибор — детонометр, по сути — частотный детектор со взвешивающим фильтром и стрелочным индикатором на выходе. В распоряжении лаборатории в то время был детонометр 4И. Прибор не был идеальным, но тогда им были оснащены все лаборатории на заводах, выпускающих звукозаписывающие магнитофоны.

Рис 5. Детонометр 4И (редкое фото из сети)
Когда все узлы устройства были отмакетированы, изготовлены и настроены, настало время соединить все воедино и включить.
И тут наступил момент истины — компенсатор не хотел работать. То есть он работал, но наоборот. Критерием работы устройства были показания детонометра, подключенного к выходу компенсатора. При нажатии кнопки «компенсация» показания прибора должны были упасть в несколько раз. В реальности происходило все иначе — при включении компенсации, т.е. подачи на вход периодного модулятора сигнала с выхода частотного детектора опорного канала, стрелка детонометра упорно лезла вверх. А в положении для максимальной девиации задержки прибор показывал максимальную детонацию — около 10%. Всё, тупик, работа оказалась бесполезной.
Своеобразие текущего момента еще заключалось в том, что до срока защиты диплома оставалось всего две недели, моя работа была широко разрекламирована в узких кафедральных кругах, и дело чести было довести все до конца. Кроме того, куратор диплома от кафедры меня лихо обманул, пообещав, что при рабочем макете можно сократить количество чертежей с 6-ти до 2-х. Потом, при сдаче очередного этапа дипломного проектирования, он сказал мне, что не помнит такого, и чертежи надо делать все, иначе меня не допустят к защите диплома.
Пришла беда — открывай ворота. Но к концу учебы я все же уже научился выкручиваться из сложных ситуаций. Недостающие чертежи мне сделали мои одногруппники, взамен я для них рассчитал схемы усилителей записи-воспроизведения, что для меня тогда было парой пустяков. Одной девице я рассчитал эмиттерный повторитель (и это без пяти минут дипломированному специалисту в области магнитной записи!) за подготовку листов с гостовскими рамками для написания пояснительной записки. Сама записка была почти готова — 100 страниц убористого рукописного текста с интегралами и фрагментами принципиальных схем.
Оставалось выяснить главное — почему эта жестянка не работает. На осциллографе сигнал ошибки был очень хорошо виден, но компенсатор не работал. На стрелочный прибор детонометра я смотрел со страхом и ненавистью, крутил все регулировки подряд, но ожидаемого эффекта не было.
Время защиты диплома неумолимо приближалось. Мне стало очень обидно — столько труда потрачено!
Неужели все напрасно? Стал анализировать работу всех узлов с точки зрения математики. Наткнулся на одну непонятную мне вещь: при воспроизведении индукционная магнитная головка выдает напряжение пропорционально изменению скорости потока намагниченности носителя (ленты, проволоки).
Уравнение простое: E = - L х dФ/dt,
где E — это ЭДС на выходе головки , L — это индуктивность головки, а dФ/dt — скорость изменения магнитного потока через зазор головки.
Так в теории, без учета потерь. Реальное уравнение значительно сложнее. При записи из-за особенностей высокочастотного подмагничивания магнитный поток пропорционален записываемому сигналу. Чтобы получить сигнал управления линией задержки пропорциональный временной ошибке, его на выходе магнитной головки необходимо проинтегрировать, так как он был продифференцирован воспроизводящей головкой.
Все вроде бы это понимали, но при разработке схемотехники компенсатора я был подавлен авторитетом завлаба. Он ведь мне сказал, что вместо интегратора со спадом АЧХ 6 дБ на октаву, в этом месте можно поставить фильтр низких частот и все будет ОК — корректирующий усилитель воспроизведения магнитофона уже и так является интегратором. Но он не учел одного — опорный сигнал (синусоида 22 КГц) подвергался при воспроизведении частотной демодуляции и интегрировать нужно было сигнал временной ошибки, а не опорную синусоиду. Что, к сожалению, обнаружилось значительно позже.
При разработке схемотехники устройства я, пребывая в святом неведении, применил очень модный и дефицитный на то время интегральный активный фильтр 298ФНхх с частотой среза 300Гц. При этом частота 300 Гц — верхняя частота сигнала компенсируемой временной ошибки. Хотя в полосе выделенного частотным детектором управляющего сигнала от 0.3 Гц до 300 Гц АЧХ канала компенсации не имела спада 6дБ на октаву, как того требовало правило интегрирования синусоидального сигнала. Меня это здорово смущало. Однако, в открытую перечить завлабу, который был для меня непререкаемым авторитетом, я не решился.
И вот, когда до защиты диплома оставалась неделя, я поделился своей проблемой с отцом, военным инженером по авиационной автоматике. Папа мне мудро посоветовал сделать следующее: втихаря на макетной плате собрать интегратор и поставить его после фильтра, перед модулятором. Если эффект наступит — победителей не судят, если не наступит — молча копать дальше и никому не говорить про этот эксперимент. Я так и поступил — взял новейший на то время операционный усилитель К157УД2, быстренько рассчитал номиналы чтобы обеспечить спад 6дБ на октаву и вставил его в разрыв канала управления. При включении устройства, я увидел привычную картину на экране осциллографа, но когда начал крутить регулировку амплитуды компенсации, стрелка детонометра качнулась и поползла привычно вверх, но картинка на осциллографе изменилась не так, как было раньше, и тут я понял, что крутить нужно в другую сторону, ибо наступила перекомпенсация.
Я начал осторожно крутить в другую сторону, и случилось то на, что я уже не надеялся — стрелка детонометра поползла вниз ниже исходной отметки 0,12%, а дрожание информационного сигнала на экране осциллографа резко уменьшилось. Пришлось даже переключить предел измерения детонометра. В итоге коэффициент детонации упал с 0.12% до 0.015%. Почти в 10 раз!
Система работала. Когда я позвал завлаба, то он сначала не поверил своим глазам. Собственноручно покрутив регулятор уровня сигнала «компенсация» и найдя чёткий минимум коэффициента детонации особых эмоций не проявил, спросив, что я сделал. Я признался, что по собственной инициативе дополнительно поставил интегратор в канал управления. Он меня похвалил. На этом все и закончилось. Мой компенсатор ещё долго использовался в учебном процессе в качестве лабораторной работы, а потом наступила эра цифровой обработки и хранения сигналов. И эта тема стала совсем не актуальной.
Диплом я защитил на «отлично», дипломная комиссия сидела с непонимающими выражениями лиц, когда я рисовал на доске интегралы с отрицательным временем в качестве аргумента функции компенсации, объяснял тонкости работы периодного модулятора. До демонстрации компенсатора дело не дошло — на покрытом красным сукном столе не нашлось места для магнитофона, осциллографа и детонометра. Комиссия посмотрела только на внешний вид прибора, а когда настало время задавать вопросы, то один дедушка спросил — «А японцы такое делают?»
После выстраданного, я был готов к любому вопросу по теории, схемотехнике и конструкции прибора. Но, что бы такое спрашивать!..
Мне стало понятно, что люди ничего в этом не понимают, и их это абсолютно не интересует. Я разозлился и сказал, что японцы делают такую точную механику магнитофонов, при которой электронная компенсация временных искажений не требуется. На этом все и успокоились.
Как потом выяснилось, японцы делали компенсаторы временной ошибки. Еще и какие! Но в основном для видеозаписи. А я этот урок запомнил на всю жизнь: пренебрегать, на первый взгляд, несущественными вещами в математической модели устройства нельзя. Математика неточностей не прощает. И в результате получаем очередную загадку природы…
Мой завлаб потом по этой теме защитил кандидатскую диссертацию, я считаю вполне заслуженно, а я попал по распределению в НИИ Электромеханических приборов. Там я стал заниматься проблемами восстановления речевых и музыкальных сигналов на фоне помех. В работе, когда возникали трения с начальством, пытавшимся решать сложные технические проблемы без использования математического аппарата, я уже твердо отстаивал свою точку зрения. Мнение людей, не способных к математическому моделированию физических процессов, вряд ли могло стать авторитетом для меня — они так и не поняли, как должна выполняться обработка сигналов.