提高开发效率和质量?用SPICE仿真音效

　　我在网上查找音效电路原理图时想到，如果能在出图前先用通用模拟电路仿真器(SPICE)进行模拟检验，可能会提高开发效率和质量。但由于任何电子模拟器都无法读取并输出音频文件，所以我用Pythons波形模块编写程序，实现读取波形文件并且输出一段时间--电压点的序列。Ngspice的文件源装置能够读取这一大串点序列，并输出和音频信号相匹配的电压波形，之后作为效果电路的输入。

　　为了能听到输出音频，还需另外一个程序将输出跟踪转换成波形文件，这里我还是借助于这个Pythons波形模块来实现。

　　畸变效应

过载效果器250

　　过载效果器250是最简单的畸变效应之一，以吉他效果而广为人知。原理图如图所示。工作原理很简单，首先需要一个交流耦合电容和偏置电路，因为供电采用单向电压。

　　运算放大器被用作非反相放大器放大微弱的输入信号。R5电位计控制增益。输出位置有另外一个交流耦合电容器和两个削波信号二极管。信号幅值越大，二极管的削波和畸变就越明显。

　　测试音频信号是一段纯净的吉他声响，来源于用户Khoon命名的freesound.org组织，没有专利许可费用，从根本上说这个属于公用的。

　　首先是经过500千欧R5电阻输出较为缓和的畸变。考虑到运算放大器的放大效应，输入幅值的选择尤为重要。这段录音中输入幅值为10 毫伏。从波形上我们发现，削波作用相当明显，因此在播放前需要检查输出音量。

　　如下图所示，逐渐减小R5的阻值会提高增益和畸变：

　　音频编辑器显示的失真的频谱效应：

原始纯净吉他声信号频谱

刺耳畸变信号频谱

　　以上分别是原始纯净吉他声信号和刺耳畸变信号的频谱，区别不是很明显。一些低频信号被交流耦合电容器过滤，由于畸变新增了高频信号。能量增加超出了整个带宽，但这只是SPICE到wav格式声音文件转换过程中的过渡表象。为了避免削波，这里选择最大信号增益来获取最大样本值，从而改变信号音量。

　　实际电路与之相比略有不同，不过这种模拟本身仍然很能说明问题。

　　在所需时间上，仿真与实际存在差别。在44100赫兹的采样频率下，大约需要5秒来仿真1秒的音频文件。如需要长时间的仿真并记录数据，可以使用SPICE声明记录下输出波形。

　　模糊效应

模糊电路

　　第二部分为模糊电路，除了运算放大器部分被分立晶体管所取代外，其余与之前的失真电路非常相似。

　　输入电压幅值对这部分电路的输出影响也很明显。

　　下面是1毫伏输入幅值下的仿真结果：

　　10毫伏输入幅值仿真结果为：

　　由于相似的二极管削波结构，其仿真结果与畸变电路相差不大。

　　二极管削波器

　　二极管削波器的波形比预想的要平滑得多。当然这也取决于信号电压和二极管参数。

用一对1N4148进行削波之后的1V 400Hz信号仿真

二极管削波之后的正弦波频谱

　　但即便如此，这个相对平滑的削波信号也包含许多高频谐波。

　　源码

　　源码参见这里：

　　README

　　SPICE audio tools

　　This repository has two programs for importing wav file to SPICE and

　　exporting the output as a wav file.

　　1. wavtospice.py

　　- This tool converts a wav file with a list of values, which can be read

　　using ngspices file source. If wav file has multiple channels only the values

　　of the first channel are returned.

　　- Usage: python wavtospice.py

　　- Ngspice must have been compiled with xspice support. File source can be used

　　like follows:

　　a1 %v([in]) filesrc

　　.model filesrc filesource (file="values" amploffset=[0] amplscale=[1]

　　+ timeoffset=0 timescale=1

　　+ timerelative=false amplstep=false)

　　See ngspice manual for possible options.

　　2. spicetowav.py

　　- This tool converts ngspice output to wav file. Compatibility with other

　　simulators is untested.

　　- Simulation must be setup to print the output values.

　　Run the ngspice in batch mode using the command line flag -b and direct

　　output to a file.

　　- Usage: python spicetowav.py

[clipping voltage].

　　Clipping voltage is optional and if it's unspecified wav is written

　　with maximum amplitude such that clipping doesn't occur.

　　# Example

　　Following commands can be used to get output from lowpass filter example file

　　when run on Linux:

　　$ python wavtospice.py file.wav inputvalues

　　$ ngspice -b examples/lowpass.cir > spice_output

　　$ python spicetowav.py spice_output output.wav