提高開發效率和質量?用SPICE仿真音效

　　我在網上查找音效電路原理圖時想到，如果能在出圖前先用通用模擬電路仿真器(SPICE)進行模擬檢驗，可能會提高開發效率和質量。但由于任何電子模擬器都無法讀取并輸出音頻文件，所以我用Pythons波形模塊編寫程序，實現讀取波形文件并且輸出一段時間--電壓點的序列。Ngspice的文件源裝置能夠讀取這一大串點序列，并輸出和音頻信號相匹配的電壓波形，之后作為效果電路的輸入。

　　為了能聽到輸出音頻，還需另外一個程序將輸出跟蹤轉換成波形文件，這里我還是借助于這個Pythons波形模塊來實現。

　　畸變效應

過載效果器250

　　過載效果器250是最簡單的畸變效應之一，以吉他效果而廣為人知。原理圖如圖所示。工作原理很簡單，首先需要一個交流耦合電容和偏置電路，因為供電采用單向電壓。

　　運算放大器被用作非反相放大器放大微弱的輸入信號。R5電位計控制增益。輸出位置有另外一個交流耦合電容器和兩個削波信號二極管。信號幅值越大，二極管的削波和畸變就越明顯。

　　測試音頻信號是一段純凈的吉他聲響，來源于用戶Khoon命名的freesound.org組織，沒有專利許可費用，從根本上說這個屬于公用的。

　　首先是經過500千歐R5電阻輸出較為緩和的畸變。考慮到運算放大器的放大效應，輸入幅值的選擇尤為重要。這段錄音中輸入幅值為10 毫伏。從波形上我們發現，削波作用相當明顯，因此在播放前需要檢查輸出音量。

　　如下圖所示，逐漸減小R5的阻值會提高增益和畸變：

　　音頻編輯器顯示的失真的頻譜效應：

原始純凈吉他聲信號頻譜

刺耳畸變信號頻譜

　　以上分別是原始純凈吉他聲信號和刺耳畸變信號的頻譜，區別不是很明顯。一些低頻信號被交流耦合電容器過濾，由于畸變新增了高頻信號。能量增加超出了整個帶寬，但這只是SPICE到wav格式聲音文件轉換過程中的過渡表象。為了避免削波，這里選擇最大信號增益來獲取最大樣本值，從而改變信號音量。

　　實際電路與之相比略有不同，不過這種模擬本身仍然很能說明問題。

　　在所需時間上，仿真與實際存在差別。在44100赫茲的采樣頻率下，大約需要5秒來仿真1秒的音頻文件。如需要長時間的仿真并記錄數據，可以使用SPICE聲明記錄下輸出波形。

　　模糊效應

模糊電路

　　第二部分為模糊電路，除了運算放大器部分被分立晶體管所取代外，其余與之前的失真電路非常相似。

　　輸入電壓幅值對這部分電路的輸出影響也很明顯。

　　下面是1毫伏輸入幅值下的仿真結果：

　　10毫伏輸入幅值仿真結果為：

　　由于相似的二極管削波結構，其仿真結果與畸變電路相差不大。

　　二極管削波器

　　二極管削波器的波形比預想的要平滑得多。當然這也取決于信號電壓和二極管參數。

用一對1N4148進行削波之后的1V 400Hz信號仿真

二極管削波之后的正弦波頻譜

　　但即便如此，這個相對平滑的削波信號也包含許多高頻諧波。

　　源碼

　　源碼參見這里：

　　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