Aktivní filtry druhého řádu. Horní a dolní propust (propust) Aktivní horní propust druhého řádu

V tomto článku budeme hovořit o vysoko a nízkopropustných filtrech, jak jsou charakterizovány a jejich odrůdách.

Horní a dolní propust- jedná se o elektrické obvody skládající se z prvků, které mají nelineární frekvenční odezvu - mají různý odpor na různých frekvencích.

Frekvenční filtry lze rozdělit na horní propusti (horní propusti) a dolní propusti (dolní propusti). Proč lidé často říkají „horní“ spíše než „vysoké“ frekvence? Protože v audiotechnice končí nízké frekvence na 2 kilohertzech a začínají vysoké frekvence. A v radiotechnice jsou 2 kilohertz další kategorií - zvuková frekvence, což znamená „nízká frekvence“! V audiotechnice existuje další koncept - střední frekvence. Středopropustné filtry jsou tedy obvykle buď kombinací dvou dolních a horních propustí, nebo jiného druhu pásmové propusti.

Zopakujme si to znovu:

Abychom charakterizovali nízko a vysokofrekvenční filtry, a nejen filtry, ale jakékoli prvky rádiových obvodů, existuje koncept - amplitudově-frekvenční odezva nebo frekvenční odezva

Frekvenční filtry se vyznačují indikátory

Mezní frekvence– je to frekvence, při které klesá amplituda výstupního signálu filtru na hodnotu 0,7 od vstupního signálu.

Strmost frekvenční odezvy filtru je charakteristika filtru, která ukazuje, jak prudce klesá amplituda výstupního signálu filtru, když se mění frekvence vstupního signálu. V ideálním případě byste se měli snažit o maximální (vertikální) pokles frekvenční odezvy.

Frekvenční filtry jsou vyrobeny z prvků s reaktancí - kondenzátory a tlumivky. Reaktance používané v kondenzátorových filtrech ( X C ) a induktory ( X L ) souvisí s frekvencí podle níže uvedených vzorců:

Je snazší vypočítat filtry před prováděním experimentů pomocí speciálního vybavení (generátory, spektrální analyzátory a další zařízení) doma v aplikaci Microsoft Excel vytvořením jednoduché tabulky automatického výpočtu (musíte umět pracovat se vzorci v aplikaci Excel). Tuto metodu používám k výpočtu libovolných obvodů. Nejprve si udělám tabulku, vložím data, dostanu výpočet, který převedu na papír ve formě grafu frekvenční odezvy, změním parametry a opět nakreslím body frekvenční odezvy. Při této metodě není potřeba nasazovat „laboratoř měřicích přístrojů“ výpočet a kreslení frekvenční odezvy probíhá rychle.

Je třeba dodat, že výpočet filtru bude správný, když se pravidlo provede:

Pro zajištění přesnosti filtru je nutné, aby hodnota odporu filtračních prvků byla přibližně o dva řády menší (100krát) než odpor zátěže připojené k výstupu filtru. Jak se tento rozdíl snižuje, kvalita filtru se zhoršuje. To je způsobeno tím, že odpor zátěže ovlivňuje kvalitu frekvenčního filtru. Pokud nepotřebujete vysokou přesnost, pak lze tento rozdíl snížit až 10krát.

Frekvenční filtry jsou:

1. Jednoprvkový (kondenzátor - jako horní propust, nebo induktor - jako dolní propust);

2. ve tvaru L - vzhledem připomínají písmeno G obrácené opačným směrem;

3. ve tvaru T - vzhledem připomínají písmeno T;

4. ve tvaru U - vzhledem připomínají písmeno P;

5. Multi-link - stejné filtry ve tvaru L zapojené do série.

Jednoprvkové horní a dolní propusti

Jednoprvkové horní a dolní propusti se zpravidla používají přímo v akustických systémech výkonných audio zesilovačů pro zlepšení zvuku samotných audio reproduktorů.

Jsou zapojeny do série s dynamickými hlavami. Za prvé, chrání jak dynamické hlavy před silným elektrickým signálem, tak zesilovač před nízkým odporem zátěže, aniž by jej zatěžovaly dalšími reproduktory na frekvenci, kterou tyto reproduktory nereprodukují. Zadruhé zpříjemňují přehrávání uchu.

Pro výpočet jednoprvkového filtru potřebujete znát reaktanci dynamické hlavové cívky. Výpočet se provádí pomocí vzorců děliče napětí, což platí také pro filtr ve tvaru L. Nejčastěji se jednoprvkové filtry vybírají „podle ucha“. Pro zvýraznění vysokých frekvencí na výškovém reproduktoru je s ním v sérii instalován kondenzátor a pro zvýraznění nízkých frekvencí na nízkofrekvenčním reproduktoru (nebo subwooferu) je k němu zapojena tlumivka (induktor). Například při výkonech řádově 20...50 Wattů je optimální použít kondenzátor 5...20 µF pro výškové reproduktory a jako tlumivku pro nízkofrekvenční reproduktor použít cívku navinutou smaltovanou mědí drát, o průměru 0,3...1,0 mm, na cívce z videokazety VHS a obsahující 200...1000 otáček. Jsou uvedeny široké limity, protože výběr je individuální záležitostí.

Filtry ve tvaru L

Horní nebo dolní propust ve tvaru L— dělič napětí sestávající ze dvou prvků s nelineární frekvenční charakteristikou. Pro filtr ve tvaru L platí obvod a všechny vzorce pro dělič napětí.

Frekvenční filtry ve tvaru L na kondenzátoru a rezistoru

R 1 S X C .

Princip fungování takového filtru: kondenzátor, který má nízkou reaktanci při vysokých frekvencích, prochází proud bez překážek a při nízkých frekvencích je jeho reaktance maximální, takže jím neprochází žádný proud.

Z článku „Napěťový dělič“ víme, že hodnoty rezistorů lze popsat pomocí vzorců:

nebo

X C a mezní frekvence.

R 2 na odpor rezistoru R 1 (X C ) odpovídá: R2/R1 = 0,7 / 0,3 = 2,33 . Z toho vyplývá: C = 1,16 / R2 πf , Kde F – mezní frekvence frekvenční charakteristiky filtru.

R 2 dělič napětí na kondenzátor S , mající svou vlastní reaktanci X C .

Princip činnosti takového filtru: kondenzátor, který má nízkou reaktanci při vysokých frekvencích, odvádí vysokofrekvenční proudy do pouzdra a při nízkých frekvencích je jeho reaktance maximální, takže jím neprochází žádný proud.

Z článku „Dělič napětí“ používáme stejné vzorce:

nebo

Vezmeme-li vstupní napětí jako 1 (jednotka) a výstupní napětí jako 0,7 (hodnota odpovídající cutoff), se znalostí reaktance kondenzátoru, která se rovná:

Dosazením hodnot napětí zjistíme X C a mezní frekvence.

R 2 (X C ) na odpor rezistoru R 1 odpovídá: R2/R1 = 0,7 / 0,3 = 2,33 . Z toho vyplývá: C = 1 / (4,66 x R1 πf) , Kde F – mezní frekvence frekvenční charakteristiky filtru.

Frekvenční filtry ve tvaru L na induktoru a rezistoru

Hornopropustný filtr se získá výměnou rezistoru R 2 L X L .

Princip činnosti takového filtru: indukčnost, která má nízkou reaktanci při nízkých frekvencích, je posunuje do pouzdra a při vysokých frekvencích je její reaktance maximální, takže jím neprochází žádný proud.

Dosazením hodnot napětí zjistíme X L a mezní frekvence.

Stejně jako u horní propusti lze výpočty provádět obráceně. Vezmeme-li v úvahu, že amplituda výstupního napětí filtru (jako děliče napětí) na mezní frekvenci frekvenční charakteristiky by se měla rovnat 0,7 vstupního napětí, vyplývá, že poměr odporu rezistoru R 2 (X L ) na odpor rezistoru R 1 odpovídá: R2/R1 = 0,7 / 0,3 = 2,33 . Z toho vyplývá: L = 1,16 R 1 / (πf) .

Nízkopropustný filtr se získá výměnou rezistoru R 1 dělič napětí na induktor L , který má svou vlastní reaktanci X L .

Princip činnosti takového filtru: induktor, který má nízkou reaktanci při nízkých frekvencích, prochází proud bez překážek a při vysokých frekvencích je jeho reaktance maximální, takže jím neprochází žádný proud.

Použijte stejné vzorce z článku „Dělič napětí“ a vezměte vstupní napětí jako 1 (jednotka) a výstupní napětí jako 0,7 (hodnota odpovídající cutoff), přičemž znáte reaktanci induktoru, která se rovná:

Dosazením hodnot napětí zjistíme X L a mezní frekvence.

Výpočty můžete provádět v opačném pořadí. Vezmeme-li v úvahu, že amplituda výstupního napětí filtru (jako děliče napětí) na mezní frekvenci frekvenční charakteristiky by se měla rovnat 0,7 vstupního napětí, vyplývá, že poměr odporu rezistoru R 2 na odpor rezistoru R 1 (X L ) odpovídá: R2/R1 = 0,7 / 0,3 = 2,33 . Z toho vyplývá: L = R2 / (4,66 πf)

Frekvenční filtry ve tvaru L na kondenzátoru a induktoru

Horní propust se získá z obyčejného děliče napětí výměnou nejen rezistoru R 1 ke kondenzátoru S , stejně jako rezistor R 2 na plynu L . Takový filtr má výraznější frekvenční ořez (strmější pokles) frekvenční charakteristiky než výše uvedené filtry založené na R.C. nebo R.L.řetězy.

Jak bylo provedeno dříve, používáme stejné metody výpočtu. Kondenzátor S , má svou vlastní reaktanci X C a plyn L — reaktance X L :

Dosazením hodnot různých veličin - napětí, vstupních nebo výstupních odporů filtrů, můžeme zjistit S A L , mezní frekvence frekvenční odezvy. Výpočty můžete provádět i v opačném pořadí. Vzhledem k tomu, že existují dvě proměnné veličiny - indukčnost a kapacita, nastavuje se hodnota vstupního nebo výstupního odporu filtru nejčastěji jako dělič napětí na mezní frekvenci frekvenční charakteristiky a na základě této hodnoty se zjistí zbývající parametry .

Nízkopropustný filtr se získá výměnou rezistoru R 1 dělič napětí na induktor L a odpor R 2 ke kondenzátoru S .

Jak bylo popsáno dříve, používají se stejné metody výpočtu, a to prostřednictvím vzorců děliče napětí a reaktance filtračních prvků. V tomto případě srovnáme hodnotu rezistoru R 1 na reaktanci škrticí klapky X L , A R 2 na reaktanci kondenzátoru X C .

Horní a dolní propust ve tvaru T

Horní a dolní propust ve tvaru T jsou stejné filtry ve tvaru L, ke kterým je přidán ještě jeden prvek. Počítají se tedy stejným způsobem jako dělič napětí sestávající ze dvou prvků s nelineární frekvenční charakteristikou. A pak se k vypočtené hodnotě přičte hodnota reaktance třetího prvku. Další, méně přesná metoda výpočtu filtru ve tvaru T začíná výpočtem filtru ve tvaru L, po kterém se hodnota „prvního“ vypočteného prvku filtru ve tvaru L zvýší nebo sníží o polovinu – „rozdělí“ mezi dva prvky filtru ve tvaru T. Pokud se jedná o kondenzátor, pak se hodnota kapacity kondenzátorů v T-filtru zdvojnásobí a pokud se jedná o rezistor nebo induktor, pak se hodnota odporu nebo indukčnosti cívek sníží na polovinu. Transformace filtrů je znázorněna na obrázcích. Zvláštností filtrů ve tvaru T je, že ve srovnání s filtry ve tvaru L má jejich výstupní odpor nižší bočníkový účinek na rádiové obvody za filtrem.

Horní a dolní propust ve tvaru U

Filtry ve tvaru U jsou stejné filtry ve tvaru L, ke kterým je před filtr přidán další prvek. Pro filtry ve tvaru T platí vše, co bylo napsáno pro filtry ve tvaru písmene U, rozdíl je pouze v tom, že oproti filtrům ve tvaru L mírně zvyšují bočníkový efekt na rádiové obvody před filtrem.

Stejně jako v případě filtrů ve tvaru T se pro výpočet filtrů ve tvaru U používají vzorce pro děliče napětí s přidáním dodatečného bočníkového odporu prvního filtračního prvku. Další, méně přesná metoda výpočtu filtru ve tvaru písmene U začíná výpočtem filtru ve tvaru L, po kterém se hodnota „posledního“ vypočteného prvku filtru ve tvaru L zvýší nebo sníží o polovinu – „rozdělí“ mezi dva prvky filtru ve tvaru U. Na rozdíl od filtru ve tvaru T, pokud se jedná o kondenzátor, pak je hodnota kapacity kondenzátorů v P-filtru poloviční a pokud se jedná o rezistor nebo induktor, pak hodnota odporu nebo indukčnosti cívky jsou zdvojené.

Vzhledem k tomu, že výroba tlumivek (tlumivek) vyžaduje určité úsilí a někdy i další prostor pro jejich umístění, je výhodnější vyrábět filtry z kondenzátorů a rezistorů, bez použití tlumivek. To platí zejména pro zvukové frekvence. Hornopropustné filtry jsou tedy obvykle vyráběny ve tvaru T a nízkopropustné filtry ve tvaru U. Existují také střední propusti, které jsou zpravidla vyrobeny ve tvaru L (ze dvou kondenzátorů).

Pásmové rezonanční filtry

Pásmové rezonanční frekvenční filtry jsou navrženy tak, aby izolovaly nebo odmítly (odřízly) určité frekvenční pásmo. Rezonanční frekvenční filtry se mohou skládat z jednoho, dvou nebo tří oscilačních obvodů naladěných na určitou frekvenci. Rezonanční filtry mají nejstrmější vzestup (nebo pokles) frekvenční charakteristiky ve srovnání s jinými (nerezonančními) filtry. Pásmové rezonanční frekvenční filtry mohou být jednoprvkové - s jedním obvodem, tvaru L - se dvěma obvody, tvaru T a U - se třemi obvody, víceprvkové - se čtyřmi a více obvody.

Na obrázku je schéma rezonančního filtru pásmové propusti ve tvaru T určeného k izolaci určitého kmitočtu. Skládá se ze tří oscilačních obvodů. C 1 L 1 A C 3 L 3 – sériové oscilační obvody mají na rezonanční frekvenci malý odpor proti protékajícímu proudu a na ostatních frekvencích naopak velký odpor. Paralelní obvod C 2 L 2 na rezonanční frekvenci má naopak vysoký odpor, na ostatních frekvencích nízký. Pro rozšíření šířky pásma takového filtru snižují kvalitativní faktor obvodů, mění konstrukci induktorů, rozlaďují obvody „vpravo, vlevo“ na frekvenci mírně odlišnou od centrálního rezonančního, paralelního s obvodem. C 2 L 2 připojte odpor.

Následující obrázek ukazuje schéma zářezového rezonančního filtru ve tvaru T určeného k potlačení konkrétní frekvence. Ten se stejně jako předchozí filtr skládá ze tří oscilačních obvodů, ale princip volby frekvence pro takový filtr je jiný. C 1 L 1 A C 3 L 3 – paralelní oscilační obvody, na rezonanční frekvenci mají velký odpor proti protékajícímu proudu a na ostatních frekvencích - malý. Paralelní obvod C 2 L 2 na rezonanční frekvenci má naopak nízký odpor, ale na jiných frekvencích má velký odpor. Pokud tedy předchozí filtr vybere rezonanční frekvenci a potlačí zbývající frekvence, pak tento filtr volně propustí všechny frekvence kromě rezonanční frekvence.

Postup výpočtu pásmových rezonančních filtrů vychází ze stejného děliče napětí, kde obvod LC se svým charakteristickým odporem působí jako jeden prvek. Jak se počítá oscilační obvod, určuje se jeho rezonanční frekvence, činitel jakosti a charakteristická (vlnová) impedance najdete v článku

Jurij Sadikov
Moskva

Článek prezentuje výsledky práce na vytvoření zařízení, které je souborem aktivních filtrů pro stavbu kvalitních třípásmových nízkofrekvenčních zesilovačů třídy HiFi a HiEnd.

V procesu předběžných studií celkové frekvenční odezvy třípásmového zesilovače postaveného pomocí tří aktivních filtrů druhého řádu se ukázalo, že tato charakteristika má velmi vysokou nerovnoměrnost na libovolných frekvencích přechodu filtru. Zároveň je velmi důležité pro přesnost nastavení filtru. I při malém nesouladu může být nerovnoměrnost celkové frekvenční charakteristiky 10...15 dB!

MASTER KIT vyrábí sadu NM2116, ze které lze sestavit sadu filtrů, postavenou na bázi dvou filtrů a odčítací sčítačky, která nemá výše uvedené nevýhody. Vyvinuté zařízení je necitlivé na parametry mezních frekvencí jednotlivých filtrů a zároveň poskytuje vysoce lineární celkovou frekvenční charakteristiku.

Hlavními prvky moderních vysoce kvalitních zařízení pro reprodukci zvuku jsou akustické systémy (AS).

Nejjednodušší a nejlevnější jsou jednopásmové reproduktory, které obsahují jeden reproduktor. Takové akustické systémy nejsou schopny pracovat ve vysoké kvalitě v širokém frekvenčním rozsahu kvůli použití jediného reproduktoru (hlava reproduktoru - GG). Při reprodukci různých frekvencí jsou na GG kladeny různé požadavky. Při nízkých frekvencích (LF) musí mít reproduktor velký a tuhý kužel, nízkou rezonanční frekvenci a musí mít dlouhý zdvih (pro pumpování velkého objemu vzduchu). A při vysokých frekvencích (KV) naopak potřebujete malý, lehký, ale pevný difuzor s malým zdvihem. Kombinovat všechny tyto vlastnosti v jednom reproduktoru je téměř nemožné (i přes četné pokusy), takže jeden reproduktor má vysokou frekvenční nerovnoměrnost. U širokopásmových reproduktorů navíc dochází k intermodulačnímu efektu, který se projevuje modulací vysokofrekvenčních složek zvukového signálu nízkofrekvenčními. Výsledkem je rušení zvukového obrazu. Tradičním řešením tohoto problému je rozdělení reprodukovaného frekvenčního rozsahu do podrozsahů a vybudování akustických systémů založených na několika reproduktorech pro každý vybraný frekvenční podrozsah.

Pasivní a aktivní elektrické izolační filtry

Pro snížení úrovně intermodulačního zkreslení jsou před reproduktory instalovány elektrické izolační filtry. Tyto filtry také plní funkci distribuce energie audio signálu mezi GG. Jsou navrženy pro specifickou dělicí frekvenci, při jejímž překročení poskytuje filtr zvolenou míru útlumu, vyjádřenou v decibelech na oktávu. Sklon útlumu separačního filtru závisí na provedení jeho konstrukce. Filtr prvního řádu poskytuje útlum 6 dB/okt, druhý řád - 12 dB/okt a třetí řád - 18 dB/okt. Nejčastěji se v reproduktorech používají filtry druhého řádu. Filtry vyšších řádů se v reproduktorech používají zřídka kvůli složité implementaci přesných hodnot prvků a nedostatku potřeby mít vyšší strmosti útlumu.

Separační frekvence filtru závisí na parametrech použitého GG a na vlastnostech sluchu. Nejlepší volbou dělicí frekvence je ta, při které každý reproduktor GG pracuje v oblasti působení pístu difuzoru. V tomto případě však musí mít reproduktor mnoho dělicích frekvencí (respektive GG), což výrazně zvyšuje jeho náklady. Je technicky odůvodněné, že pro kvalitní reprodukci zvuku stačí použít třípásmovou frekvenční separaci. V praxi však existují 4, 5 a dokonce i 6-pásmové reproduktorové systémy. První (nízká) dělicí frekvence se volí v rozsahu 200...400 Hz a druhá (střední) dělicí frekvence v rozsahu 2500...4000 Hz.

Tradičně se filtry vyrábí pomocí pasivních prvků L, C, R a instalují se přímo na výstup koncového výkonového zesilovače (PA) v pouzdře reproduktoru podle obr. 1. Obr.

Obr. 1. Tradiční výkon reproduktorů.

Tento design má však řadu nevýhod. Za prvé, abyste zajistili požadované mezní frekvence, musíte pracovat s poměrně velkými indukčnostmi, protože musí být splněny dvě podmínky současně - poskytnout požadovanou mezní frekvenci a zajistit, aby filtr odpovídal GG (jinými slovy, je není možné snížit indukčnost zvýšením kapacity obsažené ve filtru). Induktory je vhodné navíjet na rámy bez použití feromagnetik z důvodu značné nelinearity jejich magnetizační křivky. V souladu s tím jsou vzduchové induktory poměrně objemné. Navíc je zde chyba vinutí, která neumožňuje přesně vypočítanou mezní frekvenci.

Drát používaný k navíjení cívek má konečný ohmický odpor, což následně vede ke snížení účinnosti systému jako celku a přeměně části užitečného výkonu PA na teplo. To je patrné zejména u zesilovačů do automobilů, kde je napájecí napětí omezeno na 12 V. Proto se pro stavbu autorádií často používají GG se sníženým odporem vinutí (~2...4 Ohmy). V takovém systému může zavedení dodatečného odporu filtru v řádu 0,5 Ohm vést ke snížení výstupního výkonu o 30%...40%.

Při návrhu kvalitního koncového zesilovače se snaží minimalizovat jeho výstupní impedanci, aby se zvýšila míra tlumení GG. Použití pasivních filtrů výrazně snižuje stupeň tlumení GG, protože další reaktance filtru je zapojena do série s výstupem zesilovače. Pro posluchače se to projevuje ve vzhledu „dunících“ basů.

Efektivním řešením je použití nikoli pasivních, ale aktivních elektronických filtrů, které nemají všechny vyjmenované nevýhody. Na rozdíl od pasivních filtrů jsou aktivní filtry instalovány před PA, jak je znázorněno na obr. 2.

Obr.2. Konstrukce cesty reprodukující zvuk pomocí aktivních filtrů.

Aktivní filtry jsou RC filtry na operačních zesilovačích (operačních zesilovačích). Je snadné vytvořit aktivní zvukové filtry libovolného pořadí a s jakoukoli mezní frekvencí. Takové filtry se vypočítávají pomocí tabulkových koeficientů s předem zvoleným typem filtru, požadovaným pořadím a mezní frekvencí.

Použití moderních elektronických součástek umožňuje vyrábět filtry s minimální úrovní vnitřního šumu, nízkou spotřebou energie, rozměry a snadností provedení/replikace. V důsledku toho použití aktivních filtrů vede ke zvýšení stupně tlumení GG, snižuje výkonové ztráty, snižuje zkreslení a zvyšuje efektivitu cesty reprodukce zvuku jako celku.

Nevýhody této architektury zahrnují nutnost použití několika výkonových zesilovačů a několika párů vodičů pro připojení reproduktorových systémů. To však v tuto chvíli není kritické. Úroveň moderních technologií výrazně snížila cenu a velikost mysli. Navíc se objevilo poměrně dost výkonných integrovaných zesilovačů s vynikajícími vlastnostmi i pro profesionální použití. Dnes existuje řada integrovaných obvodů s několika PA v jednom pouzdře (Panasonic vyrábí RCN311W64A-P IC se 6 výkonovými zesilovači speciálně pro stavbu třípásmových stereo systémů). Kromě toho lze PA umístit dovnitř reproduktorů a pro připojení reproduktorů použít krátké vodiče velkého průřezu a vstupní signál lze přivádět přes tenký stíněný kabel. I když však není možné PA instalovat dovnitř reproduktorů, nepředstavuje použití vícežilových propojovacích kabelů složitý problém.

Modelování a výběr optimální struktury aktivních filtrů

Při konstrukci bloku aktivních filtrů bylo rozhodnuto použít strukturu skládající se z horní propusti (HPF), středofrekvenčního filtru (pásmová propust, PSF) a dolní propusti (LPF).

Toto obvodové řešení bylo prakticky implementováno. Byl postaven blok aktivních filtrů LF, HF a PF. Jako model třípásmového reproduktoru byl zvolen tříkanálový sčítač, zajišťující sumaci frekvenčních složek podle obr. 3. Obr.

Obr.3. Model tříkanálového reproduktoru se sadou aktivních filtrů a filtračním filtrem na PF.

Při měření frekvenční odezvy takového systému s optimálně zvolenými mezními frekvencemi se očekávalo získání lineární závislosti. Výsledky byly ale daleko od očekávání. V styčných bodech charakteristik filtru byly pozorovány poklesy/překmity v závislosti na poměru mezních frekvencí sousedních filtrů. Výsledkem bylo, že výběrem hodnot mezní frekvence nebylo možné přivést průchozí frekvenční odezvu systému do lineární podoby. Nelinearita průchozí charakteristiky indikuje přítomnost frekvenčních zkreslení v reprodukovaném hudebním uspořádání. Výsledky experimentu jsou uvedeny na obr. 4, obr. 5 a obr. 6. Obr. 4 znázorňuje párování dolní propusti a horní propusti na standardní úrovni 0,707. Jak je patrné z obrázku, v místě přechodu má výsledná frekvenční charakteristika (zobrazená červeně) výrazný pokles. Při rozšiřování charakteristik se zvětšuje hloubka a šířka mezery, resp. Obr. 5 znázorňuje párování dolní propusti a horní propusti na úrovni 0,93 (posun frekvenčních charakteristik filtrů). Tato závislost ilustruje minimální dosažitelnou nerovnoměrnost propustné frekvenční odezvy volbou mezních frekvencí filtrů. Jak je vidět z obrázku, závislost zjevně není lineární. V tomto případě lze mezní frekvence filtrů považovat za optimální pro daný systém. S dalším posunem frekvenčních charakteristik filtrů (shodující se na úrovni 0,97) se objeví překmit v průchozí frekvenční odezvě v místě přechodu charakteristiky filtru. Podobná situace je na obr. 6.

Obr.4. Frekvenční odezva dolní propusti (černá), frekvenční odezva horní propusti (černá) a frekvenční odezva propusti (červená), shoda na úrovni 0,707.

Obr.5. Frekvenční odezva dolní propusti (černá), frekvenční odezva horní propusti (černá) a frekvenční odezva propusti (červená), přizpůsobení na úrovni 0,93.

Obr.6. Frekvenční odezva dolní propusti (černá), frekvenční odezva horní propusti (černá) a frekvenční odezva propusti (červená), přizpůsobení na úrovni 0,97 a výskyt překmitu.

Hlavním důvodem nelinearity propustné frekvenční odezvy je přítomnost fázových zkreslení na hranicích mezních frekvencí filtru.

Podobný problém lze vyřešit konstrukcí středofrekvenčního filtru nikoli ve formě pásmové propusti, ale pomocí subtraktivní sčítačky na operačním zesilovači. Charakteristiky takového PSF jsou tvořeny podle vzorce: Usch = Uin - Uns - Uss

Struktura takového systému je na obr. 7. Obr.

Obr.7. Model tříkanálového reproduktoru se sadou aktivních filtrů a PSF na subtraktivní sčítačce.

S touto metodou vytváření středofrekvenčního kanálu není potřeba dolaďovat sousední mezní frekvence filtru, protože Středofrekvenční signál je tvořen odečtením signálů horní a dolní propusti od celkového signálu. Kromě poskytování komplementárních frekvenčních odezev produkují filtry také komplementární fázové odezvy, což zaručuje absenci emisí a poklesů celkové frekvenční odezvy celého systému.

Frekvenční charakteristika středofrekvenční sekce s mezními frekvencemi Fav1 = 300 Hz a Fav2 = 3000 Hz je na Obr. 8. Podle poklesu frekvenční odezvy je zajištěn útlum maximálně 6 dB/okt, což, jak ukazuje praxe, zcela postačuje pro praktickou implementaci PSF a získání kvalitního zvuku středopásmového GG. .

Obr.8. Frekvenční odezva středopropustného filtru.

Koeficient propustnosti takového systému s dolní propustí, horní propustí a horní propustí na odečítací sčítačce se ukazuje jako lineární v celém frekvenčním rozsahu 20 Hz...20 kHz. , podle Obr. 9. Amplitudová a fázové zkreslení zcela chybí, což zajišťuje krystalovou čistotu reprodukovaného zvukového signálu.

Obr.9. Kmitočtová charakteristika filtračního systému s frekvenčním filtrem na subtraktivní sčítačce.

Mezi nevýhody takového řešení patří přísné požadavky na přesnost hodnot rezistorů R1, R2, R3 (podle obr. 10, který znázorňuje elektrický obvod odečítací sčítačky), které zajišťují vyvážení sčítačky. Tyto rezistory by měly být použity v tolerancích přesnosti 1 %. Pokud se však vyskytnou problémy s pořízením takových rezistorů, budete muset sčítačku vyvážit pomocí trimovacích rezistorů namísto R1, R2.

Vyvážení sčítačky se provádí pomocí následující metody. Nejprve musí být na vstup filtračního systému aplikována nízkofrekvenční oscilace s frekvencí mnohem nižší, než je mezní frekvence dolní propusti, například 100 Hz. Změnou hodnoty R1 je nutné nastavit minimální úroveň signálu na výstupu sčítačky. Poté se na vstup filtračního systému přivede oscilace s frekvencí zjevně vyšší, než je mezní frekvence horní propusti, například 15 kHz. Změnou hodnoty R2 se opět nastaví minimální úroveň signálu na výstupu sčítačky. Nastavení je dokončeno.

Obr. 10 Subtraktivní sčítací obvod.

Metodika výpočtu aktivních dolních propustí a horních propustí

Jak teorie ukazuje, pro filtrování frekvencí zvukového rozsahu je nutné použít Butterworthovy filtry maximálně druhého nebo třetího řádu, zajišťující minimální nerovnoměrnost v propustném pásmu.

Obvod dolní propusti druhého řádu je znázorněn na Obr. 11. Jeho výpočet se provádí podle vzorce:

kde a1=1,4142 a b1=1,0 jsou tabulkové koeficienty a C1 a C2 jsou vybrány z poměru C2/C1 většího než 4xb1/a12 a neměli byste volit poměr C2/C1 o mnoho větší, než je pravá strana nerovnosti.

Obr. 11 Obvod dolní propusti Butterworth 2. řádu.

Obvod horní propusti druhého řádu je znázorněn na Obr. 12. Jeho výpočet se provádí pomocí vzorců:

kde C=C1=C2 (nastaveno před výpočtem) a a1=1,4142 a b1=1,0 jsou stejné tabulkové koeficienty.

Obr. 12 Obvod horní propusti Butterworth 2. řádu.

Specialisté MASTER KIT vyvinuli a studovali vlastnosti takové filtrační jednotky, která má maximální funkčnost a minimální rozměry, což je nezbytné při používání zařízení v každodenním životě. Použití moderní základny prvků umožnilo zajistit maximální kvalitu vývoje.

Technické vlastnosti filtrační jednotky

Schéma elektrického zapojení aktivního filtru je na obr. 13. Seznam filtračních prvků je uveden v tabulce.

Filtr je vyroben pomocí čtyř operačních zesilovačů. Operační zesilovače jsou sloučeny v jednom MC3403 (DA2) IC pouzdru. DA1 (LM78L09) obsahuje stabilizátor napájecího napětí s odpovídajícími filtračními kondenzátory: C1, C3 na vstupu a C4 na výstupu. Na odporovém děliči R2, R3 a kondenzátoru C5 je vytvořen umělý střed.

Operační zesilovač DA2.1 má vyrovnávací kaskádu pro párování výstupní a vstupní impedance zdroje signálu a dolní propusti, horní propusti a středorozsahové filtry. Dolní propust je namontována na operačním zesilovači DA2.2 a horní propust je namontována na operačním zesilovači DA2.3. Operační zesilovač DA2.4 plní funkci tvarovače pásmové propusti středotónového filtru.

Napájecí napětí je přiváděno na kontakty X3 a X4 a vstupní signál je přiváděn na kontakty X1, X2. Filtrovaný výstupní signál pro nízkofrekvenční cestu je odstraněn z kontaktů X5, X9; s cestami X6, X8 – HF a X7, X10 – MF.

Obr. 13. Schéma elektrického zapojení aktivního třípásmového filtru

Seznam prvků aktivního třípásmového filtru

Vzhled filtru je na obr. 14, deska s plošnými spoji na obr. 15, umístění prvků na obr. 16. Obr.

Konstrukčně je filtr vyroben na desce plošných spojů z fóliového sklolaminátu. Konstrukce umožňuje instalaci desky do standardního pouzdra BOX-Z24A, po okrajích desky jsou opatřeny montážní otvory o průměru 4 a 8 mm. Deska je v pouzdře zajištěna dvěma samořeznými šrouby.

Obr. 14. Vnější pohled na aktivní filtr.

Obr. 15. Deska plošných spojů s aktivním filtrem.

Obr. 16. Uspořádání prvků na desce plošných spojů aktivního filtru.

Dobrý den, milí čtenáři! Dnes si povíme něco o sestavení jednoduchého low-pass filtru. Ale i přes svou jednoduchost není kvalita filtru horší než analogy zakoupené v obchodě. Pojďme tedy začít!

Hlavní vlastnosti filtru

• Mezní frekvence 300 Hz, vyšší frekvence jsou oříznuty;
• Napájecí napětí 9-30 Voltů;
• Filtr odebírá 7 mA.

Systém

• DD1 - BA4558;
• VD1 - D814B;
• Cl, C2 - 10 uF;
• C3 - 0,033 uF;
• C4 - 220 nf;
• C5 - 100 nf;
• C6 - 100 uF;
• C7 - 10 uF;
• C8 - 100 nf;
• R1, R2 - 15 kOhm;
• R3, R4 - 100 kOhm;
• R5 - 47 kOhm;
• R6, R7 - 10 kOhm;
• R8 - 1 kOhm;
• R9 - 100 kOhm - variabilní;
• R10 - 100 kOhm;
• R11 - 2 kOhm.

Vytvoření nízkoprůchodového filtru

(Staženo: 420)

• Tutorial

Stručný úvod

Přehled tématu

Nejběžnější příklady aktivních filtrů jsou uvedeny v sekci „Integrátory a diferenciátory“. Ale v tomto článku se těchto obvodů nedotkneme, protože nejsou příliš účinné.

Výběr filtru

Nějaké další informace

Řekněme, že tohle všechno byste mohli najít a přečíst v literatuře. Přejděme konkrétně k návrhu filtru.

Výpočet

Úkol č. 2. Zkonstruujte horní propust čtvrtého řádu s mezní frekvencí 800 Hz pomocí Besselovy charakteristiky.
Pojďme se rozhodnout. Protože se jedná o filtr čtvrtého řádu, budou v obvodu dva operační zesilovače. Vše zde není vůbec těžké. Jednoduše kaskádujeme 2 obvody horní propusti.
Samotný filtr vypadá takto:


Filtr čtvrtého řádu vypadá takto:


Nyní výpočet. Jak vidíte, pro filtr čtvrtého řádu máme až 2 hodnoty NA. Je logické, že první je určena pro první kaskádu, druhá - pro druhou. Hodnoty NA jsou rovny 1,432 a 1,606, v tomto pořadí. Tabulka byla pro dolnopropustné filtry (!). Chcete-li vypočítat horní propust, musíte něco změnit. Kurzy NA v každém případě zůstávají stejné. Pro Besselovu a Čebyševovu charakteristiku se parametr mění
- normalizační frekvence. Nyní se bude rovnat:

Pro Chebyshev a Besselův filtr, jak pro nízké frekvence, tak pro vysoké frekvence, platí stejný vzorec:

Vezměte prosím na vědomí, že pro každou jednotlivou kaskádu budete muset počítat samostatně.
Pro první kaskádu:

Nechat S= 0,01 uF, pak R= 28,5 kOhm. Zpětnovazební rezistory: nižší, jako obvykle, 10 kOhm; horní - 840 ohmů.
Pro druhou kaskádu:

Ponechme kapacitu kondenzátoru beze změny. Jednou C = 0,01 uF, pak R= 32 kOhm.
Budujeme frekvenční odezvu.

Chcete-li vytvořit pásmové nebo vrubové filtry, můžete kaskádovat filtr dolní propusti a filtr horní propusti. Tyto typy se však často nepoužívají kvůli špatným vlastnostem.
Pro pásmové a vrubové filtry můžete také použít „tabulkovou metodu“, ale charakteristiky se mírně liší.
Jen vám dám znamení a trochu to vysvětlím. Aby to nebylo příliš natahováno, hodnoty se okamžitě berou pro pásmový filtr čtvrtého řádu.

a1 A b1- vypočtené koeficienty. Q- kvalitativní faktor. Toto je nová možnost. Čím vyšší je hodnota kvalitativního faktoru, tím „ostřejší“ bude pokles. Δf- rozsah přenášených frekvencí a vzorkování je na úrovni -3 dB. Součinitel α - další vypočítaný koeficient. Lze jej nalézt pomocí vzorců, které lze poměrně snadno najít na internetu.
Dobře, to stačí. Nyní pracovní úkol.
Úkol #3. Sestrojte pásmový filtr čtvrtého řádu pomocí Butterwardovy charakteristiky se střední frekvencí 10 kHz, šířkou pásma přenášených frekvencí 1 kHz a ziskem v bodě střední frekvence rovným 1.
Jít. Filtr čtvrtého řádu. To znamená dva operační zesilovače. Poskytnu typické schéma s výpočtovými prvky.


Pro první filtr je střední frekvence definována jako:

Pro druhý filtr:

Konkrétně v našem případě opět z tabulky určíme, že faktor kvality Q= 10. Vypočítejte faktor kvality pro filtr. Navíc stojí za zmínku, že kvalitativní faktor obou bude stejný.

Korekce zisku pro oblast střední frekvence:

Poslední fází je výpočet komponent.
Kondenzátor nechť je 10 nF. Pak pro první filtr:



Ve stejném pořadí jako (1) najdeme R22 = R5= 43,5 kOhm, R12 = R4= 15,4 kOhm, R32 = R6= 54,2 Ohm. Jen mějte na paměti, že pro druhý filtr, který používáme
A konečně frekvenční odezva.

Další zastávkou jsou pásmové zádržné filtry nebo vrubové filtry.
Existuje zde několik variant. Asi nejjednodušší je Wien-Robinsonův filtr. Typickým obvodem je také filtr 4. řádu.


Náš poslední úkol.
Úkol #4. Sestrojte zářezový filtr s centrální frekvencí 90 Hz, faktorem kvality Q= 2 a zisk v propustném pásmu rovný 1.
Nejprve náhodně vybereme kapacitu kondenzátoru. Řekněme C = 100 nF.
Pojďme určit hodnotu R6 = R7 = R:

Je logické, že „hraním“ s těmito odpory můžeme změnit frekvenční rozsah našeho filtru.
Dále musíme určit mezilehlé koeficienty. Najdeme je prostřednictvím faktoru kvality.


Rezistor zvolíme libovolně R2. V tomto konkrétním případě je nejlepší, aby to bylo 30 kOhm.
Nyní můžeme najít rezistory, které budou regulovat zisk v propustném pásmu.


A nakonec je třeba náhodně vybrat R5 = 2R1. V mém obvodu mají tyto odpory hodnotu 40 kOhm a 20 kOhm.
Ve skutečnosti frekvenční odezva:

Téměř konec

Psychoakustika (věda studující zvuk a jeho vliv na člověka) prokázala, že lidské ucho je schopno vnímat zvukové vibrace v rozsahu od 16 do 20 000 Hz. Navzdory skutečnosti, že rozsah je 16-20 Hz (nízké frekvence), není již vnímán samotným uchem, ale orgány dotyku.

Mnoho milovníků hudby se potýká s tím, že většina dodávaných reproduktorových soustav plně neuspokojuje jejich potřeby. Vždy existují drobné nedostatky, nepříjemné nuance atd., Které vás povzbuzují k sestavování reproduktorů a zesilovačů vlastníma rukama.

Pro sestavení subwooferu mohou být i jiné důvody (profesionální zájem, koníček atd.).

Subwoofer (z anglického „subwoofer“) je nízkofrekvenční reproduktor, který dokáže reprodukovat zvukové vibrace v rozsahu 5-200 Hz (v závislosti na typu konstrukce a modelu). Může být pasivní (využívá výstupní signál ze samostatného zesilovače) nebo aktivní (vybavený vestavěným zesilovačem signálu).

Nízké frekvence (basy) lze rozdělit do tří hlavních podtypů:

• Upper (anglicky: UpperBass) – od 80 do 150-200 Hz.
• Průměr (eng. MidBass / midbass) - od 40 do 80 Hz.
• Deep nebo sub-bass (eng. SubBass) – vše pod 40 Hz.

Frekvenční filtry se používají pro aktivní i pasivní subwoofery.

Výhody aktivních basových reproduktorů jsou následující:

• Aktivní zesilovač subwooferu navíc nezatěžuje reproduktorový systém (jelikož je napájen samostatně).
• Vstupní signál lze filtrovat (cizí hluk z reprodukce vysokých frekvencí je vyloučen, provoz zařízení se soustředí pouze na rozsah, ve kterém reproduktor poskytuje nejlepší kvalitu přenosu vibrací).
• Zesilovač se správným přístupem k designu lze flexibilně konfigurovat.
• Počáteční frekvenční spektrum lze rozdělit do několika kanálů, se kterými lze pracovat samostatně - nízké frekvence (do subwooferu), střední, vysoké a někdy i ultravysoké frekvence.

Typy filtrů pro nízké frekvence (LF)

Realizací

• Analogové obvody.
• Digitální zařízení.
• Softwarové filtry.

Typ

• Aktivní filtr pro subwoofer(tzv. crossover, povinný atribut každého aktivního filtru - doplňkového zdroje energie)
• Pasivní filtr (takový filtr pro pasivní subwoofer pouze odfiltruje potřebné nízké frekvence v daném rozsahu bez zesílení signálu).

Podle strmosti poklesu

• První řád (6 dB/oktávu)
• Druhý řád (12 dB/oktávu)
• Třetí řád (18 dB/oktávu)
• Čtvrtý řád (24 dB/oktávu)

Hlavní vlastnosti filtrů:

• Šířka pásma (rozsah prošlých frekvencí).
• Stopband (rozsah výrazného potlačení signálu).
• Mezní frekvence (přechod mezi propustným a stopovým pásmem probíhá nelineárně. Frekvence, při které je přenášený signál zeslaben o 3 dB, se nazývá mezní frekvence).

Další parametry pro vyhodnocení filtrů akustického signálu:

• Strmost poklesu AHF (amplitudově-frekvenční charakteristika signálu).
• Nerovnoměrnost v propustném pásmu.
• Rezonanční frekvence.
• Dobrá kvalita.

Lineární filtry elektronických signálů se od sebe liší typem křivek frekvenční odezvy (závislost indikátorů).

Odrůdy takových filtrů jsou nejčastěji pojmenovány podle jmen vědců, kteří identifikovali tyto vzory:

• Butterworthův filtr (hladká frekvenční odezva v propustném pásmu),
• Besselův filtr (vyznačující se hladkým skupinovým zpožděním),
• Čebyševův filtr (strmý pokles frekvenční odezvy),
• eliptický filtr (vlnění frekvenční odezvy v propustných a potlačovacích pásmech),

A další.

Nejjednodušší low-pass filtr pro subwoofer druhý řád vypadá takto: indukčnost (cívka) zapojená do série s reproduktorem a kapacita (kondenzátor) paralelně. Jedná se o tzv. LC filtr (L je označení pro indukčnost na elektrických obvodech a C je pro kapacitu).

Princip fungování je následující:

1. Indukční odpor je přímo úměrný frekvenci a proto cívka propouští nízké frekvence a blokuje vysoké frekvence (čím vyšší frekvence, tím vyšší indukční odpor).
2. Kapacitní odpor je nepřímo úměrný frekvenci signálu a proto jsou vysokofrekvenční oscilace na vstupu reproduktoru utlumeny.

Tento typ filtru je pasivní. Náročnější na implementaci jsou aktivní filtry.

Jak vyrobit jednoduchý filtr pro subwoofer vlastníma rukama

Jak již bylo zmíněno výše, designově nejjednodušší jsou pasivní filtry. Obsahují pouze několik prvků (počet závisí na požadovaném pořadí filtrů).

Svůj vlastní dolní propust si můžete sestavit pomocí hotových obvodů na internetu nebo pomocí jednotlivých parametrů po podrobných výpočtech požadovaných charakteristik (pro pohodlí můžete najít speciální kalkulačky pro filtry různých řádů, pomocí kterých můžete rychle vypočítat parametry jednotlivých prvků - cívky, kondenzátory atd.).

Pro aktivní filtry (crossovery) můžete použít specializovaný software, například „Crossover Elements Calculator“.

V některých případech může být při návrhu obvodu zapotřebí filtrační sčítačka.

Zde je třeba oba zvukové kanály (stereo), např. po výstupu ze zesilovače atd., nejprve filtrovat (zanechávat pouze nízké frekvence) a poté je spojit do jednoho pomocí sčítačky (protože nejčastěji je instalován pouze jeden subwoofer) . Nebo naopak, nejprve sečtěte a poté odfiltrujte nízké frekvence.

Jako příklad si uveďme nejjednodušší pasivní dolní propust druhého řádu.

Pokud je impedance reproduktoru 4 Ohmy, očekávaná mezní frekvence je 150 Hz, pak bude potřeba filtrování podle Butterwortha.