Предварительные усилители и фильтры




Скачать 45,02 Kb.
НазваниеПредварительные усилители и фильтры
страница1/10
Дата03.02.2016
Размер45,02 Kb.
ТипДокументы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Предварительные усилители и фильтры

http://integral.rv.ua/st5.html



Предварительные усилители и встроенные кроссоверы практически во всех современных моделях автомобильной аудиоаппаратуры выполнены на микросхемах. Использовать в их конструкции дискретные транзисторы сложнее и дороже, а прибавка в качестве звучания не стоит этого. Как правило, в усилителях применяют фильтры на повторителях (фильтры Саллена—Ки). Остальные узлы обычно выполняют по типовым схемам "иэ учебника", хотя встречаются и оригинальные. Эти решения защищены не только патентами. В них используют заказные микросхемы, маркировка типовых элементов уничтожается, принципиальные схемы отсутствуют. Поэтому даже тщательное изучение монтажа не всегда помогает понять принцип работы тех или иных каскадов.

Как уже упоминалось, обязательный набор фильтров для простого усилителя — ФВЧ и ФНЧ. В самых простых устройствах, предназначенных для работы в режиме "2+1", ФВЧ может отсутствовать. Чаще всего применяют фильтры Баттервор-та второго порядка. Причем, наряду с дискретным изменением частоты среза, в последнее время все шире используется плавная перестройка. В усилителях высокого класса, помимо фильтров более высокого порядка, применяют также дополнительные корректирующие звенья, расширены и возможности коммутации.

Так, в двухканальном усилителе "Lanzar 5.200" предусмотрена развитая система регулировок. Кроме регулировки чувствительности глубиной более 32 дБ, есть и плавная подстройка фазы сигнала (подробно об этом — в следующей части статьи). Имеются также пара линейных выходов для наращивания системы и два независимых кроссовера четвертого порядка (24 дБ на октаву, ФВЧ — 40...230 Гц, ФНЧ — 65...240 Гц). Это позволяет применить дополнительный усилитель без кроссовера. Сигнал на линейном выходе можно получить как с плоской АЧХ, так и после прохождения фильтров. Причем если в основном тракте включен ФВЧ, то на линейный выход сигнал идет через ФНЧ (и наоборот). За счет независимой регулировки частот среза можно исправить некоторые дефекты АЧХ в области стыка полос, не прибегая к эквалайзеру.

Для точной коррекции АЧХ в диапазоне "наиболее вероятных проблем" предусмотрено одно звено параметрического эквалайзера с регулируемой добротностью, центральная частота которого перестраивается в диапазоне 28...320 Гц. В зависимости от выбранного распределения частот между усилительными каналами корректор можно использовать как бас-бустер (в области частот 35...50 Гц) для подавления резонанса салона (120... 160 Гц) или для компенсации провала АЧХ на частотах 250...350 Гц.

В усилителе "INFINITY Kappa 102a" частота среза встроенного кроссовера плавно перестраивается в пределах декады (32...320 Гц). Для сигнала, поступающего далее на усилитель, и для сигнала, поступающего на линейный выход, можно независимо установить режимы ФНЧ, ФВЧ и полной полосы. Фактически это два кроссовера в одном усилителе, однако регулировка частоты среза у них синхронная. Анализ схемы показал, что ФВЧ первого порядка реализован как фильтр дополнительной функции. Такое построение при создании многополосных усилительных систем обеспечивает автоматическое сопряжение частот раздела, но не позволяет корректировать АЧХ за счет их взаимного смещения. Впрочем, эквалайзер в системах такого уровня — компонент почти обязательный.

При использовании усилителя с сабвуфером вместо эквалайзера можно воспользоваться фирменной разработкой — динамическим оптимизатором баса. По принципу действия он имеет сходство с параметрическим эквалайзером и содержит звено ФВЧ, частота среза и добротность которого регулируются. Изменение добротности фильтра позволяет, как известно, регулировать вид частотной характеристики на частоте среза — увеличение добротности приводит к появлению характерного пика. Однако в отличие от обычного эквалайзера, величина коррекции для динамического оптимизатора не постоянна, а зависит от уровня сигнала. При больших сигналах подъем низких частот ограничивается, что исключает перегрузку усилителя и сабвуфера. Диапазон перестройки частоты среза — 20...80 Гц. Величина коррекции превышает +6 дБ, причем с увеличением степени коррекции растет и подавление внепо-лосных сигналов (рис. 11).



Рис. 11


Для перестройки частоты среза фильтров в широком диапазоне необходимо использовать многосекционные переменные резисторы с хорошим согласованием характеристик. Так, для двухка-нального фильтра второго порядка требуются четырехсекционные резисторы. Кроме того, сопротивления секций в ряде случаев должны отличаться (например, для ФВЧ Баттерворта — в два раза). Поскольку изменение частоты среза обычно требуется только один раз при настройке системы, во многих конструкциях используют резисторные матрицы. В случае фильтров высокого порядка это не только удешевляет конструкцию, но и повышает ее надежность и точность настройки. Набор резисторов для нужной частоты среза можно приобрести вместе с усилителем либо смонтировать их самостоятельно. В последнее время в автомобильных усилителях все чаще применяют двухзвенные фильтры переменной крутизны, состоящие из звена второго порядка с фиксированной граничной частотой среза и плавно перестраиваемого звена первого порядка. Благодаря такой структуре обеспечиваются прекрасные фазовые характеристики в полосе пропускания (соответствуют фильтрам первого порядка) и хорошее подавление внеполосных сигналов (как у фильтров второго—третьего порядка). Изменение крутизны фильтра в полосе пропуекания можно оценивать с разных позиций, но более гладкая фазовая характеристика, по сравнению с традиционными вариантами, делает фильтры переменной крутизны особенно привлекательными в том случае, когда частота раздела полос НЧ и СЧ—ВЧ лежит в области 400...900 Гц. В этом диапазоне локализация звуковых образов основана на разности фаз сигналов, поэтому для сохранения четкой звуковой картины фазовые искажения желательно минимизировать. Пример схемной реализации таких фильтров — предварительный усилитель и кроссовер рассмотренного выше усилителя "Hifonics Mercury".

На рис. 12 приведена упрощенная схема одного канала. Нумерация элементов условная, цепи питания не показаны.



Рис. 12


На входе установлены сдвоенный регулятор уровня R2.1 и буферный усилитель с коэффициентом усиления 6 дБ, выполненный на ОУ DA1.1 в неинвертирующем включении. Другой ОУ этой микросхемы используется во втором канале усилителя. Далее сигнал поступает на фильтры. Переключатель SA1.1 позволяет подать на усилитель мощности звуковой частоты сигнал с выхода одного из фильтров либо непосредственно с выхода предусилителя.

Фильтр ВЧ переменной крутизны состоит из перестраиваемого звена первого порядка R8.1R9C2 и звена второго порядка с фиксированной частотой среза 80 Гц. Звено выполнено на ОУ DA2.2, включенном повторителем. Частота среза фильтра при перестройке повышается до 1 кГц. Аналогичную структуру имеет и ФНЧ, частота среза которого перестраивается в диапазоне от 20 до 80 Гц. Для получения необходимой добротности фильтра коэффициент усиления ОУ DA2.1 с помощью делителя R16R17 установлен равным 6 дБ. Кроссовер данного усилителя предназначен для работы с сабвуфером или малогабаритными мид-басовыми динамическими головками. Это обуславливает выбор диапазона перестройки фильтров. АЧХ фильтров в крайних положениях регуляторов приведены на рис. 14. Если частоту среза ФВЧ выбрать в пределах 150...250 Гц, за счет спада АЧХ можно в некоторой степени скомпенсировать акустический резонанс салона.

Для коррекции АЧХ сабвуфера предусмотрен бас-бустер. На ОУ DA3.1 выполнен повторитель, а на ОУ DA3.2 — эквивалент последовательного колебательного контура с частотой настройки 45 Гц. Переменный резистор R20.1 регулирует степень включения контура в цепь ООС DA3.1, влияя на коэффициент усиления каскада на частоте настройки. Глубина регулировки изменяема от 0 до +12 дБ.

Рассмотренная схема в различных вариантах характерна для двух- и четы-рехканальных усилителей начального уровня. Но такие усилители могут работать с сабвуфером только в закрытом акустическом оформлении. Для таких вариантов, как фазоинвертор, пассивный излучатель и полосовой громкоговоритель высокого порядка, смещение диффузора головки ниже частоты настройки порта ограничивается только жесткостью подвижной системы. Чтобы ограничить амплитуду колебаний, необходимо исключить из сигнала составляющие с частотами ниже 25...30 Гц. Традиционные RC-цепочки для этой цели непригодны, поскольку не обеспечивают нужной степени подавления инфраниз-ких частот. В специализированных сабвуферных усилителях для этой цели используют активные фильтры четвертого—шестого порядков (si/toson/c). Они могут быть отключаемыми либо неотключаемыми, с фиксированной частотой среза или с плавной ее перестройкой.

На рис. 13 приведена схема кроссовера одного из специализированных усилителей для работы с сабвуфером. Сохранена нумерация элементов, использованная изготовителем; цепи питания не показаны.



Рис. 13


Первый каскад — буферный на сдвоенном ОУ DA102. Далее сигнал поступает на ФВЧ второго порядка, выполненные на ОУ микросхемы DA101. Применение фильтров позволяет исключить перегрузку малогабаритных АС нижними частотами диапазона. Частота среза ФВЧ перестраивается в полосе 30...600 Гц четырех-секционным переменным резистором VR101. Поскольку для ФВЧ Баттерворта сопротивление резисторов первого и второго звеньев должны отличаться в два раза, параллельно одной из секций подключены резисторы R104 (R204). У такого решения есть особенность — характеристика Баттерворта сохраняется в достаточно узкой полосе перестройки {примерно до 100 Гц). Далее пропорциональность сопротивлений нарушается, и в верхней границе диапазона фильтр превращается в равнокомпонентный. В отличие от фильтров Баттерворта, равнокомпонентные фильтры имеют более плавный перегиб АЧХ, а спад начинается относительно далеко от частоты среза (рис. 14). С выхода фильтров сигнал через буферные повторители на сдвоенных ОУ DA106, DA107 поступает на линейные выходы фронтальных и тыловых каналов к внешнему усилителю.



Рис. 14


Оставшаяся часть устройства формирует сигнал для сабвуфера. С выхода буферных каскадов на DA102 сигнал через сумматор на резисторах R106, R206 поступает на ФВЧ четвертого порядка ("Subsonic"), выполненный на сдвоенном ОУ DA103. Частота среза изменяется в интервале 10... 130 Гц четырехсекционным переменным резистором VR102. Затем сигнал подается на ФНЧ третьего порядка на ОУ DA104.1, частота среза которого изменяется в интервале 20...200 Гц четырехсекционным резистором VR103. Выбранное сочетание частот среза позволяет получить практически любую результирующую АЧХ — вплоть до колоколообразной. Некоторые варианты АЧХ фильтров приведены на рис. 15.



Рис. 15


После фильтрации сигнал через регулятор уровня VR105 поступает на корректирующий усилитель (DA104.2). В цепи ООС этого каскада включен эквивалент последовательного колебательного контура — на DA105.1, аналогичный показанному на рис. 12 (DA3.2). Переменный резистор VR104 (регулятор подъема басов, называемый "X-bass или "Super bass") изменяет степень включения контура в цепь ООС, повышая коэффициент усиления каскада на частоте 45 Гц в интервале 0...+18 дБ.

Последний каскад на ОУ DA105.2 — фазовый корректор. Необходимость его применения вызвана тем, что в фильтрах высокого порядка возникает значительный сдвиг фазы сигнала. Кроме того, поскольку в подавляющем большинстве автомобилей сабвуфер устанавливают в багажнике или задней части салона, излученный им сигнал задержан относительно сигнала фронтальной АС. Совокупное воздействие этих факторов вызывает воспринимаемое на слух "отставание" баса. Особенно заметен этот эффект, если сабвуфер воспроизводит частоты выше 70...80 Гц. В ряде случаев "состыковать" полосы по фазе удается простой сменой полярности подключения динамической головки сабвуфера, но для более точной настройки необходим фазовый корректор.

На рис. 16 приведены фазочастотные характеристики этого каскада для различных значений сопротивления резистора VR106. Частота, на которой вносимый корректором сдвиг фазы составляет 90 град., определяется постоянной времени цепи C118VR106. Линейный участок ФЧХ простирается примерно на одну октаву вверх и вниз от частоты настройки.



Рис. 16


Применение фазового корректора оправдано не только для сабвуфера — введение сдвига фазы на средних частотах позволяет скорректировать звуковую сцену. Поэтому аналогичный узел входит в состав некоторых усилителей и внешних кроссоверов, предназначенных для многополосного усиления.

Внешние кроссоверы выполняются практически по тем же схемам, что и встроенные, но отличаются развитой системой коммутации и более узкой специализацией. В кроссоверах широкого применения наиболее часто используются фильтры второго порядка, перестраиваемые резисторами. В кроссоверах, предназначенных для профессиональной установки (с соответствующей измерительной аппаратурой), обычно применяют фильтры четвертого порядка, для настройки которых используют резисторные сборки.

Питание большинства внешних кроссоверов — двухполяр-ное, поэтому в конструкцию входит преобразователь напряжения бортовой сети. Однополярное питание — только в самых дешевых конструкциях, рассчитанных на источники сигнала с выходным напряжением не более 0,5 В. Отказ от универсальности, свойственной встроенным кроссоверам большинства усилителей, значительно изменил многие их характеристики. Так, пределы плавной перестройки частоты двухполосных кроссоверов нередко ограничены двумя-тремя октавами в наиболее часто используемых полосах частот 50...800 Гц и 2... 10 кГц, разбитых на несколько интервалов.

Смена множителя частоты в "многодиапазонных" конструкциях производится переключением частотозадающих конденсаторов. Если ограничить ширину полосы регулирования одной-двумя октавами, то в фильтрах второго порядка можно перестраивать только одно звено. При этом добротность и форма АЧХ фильтра практически не изменяются, но в конструкции допустимо применение недорогих двухсекционных переменных резисторов.

В трехполосных кроссоверах используются те же схемотехнические решения. Основные отличия связаны с организацией канала средних частот. Для расширения области их применения во многих конструкциях отключают входящие в полосовой фильтр средних частот ФВЧ или ФНЧ, чтобы обеспечить возможность изменения фазировки каналов при настройке системы, нередко придусмат-ривают дополнительные инвертирующие каскады и переключатели полярности сигнала. Встречаются и плавные регуляторы фазы, подобные рассмотренному выше.

Регулятор фазы



В некоторых сабвуферах имеется также ручка или переключатель с надписью "Фаза". Чтобы понять суть управления фазой сабвуфера, попробуйте представить звуковые волны, излучаемые основными громкоговорителями и сабвуфером в одно и то же время. Если эти источники звука находятся на разном расстоянии от ваших ушей, то звуковые волны приходят в разное время, то есть между ними создается фазовый сдвиг. Дополнительный фазовый сдвиг может появляться из-за электронных схем внутри сабвуфера (часто это активный громкоговоритель). Регулятор фазы дает возможность ввести задержку в звуковую волну, излучаемую сабвуфером, благодаря чему она становится синфазной со звуковыми волнами от главных громкоговорителей. Если звуковые волны синфазны, вы слышите более когерентный, лучше согласованный звук.

Устанавливать необходимый фазовый сдвиг лучше всего во время прослушивания музыки. Сидя на слушательском месте, попросите кого-нибудь повернуть регулятор фазы (или переключить тумблер), чтобы определить положение, при котором звучание баса становится наиболее ровным.

Но существует более точный способ регулировки фазы, гарантирующий достижение точного фазового согласования между сабвуфером и основными громкоговорителями. Сначала поменяйте полярность подключения ваших основных акустических систем. Для этого подключите „красный" конец провода, идущего к громкоговорителя, к „черной" клемме, а „черный" конец — к „красной" клемме. Проделайте эту операцию с обоими громкоговорителями. Затем возьмите тестовый CD с записями чистых тонов и выберите сигнал с частотой, равной граничной частоте кроссовера сабвуфера. Сядьте в кресло прослушивания и попросите вашего ассистента вращать фазовый регулятор до тех пор, пока громкость звука не станет минилмалънай. Соответствующее положение регулятора и будет самым точным из возможных. После окончания настройки фазы переключите провода основных громкоговорителей в нормальное положение.

Что же происходит во время всей этой процедуры? Когда вы „неправильно" подключаете основные акустические системы к усилителю, вы тем самым переворачиваете фазу их сигнала на 180° относительно сигнала сабвуфера. Затем вы воспроизводите тестовый сигнал на частоте разделения, и он излучается как сабвуфером, так и основными громкоговорителями. Минимальная громкость звука в точке прослушивания достигается тогда, когда звуковые волны от сабвуфера и основных громкоговорителей находятся в противофазе. Это значит, что конусы основных громкоговорителей и сабвуфера относительно друг друга двигаются в противоположных направлениях. Две противофазные волны взаимно компенсируются, что приводит к снижению громкости. Затем вы восстанавливаете первоначальное подключение основных громкоговорителей, и звуковые волны, исходящие от них, становятся максимально синфазными с сигналом сабвуфера — что и требовалось. Это наиболее точный способ установки фазового сдвига сабвуфера. Если в дальнейшем вы не будете менять его местоположение (равно как и положение основных громкоговорителей), вам не понадобится повторять эту операцию.


Активный трехполосный фильтр


В статье приведены результаты работ по созданию устройства, представляющего собой комплект активных фильтров для построения высококачественных трехполосных усилителей низкой частоты классов HiFi и HiEnd.

В процессе предварительных исследований суммарной АЧХ трехполосного усилителя, построенного с использованием трех активных фильтров второго порядка, выяснилось, что эта характеристика при любых частотах стыков фильтров обладает весьма высокой неравномерностью. При этом она весьма критична к точности настройки фильтров. Даже при небольшом рассогласовании неравномерность суммарной АЧХ может составить 10…15 дБ!

МАСТЕР КИТ выпускает набор NM2116, из которого можно собрать комплект фильтров, построенный на базе двух фильтров и вычитающего сумматора, не имеющий вышеперечисленных недостатков. Разработанное устройство малочувствительно к параметрам частот среза отдельных фильтров и при этом обеспечивает высоколинейную суммарную АЧХ.


Основными элементами современной высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуры являются акустические системы (АС).

Самыми простыми и дешевыми являются однополосные АС, имеющие в своем составе один громкоговоритель. Такие акустические системы не способны с высоким качеством работать в широком диапазоне частот в силу использования одного громкоговорителя (головка громкоговорителя - ГГ). При воспроизведении разных частот к ГГ предъявляются различные требования. На низких частотах (НЧ) динамик должен обладать большим и жестким диффузором, низкой резонансной частотой и иметь большой ход (для прокачки большого объема воздуха). А на высоких частотах (ВЧ) наоборот – необходим небольшой легкий но твердый диффузор с малым ходом. Все эти характеристики совместить в одном громкоговорителе практически невозможно (несмотря на многочисленные попытки), поэтому одиночный громкоговоритель имеет высокую частотную неравномерность. Кроме этого в широкополосных громкоговорителях существует эффект интермодуляции, который проявляется в модуляции высокочастотных компонент звукового сигнала низкочастотными. В результате звуковая картина нарушается. Традиционным решением этой проблемы является разделение воспроизводимого диапазона частот на поддиапазоны и построение акустических систем на базе нескольких динамиков на каждый выбранный частотный поддиапазон.


Пассивные и активные разделительные электрические фильтры

Для снижения уровня интермодуляционных искажений перед громкоговорителями устанавливаются электрические разделительные фильтры. Эти фильтры также выполняют функцию распределения энергии звукового сигнала между ГГ. Их рассчитывают на определенную частоту разделения, за пределами которой фильтр обеспечивает выбранную величину затухания, выражаемую в децибелах на октаву. Крутизна затухания разделительного фильтра зависит от схемы его построения. Фильтр первого порядка обеспечивазатухание 6 дБ/окт, второго порядка - 12 дБ/окт, а третьего порядка - 18 дБ/окт. Чаще всего в АС используются фильтры второго порядка. Фильтры более высоких порядков применяются в АС редко из-за сложной реализации точных значений элементов и отсутствия потребности иметь более высокие значения крутизны затухания.

Частота разделения фильтров зависит от параметров применяемых ГГ и от свойств слуха. Наилучший выбор частоты разделения — при котором каждый ГГ АС работает в пределах области поршневого действия диффузора. Однако при этом АС должна иметь много частот разделения (соответственно ГГ), что значительно увеличивает ее стоимость. Технически обосновано, что для качественного звуковоспроизведения достаточно применять трехполосное разделение частот. Однако на практике существуют 4-х, 5-и и даже 6-и полосные акустические системы. Первую (низкую) частоту разделения выбирают в диапазоне 200…400 Гц, а вторую (среднюю) частоту разделения в диапазоне 2500...4000 Гц.

Традиционно фильтры изготавливаются с применением пассивных L, C, R элементов, и устанавливаются непосредственно на выходе оконечного усилителя мощности (УМ) в корпусе АС, согласно рис. 1.




Рисунок 1. Традиционное исполнение АС


Однако у подобного исполнения существует ряд недостатков. Во первых, для обеспечения необходимых частот среза приходится работать с достаточно большими индуктивностями, поскольку необходимо выполнить одновременно два условия – обеспечить необходимую частоту среза и обеспечить согласование фильтра с ГГ (иными словами нельзя уменьшить индуктивность за счет увеличения емкости, входящей в состав фильтра). Намотку катушек индуктивности желательно производить на каркасах без применения ферромагнетиков из-за существенной нелинейности их кривой намагниченности. Соответственно, воздушные катушки индуктивности получаются достаточно громоздкими. Кроме всего существует погрешность намотки, которая не позволяет обеспечить точно рассчитанную частоту среза.

Провод, которым ведется намотка катушек, обладает конечным омическим сопротивлением, что в свою очередь, приводит к уменьшению КПД системы в целом и преобразованием части полезной мощности УМ в тепло. Особенно заметно это проявляется в автомобильных усилителях, где питающее напряжение ограничено 12 В. Поэтому для построения автомобильных стереосистем часто применяют ГГ пониженного сопротивления обмотки (~2…4 Ом). В такой системе введение дополнительного сопротивления фильтра порядка 0,5 Ом может привести к уменьшению выходной мощности на 30%…40%.

При проектировании высококачественного усилителя мощности стараются свести к минимуму его выходное сопротивление для увеличения степени демпфирования ГГ. Применение пассивных фильтров заметно снижает степень демпфирования ГГ, поскольку последовательно с выходом усилителя подключается дополнительное реактивное сопротивление фильтра. Для слушателя это проявляется в появлении “бубнящих” басов.

Эффективным решением является использование не пассивных, а активных электронных фильтров, в которых все перечисленные недостатки отсутствуют. В отличие от пассивных фильтров, активные фильтры устанавливается до УМ как показано на рис. 2.




Рисунок 2. Построение звуковоспроизводящего тракта с использованием активных фильтров


Активные фильтры представляют собой RC фильтры на операционных усилителях (ОУ). Несложно построить активные фильтры звуковых частот любого порядка и с любой частотой среза. Расчет подобных фильтров производится по табличным коэффициентам с заранее выбранным типом фильтра, необходимым порядком и частотой среза.

Использование современных электронных компонентов позволяет изготавливать фильтры, обладающие минимальными значениями уровней собственных шумов, малым энергопотреблением, габаритами и простотой исполнения/повторения. В результате, использование активных фильтров приводит к увеличению степени демпфирования ГГ, снижает потери мощности, уменьшает искажения и увеличивает КПД звуковоспроизводящего тракта в целом.

К недостаткам такой архитектуры относится необходимость использования нескольких усилителей мощности и нескольких пар проводов для подключения акустических систем. Однако в настоящее время это не является критичным. Уровень современных технологий значительно снизил цену и размеры УМ. Кроме того, появилось достаточно много мощных усилителей в интегральном исполнении с отличными характеристиками, даже для профессионального применения. На сегодняшний день существует ряд ИМС с несколькими УМ в одном корпусе (фирма Panasonic выпускает ИМС RCN311W64A-P с 6-ю усилителями мощности специально для построения трехполосных стереосистем). Кроме того УМ можно расположить внутри АС и использовать короткие провода большого сечения для подключения динамиков, а входной сигнал подать по тонкому экранированному кабелю. Однако, если даже не удается установить УМ внутри АС, применение многожильных соединительных кабелей не представляет собой сложную проблему.


Моделирование и выбор оптимальной структуры активных фильтров

При построении блока активных фильтров было решено использовать структуру состоящую из фильтра высокой частоты (ФВЧ), фильтра средней частоты (полосовой фильтр, ФСЧ) и фильтра низкой частоты (ФНЧ).

Это схемотехническое решение было практически реализовано. Был построен блок активных фильтров НЧ, ВЧ и ПФ. В качестве модели трехполосной АС был выбран трехканальный сумматор, обеспечивающий суммирование частотных компонент, согласно рис. 3.




Рисунок 3. Модель трехканальной АС с набором активных фильтров и ФСЧ на ПФ


При снятии АЧХ такой системы, при оптимально подобранных частотах среза, ожидалось получить линейную зависимость. Но результаты оказались далеки от предполагаемых. В точках сопряжения характеристик фильтров наблюдались провалы/выбросы в зависимости от соотношения частот среза соседних фильтров. В итоге подбором значений частот среза не удалось привести проходную АЧХ системы к линейному виду. Нелинейность проходной характеристики свидетельствует о наличии частотных искажений в воспроизводимом музыкальном оформлении. Результаты эксперимента представлены на рис. 4, рис. 5 и рис. 6. Рис. 4 иллюстрирует сопряжение ФНЧ и ФВЧ по стандартному уровню 0.707. Как видно из рисунка в точке сопряжения результирующая АЧХ (показана красным цветом) имеет существенный провал. При раздвижении характеристик глубина и ширина провала увеличивается, соответственно. Рис. 5 иллюстрирует сопряжение ФНЧ и ФВЧ по уровню 0.93 (сдвижка частотных характеристик фильтров). Эта зависимость иллюстрирует минимально достижимую неравномерность проходной АЧХ, путем подбора частот среза фильтров. Как видно из рисунка, зависимость явно не линейна. При этом частоты среза фильтров можно считать оптимальными для данной системы. При дальнейшем сдвиге частотных характеристик фильтров (сопряжение по уровню 0.97) наблюдается появление выброса в проходной АЧХ в точке стыка характеристик фильтров. Подобная ситуация показана на рис. 6.




Рисунок 4. АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный)

и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.707




Рисунок 5. АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный)

и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.93




Рисунок 6. АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный)

и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.97 и появление выброса


Основной причиной нелинейности проходной АЧХ является наличие фазовых искажений на границах частот среза фильтров.

Решить подобную проблему позволяет построение среднечастотного фильтра не в виде полосового фильтра, а с использованием вычитающего сумматора на ОУ. Характеристика такого ФСЧ формируется в соответствии с формулой:


Uсч = Uвх – Uнч - Uвч.


Структура такой системы представлена на рис. 7.



Рисунок 7. Модель трехканальной АС с набором активных фильтров и ФСЧ на вычитающем сумматоре


При таком способе формирования канала средних частот пропадает необходимость в точной настройке соседних частот среза фильтров, т.к. среднечастотный сигнал формируется вычитанием из полного сигнала сигналов фильтров высоких и низких частот. Кроме обеспечения взаимодополняющих АЧХ, у фильтров получаются так же и комплементарные ФЧХ, что гарантирует отсутствие выбросов и провалов в суммарной АЧХ всей системы.

АЧХ среднечастотного звена с частотами среза Fср1 = 300 Гц и Fср2 = 3000 Гц приведена на рис. 8. По спаду АЧХ обеспечивается затухание не более 6 дБ/окт, что, как показывает практика, вполне достаточно для практической реализации ФСЧ и получения качественного звучания СЧ ГГ.




Рисунок 8. АЧХ фильтра средних частот


Проходной коэффициент передачи такой системы с ФНЧ, ФВЧ и ФСЧ на вычитающем сумматоре получается линейным во всем диапазоне частот 20 Гц…20 кГц, согласно рис. 9. Полностью отсутствуют амплитудные и фазовые искажения, что обеспечивает кристальную чистоту воспроизводимого звукового сигнала.




Рисунок 9. АЧХ системы фильтров с ФСЧ на вычитающем сумматоре


К недостаткам подобного решения можно отнести жесткие требования к точности номиналов резисторов R1, R2, R3 (согласно рис. 10, на котором представлена электрическая схема вычитающего сумматора) обеспечивающих балансировку сумматора. Эти резисторы должны использоваться с допусками на точность не более 1%. Однако при возникновении проблем с приобретением таких резисторов потребуется сбалансировать сумматор используя вместо R1, R2 подстроечные резисторы.

Балансировка сумматора выполняется по следующей методике. Сначала на вход системы фильтров необходимо подать низкочастотное колебание с частотой, намного ниже частоты среза ФНЧ, например 100 Гц. Изменяя значение R1 необходимо установить минимальный уровень сигнала на выходе сумматора. Затем на вход системы фильтров подается колебание с частотой заведомо большей частоты среза ФВЧ, например 15 кГц. Изменяя значение R2 опять устанавливают минимальный уровень сигнала на выходе сумматора. Настройка закончена.




Рисунок 10. Схема вычитающего сумматора


Методика расчета активных ФНЧ и ФВЧ

Радиолюбители сами могут рассчитать ФНЧ и ФВЧ на необходимую частоту среза, используя следующие выкладки.

Как показывает теория для фильтрации частот звукового диапазона необходимо применять фильтры Баттерворта не более второго или третьего порядка, обеспечивающие минимальную неравномерность в полосе пропускания.

Схема ФНЧ второго порядка представлена на рис. 11. Его расчет производится по формуле:



где a1=1.4142 и b1=1.0 - табличные коэффициенты, а С1 и С2 выбираются из соотношения C2/C1 больше равно 4xb1/a12, причем не следует выбирать отношение C2/C1 много большим правой части неравенства.




Рисунок 11. Схема ФНЧ Баттерворта 2-го порядка


Схема ФВЧ второго порядка представлена на рис. 12. Его расчет производится по формулам:



где C=C1=C2 (задаются перед расчетом), а a1=1.4142 и b1=1.0 - те же табличные коэффициенты.




Рисунок 12. Схема ФВЧ Баттерворта 2-го порядка


Специалисты отдела “МАСТЕР КИТ” разработали и исследовали характеристики такого блока фильтров, обладающего максимальной функциональностью и минимальными габаритами, что является существенным при применении устройства в быту. Использование современной элементной базы позволило обеспечить максимальное качество разработке.


Технические характеристики блока фильтров


Напряжение питания, В

12…30

Ток потребления, мА

10

НЧ фильтр
Усиление в полосе пропускания, дБ
Затухание вне полосы пропускания, дБ/окт
Частота среза, Гц


0
12
300

ВЧ фильтр
Усиление в полосе пропускания, дБ
Затухание вне полосы пропускания, дБ/окт
Частота среза, Гц


0
12
3000

СЧ фильтр (полосовой)
Усиление в полосе пропускания, дБ
Затухание вне полосы пропускания, дБ/окт
Частоты среза, Гц


0
6
300, 3000

Размеры печатной платы, мм

61x42


Принципиальная электрическая схема активного фильтра показана на рис. 13. Перечень элементов фильтра приведен в таблице.

Фильтр выполнен на четырех операционных усилителях. ОУ объединены в одном корпусе ИМС MC3403 (DA2). На DA1 (LM78L09) собран стабилизатор питающего напряжения с соответствующими фильтрующими емкостями: С1, С3 по входу и С4 по выходу. На резистивном делителе R2, R3 и конденсаторе С5 выполнена искусственная средняя точка.

На ОУ DA2.1 выполнен буферный каскад сопряжения выходного и входных сопротивлений источника сигнала и фильтров НЧ, ВЧ и СЧ. На ОУ DA2.2 собран фильтр НЧ, на ОУ DA2.3 - фильтр ВЧ. ОУ DA2.4 выполняет функцию формирователя полосового СЧ фильтра.

На контакты X3 и X4 подается напряжение питания, на контакты X1, X2 - входной сигнал. С контактов X5, X9 снимается отфильтрованный выходной сигнал для тракта НЧ; с X6, X8 – ВЧ и с X7, X10 – СЧ трактов соответственно.



Рисунок 13. Схема электрическая принципиальная активного трехполосного фильтра


Перечень элементов активного трехполосного фильтра

Позиция

Наименование

Примечание

Кол.

С1, С4

0,1 мкФ

Обозначение 104

2

C2, С10, C11, C12, C13, C14,  C15

0,47 мкФ

Обозначение 474

7

С3, C5

220 мкФ/16 В

Замена 220 мкФ/25 В

2

С6, C8

1000 пФ

Обозначение 102

2

С7

22 нФ

Обозначение 223

1

С9

10 нФ

Обозначение 103

1

DA1

78L09

 

1

DA1

MC3403

Замена LM324, LM2902

1

R1…R3

10 кОм

 

3

R8…R12

10 кОм

Допуск не более 1%*

5













R4…R6

39 кОм

 

3

R7

75 кОм

-

1

 

 

Колодка DIP-14

1

 

Штыревой разъем

2-х контактный

2

 

Штыревой разъем

3-х контактный

2


Внешний вид фильтра показан на рис. 14, печатная плата – на рис. 15, расположение элементов – на рис. 16.

Конструктивно фильтр выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Конструкция предусматривает установку платы в стандартный корпус BOX-Z24A, для этого предусмотрены монтажные отверстия по краям платы диаметром 4 и 8 мм. Плата в корпусе крепится двумя винтами-саморезами.




Рисунок 14. Внешний вид активного фильтра




Рисунок 15. Печатная плата активного фильтра


Рисунок 16. Расположение элементов на печатной плате

активного фильтра


МАСТЕР КИТ подготовил набор NM2116, состоящий из печатной платы, всех необходимых компонентов, руководства по сборке и настройке.

Активный трехполосный фильтр хорошо зарекомендовал себя при работе совместно с усилителями мощности NK057, NM2011, NM2012, NM2031, NM2032, NM2033 и NM2034.

Вся продукция МАСТЕР КИТ представлена на нашем сайте и в каталоге “МАСТЕР КИТ”. Спрашивайте электронные наборы и модули МАСТЕР КИТ, каталоги “МАСТЕР КИТ” и журналы “Схемотехника” в магазинах радиодеталей вашего города.


Фазолинейный активный кроссовер

http://radiosvit.com/blog/2008-09-27-741

«Electronics World + Wireless World», September 1999 p779

Питер Ласки обращает внимание, что в большинстве кроссоверов (разделительных фильтров для многополосных акустических систем) на частоте раздела НЧ/ВЧ наблюдается значительный (обычно от 45 до 90 электрических градусов в зависимости от порядка фильтров) фазовый сдвиг между напряжениями на НЧ и ВЧ выходах.

Это приводит к существенным нарушениям целостности звуковой картины на средних частотах (ответственных за передачу голоса и основной части спектра большинства музыкальных инструментов), поскольку один и тот же сигнал излучается дважды: ВЧ звеном и НЧ звеном с большей или меньшей временной задержкой. Необходимое для идеальной звукопередачи условие - постоянство характеристики группового времени задержки (ГВЗ), или, что то же, линейная фазовая характеристика, принципиально могут быть получены только при использовании в кроссовере ФНЧ Бесселя и всепропускающего (фазокорректирующего) фильтра Делияниса (ФВЧ для формирования АЧХ для ВЧ звена вообще не могут быть применены, поскольку они формируют фазовое опережение, принципиально не стыкующееся, каким бы оно ни было, с фазовым запаздыванием ФНЧ и фазокорректора Делияниса).



В фазолинейном активном кроссовере (рис.1) формирование сигнала для НЧ звена (выход Low) выполняет ФНЧ Бесселя четвертого порядка (ОУ А4, А5), а на ОУ А2 выполнен фазокорректор Делияниса второго порядка, который имеет линейную АЧХ, но такую же ФЧХ и ГВЗ, что и ФНЧ Бесселя четвертого порядка. Дифференциальный усилитель на ОУ A3 вычитает из сигнала на выходе A3 сигнал на выходе ФНЧ и таким образом формирует сигнал сопряженного с последним по частоте раздела ФВЧ (выход High), подаваемый на ВЧ звено акустической системы. При этом фазы напряжений на обоих выходах практически совпадают, что обеспечивает точную передачу пространственной звуковой картины. С показанными на схеме номиналами элементов кроссовер применяется для акустической системы из электростатического ВЧ звена и изобарического («компрессионного») НЧ динамика. Частота раздела НЧ/ВЧ может быть легко скорректирована для других динамиков одновременным изменением емкости конденсаторов С21, С22, С41, С42, С51 и С52.


  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Похожие:

Предварительные усилители и фильтры iconТема 10. Рекурсивные частотные цифровые фильтры благословен Господь, кто содеял все нужное нетрудным, а все трудное ненужным
Рекурсивные фильтры нужны при обработке данных. Однако разрабатывать их трудно. Отсюда следует, что Всевышний фильтров не создавал,...
Предварительные усилители и фильтры iconМониторинг сообщений сми об Общественной палате РФ за сентябрь 2011 года
Предварительные итоги общественного расследования причин крушения теплохода «Булгария»
Предварительные усилители и фильтры iconМиг? Он долог, как век. Предварительные вопросы
Цель урока: Закрепить, обобщить знания обучающихся по краеведению, истории, литературе Астраханской области
Предварительные усилители и фильтры iconКубок Балтийского моря Акватория Финского залива 27. 06. 2012 15. 07. 2012 Предварительные результаты, зачетная группа "Л6"

Предварительные усилители и фильтры iconV-puzanov(dog)ya ru Домашний высококачественный однотактный усилитель мощности на лампах 6С19П и 6П31С
Вашему вниманию предлагается ещё одна статья об однотактных усилителях мощности (три варианта). Как Вы уже поняли из заголовка статьи,...
Предварительные усилители и фильтры iconПрограмма научного семинара
Бабкина Е. В. (Иа ран), Вокресенская Е. В., Гольева А. А. (Иг ран), Кравцов А. Е., Марьёнкина Т. А., Мещерин М. Н., Модин Р. Н. (Иа...
Предварительные усилители и фильтры iconВыбор метода комбинирования поверхностно-пластического деформирования
Разработан новый метод статического ппд, комбинирующий в единовременно протекающем процессе выглаживание и накатывание. Проведены...
Предварительные усилители и фильтры icon«Запад и Восток: межцивилизационные взаимодействия и международные отношения»
Традицию проведения ежегодных международных конференций Алтайская школа политических исследований поддерживает с 1996 г. В дискуссиях...
Предварительные усилители и фильтры iconНынешнее положение глобалистики. Предварительные замечания
Формулируется позиция автора по ряду принципиальных вопросов: что такое глобалистика; наука ли эта дисциплина; каков ее статус; какое...
Предварительные усилители и фильтры iconИсследование характеристик всплесков жесткого электромагнитного излучения солнечных вспышек представляет несомненный интерес в плане понимания процессов ускорения частиц во вспышках и в связи с возможностью изучения невспышечных механизмов ускорения,
Жесткое рентгеновское излучение солнечных вспышек во второй половине 2001 г.: Предварительные результаты эксперимента с прибором...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница