Εφαρμογή φίλτρων σε τελεστικούς ενισχυτές. Ενεργά φίλτρα στο op-amp Bandpass φίλτρο στην αριθμομηχανή op-amp

Γιούρι Σαντίκοφ
Μόσχα

Το άρθρο παρουσιάζει τα αποτελέσματα των εργασιών για τη δημιουργία μιας συσκευής που είναι ένα σύνολο ενεργών φίλτρων για την κατασκευή ενισχυτών χαμηλής συχνότητας τριών ζωνών υψηλής ποιότητας των κλάσεων HiFi και HiEnd.

Κατά τη διαδικασία των προκαταρκτικών μελετών της συνολικής απόκρισης συχνότητας ενός ενισχυτή τριών ζωνών που κατασκευάστηκε με χρήση τριών ενεργών φίλτρων δεύτερης τάξης, αποδείχθηκε ότι αυτό το χαρακτηριστικό έχει πολύ υψηλή ανομοιομορφία σε οποιεσδήποτε συχνότητες διασταύρωσης φίλτρων. Ταυτόχρονα, είναι πολύ σημαντικό για την ακρίβεια των ρυθμίσεων του φίλτρου. Ακόμη και με μια μικρή αναντιστοιχία, η ανομοιομορφία της συνολικής απόκρισης συχνότητας μπορεί να είναι 10...15 dB!

Το MASTER KIT παράγει το κιτ NM2116, από το οποίο μπορείτε να συναρμολογήσετε ένα σετ φίλτρων, κατασκευασμένα με βάση δύο φίλτρα και έναν αφαιρετικό αθροιστή, ο οποίος δεν έχει τα προαναφερθέντα μειονεκτήματα. Η ανεπτυγμένη συσκευή δεν είναι ευαίσθητη στις παραμέτρους των συχνοτήτων αποκοπής μεμονωμένων φίλτρων και ταυτόχρονα παρέχει μια εξαιρετικά γραμμική απόκριση συνολικής συχνότητας.

Τα κύρια στοιχεία του σύγχρονου εξοπλισμού αναπαραγωγής ήχου υψηλής ποιότητας είναι τα ακουστικά συστήματα (AS).

Τα απλούστερα και φθηνότερα είναι τα ηχεία μονής κατεύθυνσης που περιέχουν ένα μεγάφωνο. Τέτοια ακουστικά συστήματα δεν είναι ικανά να λειτουργούν με υψηλή ποιότητα σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων λόγω της χρήσης ενός μόνο ηχείου (κεφαλή μεγαφώνου - GG). Κατά την αναπαραγωγή διαφορετικών συχνοτήτων, τίθενται διαφορετικές απαιτήσεις στο GG. Στις χαμηλές συχνότητες (LF), το ηχείο πρέπει να έχει μεγάλο και άκαμπτο κώνο, χαμηλή συχνότητα συντονισμού και μεγάλη διαδρομή (για να αντλεί μεγάλο όγκο αέρα). Και στις υψηλές συχνότητες (HF), αντίθετα, χρειάζεστε έναν μικρό, ελαφρύ αλλά συμπαγή διαχύτη με μικρή διαδρομή. Είναι σχεδόν αδύνατο να συνδυαστούν όλα αυτά τα χαρακτηριστικά σε ένα μεγάφωνο (παρά τις πολυάριθμες προσπάθειες), επομένως ένα μόνο μεγάφωνο έχει ανομοιομορφία υψηλής συχνότητας. Επιπλέον, στα ηχεία ευρείας ζώνης υπάρχει ένα φαινόμενο ενδοδιαμόρφωσης, το οποίο εκδηλώνεται στη διαμόρφωση των στοιχείων υψηλής συχνότητας ενός ηχητικού σήματος από τα χαμηλής συχνότητας. Ως αποτέλεσμα, η εικόνα ήχου διακόπτεται. Η παραδοσιακή λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι να διαιρέσουμε το αναπαραγόμενο εύρος συχνοτήτων σε υποζώνες και να δημιουργήσουμε ακουστικά συστήματαμε βάση πολλά ηχεία για κάθε επιλεγμένο υποεύρος συχνοτήτων.

Παθητικά και ενεργητικά φίλτρα ηλεκτρικής απομόνωσης

Για να μειωθεί το επίπεδο παραμόρφωσης της ενδοδιαμόρφωσης, τοποθετούνται ηλεκτρικά φίλτρα crossover μπροστά από τα μεγάφωνα. Αυτά τα φίλτρα εκτελούν επίσης τη λειτουργία της διανομής της ενέργειας του ηχητικού σήματος μεταξύ του GG. Είναι σχεδιασμένα για μια συγκεκριμένη συχνότητα crossover, πέρα ​​από την οποία το φίλτρο παρέχει μια επιλεγμένη ποσότητα εξασθένησης, εκφρασμένη σε ντεσιμπέλ ανά οκτάβα. Η κλίση της εξασθένησης του διαχωριστικού φίλτρου εξαρτάται από τον σχεδιασμό της κατασκευής του. Το φίλτρο πρώτης τάξης παρέχει εξασθένηση 6 dB/oct, η δεύτερη τάξη - 12 dB/oct και η τρίτη τάξη - 18 dB/oct. Τις περισσότερες φορές, φίλτρα δεύτερης τάξης χρησιμοποιούνται στα ηχεία. Τα φίλτρα υψηλότερης τάξης σπάνια χρησιμοποιούνται στα ηχεία λόγω της πολύπλοκης υλοποίησης ακριβείς τιμέςστοιχεία και δεν χρειάζεται να υπάρχουν μεγαλύτερες κλίσεις εξασθένησης.

Η συχνότητα διαχωρισμού του φίλτρου εξαρτάται από τις παραμέτρους του GG που χρησιμοποιείται και από τις ιδιότητες της ακοής. Καλύτερη επιλογήσυχνότητα διαχωρισμού - στην οποία κάθε GG AC λειτουργεί εντός της περιοχής δράσης του εμβόλου του διαχύτη. Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση, το ηχείο πρέπει να έχει πολλές συχνότητες crossover (αντίστοιχα GG), γεγονός που αυξάνει σημαντικά το κόστος του. Είναι τεχνικά δικαιολογημένο ότι για αναπαραγωγή ήχου υψηλής ποιότητας αρκεί η χρήση διαχωρισμού συχνότητας τριών ζωνών. Ωστόσο, στην πράξη υπάρχουν συστήματα ηχείων 4, 5, ακόμη και 6 κατευθύνσεων. Η πρώτη (χαμηλή) συχνότητα διασταύρωσης επιλέγεται στην περιοχή των 200...400 Hz και η δεύτερη (μεσαία) συχνότητα διασταύρωσης στην περιοχή των 2500...4000 Hz.

Παραδοσιακά, τα φίλτρα κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας παθητικά στοιχεία L, C, R και εγκαθίστανται απευθείας στην έξοδο του τελικού ενισχυτή ισχύος (PA) στο περίβλημα των ηχείων, σύμφωνα με το σχήμα 1.

Εικ.1. Παραδοσιακή απόδοση ηχείων.

Ωστόσο, αυτός ο σχεδιασμός έχει μια σειρά από μειονεκτήματα. Πρώτον, για να εξασφαλιστούν οι απαιτούμενες συχνότητες αποκοπής, είναι απαραίτητο να εργαστείτε με επαρκώς μεγάλες επαγωγές, καθώς πρέπει να πληρούνται δύο προϋποθέσεις ταυτόχρονα - να παρέχεται η απαιτούμενη συχνότητα αποκοπής και να διασφαλίζεται ότι το φίλτρο ταιριάζει με το GG (με άλλα λόγια, είναι αδύνατο να μειωθεί η αυτεπαγωγή αυξάνοντας την χωρητικότητα που περιλαμβάνεται στο φίλτρο). Συνιστάται να τυλίξετε επαγωγείς σε πλαίσια χωρίς τη χρήση σιδηρομαγνητών λόγω της σημαντικής μη γραμμικότητας της καμπύλης μαγνήτισής τους. Κατά συνέπεια, οι επαγωγείς αέρα είναι αρκετά ογκώδεις. Επιπλέον, υπάρχει ένα σφάλμα περιέλιξης, το οποίο δεν επιτρέπει την ακριβή υπολογισμένη συχνότητα αποκοπής.

Το σύρμα που χρησιμοποιείται για την περιέλιξη των πηνίων έχει πεπερασμένη ωμική αντίσταση, η οποία με τη σειρά της οδηγεί σε μείωση της απόδοσης του συστήματος στο σύνολό του και στη μετατροπή μέρους της χρήσιμης ισχύος του PA σε θερμότητα. Αυτό είναι ιδιαίτερα αισθητό στους ενισχυτές αυτοκινήτων, όπου η τάση τροφοδοσίας περιορίζεται στα 12 V. Επομένως, για την κατασκευή στερεοφωνικών συστημάτων αυτοκινήτου, χρησιμοποιούνται συχνά GG με μειωμένη αντίσταση περιέλιξης (~2...4 Ohms). Σε ένα τέτοιο σύστημα, η εισαγωγή πρόσθετης αντίστασης φίλτρου της τάξης των 0,5 Ohm μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της ισχύος εξόδου κατά 30%...40%.

Όταν σχεδιάζουν έναν ενισχυτή ισχύος υψηλής ποιότητας, προσπαθούν να ελαχιστοποιήσουν την αντίσταση εξόδου του για να αυξήσουν τον βαθμό απόσβεσης του GG. Η χρήση παθητικών φίλτρων μειώνει σημαντικά τον βαθμό απόσβεσης του GG, καθώς η πρόσθετη αντίδραση φίλτρου συνδέεται σε σειρά με την έξοδο του ενισχυτή. Για τον ακροατή, αυτό εκδηλώνεται με την εμφάνιση του «μπουμ» μπάσου.

Μια αποτελεσματική λύση είναι η χρήση όχι παθητικών, αλλά ενεργών ηλεκτρονικών φίλτρων, τα οποία δεν έχουν όλα τα αναφερόμενα μειονεκτήματα. Σε αντίθεση με τα παθητικά φίλτρα, τα ενεργά φίλτρα εγκαθίστανται πριν από το PA όπως φαίνεται στην Εικ. 2.

Εικ.2. Κατασκευή διαδρομής αναπαραγωγής ήχου με χρήση ενεργών φίλτρων.

Τα ενεργά φίλτρα είναι φίλτρα RC σε λειτουργικούς ενισχυτές (op amp). Είναι εύκολο να δημιουργήσετε ενεργά φίλτρα ήχου οποιασδήποτε σειράς και με οποιαδήποτε συχνότητα αποκοπής. Τέτοια φίλτρα υπολογίζονται χρησιμοποιώντας πινακικούς συντελεστές με προεπιλεγμένο τύπο φίλτρου, απαιτούμενη σειρά και συχνότητα αποκοπής.

Η χρήση σύγχρονων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων καθιστά δυνατή την παραγωγή φίλτρων με ελάχιστα ενδογενή επίπεδα θορύβου, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, διαστάσεις και ευκολία εκτέλεσης/αναπαραγωγής. Ως αποτέλεσμα, η χρήση ενεργών φίλτρων οδηγεί σε αύξηση του βαθμού απόσβεσης του GG, μειώνει τις απώλειες ισχύος, μειώνει την παραμόρφωση και αυξάνει την απόδοση της διαδρομής αναπαραγωγής ήχου στο σύνολό της.

Τα μειονεκτήματα αυτής της αρχιτεκτονικής περιλαμβάνουν την ανάγκη χρήσης αρκετών ενισχυτών ισχύος και πολλών ζευγών καλωδίων για τη σύνδεση συστημάτων ηχείων. Ωστόσο, αυτό δεν είναι κρίσιμο αυτή τη στιγμή. Επίπεδο σύγχρονες τεχνολογίεςμείωσε σημαντικά την τιμή και το μέγεθος της ΠΑ. Επιπλέον, έχουν εμφανιστεί πολλοί ισχυροί ενσωματωμένοι ενισχυτές με εξαιρετικά χαρακτηριστικά, ακόμη και για επαγγελματική χρήση. Σήμερα, υπάρχει ένας αριθμός IC με πολλά PA σε μία περίπτωση (η Panasonic παράγει το IC RCN311W64A-P με 6 ενισχυτές ισχύος ειδικά για την κατασκευή στερεοφωνικών συστημάτων τριών κατευθύνσεων). Επιπλέον, το PA μπορεί να τοποθετηθεί μέσα στα ηχεία και μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικρά καλώδια μεγάλης διατομής για τη σύνδεση των ηχείων και το σήμα εισόδου μπορεί να τροφοδοτηθεί μέσω ενός λεπτού θωρακισμένου καλωδίου. Ωστόσο, ακόμη και αν δεν είναι δυνατή η εγκατάσταση του PA μέσα στα ηχεία, η χρήση καλωδίων σύνδεσης πολλαπλών πυρήνων δεν δημιουργεί δύσκολο πρόβλημα.

Μοντελοποίηση και επιλογή της βέλτιστης δομής ενεργών φίλτρων

Κατά την κατασκευή ενός μπλοκ ενεργών φίλτρων, αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί μια δομή αποτελούμενη από ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης (HPF), ένα φίλτρο μέσης συχνότητας (band-pass filter, PSF) και ένα low-pass φίλτρο (LPF).

Αυτή η λύση κυκλώματος εφαρμόστηκε πρακτικά. Κατασκευάστηκε ένα μπλοκ ενεργών φίλτρων LF, HF και PF. Ένας αθροιστής τριών καναλιών επιλέχθηκε ως μοντέλο ηχείου τριών κατευθύνσεων, παρέχοντας άθροισμα των στοιχείων συχνότητας, σύμφωνα με το Σχ. 3.

Εικ.3. Μοντέλο ηχείου τριών καναλιών με σετ ενεργών φίλτρων και φίλτρου στο φίλτρο.

Κατά τη λήψη της απόκρισης συχνότητας ενός τέτοιου συστήματος, με βέλτιστα επιλεγμένες συχνότητες αποκοπής, αναμενόταν να επιτευχθεί γραμμική εξάρτηση. Όμως τα αποτελέσματα ήταν μακριά από τα αναμενόμενα. Στα σημεία σύνδεσης των χαρακτηριστικών του φίλτρου παρατηρήθηκαν βυθίσεις/υπέρβαση ανάλογα με την αναλογία των συχνοτήτων αποκοπής των γειτονικών φίλτρων. Ως αποτέλεσμα, επιλέγοντας τις τιμές συχνότητας αποκοπής, δεν ήταν δυνατό να φέρει η απόκριση συχνότητας διέλευσης του συστήματος σε γραμμική μορφή. Η μη γραμμικότητα του χαρακτηριστικού διέλευσης υποδηλώνει την παρουσία παραμορφώσεων συχνότητας στην αναπαραγόμενη μουσική διάταξη. Τα αποτελέσματα του πειράματος παρουσιάζονται στα Σχ. 4, Εικ. 5 και Εικ. 6. Το Σχ. 4 απεικονίζει τη σύζευξη ενός φίλτρου χαμηλής διέλευσης και ενός φίλτρου υψηλής διέλευσης σε τυπικό επίπεδο 0,707. Όπως φαίνεται από το σχήμα, στο σημείο διασταύρωσης η προκύπτουσα απόκριση συχνότητας (εμφανίζεται με κόκκινο χρώμα) έχει σημαντική πτώση. Κατά την επέκταση των χαρακτηριστικών, το βάθος και το πλάτος του διακένου αυξάνονται, αντίστοιχα. Το Σχ. 5 απεικονίζει τη σύζευξη ενός φίλτρου χαμηλής διέλευσης και ενός φίλτρου υψηλής διέλευσης σε επίπεδο 0,93 (μετατόπιση στα χαρακτηριστικά συχνότητας των φίλτρων). Αυτή η εξάρτηση απεικονίζει την ελάχιστη δυνατή ανομοιομορφία της απόκρισης συχνότητας διέλευσης επιλέγοντας τις συχνότητες αποκοπής των φίλτρων. Όπως φαίνεται από το σχήμα, η εξάρτηση δεν είναι σαφώς γραμμική. Σε αυτή την περίπτωση, οι συχνότητες αποκοπής των φίλτρων μπορούν να θεωρηθούν βέλτιστες για ένα δεδομένο σύστημα. Με μια περαιτέρω μετατόπιση στα χαρακτηριστικά συχνότητας των φίλτρων (που ταιριάζουν σε επίπεδο 0,97), εμφανίζεται μια υπέρβαση στην απόκριση συχνότητας διέλευσης στο σημείο σύνδεσης των χαρακτηριστικών του φίλτρου. Μια παρόμοια κατάσταση φαίνεται στο Σχ. 6.

Εικ.4. Απόκριση συχνότητας χαμηλής διέλευσης (μαύρο), απόκριση συχνότητας υψηλής διέλευσης (μαύρο) και απόκριση συχνότητας διέλευσης (κόκκινο), που ταιριάζουν στο επίπεδο 0,707.

Εικ.5. Απόκριση συχνότητας χαμηλής διέλευσης (μαύρο), απόκριση συχνότητας υψηλής διέλευσης (μαύρο) και απόκριση συχνότητας διέλευσης (κόκκινο), που ταιριάζουν στο επίπεδο 0,93.

Εικ.6. Απόκριση συχνότητας χαμηλής διέλευσης (μαύρο), απόκριση συχνότητας υψηλής διέλευσης (μαύρο) και απόκριση συχνότητας διέλευσης (κόκκινο), αντιστοιχία στο επίπεδο 0,97 και εμφάνιση υπέρβασης.

Ο κύριος λόγος για τη μη γραμμικότητα της απόκρισης συχνότητας διέλευσης είναι η παρουσία παραμορφώσεων φάσης στα όρια των συχνοτήτων αποκοπής του φίλτρου.

Ένα παρόμοιο πρόβλημα μπορεί να λυθεί κατασκευάζοντας ένα φίλτρο μεσαίας συχνότητας όχι με τη μορφή ζωνοπερατού φίλτρου, αλλά χρησιμοποιώντας έναν αφαιρετικό αθροιστή σε έναν ενισχυτή op-amp. Τα χαρακτηριστικά ενός τέτοιου PSF διαμορφώνονται σύμφωνα με τον τύπο: Usch = Uin - Uns - Uss

Η δομή ενός τέτοιου συστήματος φαίνεται στο Σχ. 7.

Εικ.7. Μοντέλο ηχείου τριών καναλιών με σετ ενεργών φίλτρων και PSF σε αφαιρετικό αθροιστή.

Με αυτή τη μέθοδο σχηματισμού ενός καναλιού μεσαίας συχνότητας, δεν χρειάζεται να ρυθμίσετε με ακρίβεια τις γειτονικές συχνότητες αποκοπής φίλτρων, επειδή Το σήμα μεσαίας συχνότητας σχηματίζεται αφαιρώντας τα σήματα του φίλτρου υψηλής και χαμηλής διέλευσης από το συνολικό σήμα. Εκτός από την παροχή συμπληρωματικών αποκρίσεων συχνότητας, τα φίλτρα παράγουν επίσης συμπληρωματικές αποκρίσεις φάσης, γεγονός που εγγυάται την απουσία εκπομπών και βυθίσεων στη συνολική απόκριση συχνότητας ολόκληρου του συστήματος.

Η απόκριση συχνότητας του τμήματος μεσαίας συχνότητας με συχνότητες αποκοπής Fav1 = 300 Hz και Fav2 = 3000 Hz φαίνεται στο Σχ. 8. Σύμφωνα με τη μείωση της απόκρισης συχνότητας, εξασφαλίζεται εξασθένηση όχι μεγαλύτερη από 6 dB/oct, η οποία, όπως δείχνει η πρακτική, είναι αρκετά επαρκής για πρακτική εφαρμογή PSF και λήψη υψηλής ποιότητας ήχου μεσαίας κατηγορίας GG.

Εικ.8. Απόκριση συχνότητας του φίλτρου mid-pass.

Ο συντελεστής μετάδοσης διέλευσης ενός τέτοιου συστήματος με ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης, ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης και ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης σε έναν αφαιρούμενο αθροιστή αποδεικνύεται γραμμικός σε ολόκληρο το εύρος συχνοτήτων των 20 Hz...20 kHz , σύμφωνα με το Σχ. 9. Οι παραμορφώσεις πλάτους και φάσης απουσιάζουν εντελώς, γεγονός που διασφαλίζει την κρυσταλλική καθαρότητα του αναπαραγόμενου ηχητικού σήματος.

Εικ.9. Απόκριση συχνότητας συστήματος φίλτρου με φίλτρο συχνότητας σε αφαιρετικό αθροιστή.

Τα μειονεκτήματα μιας τέτοιας λύσης περιλαμβάνουν αυστηρές απαιτήσεις για την ακρίβεια των τιμών των αντιστάσεων R1, R2, R3 (σύμφωνα με το σχήμα 10, το οποίο δείχνει ηλεκτρικό διάγραμμααφαιρώντας αθροιστή) παρέχοντας εξισορρόπηση του αθροιστή. Αυτές οι αντιστάσεις θα πρέπει να χρησιμοποιούνται με ανοχές ακρίβειας που δεν υπερβαίνουν το 1%. Ωστόσο, εάν προκύψουν προβλήματα με την απόκτηση τέτοιων αντιστάσεων, θα χρειαστεί να εξισορροπήσετε τον αθροιστή χρησιμοποιώντας αντιστάσεις κοπής αντί για R1, R2.

Ο αθροιστής είναι ισορροπημένος σύμφωνα με ακολουθώντας την τεχνική. Πρώτον, μια ταλάντωση χαμηλής συχνότητας με συχνότητα πολύ χαμηλότερη από τη συχνότητα αποκοπής του φίλτρου χαμηλής διέλευσης, για παράδειγμα 100 Hz, πρέπει να εφαρμοστεί στην είσοδο του συστήματος φίλτρου. Αλλάζοντας την τιμή του R1 πρέπει να ορίσετε ελάχιστο επίπεδοσήμα στην έξοδο του αθροιστή. Στη συνέχεια, στην είσοδο του συστήματος φίλτρου εφαρμόζεται μια ταλάντωση με συχνότητα προφανώς μεγαλύτερη από τη συχνότητα αποκοπής του υψηλοπερατού φίλτρου, για παράδειγμα 15 kHz. Με την αλλαγή της τιμής του R2, ρυθμίζεται και πάλι το ελάχιστο επίπεδο σήματος στην έξοδο του αθροιστή. Η ρύθμιση έχει ολοκληρωθεί.

Εικ. 10. Κύκλωμα αφαιρετικού αθροιστή.

Μεθοδολογία υπολογισμού ενεργών φίλτρων χαμηλής διέλευσης και υψηλής διέλευσης φίλτρων

Όπως δείχνει η θεωρία, για να φιλτράρετε τις συχνότητες του εύρους ήχου, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε φίλτρα Butterworth όχι περισσότερο από δεύτερης ή τρίτης τάξης, εξασφαλίζοντας ελάχιστη ανομοιομορφία στη ζώνη διέλευσης.

Το κύκλωμα φίλτρου χαμηλής διέλευσης δεύτερης τάξης φαίνεται στο Σχ. 11. Ο υπολογισμός του γίνεται σύμφωνα με τον τύπο:

όπου a1=1,4142 και b1=1,0 είναι πίνακας συντελεστές και οι C1 και C2 επιλέγονται από την αναλογία C2/C1 μεγαλύτερη από 4xb1/a12 και δεν πρέπει να επιλέξετε την αναλογία C2/C1 πολύ μεγαλύτερη από τη δεξιά πλευρά της ανισότητας.

Εικ. 11. Κύκλωμα χαμηλοπερατού φίλτρου Butterworth 2ης τάξης.

Το κύκλωμα υψηλοπερατού φίλτρου δεύτερης τάξης φαίνεται στο Σχ. 12. Ο υπολογισμός του γίνεται με τους τύπους:

όπου C=C1=C2 (ορίζεται πριν από τον υπολογισμό), και a1=1,4142 και b1=1,0 είναι οι ίδιοι συντελεστές πίνακα.

Εικ. 12. Κύκλωμα υψηλοπερατού φίλτρου Butterworth 2ης τάξης.

Οι ειδικοί του MASTER KIT έχουν αναπτύξει και μελετήσει τα χαρακτηριστικά μιας τέτοιας μονάδας φίλτρου, η οποία έχει μέγιστη λειτουργικότητα και ελάχιστες διαστάσεις, κάτι που είναι απαραίτητο κατά τη χρήση της συσκευής στην καθημερινή ζωή. Η χρήση της σύγχρονης βάσης στοιχείων κατέστησε δυνατή τη διασφάλιση της μέγιστης ποιότητας ανάπτυξης.

Τεχνικά χαρακτηριστικά της μονάδας φίλτρου

Το διάγραμμα ηλεκτρικού κυκλώματος του ενεργού φίλτρου φαίνεται στην Εικ. 13. Η λίστα των στοιχείων φίλτρου δίνεται στον πίνακα.

Το φίλτρο κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας τέσσερις λειτουργικούς ενισχυτές. Οι op-amp συνδυάζονται σε ένα πακέτο IC MC3403 (DA2). Το DA1 (LM78L09) περιέχει σταθεροποιητή τάσης τροφοδοσίας με αντίστοιχους πυκνωτές φίλτρου: C1, C3 στην είσοδο και C4 στην έξοδο. Ένα τεχνητό μεσαίο σημείο δημιουργείται στον ωμικό διαιρέτη R2, R3 και στον πυκνωτή C5.

Ο ενισχυτής λειτουργίας DA2.1 διαθέτει έναν καταρράκτη buffer για τη σύζευξη των σύνθετων αντιστάσεων εξόδου και εισόδου της πηγής σήματος και των φίλτρων χαμηλής διέλευσης, υψηλής διέλευσης και μεσαίας εμβέλειας. Ένα χαμηλοπερατό φίλτρο συναρμολογείται στον op-amp DA2.2 και ένα υψιπερατό φίλτρο συναρμολογείται στον op-amp DA2.3. Το Op-amp DA2.4 εκτελεί τη λειτουργία ενός διαμορφωτή φίλτρου μεσαίου εύρους ζώνης.

Η τάση τροφοδοσίας παρέχεται στις επαφές X3 και X4 και το σήμα εισόδου παρέχεται στις επαφές X1, X2. Το φιλτραρισμένο σήμα εξόδου για τη διαδρομή χαμηλής συχνότητας αφαιρείται από τις επαφές X5, X9. με X6, X8 – HF και με X7, X10 – MF μονοπάτια, αντίστοιχα.

Εικ. 13. Διάγραμμα ηλεκτρικού κυκλώματος ενεργού φίλτρου τριών ζωνών

Λίστα στοιχείων ενός ενεργού φίλτρου τριών ζωνών

ΕμφάνισηΤο φίλτρο φαίνεται στο Σχ. 14, η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος φαίνεται στο Σχ. 15, η θέση των στοιχείων φαίνεται στο Σχ. 16.

Δομικά, το φίλτρο είναι κατασκευασμένο πλακέτα τυπωμένου κυκλώματοςαπό αλουμινόχαρτο fiberglass. Ο σχεδιασμός προβλέπει την τοποθέτηση της σανίδας σε μια τυπική θήκη BOX-Z24A για το σκοπό αυτό, υπάρχουν οπές στερέωσης κατά μήκος των άκρων της σανίδας με διάμετρο 4 και 8 mm. Η σανίδα στερεώνεται στη θήκη με δύο βίδες με αυτοκόλλητη τομή.

Εικ. 14. Εξωτερική προβολή του ενεργού φίλτρου.

Εικ. 15. Πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος ενεργού φίλτρου.

Εικ. 16. Διάταξη στοιχείων στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος ενεργού φίλτρου.

Τα ενεργά φίλτρα ονομάζονται συνήθως κυκλώματα που αποτελούνται από αντιστάσεις, πυκνωτές και λειτουργικούς ενισχυτές ως ενεργά στοιχεία. Λόγω της υψηλής αντίστασης εισόδου του op-amp (μονάδες MGO), του κέρδους του (10 4 -10 6) και της χαμηλής αντίστασης εξόδου (δεκάδες ohms), ήταν δυνατό να βελτιωθεί δραματικά η ποιοτική απόδοση των ενεργών φίλτρων όταν χρησιμοποιούνται μαζί με παθητικά κυκλώματα RC.

Υπάρχουν φίλτρα χαμηλής διέλευσης, υψηλής διέλευσης και ζώνης. Οι κύριες παράμετροι των φίλτρων μπορούν να προσδιοριστούν από τα χαρακτηριστικά πλάτους-συχνότητας (AFC). Οι κύριες παράμετροι των φίλτρων χαμηλής και υψηλής διέλευσης είναι ο συντελεστής μετάδοσης στη ζώνη διέλευσης ΝΑ 0 , συχνότητα αποκοπής φά ντο, που αντιστοιχεί στο επίπεδο 0,707 ΝΑ 0 , καθώς και η κλίση της απόκρισης συχνότητας στην οριακή ζώνη και η ανομοιομορφία στη ζώνη διέλευσης. Για τα φίλτρα διέλευσης ζώνης, οι παράμετροι είναι ο συντελεστής μετάδοσης ΝΑ 0 σε συχνότητα συντονισμού φά 0 και παράγοντας ποιότητας, όπου ∆ φά- εύρος ζώνης στα 0,707 ΝΑ 0 (Εικ. 6.5, β).

Στα ενεργά φίλτρα, τα κυκλώματα RC που εξαρτώνται από τη συχνότητα μπορούν να συνδεθούν χωριστά στην είσοδο του ενισχυτή λειτουργίας, στο κύκλωμα ανάδρασης ή μαζί. Το σχήμα 6.4 δείχνει τα απλούστερα κυκλώματα ενεργών φίλτρων χαμηλής και υψηλής διέλευσης και τα χαρακτηριστικά πλάτους-συχνότητας τους (AFC).

Τα δεδομένα κυκλώματα είναι φίλτρα πρώτη παραγγελίακαι έχουν κλίση απόκρισης συχνότητας στη ζώνη περιορισμού 20 dB/dec.

Συνδυάζοντας φίλτρα χαμηλής διέλευσης και υψηλής διέλευσης (Εικ. 6.4, α, γ), μπορείτε να αποκτήσετε ένα ζωνοπερατό φίλτρο που φαίνεται στην Εικ. 6.5, α.

Ας παρουσιάσουμε τους υπολογισμένους λόγους για τα θεωρούμενα ενεργά φίλτρα. Συχνότητα αποκοπής για χαμηλοπερατό φίλτρο

Συχνότητα συντονισμού φίλτρου ζώνης διέλευσης

για φίλτρο διέλευσης ζώνης

6.2 Περιγραφή πειραματικών σχεδίων

Αυτή η εργασία εξετάζει πολλά αναλογικά κυκλώματα χρησιμοποιώντας λειτουργικούς ενισχυτές (op-amps). Το σχήμα 6.6α δείχνει το κύκλωμα ενός μη αντιστρεφόμενου ενισχυτή με διαχωριστή R 1 ,R 2 στο αρνητικό κύκλωμα ανατροφοδότηση. Το σχήμα 6.6β δείχνει το κύκλωμα ενός αναστροφικού αθροιστή με δύο εισόδους. Όταν το κλειδί είναι κλειστό μικρό 1 το κέρδος του αθροιστή αλλάζει. Αυτό το κύκλωμα έχει επίσης σχεδιαστεί για τη μελέτη ενός αναστροφικού ενισχυτή χρησιμοποιώντας μόνο μία είσοδο αθροιστή.

Εικόνα 6.6. Κυκλώματα ενός μη αναστροφικού ενισχυτή (a), ενός αναστροφικού αθροιστή (b) και ενός ενεργού φίλτρου (c)

Τα σήματα εισόδου και για τα δύο κυκλώματα καθορίζονται από τις πηγές μι 1 Και μι 2 , τα οποία εγκαθίστανται χρησιμοποιώντας τις λαβές “E 1” και “E 2”.

Το Σχήμα 6.6γ δείχνει ένα διάγραμμα ενός ενεργού φίλτρου σε έναν ενισχυτή λειτουργίας, στο οποίο, χρησιμοποιώντας διακόπτη πλήκτρων μικρό 2 Και μικρό 3 Μπορούν να εφαρμοστούν τρεις τύποι φίλτρων. Έτσι, όταν τα πλήκτρα είναι ανοιχτά, έχουμε ένα υψηλοπερατό φίλτρο, όταν το κλειδί είναι κλειστό μικρό 3 παίρνουμε ένα bandpass φίλτρο, και όταν τα πλήκτρα είναι κλειστά μικρό 2 Και μικρό 3 - χαμηλοπερατό φίλτρο. Η συχνότητα του σήματος εισόδου ρυθμίζεται από το διακόπτη «kHz(α)» και ποικίλλει σε πλάτος με το κουμπί «E g».

Τα διαγράμματα που δίνονται έχουν την ίδια εικόνα στον πίνακα επικάλυψης της βάσης υποδεικνύοντας τον αριθμό των σημείων ελέγχου (Εικ. 1, Εικ. 2 και Εικ. 3, αντίστοιχα).

Δεδομένα σχήματος στο Σχ. 6.6,a: R 1 =10 kOhm, R 2 = 20 kOhm.

Δεδομένα σχήματος στο Σχ. 6.6, β: R 1 =R 2 =10 kOhm, R 3 =R 4 = 50 kOhm.

Δεδομένα σχήματος στο Σχ. 6.6γ: R 1 =R 2 =6,8 kOhm, ΜΕ 1 =ΜΕ 2 =0,022 μF

6.3 Εντολή εργασίας

Πριν ξεκινήσετε τα πειράματα, προετοιμάστε τη βάση για εργασία σύμφωνα με τις οδηγίες σε αυτό το εγχειρίδιο.

6.3.1 Μελέτη μη αναστροφικού ενισχυτή(Εικ. 6.6, α)

Αφαιρέστε το χαρακτηριστικό μεταφοράς του ενισχυτή
. Περάστε τις πρίζες X2Και Χ5και αλλάξτε την τάση εισόδου με το κουμπί «E 1» από τη μέγιστη αρνητική στη μέγιστη θετική τιμή. Διορθώστε τις τάσεις εισόδου και εξόδου στις πρίζες Χ1Και Χ6χρησιμοποιώντας ψηφιακό βολτόμετρο. Εισαγάγετε τα δεδομένα μέτρησης στον Πίνακα 6.1.

Πίνακας 6.1

Καθώς η σειρά του φίλτρου αυξάνεται, οι ιδιότητες φιλτραρίσματος του βελτιώνονται. Ένα φίλτρο δεύτερης τάξης εφαρμόζεται πολύ απλά σε έναν op-amp. Για την εφαρμογή φίλτρων χαμηλής διέλευσης, υψηλής διέλευσης και ζώνης διέλευσης, το κύκλωμα φίλτρου Sallen-Key δεύτερης τάξης έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως. Στο Σχ. 17 δείχνει την έκδοσή του για χαμηλοπερατό φίλτρο. Αρνητική ανάδραση που δημιουργείται με χρήση διαιρέτη τάσης R 3, (α – 1) R 3, παρέχει κέρδος ίσο με α. Η θετική ανάδραση οφείλεται στην παρουσία ενός πυκνωτή ΜΕ 2. Η λειτουργία μεταφοράς φίλτρου έχει τη μορφή:

Εικ. 17. Ενεργό χαμηλοπερατό φίλτρο δεύτερης τάξης

Ο υπολογισμός του κυκλώματος είναι πολύ απλοποιημένος εάν ορίσετε κάποιες επιπλέον προϋποθέσεις από την αρχή. Μπορείτε να επιλέξετε το κέρδος a = 1. Στη συνέχεια (a – 1) R 3 = 0, και ο ωμικός διαιρέτης τάσης στο κύκλωμα αρνητικής ανάδρασης μπορεί να εξαλειφθεί. Ο ενισχυτής λειτουργίας αποδεικνύεται ότι είναι συνδεδεμένος σύμφωνα με ένα κύκλωμα ακολούθου που δεν αντιστρέφεται. Στην απλούστερη περίπτωση, μπορεί ακόμη και να αντικατασταθεί από έναν ακόλουθο πομπού σε ένα σύνθετο τρανζίστορ. Όταν a = 1, η συνάρτηση μεταφοράς φίλτρου παίρνει τη μορφή:

Υποθέτοντας ότι οι χωρητικότητες των πυκνωτών ΜΕ 1 και ΜΕΕπιλέγονται 2, παίρνουμε για τις δεδομένες τιμές ΕΝΑ 1 και σι 1 (βλ. (13)):

.

Στις αξίες R 1 και R 2 ήταν έγκυρα, πρέπει να πληρούται η προϋπόθεση

.

Οι υπολογισμοί μπορούν να απλοποιηθούν βάζοντας R 1 =R 2 =RΚαι ΜΕ 1 =ΜΕ 2 =ΜΕ. Σε αυτή την περίπτωση, για την εφαρμογή φίλτρων διαφόρων τύπων, είναι απαραίτητο να αλλάξετε την τιμή του συντελεστή α. Η συνάρτηση μεταφοράς φίλτρου θα έχει τη μορφή

.

Από εδώ, λαμβάνοντας υπόψη τον τύπο (13), λαμβάνουμε

,

.

Από την τελευταία σχέση είναι σαφές ότι ο συντελεστής α καθορίζει τον παράγοντα ποιότητας των πόλων και δεν επηρεάζει τη συχνότητα αποκοπής. Η τιμή του a σε αυτή την περίπτωση καθορίζει τον τύπο του φίλτρου.

Ανταλλάσσοντας αντιστάσεις και πυκνωτές παίρνουμε φίλτρο υψηλής διέλευσης(Εικ. 18). Η συνάρτηση μεταφοράς του έχει τη μορφή:

Ρύζι. 18. Δεύτερης τάξης ενεργό υψηλοπερατό φίλτρο

Για να απλοποιήσουμε τους υπολογισμούς, ας ορίσουμε a = 1 και ΜΕ 1 =ΜΕ 2 =ΜΕ. Σε αυτή την περίπτωση λαμβάνουμε τους ακόλουθους τύπους:

Κ μπεσκ = 1,R 1 = 2/w γ Ca 1 , R 2 =ένα 1/2w γ Cb 1 .

Εάν η απόκριση συχνότητας ενός φίλτρου δεύτερης τάξης δεν είναι αρκετά απότομη, θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα φίλτρο υψηλότερης τάξης. Για να γίνει αυτό, οι σύνδεσμοι που αντιπροσωπεύουν φίλτρα πρώτης και δεύτερης τάξης συνδέονται σε σειρά. Σε αυτή την περίπτωση, η απόκριση συχνότητας των τμημάτων του φίλτρου πολλαπλασιάζεται (σε ​​λογαριθμική κλίμακα - προστίθεται). Ωστόσο, λάβετε υπόψη ότι η σύνδεση, για παράδειγμα, δύο φίλτρων Butterworth δεύτερης τάξης σε σειρά δεν θα οδηγήσει σε φίλτρο Butterworth τέταρτης τάξης. Το φίλτρο που προκύπτει θα έχει διαφορετική συχνότητα αποκοπής και διαφορετική απόκριση συχνότητας. Επομένως, είναι απαραίτητο να ρυθμίσετε τους συντελεστές των τμημάτων του φίλτρου έτσι ώστε το αποτέλεσμα του πολλαπλασιασμού των χαρακτηριστικών συχνότητάς τους να αντιστοιχεί στον επιθυμητό τύπο φίλτρου.

Bandpass φίλτροη δεύτερη σειρά μπορεί να υλοποιηθεί με βάση το σχήμα Sallen-Key, όπως φαίνεται στο Σχ. 19. Η συνάρτηση μεταφοράς φίλτρου έχει τη μορφή:

.

(22)

Ρύζι. 19. Κύκλωμα φίλτρου ζώνης δεύτερης τάξης

Εξισώνοντας τους συντελεστές αυτής της έκφρασης με τους συντελεστές της συνάρτησης μεταφοράς (18), λαμβάνουμε τύπους για τον υπολογισμό των παραμέτρων του φίλτρου:

φά p = 1/2p R.C.; Κ p = a /(3 – a); Q= 1/(3 – a ).

Το μειονέκτημα του κυκλώματος είναι ότι το κέρδος στη συχνότητα συντονισμού Κ p και παράγοντας ποιότητας Qδεν είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους. Το πλεονέκτημα του κυκλώματος είναι ότι ο συντελεστής ποιότητάς του ποικίλλει ανάλογα με το α, ενώ η συχνότητα συντονισμού δεν εξαρτάται από τον συντελεστή α.

Ένα ενεργό φίλτρο απόρριψης μπορεί να εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας μια διπλή γέφυρα T. Αν και η ίδια η διπλή γέφυρα T είναι ένα φίλτρο απόρριψης, ο συντελεστής ποιότητάς της είναι μόνο 0,25. Μπορεί να αυξηθεί εάν η γέφυρα περιλαμβάνεται στο κύκλωμα ανάδρασης op-amp. Μία από τις παραλλαγές ενός τέτοιου σχήματος φαίνεται στο Σχ. 20. Σήματα υψηλής και χαμηλής συχνότητας περνούν από τη διπλή γέφυρα Τ χωρίς αλλαγή. Για αυτούς, η τάση εξόδου του φίλτρου είναι ίση με α Uεισαγωγή Στη συχνότητα συντονισμού, η τάση εξόδου είναι μηδέν. Η συνάρτηση μεταφοράς του κυκλώματος στο Σχ. 20 έχει τη μορφή.

Όταν σχεδιάζετε ένα ενεργό φίλτρο με βάση έναν ενισχυτή λειτουργίας, πρέπει να προσδιορίζονται εκ των προτέρων τα ακόλουθα δεδομένα:

διαθέσιμα τροφοδοτικά – διπολικά ή μονοπολικά.

εύρος μεταδιδόμενων και φιλτραρισμένων συχνοτήτων.

συχνότητα μετάβασης, δηλαδή το σημείο του χαρακτηριστικού στο οποίο αρχίζει να λειτουργεί το φίλτρο ή η συχνότητα συντονισμού γύρω από την οποία το χαρακτηριστικό του φίλτρου είναι συμμετρικό.

η αρχική τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή: για φίλτρα υψηλής διέλευσης (HPF) θα πρέπει να επιλεγεί από 100 pF και για φίλτρα χαμηλής διέλευσης - από 0,1 μF.

Ας εξετάσουμε έξι επιλογές για ενεργές δομές φίλτρων. Στα χαρακτηριστικά συχνότητας, η περιοχή μετάδοσης συχνότητας είναι σκιασμένη.

1. Χαμηλοπερατό φίλτρο (LPF). Το κύκλωμα φίλτρου για ένα διπολικό τροφοδοτικό φαίνεται στο Σχ. P.2.1a, και για μονοπολικό - στο Σχ. P.2.1b. Η απόκριση πλάτους του φίλτρου φαίνεται στο Σχ. Σ.2.2. Ένα τέτοιο φίλτρο είναι ένα φίλτρο κέρδους μονάδας.

ΕΝΑ

σι

Διαδικασία υπολογισμού

1. Επιλέξτε το μέγεθος της χωρητικότητας C1 (σύμφωνα με τις συστάσεις).

2. Μετράμε ΜΕ 2 = 2ΜΕ 1 .

3. Υπολογίστε τις τιμές των αντιστάσεων R1 και R2:

,

Οπου φά

Για ένα φίλτρο με μονοπολική παροχή ρεύματος (Εικ. 1β) ΜΕσε = ΜΕέξω = (100…1000) ΜΕ 1 (όχι κρίσιμο), αλλά R 3 = R 4 = 100 kOhm.

2. Υψηλοπερατό φίλτρο (HPF). Το κύκλωμα φίλτρου για ένα διπολικό τροφοδοτικό φαίνεται στο Σχ. P.2.3a, και για μονοπολικό - στο Σχ. P.2.3b. Η απόκριση πλάτους του φίλτρου φαίνεται στο Σχ. Π.2.4.

ΕΝΑ)

σι)

Διαδικασία υπολογισμού

1. Επιλέξτε ΜΕ 1 = ΜΕ 2 (σύμφωνα με συστάσεις).

2. Υπολογίστε την τιμή της αντίστασης R1:

,

3. Υπολογίστε την τιμή της αντίστασης R2:

,

Οπου φά– συχνότητα της θεμελιώδους αρμονικής της τάσης εξόδου του φίλτρου.

ΜΕσε = ΜΕέξω = (100…1000) ∙ ΜΕ 1 (όχι κρίσιμο).

3. Φίλτρο στενής ζώνης. Το κύκλωμα φίλτρου για ένα διπολικό τροφοδοτικό φαίνεται στο Σχ. P.2.5a, και για μονοπολικό - στο Σχ. Σελ.2.5β. Η απόκριση πλάτους του φίλτρου φαίνεται στο Σχ. Σ.2.6.

ΕΝΑ)

σι)

Ο παράγοντας ποιότητας ενός τέτοιου φίλτρου Q= 10, που μας επιτρέπει να λάβουμε τον συντελεστή μετάδοσης κ= 10 γιατί

.

Δεν συνιστάται η επιλογή συντελεστή υψηλότερης ποιότητας, καθώς το γινόμενο του κέρδους και του εύρους ζώνης του λειτουργικού ενισχυτή μπορεί εύκολα να επιτευχθεί ακόμη και με κ= 20 dB. Πρέπει να παρέχεται τουλάχιστον ένα εύρος ζώνης 40 dB πάνω από τη μέγιστη συχνότητα συντονισμού. Ο ρυθμός περιστροφής της τάσης εξόδου του λειτουργικού ενισχυτή πρέπει να είναι επαρκής ώστε να διασφαλίζεται ότι το πλάτος της τάσης εξόδου στη συχνότητα συντονισμού φτάνει το απαιτούμενο επίπεδο.

Διαδικασία υπολογισμού

1. Επιλέξτε ΜΕ 1 = ΜΕ 2 .

,

Οπου φά

3. Μετράμε R 2 = R 1/19 και R 3 = 19 · R 1 .

Για ένα φίλτρο με μονοπολική παροχή ρεύματος (Εικ. 3β) ΜΕσε = ΜΕέξω = (100…1000) ∙ ΜΕ 1 (όχι κρίσιμο).

4. Φίλτρο ευρείας ζώνης. Το κύκλωμα φίλτρου για ένα διπολικό τροφοδοτικό φαίνεται στο Σχ. 7α, και για μονοπολικό – στο Σχ. Σ.2.7β. Η απόκριση πλάτους του φίλτρου φαίνεται στο Σχ. Π.2.8. Οι συχνότητες έναρξης και λήξης της ζώνης διέλευσης πρέπει να διαφέρουν τουλάχιστον πέντε φορές.

ΕΝΑ)

σι)

Αυτό δεν είναι τίποτα άλλο από μια σειρά από φίλτρα υψηλής και χαμηλής διέλευσης Salen-Key. Το υψιπερατό φίλτρο τρέχει πρώτο, επομένως η ενέργεια εξόδου του, η οποία τείνει σε άπειρη συχνότητα, περνά μέσα από το φίλτρο χαμηλής διέλευσης.

Διαδικασία υπολογισμού

1. Χρησιμοποιώντας την ενότητα 2, υπολογίζουμε το υψηλοπερατό φίλτρο για το κατώτερο όριο του εύρους ζώνης.

2. Χρησιμοποιώντας την ενότητα 1, υπολογίζουμε το φίλτρο χαμηλής συνομιλίας για το ανώτερο όριο του εύρους ζώνης.

Για ένα φίλτρο με μονοπολική παροχή ρεύματος (Εικ. 3β) ΜΕσε = ΜΕέξω = (100…1000) ∙ ΜΕ 1 (όχι κρίσιμο).

5. Βύσμα φίλτρου. Το κύκλωμα φίλτρου για ένα διπολικό τροφοδοτικό φαίνεται στο Σχ. 9α, και για μονοπολικό – στο Σχ. Σ.2.9β. Η απόκριση πλάτους του φίλτρου φαίνεται στο Σχ. Π.2.10. Οι συχνότητες έναρξης και λήξης της ζώνης διέλευσης πρέπει να διαφέρουν τουλάχιστον πέντε φορές.

ΕΝΑ)

σι)

Σε ένα τέτοιο σχήμα, ο παράγοντας ποιότητας Q= 10. Μπορεί να ρυθμιστεί ανεξάρτητα από τη συχνότητα συντονισμού αλλάζοντας τα R1 και R2. Ο παράγοντας ποιότητας εξαρτάται από την αντίσταση, η οποία ορίζει τη συχνότητα συντονισμού ως εξής:

.

Με αυτήν την τοπολογία κυκλώματος φίλτρου, ο συντελεστής μετάδοσης είναι 1.

Το μόνο πρόβλημα είναι το πλάτος του θορύβου κοινής λειτουργίας του κάτω ενισχυτή στην περίπτωση μονοπολικής παροχής.

Διαδικασία υπολογισμού

1. Επιλέξτε ΜΕ 1 = ΜΕ 2 .

2. Υπολογίστε τις τιμές των αντιστάσεων:

,

Οπου φά– συχνότητα τάσης εισόδου.

3. Μετράμε R 1 = R 2 = 20 · R 3 .

Για ένα φίλτρο με μονοπολική παροχή ρεύματος (Εικ. 3β) ΜΕσε = ΜΕέξω = (100…1000) ∙ ΜΕ 1 (όχι κρίσιμο), R 5 = R 6 = 100 kOhm.

5. Φίλτρο Band-stop. Το κύκλωμα φίλτρου για ένα διπολικό τροφοδοτικό φαίνεται στο Σχ. P.2.11a, και για μονοπολικό - στο Σχ. Π.2.11β. Η απόκριση πλάτους του φίλτρου φαίνεται στο Σχ. Π.2.12. Οι συχνότητες έναρξης και λήξης της ζώνης διέλευσης πρέπει να διαφέρουν τουλάχιστον πενήντα φορές.

ΕΝΑ)

σι)

Ρύζι. Π.2.12

Σε αυτήν την περίπτωση, δεν είναι δυνατή η διαδοχή, καθώς τα χαρακτηριστικά του φίλτρου δεν επικαλύπτονται, όπως στην περίπτωση ενός φίλτρου ευρείας ζώνης

1. Χρησιμοποιώντας την Ενότητα 2, υπολογίζουμε το υψηλοπερατό φίλτρο για το κάτω όριο της άνω ζώνης διέλευσης.

2. Χρησιμοποιώντας την Ενότητα 1, υπολογίζουμε το χαμηλοπερατό φίλτρο για το ανώτερο όριο της κάτω ζώνης διέλευσης.

Για ένα φίλτρο με μονοπολική παροχή ρεύματος (Εικ. 3β) ΜΕσε = ΜΕέξω =
= (100…1000) ∙ ΜΕ 1 (όχι κρίσιμο). R 3 = R 4 = R 5 = 100 k.

Παράρτημα 3

ΕΝΕΡΓΟΙ ΑΝΟΡΘΩΤΕΣ

Συχνά είναι απαραίτητο να απομονωθεί ένα στοιχείο σήματος μιας πολικότητας (διόρθωση μισού κύματος) ή να προσδιοριστεί η απόλυτη τιμή του σήματος (διόρθωση πλήρους κύματος). Τέτοια κυκλώματα μπορούν να υλοποιηθούν χρησιμοποιώντας κυκλώματα αντίστασης διόδου. Ωστόσο, η μεγάλη πτώση τάσης κατά μήκος της διόδου σε μπροστινή πόλωση (0,5–1 V) και η μη γραμμικότητα των χαρακτηριστικών ρεύματος-τάσης τους θα προκαλέσει σημαντικά σφάλματα, ειδικά σε χαμηλά επίπεδα σήματος εισόδου. Η χρήση op-amps μας επιτρέπει να μειώσουμε σημαντικά την επίδραση των χαρακτηριστικών των πραγματικών διόδων.

Τα κυκλώματα των ανορθωτών μισού κύματος που δεν αντιστρέφονται φαίνονται στο Σχ. Σ.3.1. ( Καιέξω > 0 – εικ. P.3.1a; Καιέξω< 0 – рис. П.3.1б) Диод VD2 необходим для повышения быстродействия схем за счет замыкания выхода ОУ на землю. Поэтому следует использовать такие ОУ, которые допускают короткоезамыкание выхода в течение длительного времени. При отсутствии этого диода в режиме отсечки ОУ будет входить в состояние ограничения сигнала на уровне напряжения питания.

ΕΝΑ

σι

Ρύζι. Π.3.2

Το κύκλωμα ενός ενεργού ανορθωτή πλήρους κύματος φαίνεται στο Σχ. Π.3.2. Σε ένα τέτοιο κύκλωμα, χρησιμοποιείται μια αναστροφή σύνδεσης του op-amp και παρέχονται οι ίδιες αντιστάσεις εισόδου και για τα δύο μισά κύματα της τάσης εξόδου. Το κύκλωμα αποτελείται από έναν αθροιστή (DA2) και έναν ανορθωτή μισού κύματος που βασίζεται σε έναν ενισχυτή op-amp (DA1).

Ας εξετάσουμε τους τρόπους λειτουργίας του op-amp DA1. Με θετική τάση εισόδου, το DA1 λειτουργεί ως ενισχυτής αναστροφής - τάσης ΚαιΤο 2 είναι αρνητικό, επομένως η δίοδος VD1 είναι ανοιχτή και η δίοδος VD2 ​​είναι κλειστή. Ως αποτέλεσμα Και 1 = –Καιεισαγωγή Όταν η τάση εισόδου είναι αρνητική, ΚαιΤο 2 γίνεται θετικό και η δίοδος VD1 απενεργοποιείται και το VD2 ξεκλειδώνεται. Το κύκλωμα αρνητικής ανάδρασης είναι κλειστό, με αποτέλεσμα το σημείο άθροισης να παραμένει στο μηδέν δυναμικό. Εφόσον η δίοδος VD1 είναι κλειδωμένη, η τάση ΚαιΤο 1 είναι επίσης μηδέν.

Γιούρι Σαντίκοφ
Μόσχα

Το άρθρο παρουσιάζει τα αποτελέσματα των εργασιών για τη δημιουργία μιας συσκευής που είναι ένα σύνολο ενεργών φίλτρων για την κατασκευή ενισχυτών χαμηλής συχνότητας τριών ζωνών υψηλής ποιότητας των κλάσεων HiFi και HiEnd.

Κατά τη διαδικασία των προκαταρκτικών μελετών της συνολικής απόκρισης συχνότητας ενός ενισχυτή τριών ζωνών που κατασκευάστηκε με χρήση τριών ενεργών φίλτρων δεύτερης τάξης, αποδείχθηκε ότι αυτό το χαρακτηριστικό έχει πολύ υψηλή ανομοιομορφία σε οποιεσδήποτε συχνότητες διασταύρωσης φίλτρων. Ταυτόχρονα, είναι πολύ σημαντικό για την ακρίβεια των ρυθμίσεων του φίλτρου. Ακόμη και με μια μικρή αναντιστοιχία, η ανομοιομορφία της συνολικής απόκρισης συχνότητας μπορεί να είναι 10...15 dB!

Το MASTER KIT παράγει το κιτ NM2116, από το οποίο μπορείτε να συναρμολογήσετε ένα σετ φίλτρων, κατασκευασμένα με βάση δύο φίλτρα και έναν αφαιρετικό αθροιστή, ο οποίος δεν έχει τα προαναφερθέντα μειονεκτήματα. Η ανεπτυγμένη συσκευή δεν είναι ευαίσθητη στις παραμέτρους των συχνοτήτων αποκοπής μεμονωμένων φίλτρων και ταυτόχρονα παρέχει μια εξαιρετικά γραμμική απόκριση συνολικής συχνότητας.

Τα κύρια στοιχεία του σύγχρονου εξοπλισμού αναπαραγωγής ήχου υψηλής ποιότητας είναι τα ακουστικά συστήματα (AS).

Τα απλούστερα και φθηνότερα είναι τα ηχεία μονής κατεύθυνσης που περιέχουν ένα μεγάφωνο. Τέτοια ακουστικά συστήματα δεν είναι ικανά να λειτουργούν με υψηλή ποιότητα σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων λόγω της χρήσης ενός μόνο ηχείου (κεφαλή μεγαφώνου - GG). Κατά την αναπαραγωγή διαφορετικών συχνοτήτων, τίθενται διαφορετικές απαιτήσεις στο GG. Στις χαμηλές συχνότητες (LF), το ηχείο πρέπει να έχει μεγάλο και άκαμπτο κώνο, χαμηλή συχνότητα συντονισμού και μεγάλη διαδρομή (για να αντλεί μεγάλο όγκο αέρα). Και στις υψηλές συχνότητες (HF), αντίθετα, χρειάζεστε έναν μικρό, ελαφρύ αλλά συμπαγή διαχύτη με μικρή διαδρομή. Είναι σχεδόν αδύνατο να συνδυαστούν όλα αυτά τα χαρακτηριστικά σε ένα μεγάφωνο (παρά τις πολυάριθμες προσπάθειες), επομένως ένα μόνο μεγάφωνο έχει ανομοιομορφία υψηλής συχνότητας. Επιπλέον, στα ηχεία ευρείας ζώνης υπάρχει ένα φαινόμενο ενδοδιαμόρφωσης, το οποίο εκδηλώνεται στη διαμόρφωση των στοιχείων υψηλής συχνότητας ενός ηχητικού σήματος από τα χαμηλής συχνότητας. Ως αποτέλεσμα, η εικόνα ήχου διακόπτεται. Η παραδοσιακή λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι να διαιρεθεί το αναπαραγόμενο εύρος συχνοτήτων σε υποπεριοχές και να κατασκευαστούν ακουστικά συστήματα βασισμένα σε πολλά ηχεία για κάθε επιλεγμένο υποεύρος συχνοτήτων.

Παθητικά και ενεργητικά φίλτρα ηλεκτρικής απομόνωσης

Για να μειωθεί το επίπεδο παραμόρφωσης της ενδοδιαμόρφωσης, τοποθετούνται ηλεκτρικά φίλτρα crossover μπροστά από τα μεγάφωνα. Αυτά τα φίλτρα εκτελούν επίσης τη λειτουργία της διανομής της ενέργειας του ηχητικού σήματος μεταξύ του GG. Είναι σχεδιασμένα για μια συγκεκριμένη συχνότητα crossover, πέρα ​​από την οποία το φίλτρο παρέχει μια επιλεγμένη ποσότητα εξασθένησης, εκφρασμένη σε ντεσιμπέλ ανά οκτάβα. Η κλίση της εξασθένησης του διαχωριστικού φίλτρου εξαρτάται από τον σχεδιασμό της κατασκευής του. Το φίλτρο πρώτης τάξης παρέχει εξασθένηση 6 dB/oct, η δεύτερη τάξη - 12 dB/oct και η τρίτη τάξη - 18 dB/oct. Τις περισσότερες φορές, φίλτρα δεύτερης τάξης χρησιμοποιούνται στα ηχεία. Τα φίλτρα υψηλότερης τάξης χρησιμοποιούνται σπάνια στα ηχεία λόγω της πολύπλοκης εφαρμογής των ακριβών τιμών των στοιχείων και της έλλειψης ανάγκης για υψηλότερες κλίσεις εξασθένησης.

Η συχνότητα διαχωρισμού του φίλτρου εξαρτάται από τις παραμέτρους του GG που χρησιμοποιείται και από τις ιδιότητες της ακοής. Η καλύτερη επιλογή συχνότητας crossover είναι η λειτουργία κάθε ηχείου GG εντός της περιοχής δράσης του εμβόλου του διαχύτη. Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση, το ηχείο πρέπει να έχει πολλές συχνότητες crossover (αντίστοιχα GG), γεγονός που αυξάνει σημαντικά το κόστος του. Είναι τεχνικά δικαιολογημένο ότι για αναπαραγωγή ήχου υψηλής ποιότητας αρκεί η χρήση διαχωρισμού συχνότητας τριών ζωνών. Ωστόσο, στην πράξη υπάρχουν συστήματα ηχείων 4, 5, ακόμη και 6 κατευθύνσεων. Η πρώτη (χαμηλή) συχνότητα διασταύρωσης επιλέγεται στην περιοχή των 200...400 Hz και η δεύτερη (μεσαία) συχνότητα διασταύρωσης στην περιοχή των 2500...4000 Hz.

Παραδοσιακά, τα φίλτρα κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας παθητικά στοιχεία L, C, R και εγκαθίστανται απευθείας στην έξοδο του τελικού ενισχυτή ισχύος (PA) στο περίβλημα των ηχείων, σύμφωνα με το σχήμα 1.

Εικ.1. Παραδοσιακή απόδοση ηχείων.

Ωστόσο, αυτός ο σχεδιασμός έχει μια σειρά από μειονεκτήματα. Πρώτον, για να εξασφαλιστούν οι απαιτούμενες συχνότητες αποκοπής, είναι απαραίτητο να εργαστείτε με επαρκώς μεγάλες επαγωγές, καθώς πρέπει να πληρούνται δύο προϋποθέσεις ταυτόχρονα - να παρέχεται η απαιτούμενη συχνότητα αποκοπής και να διασφαλίζεται ότι το φίλτρο ταιριάζει με το GG (με άλλα λόγια, είναι αδύνατο να μειωθεί η αυτεπαγωγή αυξάνοντας την χωρητικότητα που περιλαμβάνεται στο φίλτρο). Συνιστάται να τυλίξετε επαγωγείς σε πλαίσια χωρίς τη χρήση σιδηρομαγνητών λόγω της σημαντικής μη γραμμικότητας της καμπύλης μαγνήτισής τους. Κατά συνέπεια, οι επαγωγείς αέρα είναι αρκετά ογκώδεις. Επιπλέον, υπάρχει ένα σφάλμα περιέλιξης, το οποίο δεν επιτρέπει την ακριβή υπολογισμένη συχνότητα αποκοπής.

Το σύρμα που χρησιμοποιείται για την περιέλιξη των πηνίων έχει πεπερασμένη ωμική αντίσταση, η οποία με τη σειρά της οδηγεί σε μείωση της απόδοσης του συστήματος στο σύνολό του και στη μετατροπή μέρους της χρήσιμης ισχύος του PA σε θερμότητα. Αυτό είναι ιδιαίτερα αισθητό στους ενισχυτές αυτοκινήτων, όπου η τάση τροφοδοσίας περιορίζεται στα 12 V. Επομένως, για την κατασκευή στερεοφωνικών συστημάτων αυτοκινήτου, χρησιμοποιούνται συχνά GG με μειωμένη αντίσταση περιέλιξης (~2...4 Ohms). Σε ένα τέτοιο σύστημα, η εισαγωγή πρόσθετης αντίστασης φίλτρου της τάξης των 0,5 Ohm μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της ισχύος εξόδου κατά 30%...40%.

Όταν σχεδιάζουν έναν ενισχυτή ισχύος υψηλής ποιότητας, προσπαθούν να ελαχιστοποιήσουν την αντίσταση εξόδου του για να αυξήσουν τον βαθμό απόσβεσης του GG. Η χρήση παθητικών φίλτρων μειώνει σημαντικά τον βαθμό απόσβεσης του GG, καθώς η πρόσθετη αντίδραση φίλτρου συνδέεται σε σειρά με την έξοδο του ενισχυτή. Για τον ακροατή, αυτό εκδηλώνεται με την εμφάνιση του «μπουμ» μπάσου.

Μια αποτελεσματική λύση είναι η χρήση όχι παθητικών, αλλά ενεργών ηλεκτρονικών φίλτρων, τα οποία δεν έχουν όλα τα αναφερόμενα μειονεκτήματα. Σε αντίθεση με τα παθητικά φίλτρα, τα ενεργά φίλτρα εγκαθίστανται πριν από το PA όπως φαίνεται στην Εικ. 2.

Εικ.2. Κατασκευή διαδρομής αναπαραγωγής ήχου με χρήση ενεργών φίλτρων.

Τα ενεργά φίλτρα είναι φίλτρα RC σε λειτουργικούς ενισχυτές (op amp). Είναι εύκολο να δημιουργήσετε ενεργά φίλτρα ήχου οποιασδήποτε σειράς και με οποιαδήποτε συχνότητα αποκοπής. Τέτοια φίλτρα υπολογίζονται χρησιμοποιώντας πινακικούς συντελεστές με προεπιλεγμένο τύπο φίλτρου, απαιτούμενη σειρά και συχνότητα αποκοπής.

Η χρήση σύγχρονων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων καθιστά δυνατή την παραγωγή φίλτρων με ελάχιστα ενδογενή επίπεδα θορύβου, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, διαστάσεις και ευκολία εκτέλεσης/αναπαραγωγής. Ως αποτέλεσμα, η χρήση ενεργών φίλτρων οδηγεί σε αύξηση του βαθμού απόσβεσης του GG, μειώνει τις απώλειες ισχύος, μειώνει την παραμόρφωση και αυξάνει την απόδοση της διαδρομής αναπαραγωγής ήχου στο σύνολό της.

Τα μειονεκτήματα αυτής της αρχιτεκτονικής περιλαμβάνουν την ανάγκη χρήσης αρκετών ενισχυτών ισχύος και πολλών ζευγών καλωδίων για τη σύνδεση συστημάτων ηχείων. Ωστόσο, αυτό δεν είναι κρίσιμο αυτή τη στιγμή. Το επίπεδο της σύγχρονης τεχνολογίας έχει μειώσει σημαντικά την τιμή και το μέγεθος του μυαλού. Επιπλέον, έχουν εμφανιστεί πολλοί ισχυροί ενσωματωμένοι ενισχυτές με εξαιρετικά χαρακτηριστικά, ακόμη και για επαγγελματική χρήση. Σήμερα, υπάρχει ένας αριθμός IC με πολλά PA σε μία περίπτωση (η Panasonic παράγει το IC RCN311W64A-P με 6 ενισχυτές ισχύος ειδικά για την κατασκευή στερεοφωνικών συστημάτων τριών κατευθύνσεων). Επιπλέον, το PA μπορεί να τοποθετηθεί μέσα στα ηχεία και μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικρά καλώδια μεγάλης διατομής για τη σύνδεση των ηχείων και το σήμα εισόδου μπορεί να τροφοδοτηθεί μέσω ενός λεπτού θωρακισμένου καλωδίου. Ωστόσο, ακόμη και αν δεν είναι δυνατή η εγκατάσταση του PA μέσα στα ηχεία, η χρήση καλωδίων σύνδεσης πολλαπλών πυρήνων δεν δημιουργεί δύσκολο πρόβλημα.

Μοντελοποίηση και επιλογή της βέλτιστης δομής ενεργών φίλτρων

Κατά την κατασκευή ενός μπλοκ ενεργών φίλτρων, αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί μια δομή αποτελούμενη από ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης (HPF), ένα φίλτρο μέσης συχνότητας (band-pass filter, PSF) και ένα low-pass φίλτρο (LPF).

Αυτή η λύση κυκλώματος εφαρμόστηκε πρακτικά. Κατασκευάστηκε ένα μπλοκ ενεργών φίλτρων LF, HF και PF. Ένας αθροιστής τριών καναλιών επιλέχθηκε ως μοντέλο ηχείου τριών κατευθύνσεων, παρέχοντας άθροισμα των στοιχείων συχνότητας, σύμφωνα με το Σχ. 3.

Εικ.3. Μοντέλο ηχείου τριών καναλιών με σετ ενεργών φίλτρων και φίλτρου στο φίλτρο.

Κατά τη μέτρηση της απόκρισης συχνότητας ενός τέτοιου συστήματος, με βέλτιστα επιλεγμένες συχνότητες αποκοπής, αναμενόταν να ληφθεί μια γραμμική εξάρτηση. Όμως τα αποτελέσματα ήταν μακριά από τα αναμενόμενα. Στα σημεία σύνδεσης των χαρακτηριστικών του φίλτρου παρατηρήθηκαν βυθίσεις/υπέρβαση ανάλογα με την αναλογία των συχνοτήτων αποκοπής των γειτονικών φίλτρων. Ως αποτέλεσμα, επιλέγοντας τις τιμές συχνότητας αποκοπής, δεν ήταν δυνατό να φέρει η απόκριση συχνότητας διέλευσης του συστήματος σε γραμμική μορφή. Η μη γραμμικότητα του χαρακτηριστικού διέλευσης υποδηλώνει την παρουσία παραμορφώσεων συχνότητας στην αναπαραγόμενη μουσική διάταξη. Τα αποτελέσματα του πειράματος παρουσιάζονται στα Σχ. 4, Εικ. 5 και Εικ. 6. Το Σχ. 4 απεικονίζει τη σύζευξη ενός φίλτρου χαμηλής διέλευσης και ενός φίλτρου υψηλής διέλευσης σε τυπικό επίπεδο 0,707. Όπως φαίνεται από το σχήμα, στο σημείο διασταύρωσης η προκύπτουσα απόκριση συχνότητας (εμφανίζεται με κόκκινο χρώμα) έχει σημαντική πτώση. Κατά την επέκταση των χαρακτηριστικών, το βάθος και το πλάτος του διακένου αυξάνονται, αντίστοιχα. Το Σχ. 5 απεικονίζει τη σύζευξη ενός φίλτρου χαμηλής διέλευσης και ενός φίλτρου υψηλής διέλευσης σε επίπεδο 0,93 (μετατόπιση στα χαρακτηριστικά συχνότητας των φίλτρων). Αυτή η εξάρτηση απεικονίζει την ελάχιστη δυνατή ανομοιομορφία της απόκρισης συχνότητας διέλευσης επιλέγοντας τις συχνότητες αποκοπής των φίλτρων. Όπως φαίνεται από το σχήμα, η εξάρτηση δεν είναι σαφώς γραμμική. Σε αυτή την περίπτωση, οι συχνότητες αποκοπής των φίλτρων μπορούν να θεωρηθούν βέλτιστες για ένα δεδομένο σύστημα. Με μια περαιτέρω μετατόπιση στα χαρακτηριστικά συχνότητας των φίλτρων (που ταιριάζουν σε επίπεδο 0,97), εμφανίζεται μια υπέρβαση στην απόκριση συχνότητας διέλευσης στο σημείο σύνδεσης των χαρακτηριστικών του φίλτρου. Μια παρόμοια κατάσταση φαίνεται στο Σχ. 6.

Εικ.4. Απόκριση συχνότητας χαμηλής διέλευσης (μαύρο), απόκριση συχνότητας υψηλής διέλευσης (μαύρο) και απόκριση συχνότητας διέλευσης (κόκκινο), που ταιριάζουν στο επίπεδο 0,707.

Εικ.5. Απόκριση συχνότητας χαμηλής διέλευσης (μαύρο), απόκριση συχνότητας υψηλής διέλευσης (μαύρο) και απόκριση συχνότητας διέλευσης (κόκκινο), που ταιριάζουν στο επίπεδο 0,93.

Εικ.6. Απόκριση συχνότητας χαμηλής διέλευσης (μαύρο), απόκριση συχνότητας υψηλής διέλευσης (μαύρο) και απόκριση συχνότητας διέλευσης (κόκκινο), αντιστοιχία στο επίπεδο 0,97 και εμφάνιση υπέρβασης.

Ο κύριος λόγος για τη μη γραμμικότητα της απόκρισης συχνότητας διέλευσης είναι η παρουσία παραμορφώσεων φάσης στα όρια των συχνοτήτων αποκοπής του φίλτρου.

Ένα παρόμοιο πρόβλημα μπορεί να λυθεί κατασκευάζοντας ένα φίλτρο μεσαίας συχνότητας όχι με τη μορφή ζωνοπερατού φίλτρου, αλλά χρησιμοποιώντας έναν αφαιρετικό αθροιστή σε έναν ενισχυτή op-amp. Τα χαρακτηριστικά ενός τέτοιου PSF διαμορφώνονται σύμφωνα με τον τύπο: Usch = Uin - Uns - Uss

Η δομή ενός τέτοιου συστήματος φαίνεται στο Σχ. 7.

Εικ.7. Μοντέλο ηχείου τριών καναλιών με σετ ενεργών φίλτρων και PSF σε αφαιρετικό αθροιστή.

Με αυτή τη μέθοδο σχηματισμού ενός καναλιού μεσαίας συχνότητας, δεν χρειάζεται να ρυθμίσετε με ακρίβεια τις γειτονικές συχνότητες αποκοπής φίλτρων, επειδή Το σήμα μεσαίας συχνότητας σχηματίζεται αφαιρώντας τα σήματα του φίλτρου υψηλής και χαμηλής διέλευσης από το συνολικό σήμα. Εκτός από την παροχή συμπληρωματικών αποκρίσεων συχνότητας, τα φίλτρα παράγουν επίσης συμπληρωματικές αποκρίσεις φάσης, γεγονός που εγγυάται την απουσία εκπομπών και βυθίσεων στη συνολική απόκριση συχνότητας ολόκληρου του συστήματος.

Η απόκριση συχνότητας του τμήματος μεσαίας συχνότητας με συχνότητες αποκοπής Fav1 = 300 Hz και Fav2 = 3000 Hz φαίνεται στο Σχ. 8. Σύμφωνα με το roll-off της απόκρισης συχνότητας, εξασφαλίζεται εξασθένηση όχι μεγαλύτερη από 6 dB/oct, η οποία, όπως δείχνει η πρακτική, είναι αρκετά επαρκής για την πρακτική εφαρμογή του PSF και την απόκτηση ήχου υψηλής ποιότητας του midrange GG.

Εικ.8. Απόκριση συχνότητας του φίλτρου mid-pass.

Ο συντελεστής μετάδοσης διέλευσης ενός τέτοιου συστήματος με ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης, ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης και ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης σε έναν αφαιρούμενο αθροιστή αποδεικνύεται γραμμικός σε ολόκληρο το εύρος συχνοτήτων των 20 Hz...20 kHz , σύμφωνα με το Σχ. 9. Οι παραμορφώσεις πλάτους και φάσης απουσιάζουν εντελώς, γεγονός που διασφαλίζει την κρυσταλλική καθαρότητα του αναπαραγόμενου ηχητικού σήματος.

Εικ.9. Απόκριση συχνότητας συστήματος φίλτρου με φίλτρο συχνότητας σε αφαιρετικό αθροιστή.

Τα μειονεκτήματα μιας τέτοιας λύσης περιλαμβάνουν αυστηρές απαιτήσεις για την ακρίβεια των τιμών των αντιστάσεων R1, R2, R3 (σύμφωνα με το Σχ. 10, το οποίο δείχνει το ηλεκτρικό κύκλωμα του αφαιρούμενου αθροιστή) που εξασφαλίζουν την εξισορρόπηση του αθροιστή. Αυτές οι αντιστάσεις θα πρέπει να χρησιμοποιούνται με ανοχές ακρίβειας που δεν υπερβαίνουν το 1%. Ωστόσο, εάν προκύψουν προβλήματα με την απόκτηση τέτοιων αντιστάσεων, θα χρειαστεί να εξισορροπήσετε τον αθροιστή χρησιμοποιώντας αντιστάσεις κοπής αντί για R1, R2.

Η εξισορρόπηση του αθροιστή πραγματοποιείται με την ακόλουθη μέθοδο. Πρώτον, μια ταλάντωση χαμηλής συχνότητας με συχνότητα πολύ χαμηλότερη από τη συχνότητα αποκοπής του φίλτρου χαμηλής διέλευσης, για παράδειγμα 100 Hz, πρέπει να εφαρμοστεί στην είσοδο του συστήματος φίλτρου. Αλλάζοντας την τιμή του R1, είναι απαραίτητο να ρυθμίσετε το ελάχιστο επίπεδο σήματος στην έξοδο του αθροιστή. Στη συνέχεια, στην είσοδο του συστήματος φίλτρου εφαρμόζεται μια ταλάντωση με συχνότητα προφανώς μεγαλύτερη από τη συχνότητα αποκοπής του υψηλοπερατού φίλτρου, για παράδειγμα 15 kHz. Με την αλλαγή της τιμής του R2, ρυθμίζεται και πάλι το ελάχιστο επίπεδο σήματος στην έξοδο του αθροιστή. Η ρύθμιση έχει ολοκληρωθεί.

Εικ. 10. Κύκλωμα αφαιρετικού αθροιστή.

Μεθοδολογία υπολογισμού ενεργών φίλτρων χαμηλής διέλευσης και υψηλής διέλευσης φίλτρων

Όπως δείχνει η θεωρία, για να φιλτράρετε τις συχνότητες του εύρους ήχου, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε φίλτρα Butterworth όχι περισσότερο από δεύτερης ή τρίτης τάξης, εξασφαλίζοντας ελάχιστη ανομοιομορφία στη ζώνη διέλευσης.

Το κύκλωμα φίλτρου χαμηλής διέλευσης δεύτερης τάξης φαίνεται στο Σχ. 11. Ο υπολογισμός του γίνεται σύμφωνα με τον τύπο:

όπου a1=1,4142 και b1=1,0 είναι πίνακας συντελεστές και οι C1 και C2 επιλέγονται από την αναλογία C2/C1 μεγαλύτερη από 4xb1/a12 και δεν πρέπει να επιλέξετε την αναλογία C2/C1 πολύ μεγαλύτερη από τη δεξιά πλευρά της ανισότητας.

Εικ. 11. Κύκλωμα χαμηλοπερατού φίλτρου Butterworth 2ης τάξης.

Το κύκλωμα υψηλοπερατού φίλτρου δεύτερης τάξης φαίνεται στο Σχ. 12. Ο υπολογισμός του γίνεται με τους τύπους:

όπου C=C1=C2 (ορίζεται πριν από τον υπολογισμό), και a1=1,4142 και b1=1,0 είναι οι ίδιοι συντελεστές πίνακα.

Εικ. 12. Κύκλωμα υψηλοπερατού φίλτρου Butterworth 2ης τάξης.

Οι ειδικοί του MASTER KIT έχουν αναπτύξει και μελετήσει τα χαρακτηριστικά μιας τέτοιας μονάδας φίλτρου, η οποία έχει μέγιστη λειτουργικότητα και ελάχιστες διαστάσεις, κάτι που είναι απαραίτητο κατά τη χρήση της συσκευής στην καθημερινή ζωή. Η χρήση της σύγχρονης βάσης στοιχείων κατέστησε δυνατή τη διασφάλιση της μέγιστης ποιότητας ανάπτυξης.

Τεχνικά χαρακτηριστικά της μονάδας φίλτρου

Το διάγραμμα ηλεκτρικού κυκλώματος του ενεργού φίλτρου φαίνεται στην Εικ. 13. Η λίστα των στοιχείων φίλτρου δίνεται στον πίνακα.

Το φίλτρο κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας τέσσερις λειτουργικούς ενισχυτές. Οι op-amp συνδυάζονται σε ένα πακέτο IC MC3403 (DA2). Το DA1 (LM78L09) περιέχει σταθεροποιητή τάσης τροφοδοσίας με αντίστοιχους πυκνωτές φίλτρου: C1, C3 στην είσοδο και C4 στην έξοδο. Ένα τεχνητό μεσαίο σημείο δημιουργείται στον ωμικό διαιρέτη R2, R3 και στον πυκνωτή C5.

Ο ενισχυτής λειτουργίας DA2.1 διαθέτει έναν καταρράκτη buffer για τη σύζευξη των σύνθετων αντιστάσεων εξόδου και εισόδου της πηγής σήματος και των φίλτρων χαμηλής διέλευσης, υψηλής διέλευσης και μεσαίας εμβέλειας. Ένα χαμηλοπερατό φίλτρο συναρμολογείται στον op-amp DA2.2 και ένα υψιπερατό φίλτρο συναρμολογείται στον op-amp DA2.3. Το Op-amp DA2.4 εκτελεί τη λειτουργία ενός διαμορφωτή φίλτρου μεσαίου εύρους ζώνης.

Η τάση τροφοδοσίας παρέχεται στις επαφές X3 και X4 και το σήμα εισόδου παρέχεται στις επαφές X1, X2. Το φιλτραρισμένο σήμα εξόδου για τη διαδρομή χαμηλής συχνότητας αφαιρείται από τις επαφές X5, X9. με X6, X8 – HF και με X7, X10 – MF μονοπάτια, αντίστοιχα.

Εικ. 13. Διάγραμμα ηλεκτρικού κυκλώματος ενεργού φίλτρου τριών ζωνών

Λίστα στοιχείων ενός ενεργού φίλτρου τριών ζωνών

Η εμφάνιση του φίλτρου φαίνεται στο Σχ. 14, η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος φαίνεται στο Σχ. 15, η θέση των στοιχείων φαίνεται στο Σχ. 16.

Δομικά, το φίλτρο κατασκευάζεται σε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος από υαλοβάμβακα. Ο σχεδιασμός προβλέπει την τοποθέτηση της σανίδας σε μια τυπική θήκη BOX-Z24A για το σκοπό αυτό, υπάρχουν οπές στερέωσης κατά μήκος των άκρων της σανίδας με διάμετρο 4 και 8 mm. Η σανίδα στερεώνεται στη θήκη με δύο βίδες με αυτοκόλλητη τομή.

Εικ. 14. Εξωτερική προβολή του ενεργού φίλτρου.

Εικ. 15. Πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος ενεργού φίλτρου.

Εικ. 16. Διάταξη στοιχείων στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος ενεργού φίλτρου.