Halin Mazda

Сабвуфер радиолюбителя — 8 Июля 2013 — Портфель

Технические данные:
выходная мощность — 25 Вт;
сопротивление громкоговорителя — 4 Ом;
полоса воспроизводимых частот — от 5 до 300 Гц;
электропитание — порядка 12-16 В;
максимальный потребляемый ток— 3 A.

Схема сабвуфера представляет собой усилитель низкой частоты с полосой пропускания 5-300 Гц.

Для формирования необходимой A4X существует несколько вариантов:
• собственно сам усилитель с нужной A4X, формируемой обратными связями;
• включение на входе обычного широкополосного усилителя активных и пассивных полосовых фильтров;
• включение на выходе усилителя активных и пассивных фильтров нижних частот.
Наибольший интерес для качественного формирования необходимой A4X представляют пассивные фильтры. У них отсутствуют дополнительные шумы, всякого рода «выбросы» и «провалы», а также полностью отсутствуют нелинейные искажения. Единственным недостатком пассивных фильтров является значительное затухание в полосе пропускания. Но так как сигнал на сабвуфер снимается с выхода усилителя мощности, уже входящего в состав магнитофона или приемника, то этим недостатком можно пренебречь. Фильтр нижних частот формирует A4X, пропуская все частоты, начиная с нуля, и «обрезая» высокие частоты на частоте среза. Саму частоту среза легко можно рассчитать по формуле 1/2-n-R-C где, частота в герцах, р = 3,14, сопротивление в омах, емкость в фарадах. Крутизна среза (спада) фильтра зависит от его порядка. Для ФНЧ 1-го порядка, она будет равна 6 дБ на октаву (рис. 1). Для фильтра 2-го порядка крутизна спада A4X будет уже 12 дБ/ок-таву (рис. 2).  Для фильтра 3-го порядка — 18 дБ/октаву соответственно (рис.3) .

Из графиков хорошо видно, что чем выше порядок фильтра, тем больше затухание в полосе пропускания. Для фильтра 2-го порядка оно уже будет составлять 20 дБ, т. е. сигнал ослабляется в 10 раз. Но так как чувствительность усилителей для сабвуфера обычно лежит в пределах 50-250 мВ, а сигнал, снимаемый с громкоговорителей, составляет порядка 0,5-5 В, то получается идеальное согласование по уровням сигнала. Экспериментальным путем было установлено, что для качественного формирования A4X вполне достаточно фильтра 2-го порядка. На всех графиках для оценки затухания на средних частотах 1000 Гц дана контрольная точка A. Номиналы конденсаторов на самих схемах фильтров и в готовой конструкции, несколько отличаются. Это сделано для того, чтобы конструктор сам смог выбрать для своей акустики оптимальный вариант. С достаточной точностью частоты раздела фильтра можно изменить, взяв за основу приведенные выше примеры. Например, чтобы снизить частоту со 100 до 50 Гц, достаточно пропорционально увеличить емкость конденсаторов с 22 до 47 нФ. Можно также увеличить в два раза номиналы резисторов, но не следует забывать, что вход усилителя в этом случае должен быть высокоом-ным, в противном случае появится дополнительное затухание сигнала в полосе прозрачности. При выборе нужной АЧХ фильтра и мощности усилителя, был проделан опыт. Гул, имитирующий поездку на автомобиле, был смоделирован при помощи стенда, на котором был установлен работающий двигатель. Было замечено, что наибольшему маскирующему эффекту подвержены именно низкие частоты в диапазоне 5-300 Гц. Чтобы скомпенсировать эти потери, был выбран необходимый частотный диапазон сабвуфера. Суть метода заключалось в подаче звукового сигнала с частотой качания 0,01 Гц в полосе частот 16-16000 Гц на стандартную акустику.
Те частоты, которые были ослаблены маскирующим действием гула (шума), приходилось корректировать при помощи третьоктавного эквалайзера. Таким образом, удалось сформировать характеристику, необходимую для качественного звукового восприятия. На средних и высоких частотах эти расхождения были не столь значительны, и их удавалось скомпенсировать обычным темброблоком, входящим в состав любой магнитолы. В дальнейшем, при проверке во время поездки на реальном автомобиле правильность выбора этого метода удачно была подтверждена независимыми экспертами. В салоне было до пяти человек, включая водителя. Некоторые потери низких частот при полной загрузке, удалось скомпенсировать регулятором громкости в самом сабвуфере. Схема усилителя, назначение де-талей    и подключение представлены   на рис.4. Собственно сам сабвуфер состоит   из усилителя низкой частоты,  собранного на микросхеме DA1 TDA7240 и входного фильтра нижних частот на элементах R1, R2, R3, C1, C2, C3. Резисторы R1 и R2 подключаются к сигнальным проводам правого и левого громкоговорителей автомагнитолы. Далее суммированный сигнал проходит через ФНЧ и через разделительные конденсаторы С3 и С4 поступает на вход усилителя. Регулировка уровня производится при помощи потенциометра Р1. Активация усилителя осуществляется при помощи ключей на транзисторах Т1 и Т2. Необходимый для этого уровень составляет +8-12 В снимается с используемой магнитолы. Это позволяет при выключении магнитофона автоматически выключить и сам сабвуфер. Детали Т1, T2, R4, R5, R6, R7 можно исключить из схемы. Нагрузка (громкоговоритель) подключается к выводам 5 и 7 микросхемы DA1. Так как на этих выводах относительно «общего» провода есть потенциал, то следует обратить внимание на тщательную изоляцию как самих проводников, так и динамика. Это следует делать в том случае, если в качестве колонки будут использоваться конструктивные полости самого автомобиля. Вариантов подключения входа Mute великое множество. Выбирается любая точка, в которой при включении магнитолы появляется напряжение +12 В. Это может быть и гнездо для активной антенны, и лампочка подсвета шкалы, и контакты выключателя питания. Желательно в самой магнитоле установить дополнительный резистор величиной 1-10 кОм и сигнал активации подавать на сабвуфер через него. Это позволит в случае случайного замыкания на корпус избежать порчи аппаратуры. Печатная плата и монтажная схема изображены на рис. 5.

Корпус микросхемы TDA7240 соединен с «общим» минусом, поэтому никаких изолирующих прокладок не понадобится. В качестве радиатора может служить металлическое шасси корпуса или кусок дюрали с минимальным размером с две пачки от сигарет. Провода питания и подключения громкоговорителя обязательно должны быть многожильные и по возможности большой площади сечения. При правильном монтаже и исправных деталях сабвуфер в налаживании не нуждается.

Александр Воробьев,
[email protected]

АКТИВНЫЙ ТРЕХПОЛОСНЫЙ ФИЛЬТР

С громоздкими пассивными разделительными фильтрами подчас возникают проблемы. Кроме того, что необходима намотка катушек индуктивности, их нужно как-то размещать в акустической системе. К тому же они ослабляют сигнал. Так что действительно лучше использовать фильтры в цепи слабого сигнала.

Современная элементная база позволяет изготавливать фильтры, обладающие минимальными собственными шумами, малыми габаритами и простотой исполнения. Предлагаем собрать простой и надёжный трехполосный фильтр с незначительным уровнем собственного шума и к тому же работающий в широком диапазоне питающих напряжений. Его особенность заключается в том, что он устанавливается не на выходе одного усилителя, а между выходом источника сигнала и входами усилителей мощности каждого частотного канала вашей трехполосной АС. На самом деле, данный активный трехполосный фильтр представляет собой комплект активных фильтров для построения высококачественных трехполосных усилителей низкой частоты классов HiFi.

Использование его позволит получить качество звучания, сопоставимое с качеством высококлассных западных усилителей. В основу предлагаемой конструкции положено устройство, построенное на двух фильтрах и вычитающем сумматоре.

Принципиальная электрическая схема активного фильтра показана на рисунке 2. Перечень элементов фильтра приведен в таблице 1. Фильтр выполнен на четырех операционных усилителях. Они объединены в корпусе одной микросхемы ИМС МС3403 (DA2). На другой микросхеме — DAI (LM78L09) — собран стабилизатор питающего напряжения с соответствующими фильтрующими емкостями: C1, СЗ по входу и С4 по выходу. (В качестве замены можно установить отечественные микросхемы КР1435УД2 и стабилизатор КРН9 соответственно.) 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, а на ОУ DA2.2 — фильтр НЧ. Фильтр ВЧ выполнен на ОУ DA2.3. ОУ DA2.4 формирует сигнал среднечастотной полосы. Характеристика такого фильтра средней частоты формируется в соответствии с формулой UC4=UBX-Uh5-UB4.
На контакты ХЗ (+) и Х4 (—)
подается напряжение питания.

На контакты XI, Х2 — входные сигналы от источника.
С контактов Х5, Х9 снимается отфильтрованный выходной сигнал для тракта НЧ; Х6, Х8 — ВЧ и Х7, Х10 — СЧ-трактов соответственно. Балансировка сумматора выполняется по следующей методике. Сначала на вход системы фильтров необходимо подать сигнал с частотой намного ниже частоты среза ФНЧ, например, 100 Гц. Изменяя значение R1, установите минимальный уровень сигнала на выходе сумматора. Затем на вход системы фильтров подайте сигнал с частотой заведомо большей частоты среза ФВЧ, например, 15 кГц. Изменяя значение R2, вновь установите минимальный уровень сигнала на выходе сумматора. Настройка закончена. Внешний вид фильтра показан на рисунке 1, печатная плата — на рисунке 3. 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 (4 и 8 мм). Плата в корпусе крепится двумя саморезами.

В статье использованы материалы компании МАСТЕР КИТ.
Юрий САДИКОВ, научный сотрудник

Расчет активного фильтра трехполосной акустики

Создано 29.05.2006 21:50. Обновлено 26.02.2020 14:18. Автор: E. Фролов, г. Москва.

С целью снижения интермодуляционных искажений при звуковоспроизведении громкоговорители Hi-Fi систем составляют из низкочастотных, среднечастотных и высокочастотных динамических головок. Их подключают к выходам усилителей через разделительные фильтры, представляющие собой комбинации LC фильтров нижних и верхних частот.

Ниже приведена методика расчета трехполосного разделительного фильтра по наиболее распространенной схеме.

Частотная характеристика разделительного фильтра трехполосного громкоговорителя в общем виде показана на рис. 1. Здесь: N — относительный уровень напряжения на звуковых катушках головок: f_N и f_B — нижняя и верхняя граничные частоты воспроизводимой громкоговорителем полосы; f_р1 и f_р2 — частоты раздела.

В идеальном случае выходная мощность на частотах раздела должна распределяться поровну между двумя головками. Это условие выполняется, если на частоте раздела относительный уровень напряжения, поступающего на соответствующую головку, снижается на 3 дБ по сравнению с уровнем в средней части ее рабочей полосы частот.

Частоты раздела следует выбирать вне области наибольшей чувствительности уха (1–3 кГц). При невыполнении этого условия, из-за разности фаз колебаний, излучаемых двумя головками на частоте раздела одновременно, может быть заметно «раздвоение» звука. Первая частота раздела обычно лежит в интервале частот 400–800 Гц, а вторая — 4–6 кГц. При этом низкочастотная головка будет воспроизводить частоты в диапазоне f_N–f_p1, среднечастотная — в диапазоне f_p1–f_р2 и высокочастотная — в диапазоне f_р2–f_B.

Один из распространенных вариантов фильтра трехполосной акустики приведен на рис. 2. Здесь: B1 — низкочастотная динамическая головка, подключенная к выходу усилителя через фильтр нижних частот L1C1; В2 — среднечастотная головка, соединенная с выходом усилителя через полосовой фильтр, образованный фильтрами верхних частот C2L3 и нижних частот L2C3. На высокочастотную головку В3 сигнал подается через фильтры верхних частот C2L3 и C4L4.

Расчет емкостей конденсаторов и индуктивностей катушек производят исходя из номинального сопротивления головок громкоговорителя. Поскольку номинальные сопротивления головок и номинальные емкости конденсаторов образуют ряды дискретных значений, а частоты раздела могут варьироваться в широких пределах, то расчет удобно производить в такой последовательности.

Задавшись номинальным сопротивлением головок, подбирают емкости конденсаторов из ряда номинальных емкостей (или суммарную емкость нескольких конденсаторов из этого ряда) такими, чтобы получившаяся частота раздела попадала в указанные выше частотные интервалы.

Емкости конденсаторов фильтров С1–С4 для различных сопротивлений головок и соответствующие значения частот раздела приведены в табл 2.

Легко видеть, что все значения емкостей могут быть либо непосредственно взяты из номинального ряда емкостей. либо получены параллельным соединением не более чем двух конденсаторов (см. табл. 1).

После того как емкости конденсаторов выбраны, определяют индуктивности катушек в миллигенри по формулам:

L1 = L3 = 225 Z_r / f_p1

L2 = L4 = 225 Z_r/ f_p2

В обеих формулах: Z_г— в омах; f_p1, f_р2— в герцах.

Поскольку полное сопротивление головки является частотнозависимой величиной, для расчета обычно принимают указанное в паспорте головки номинальное сопротивление Z_г, оно соответствует минимальному значению полного сопротивления головки в диапазоне частот выше частоты основного резонанса до верхней граничной частоты рабочей полосы.

При этом надо иметь в виду, что фактическое номинальное сопротивление различных образцов головок одного и того же типа может отличаться от паспортного значения на ±20%.

В некоторых случаях радиолюбителям приходится использовать в качестве высокочастотных головок имеющиеся динамические головки с номинальным сопротивлением, отличающимся от номинальных сопротивлений низкочастотной и высокочастотной головок.

При этом согласование сопротивлений осуществляют, подключая высокочастотную головку В3 и конденсатор С4 к различным выводам катушки L4 (рис. 2), т. е. эта катушка фильтра играет одновременно роль согласующего автотрансформатора. Катушки можно намотать на круглых деревянных, пластмассовых или картонных каркасах с щечками из гетинакса.

Нижнюю щечку следует сделать квадратной; так ее удобно крепить к основанию — гетинаксовой плате, на которой крепят конденсаторы и катушки. Плату крепят шурупами ко дну ящика громкоговорителя. Во избежание дополнительных нелинейных искажений катушки должны выполняться без сердечников из магнитных материалов.

Пример расчета трехполосного акустического фильтра

В качестве низкочастотной головки громкоговорителя используется динамическая головка 6ГД-2, номинальное сопротивление которой Z_г=8 Ом. в качестве среднечастотной — 4ГД-4 с таким же значением Z_г и в качестве высокочастотной — ЗГД-15, для которой Z_г=6,5 Ом. Согласно табл. 2 при Z_г=8 Ом и емкости С1=С2=20 мкф f_p1=700 Гц, а при емкости С3=С4=3 мкф f_р2=4,8 кГц. В фильтре можно применить конденсаторы МБГО со стандартными емкостями (С3 и С4 составляют из двух конденсаторов).

По приведенным выше формулам находим: L1=L3=2,56 мГ; L2=L4=0,375 мГ (для автотрансформатора L4 — это значение индуктивности между выводами 1–3).

Коэффициент трансформации автотрансформатора

На рис. 3 показана зависимость уровня напряжения на звуковых катушках головок от частоты для трехполосной системы, соответствующей примеру расчета. Амплитудно-частотные характеристики низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной областей фильтра обозначены соответственно НЧ, СЧ и ВЧ. На частотах раздела затухание фильтра равно 3,5 дБ (при рекомендуемом затухании 3 дБ).

Отклонение объясняется отличием полных сопротивлений головок и емкостей конденсаторов от заданных (номинальных) значений и индуктивностей катушек от полученных расчетом. Крутизна спада кривых НЧ и СЧ составляет 9 дБ на октаву и кривой ВЧ — 11 дБ на октаву. Кривая ВЧ соответствует несогласованному включению громкоговорителя 1 ГД-3 (в точки 1–3). Как видно, в этом случае фильтр вносит дополнительные частотные искажения.

Примечание от авторов:

В приводимой методике расчета принято, что среднее звуковое давление при одной и той же подводимой электрической мощности для всех головок имеет примерно одинаковое значение.

Вели же звуковое давление, создаваемое какой-либо головкой, заметно больше, то для выравнивания частотной характеристики громкоговорителя по звуковому давлению эту головку рекомендуется подключать к фильтрц трехполосной акустики через делитель напряжения, входное сопротивление которого должно быть равно принятому при расчете номинальному сопротивлению головок.

Источник: РАДИО N 9, 1977 г., с.37–38 E. ФРОЛОВ, г. Москва

Читайте также

Проектирование и расчёт активных разделительных фильтров (кроссоверов) для многополосного усилителя мощности

Схема и онлайн калькулятор номиналов элементов фильтров в составе двух —
трёхполосных УМЗЧ.

Что бы там ни говорили, но многополосные акустические системы с пассивными разделительными фильтрами обладают рядом недостатков! Включение таких кроссоверов между выходом усилителя и громкоговорителями, с одной стороны, приводит к заметному ухудшению параметра электрического демпфирования подвижной части излучателей, с другой — является причиной возникновения фазовых искажений, влияющих на форму выходного сигнала, особенно вблизи частот раздела фильтра.
Никуда не деться и от потери мощности в пассивном фильтре, и от сложности согласования по звуковому давлению каждой головки громкоговорителя при помощи резистивных делителей (дополнительно снижающих КПД системы), и от необходимости установки крупногабаритных катушек индуктивности, конденсаторов большой ёмкости, и т. д. и т. п.

Одним из эффективных средств улучшения качества звуковоспроизведения является применение нескольких полосовых УМЗЧ с активными разделительными фильтрами на входах. Такое построение называется многополосной усилительной системой.
На самом деле, разработать активные фильтры, исходя из: 1) требуемого подавления внеполосных частот, 2) идеального согласования на частотах раздела, 3) плоской суммарной АЧХ, 4) приемлемых импульсных характеристик — это дело не такое уж и простое. Поэтому давайте-ка не будем сильно морщить лоб и изобретать ничего лишнего, а обратимся к статье Рода Эллиотта (Rod Elliott) — человека далеко не самого последнего в области звукотехники. Вот что он пишет на своём сайте https://sound-au.com:

2/3-полосный электронный кроссовер Linkwitz-Riley с крутизной подавления 24 дБ/октава.

Представленные здесь фильтры Линквица-Райли имеют отличное фазовое согласование без пиков или провалов на частотах раздела. Конструкция адаптируется к двух, трёх или даже четырёх-полосным акустическим системам. С момента публикации проект стал очень популярным, и эта популярность сохраняется и по сей день.

1. Двухполосный кроссовер Linkwitz Riley
На рисунке Рис.1 показана стерео версия двухполосного кроссовера с двумя идентичными секциями фильтров. С приведёнными значениями компонентов они имеют частоту раздела кроссовера 310 Гц. Это устройство обеспечивает плоскую амплитудно-частотную характеристику, при этом сигналы от обоих каналов всегда остаются в одной фазе. Частота раздела может быть выбрана любой другой величины в пределах звукового диапазона. Частота среза ФВЧ (зелёный фон) и ФНЧ (розовый фон) должны совпадать. Связано это с тем, что коэффициент передачи у фильтра Линквица-Райли составляет 0,5 раз по напряжению или -6дБ, в отличие от фильтра Баттерворта с его -3дБ.

Рис.1 Стереоверсия двухполосного активного кроссовера

При использовании электронного кроссовера, для выравнивания звукового давления, излучаемого НЧ и ВЧ динамиками, может потребоваться регулировка уровней сигналов на выходе каждой из полос. Буферы (Рис.2), подключаются к выходу каждого из фильтров и имеют регулируемый коэффициент усиления 0…2.

Рис.2 Буферный каскад — по одному на каждый выход кроссовера

Формулы для расчёта частотозадающих элементов фильтров Линквица-Райли приведены ниже:
R = 1 / (2 × π × 1,414 × f × C) ;
C = 1 / (2 × π × 1,414 × f × R) ;
f = 1 / (2 × π × 1,414 × R × C) .
На основании этих формул можно выполнить простенький калькулятор:

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КРОСОВЕРА ДЛЯ ДВУХПОЛОСНОЙ АКУСТИКИ

2. Трёхполосный кроссовер Linkwitz Riley
На Рис.3 показана реализация кроссовера с 3 полосами. Это устройство даёт отличные результаты с хорошим фазовым согласованием и равномерным импульсным откликом во всей полосе частот.

Рис.3 Схема кроссовера для трёхполосной активной акустики

Для чего нужны кроссоверы для динамиков

Устанавливая современную стереосистему в транспортное средство, владельцу необходимо правильно выбрать кроссовер. Сделать это несложно, если предварительно ознакомиться с тем, что он из себя представляет, для чего предназначен, и в составе какой акустической системы он будет работать.

Предназначение

Кроссовер – это специальное устройство в структуре акустической системы, предназначенное для подготовки требуемого частного диапазона для каждой из установленных звуковых колонок. Последние разработаны для эксплуатации в пределах определённых частотных диапазонов. Выход частоты сигнала, подаваемого на колонку за границы диапазона может привести, как минимум, к искажениям воспроизводимого звука, например:

1. при подаче слишком низкой частоты исказится звуковая картина;
2. при подаче слишком высокой частоты владелец стереосистемы столкнётся не только с искажением звука,но и с выходом из строя твитера (высокочастотного динамика).Он может просто не выдержать этого режима работы.

В нормальных условиях задачей высокочастотного динамика является воспроизведение звука только высокой частоты, низкочастотного, соответственно, низкой. Полоса же, средних частот подаётся на мидвуфер – динамик, отвечающий за звучание средних частот.
Исходя из вышесказанного, чтобы качественно воспроизвести автозвук, надо выделить соответствующие полосы частот и подать их на конкретные динамики. Для решения этой задачи и применяется кроссовер.

Устройство кроссовера

Конструктивно в кроссовер входит пара частотных фильтров, работающих следующим образом: например, если частота разделения установлена в 1000 Гц, один из фильтров будет выделять частоты ниже этого показателя. А второй – обрабатывать только полосу частот, превышающих заданную отметку. У фильтров есть свои названия: лоу-пасс – для обработки частоты ниже тысячи герц; хай-пасс – для обработки частоты выше тысячи герц.

Итак, выше был представлен принцип, по которому работает двухполосный кроссовер. На рынке существует и продукция трехполосного типа. Основное отличие, как становится понятно из названия, это третий фильтр, обрабатывающий среднюю полосу частот, от шестисот до пяти тысяч герц.

По сути, увеличение каналов фильтрации звуковой полосы, и последующая подача их на соответствующие динамики, приводит к более качественному и естественному звуковоспроизведению внутри авто.

Технические особенности

В большинстве современных кроссоверов присутствуют катушки индуктивности и конденсаторы. В зависимости от количества и качества изготовления этих реактивных элементов, обусловлена стоимость готового изделия.Для чего же в полосной кроссовер входят катушки и конденсаторы? Причина в том, что это самые простые реактивные элементы. Они без особых трудностей обрабатывают разные частоты звукового сигнала.

Конденсаторы могут выделять и обрабатывать высокие частоты, в то время как катушки нужны для регулирования низких. Грамотно используя эти свойства, в результате можно получить самый простой частотный фильтр. Здесь нет смысла углубляться в сложные законы физики и приводить в качестве примера формулы. Тот, кто хочет более подробно ознакомиться с теоретическими основами, без труда найдёт информацию в учебниках или интернете. Профильным специалистам достаточно освежить в памяти принцип работы сетей LC-CL типа.

Количество реактивных элементов влияет на показатель разрядности кроссовера. Цифрой 1 обозначается один элемент, 2 – соответственно, два. В зависимости от количества и схемы подключения элементов, система по-разному осуществляет фильтрацию неподходящих частот для конкретного канала.

Есть смысл предположить, что большее количество применённых реактивных элементов делает процесс фильтрации лучшим. Схема фильтрации ненужных частот для конкретного канала имеет свою характеристику, называемую крутизной спада.

Фильтрам присуще свойство отрезать ненужные частоты постепенно, а не мгновенно.

Называется оно чувствительностью. В зависимости от этого показателя, продукция разделяется на четыре категории:

• модели первого порядка;
• модели второго порядка;
• модели третьего порядка;
• модели четвертого порядка.

Отличия между активными и пассивными кроссоверами

Начнём сравнение с пассивного кросовера. Из практики известно, что пассивный кроссовер является самой распространенной и чаще всего встречающейся на рынке разновидностью. Исходя из названия, можно понять, что пассивным не требуется дополнительное питание. Соответственно, владельцу транспортного средства проще и быстрее установить аппаратуру в своей машине. Но, к сожалению, быстрота не всегда гарантирует качество.

Из-за пассивного принципа схемы системе требуется забирать часть энергии из фильтра на обеспечение его работы. При этом реактивным элементам свойственно изменять сдвиг по фазе. Конечно, это не самый серьезный недостаток, но владелец не сможет тонко корректировать частоты.

Избавиться от этого недостатка позволяют активные кроссоверы. Дело в том, что, хотя и устроены они куда сложнее пассивных, но в них поток аудио фильтруется значительно лучше. Благодаря наличию не только катушек и емкостей, но и дополнительных полупроводниковых элементов, разработчикам удалось значительно уменьшить размеры устройства.

Они редко встречаются в качестве отдельной аппаратуры, но в любом автомобильном усилителе, как составная часть присутствует активный фильтр. Из-за пассивного принципа схемы системе требуется забирать часть энергии из фильтра на обеспечение его работы. При этом реактивным элементам свойственно изменять сдвиг по фазе. Конечно, это не самый серьезный недостаток, но владелец не сможет тонко корректировать частоты.

Избавиться от этого недостатка позволяют активные кроссоверы. Дело в том, что, хотя и устроены они куда сложнее пассивных, но в них поток аудио фильтруется значительно лучше. Благодаря наличию не только катушек и емкостей, но и дополнительных полупроводниковых элементов, разработчикам удалось значительно уменьшить размеры устройства.

Они редко встречаются в качестве отдельной аппаратуры, но в любом автомобильном усилителе, как составная часть присутствует активный фильтр.

Особенности настройки

Чтобы в результате получить качественный автозвук, необходимо правильно подобрать частоту среза. При использовании активного трех полосного кроссовера следует определить две частоты среза. Первая точка будет обозначать грань между низкой и средней частотой, вторая – границу между средней и высокой. Владельцу автомобиля перед подключением кроссовера необходимо всегда помнить о том, что необходимо правильно подбирать частотные характеристики динамика.

Ни в коем случае не следует подавать на них частоты, на которых они попросту не смогут нормально работать. В противном случае это приведет не только к ухудшению качества звучания, но и к уменьшению срока эксплуатации.

Схема подключения пассивного кроссовера

Видео: Для чего нужен аудио кроссовер?

Надеемся, что эта статья помогла разобраться для чего нужен кроссовер. Оцените статью по 5 бальной шкале, если есть замечания, пожелания или вы знаете что-то, что не указано в данной статье сообщите нам! Оставьте свой комментарий ниже. Это поможет сделать информацию на сайте ещё более полезной.

Основным компонентом многополосной стереосистемы является кроссовер, который также устанавливается в автомобиле или другом транспортном средстве. Кроссовер в автоакустике нужен для фильтрации входящего сигнала на соответствующие частоты в динамиках. Чтобы обеспечить качественное, естественное звучание аудиосигнала, следует не только правильно подобрать, но и подключить устройство.

Зачем нужен кроссовер

Существует несколько видов устройств, которые нужны для защиты динамиков от перегрузки невоспроизводимыми частотами. Основной функцией кроссоверов является фильтрация диапазона, благодаря которому улучшается качество звучания.

Ты водитель автомобиля?! Тогда ты сможешь пройти этот простейший тест и узнать . Перейти к тесту »

Устройство

Подбирается оборудование в зависимости от количества полос в акустической системе. Устройство конструкции представляет собой частотные фильтры, которые предназначены для работы с низкими и высокими частотами. Если усилитель трехполосный, он обрабатывает больше каналов и способен фильтровать еще и средние частоты.

Для качественной обработки звука в кроссовере находятся конденсатор и катушка. Основные комплектующие способствуют обработке частот, не подходящих к каналам. Чем больше реактивных деталей, тем выше чувствительность оборудования.

Отличия между активными и пассивными кроссоверами

Для подключения к динамикам чаще используется пассивный тип оборудования. Этот вид устройства не требует дополнительного электропитания, поэтому отличается простотой монтажа и настройки. Звуковая аппаратура генерирует часть энергии, которая используется для очистки звучания. Реактивные детали пассивного типа оборудования имеют однофазный сдвиг.

К категории активного оборудования относится магнитола или усилитель с развитыми звуковыми фильтрами. Конструкция состоит из катушек, конденсаторов и полупроводников, позволяющих усилить мощность небольшого оборудования. В качестве отдельного модуля используется редко. В любой системе автомобильных аудио присутствует активный фильтр.

Схемы подключения

Качественный автозвук обеспечивает правильно подобранная частота среза. Если для акустики используется трехполосный кроссовер, то в этом случае определяется 2 частоты среза: 1 — для разницы низких и средних частот, 2 — для фильтрации средних и высоких.

Активный тип усилителя является встроенным оборудованием, поэтому для установки стереосистемы необходимо просто выбрать наиболее подходящее место в машине. Пассивный можно подключить самостоятельно, для этого используется простая схема:

1. Необходимо установить в салоне автомобиля подходящие колонки.
2. Подсоедините динамик к клеммам устройства на входе.
3. Чтобы подключить кроссовер к колонкам авто, необходимо смотреть на маркировку.

Обозначения входов для динамиков:

• Wf — широкополосной;
• Sw — сабвуфер;
• Mw — мидвуфер;
• Tw — высокочастотный.

Упрощенным вариантом подключения является последовательное соединение высокочастотных динамиков с широкополосными. Катушка из тонкого провода присоединяется параллельно твиттерам. Этот вариант позволяет подключить пищалки без кроссовера.

В этом случае усилится звук высокочастотных колонок, но низкочастотные и среднечастотные будут слегка ослабляться. Все зависит от толщины выбранного провода в катушке. Чем он будет тоньше, тем выше будет сопротивление. Альтернативная схема подключения динамиков обеспечит естественным и качественным звуком любую аудиосистему.

Для простого человека, который далек от построения колонок для воспроизведения музыки, слово «кроссовер для колонок» ни о чем не говорит. В интернете выложено много информации по этому поводу, включая информационные статьи, а также видеоматериалы.

Что же такое кроссовер

Эта «коробочка» является обязательной частью акустической системы. Это связано с тем, что в мире нет динамиков, которые могли бы качественно воспроизводить полный диапазон частот. Поэтому для построения колонок используют два, три и более динамиков. Однако не стоит забывать о «блинах». Этот тип динамика состоит из нескольких частей, благодаря чему, может похвастаться достаточной ровной АЧХ на всем диапазоне частот.

Кроссовер предназначается для того, чтобы разделять входящий сигнал на разные составляющие и посылать их на разные динамики акустической системы. Таким образом, твитер играет только высокие частоты, а НЧ динамик воспроизводит средние и низкие частоты. Также кроссовер называется фильтром.

Главными его компонентами считаются следующие элементы:

• конденсатор;
• катушка индуктивности.

В совокупности эти электрические элементы «отрезают» ненужные частоты, которые посылаются на динамики. К слову, конденсаторы и катушки имеют разную стоимость. Таким образом, чем дороже эти элементы, тем лучше в конечном итоге будет звучать акустическая система.

Порядок фильтра

От количества электрических элементов будет зависеть конечный результат. В зависимости от количества конденсаторов и катушек индуктивности фильтр бывает разных порядков. Если кроссовер состоит из одного элемента, допустим конденсатора, то фильтр будет первого порядка. Для получения фильтра второго порядка, количество элементов должно быть вдвое больше. От порядка кроссовера зависит качество фильтрации ненужных частот. Этот параметр называется крутизна спада и измеряется в ДБ на ОКТАВУ. Чем выше порядок фильтра, тем выше крутизна спада.

Активные и пассивные

Кроссоверы делятся на две группы:

Каждый из типов имеет свои преимущества и недостатки.

Активные состоят не только из конденсаторов и катушек, но и из транзисторов. Благодаря этому габариты устройства удалось снизить. Сложно найти активный кроссовер, выполненный в виде отдельного элемента. В основном они являются составной частью автомобильного усилителя звука.

Пассивные встречаются намного чаще. Главным преимуществом этого типа кроссовера является отсутствие необходимости дополнительного питания, поэтому их легко устанавливать.

Кроме того, пассивные и активные фильтры делятся еще на 3 подвида:

1. Высокочастотные, предназначаются для пропускания сигнала высокой частоты, отрезая все остальное. Этот подтип предназначен для ВЧ динамиков.
2. Низкочастотные, наоборот, отрезают верхние частоты и пропускают через себя низкочастотный сигнал. Используются для НЧ динамиков.
3. Широкополосные фильтр, еще его называют Band Pass. Этот подтип необходим для отрезания частот, выходящих за определенный диапазон. Он предназначен для СЧ динамиков.

В дешевых колонках устанавливаются кроссоверы первого или второго порядка. Это делается для удешевления, так как в фильтрах используется лишь один или два электрических элемента. Фильтры третьего порядка встречаются в усилителях мощности. Что же касается четвертого порядка, то данный тип считается элитным. Для них изготавливается отдельный корпус.

Не так давно среди любителей хорошей музыки возникали споры об эффективности делителя 4-го порядка. Работы кроссоверов четвертого порядка, с крутизной среза 24 ДБ на Октаву можно сравнить лишь с работой банков Швейцарии, где все строго и четко.

Главное в настройке кроссовера – частота среза.

Возьмем, к примеру, трехполосную колонку. Для качественного воспроизведения музыки надо сделать так, чтобы на НЧ динамик поступали только низкие частоты, на СЧ динамик диапазон средних частот, без нижних и высоких, а на твитер соответственно только высокочастотный сигнал. Таким образом, нужно правильно определить две точки деления. В первой точке будет разделен сигнал между сабвуфером и среднечастотником. А во второй точке будет согласовываться СЧ динамик и твитер. Если неверно выбрать частоты среза, в лучше случае можно отделаться ужасным звуком. В таком случае слушать музыку станет невозможно и захочется сразу ее выключить. В худшем случае, акустика выйдет из строя. К примеру, на высокочастотный динамик будет поступать низкочастотный диапазон, который очень вреден для твитеров.

В наши дни кроссоверы используются достаточно активно. Несмотря на то, что можно приобрести цифровой аналог – процессор. Благодаря которому, можно не только фильтровать сигнал, но и выставлять задержки и многое другое.

Однако у кроссоверов есть преимущество перед цифровыми процессорами – это качество фильтрации звукового сигнала. Дело в том, что на фильтр навешивают большое количество работы: фильтрация, временные задержки, эквалайзер. Поэтому само качество фильтрации падает. Таким образом, пассивные и активные кроссоверы пользуются большим спросом. Их применяют даже для изготовления профессиональных колонок.

Профессионалы пророчат скорую смерть аналоговой фильтрации. Они считают, что цена цифровых аналогов замедляет естественный процесс. Однако есть группа людей, считающих, что место для хорошего пассивного кроссовера найдется всегда и в любой аудиосистеме, несмотря на то, насколько далеко шагнули технологии. Можно согласиться и с первый и со второй группой людей. Это связано с тем, что построить хорошую, качественную и профессиональную акустическую систему можно как при помощи кроссовера, так и при помощи цифрового брата – процессора. Вопрос только в том, что вам нравится больше.

Посмотрите видео о кроссоверах

«>

Разработка схемы и применение активного полосового фильтра

В этом руководстве мы узнаем об активном полосовом фильтре, его частотной характеристике, типах, примерах и многом другом. В предыдущем учебном пособии мы видели фильтры Band Pass, но подход к проектированию в этом учебном пособии был основан на пассивных компонентах.

, как и любой другой фильтр, может быть спроектирован на основе активных компонентов, таких как транзисторы и операционные усилители. Если вам нужна дополнительная информация о пассивных полосовых фильтрах, прочтите « Passive Band Pass RC Filter ».

Полосовой фильтр — это схема, которая пропускает через нее только определенную полосу частот. Эта полоса пропускания в основном находится между частотами среза, и это f _L и f _H, , где f _L — нижняя частота среза, а f _H — более высокая частота среза.

Центральная частота обозначается «f _C », и ее также называют резонансной частотой или пиковой частотой.

Значение f _L всегда должно быть меньше значения f _H .Полоса пропускания фильтра — это не что иное, как полоса пропускания. Коэффициент усиления фильтра максимален на резонансной или центральной частоте, и это называется общим коэффициентом усиления полосы пропускания. Это усиление полосы пропускания обозначается «A _max ».

Для фильтра нижних частот эта полоса пропускания начинается с 0 Гц и продолжается до тех пор, пока не достигнет значения резонансной частоты на -3 дБ ниже максимального усиления полосы пропускания.

Где, как и в случае фильтра верхних частот, эта полоса пропускания начинается с резонансной частоты -3 дБ и заканчивается на значении максимального усиления контура для активного фильтра.Комбинация низкочастотных и верхних частот дает нам полосу пропускания, как показано ниже:

НАЗАД В начало

В зависимости от добротности полосовой фильтр подразделяется на широкополосный. пропускной фильтр и узкополосный фильтр. Фактор качества также называется «добротностью». Путем каскадирования фильтра высоких частот и фильтра низких частот с усилительным компонентом мы получаем полосовой фильтр.

Схема усилителя между этими фильтрами верхних и нижних частот будет обеспечивать изоляцию и обеспечивать усиление по всему напряжению схемы.Значения частот среза обоих фильтров должны поддерживаться с минимальной разницей.

Если эта разница очень мала, может существовать возможность взаимодействия каскадов высоких и низких частот. Таким образом, чтобы иметь надлежащие уровни этих частот среза, необходима схема усиления.

Принципиальная схема активного полосового фильтра показана ниже:

НАЗАД К НАЧАЛУ

Если значение добротности меньше десяти, то полоса пропускания широкая. , что дает нам большую пропускную способность.Этот полосовой фильтр называется широкополосным фильтром.

В этом фильтре высокая частота среза должна быть больше, чем нижняя частота среза. В его конструкции используются два усилительных элемента (операционные усилители).

Сначала сигнал будет проходить через фильтр высоких частот, выходной сигнал этого фильтра высоких частот будет стремиться к бесконечности, и, таким образом, сигнал, который стремится к бесконечности, передается в фильтр низких частот в конце.

Этот фильтр нижних частот пропускает высокочастотный сигнал.

Когда фильтр высоких частот соединен с фильтром низких частот, получается простой полосовой фильтр. Чтобы реализовать этот фильтр, порядок цепей нижних и верхних частот должен быть одинаковым.

За счет каскадирования одного фильтра нижних и верхних частот первого порядка получается полосовой фильтр второго порядка, а путем каскадирования двух фильтров нижних частот первого порядка с двумя фильтрами верхних частот формируется полосовой фильтр четвертого порядка.

Из-за этого каскадирования схема обеспечивает низкий коэффициент качества.Конденсатор в фильтре верхних частот первого порядка блокирует любое смещение постоянного тока входного сигнала.

Спад усиления в обеих полосах заграждения составляет ± 20 дБ / декаду в случае фильтра второго порядка (высокий + низкий). Фильтры высоких и низких частот должны быть только в первом порядке.

Аналогично, когда фильтры верхних и нижних частот имеют второй порядок, то спад усиления в обеих полосах заграждения составляет ± 40 дБ / декада.

Выражение усиления напряжения для полосового фильтра имеет следующий вид:

| V _из / V _из | = [A _max * (f / f _L )] / √ {[1+ (f / f _L ) ²] [1+ (f / f _H ) ²]}

It получается индивидуальным коэффициентом усиления как фильтра верхних частот, так и фильтра нижних частот, индивидуальные коэффициенты усиления как фильтра верхних частот, так и фильтра нижних частот приведены ниже.

Коэффициент усиления по напряжению для фильтра высоких частот:

| V _из / V _из | = [A _max1 * (f / f _L )] / √ [1+ (f / f _L ) ²]

Коэффициент усиления по напряжению для фильтра нижних частот:

| V _из / V _из | = A _max2 / √ [1+ (f / f _H ) ²]

A _max = A _max1 * A _max2

Где A _max1 — усиление каскад высоких частот, а A _max2 — усиление каскада низких частот.

Отклик широкополосного фильтра показан ниже.

НАЗАД К НАЧАЛУ

Если значение коэффициента качества больше десяти, то полоса пропускания узкая и полоса пропускания также меньше. Этот полосовой фильтр называется узкополосным фильтром.

В нем используется только один активный компонент (операционный усилитель), а не два, и этот операционный усилитель имеет инвертирующую конфигурацию. В этом фильтре коэффициент усиления операционного усилителя максимален на центральной частоте f _c .

НАЗАД К НАЧАЛУ

Схема узкополосного фильтра

Входной сигнал подается на инвертирующую входную клемму. Это показывает, что операционный усилитель находится в инвертирующей конфигурации. Эта схема фильтра обеспечивает отклик узкополосного фильтра.

Коэффициент усиления по напряжению вышеупомянутой схемы фильтра составляет A _В = — R ₂ / R ₁

Частоты отсечки схемы фильтра составляют

f _C1 = 1 / (2πR ₁ C ₁ ) и f _C2 = 1 / (2πR ₂ C ₂ )

НАЗАД В начало

Эта схема фильтра создает настроенную схему на основе отрицательной обратной связи фильтра.Важным преимуществом этой множественной обратной связи является то, что без какого-либо изменения максимального усиления на центральной частоте мы можем изменить значение частоты среза. Это изменение частоты среза может быть выполнено с помощью сопротивления «R ₃ ».

Рассматривая приведенную ниже схему активного фильтра, давайте рассмотрим измененное значение резистора как R ₃ ′ и измененное значение частоты среза как f _c ′, тогда мы можем приравнять новое значение резистора следующим образом:

R ₃ ′ = R ₃ (f _c / f _c ′) ²

Он состоит из двух путей обратной связи, из-за наличия нескольких путей обратной связи его также называют « Полосовая схема с множественной обратной связью ».Эта схема создает полосовой фильтр с множественной обратной связью с бесконечным усилением. Благодаря этой схеме значение добротности увеличивается максимально до 20.

f _c = 1 / √ (R ₁ R ₂ C ₁ C ₂ )

Q = f _c / Полоса пропускания = (½) {√ [R ₂ / R ₁ ]}

A _макс. = -R ₂ / 2R ₁

R ₁ = Q / {2πf _c CA _max }

R ₂ = Q / πf _c C

R ₃ = Q / {2πf _c C (2Q² — A _max )}

Коэффициент усиления на центральной частоте «A _max » должен быть менее 2Q².То есть

A _max <2Q²

Где,

f _c = частота среза в Гц
C = емкость, (C ₁ = C ₂ = C)
Q = Фактор качества
A _max = Максимальное усиление

НАЗАД К НАЧАЛУ

Он имеет две центральные частоты, одна — фильтра высоких частот, а другая — низких частот. пройти фильтр.Центральная частота фильтра верхних частот должна быть ниже центральной частоты фильтра нижних частот.

Центральная частота полосового фильтра — это среднее геометрическое для нижней и верхней частот среза f _r ² = f _H * f _L.

Коэффициент усиления фильтра составляет 20 log ( V _выход / V _дюйм ) дБ / декада. Амплитудный отклик аналогичен отклику фильтра нижних и верхних частот. Кривая отклика зависит от порядка каскадных фильтров.

Нормированная средняя частота задается как f _r = 1. Давайте рассмотрим две частоты среза как 300 Гц и 900 Гц, тогда полоса пропускания фильтра составляет 300 Гц -900 Гц = 600 Гц.

НАЗАД В начало

Фактор качества зависит от ширины полосы пропускания. Коэффициент качества обратно пропорционален пропускной способности. Это означает, что при увеличении ширины полосы добротность уменьшается, а при уменьшении ширины полосы добротность увеличивается.

Q = f _c / Bandwidth

Для широкополосного фильтра коэффициент качества низкий, потому что ширина полосы пропускания велика. Для узкополосного фильтра добротность высока. Селективность и неселективность зависят от ширины полосы пропускания.

Этот коэффициент качества также связан с коэффициентом демпфирования (). Если значение коэффициента демпфирования больше, равномерность выходной характеристики также больше. Это приравнивается следующим образом:

ε = 2 / Q

Для различных значений добротности нормализованная характеристика усиления полосового фильтра второго порядка дается как:

. селективность больше для более высокого коэффициента качества.

НАЗАД

Давайте рассмотрим схему активного фильтра с множественной обратной связью с бесконечным усилением, для которой резонансная частота составляет 1,5 кГц, максимальное усиление по напряжению равно 15, а коэффициент качества равен 7. Тогда Значения компонентов рассчитываются следующим образом:

Для резисторов

Мы считаем, что измененное значение резистора как R ₃ ´ и измененное значение частоты среза f _c ´ = 2 кГц, мы можем приравнять новое значение резистора:

R ₃ ´ = R ₃ (f _c / f _c ´) ² = 447.4 (1,5 / 2) ² = 251,66 Ом

Таким образом, просто взяв требуемую частоту, мы можем рассчитать новое значение резистора.

НАЗАД В начало

Назад — Активный фильтр верхних частот

Далее — Фильтр Баттерворта

Фазовый отклик в активных фильтрах

Введение

В первой статье этой серии, ¹ я исследовал взаимосвязь фазы фильтра с топологией реализации фильтра.Во второй статье, ² , я исследовал фазовый сдвиг передаточной функции фильтра для низких и высоких частот. В этой статье мы сосредоточимся на полосе пропускания. Хотя фильтры предназначены в первую очередь для их амплитудной характеристики, фазовая характеристика может быть важна в некоторых приложениях.

Для целей обзора передаточная функция активного фильтра фактически представляет собой каскад передаточной функции фильтра и передаточной функции усилителя (см. Рисунок 1).

Полосовая передаточная функция

Изменение числителя ФНЧ прототипа на

преобразует фильтр в полосовую функцию. Это приведет к обнулению передаточной функции. Член s в числителе дает нам ноль, а член s в числителе дает нам полюс. Ноль даст ответ нарастающей с частотой, в то время как полюс даст отклик с понижением частоты.

Тогда передаточная функция полосового фильтра второго порядка равна:

ω0 здесь частота (F ₀ = 2 π ω0), на которой усиление фильтра достигает пика.

H ₀ — коэффициент усиления схемы (пик Q) и определяется как:

, где H — коэффициент усиления реализации фильтра.

Q имеет особое значение для полосы пропускания. Это избирательность фильтра. Это определяется как:

, где FL и FH — частоты, на которых отклик составляет –3 дБ от максимума.

Полоса пропускания (BW) фильтра описывается как:

Можно показать, что резонансная частота (F ₀ ) является средним геометрическим для F _L и F _H , что означает, что F ₀ появится на полпути между F _L и F _H в логарифмической шкале.

Также обратите внимание, что границы полосы пропускания всегда будут симметричными относительно F ₀ в логарифмической шкале.

Амплитудный отклик полосового фильтра на различные значения Q показан на рисунке 2. На этом рисунке усиление на центральной частоте нормировано на 1 (0 дБ).

Опять же, эта статья в первую очередь касается фазовой характеристики, но полезно иметь представление об амплитудной характеристике фильтра.

Здесь уместно сделать предостережение. Полосовые фильтры можно определить двумя разными способами. Узкополосный случай — это классическое определение, которое мы показали выше. Однако в некоторых случаях, если высокие и низкие частоты среза сильно разнесены, полосовой фильтр состоит из отдельных секций высоких и низких частот. Широкое разделение в данном контексте означает разделение по крайней мере на две октавы (× 4 по частоте). Это широкополосный случай. В данной статье нас в первую очередь интересует случай узкополосной связи.Для широкополосного случая оцените фильтр как отдельные секции высоких и низких частот.

Хотя полосовой фильтр может быть определен в терминах стандартных откликов, таких как Баттерворт, Бессель или Чебышев, они также обычно определяются их Q и F ₀ .

Фазовая характеристика полосового фильтра:

Обратите внимание, что однополюсного полосового фильтра не существует.

Рисунок 3 оценивает уравнение 6 от двух десятков ниже центральной частоты до двух десятков выше центральной частоты.Центральная частота имеет фазовый сдвиг 0 °. Центральная частота равна 1, а Q — 0,707. Это тот же Q, который использовался в предыдущей статье, хотя в этой статье мы использовали α. Помните, что α = 1 / Q.

Осмотр показывает, что форма этой кривой в основном такая же, как у нижних частот (и верхних частот, если на то пошло). Однако в этом случае фазовый сдвиг составляет от 90 ° ниже центральной частоты до 0 ° на центральной частоте до –90 ° выше центральной частоты.

На рисунке 4 мы исследуем фазовую характеристику полосового фильтра с изменяющейся добротностью.Если мы посмотрим на передаточную функцию, мы увидим, что изменение фазы может происходить в относительно большом диапазоне частот, и что диапазон изменения обратно пропорционален добротности схемы. Опять же, осмотр показывает, что кривые имеют ту же форму, что и кривые для низких (и высоких) характеристик, только с другим диапазоном.

Передаточная функция усилителя

В предыдущих частях было показано, что передаточная функция в основном аналогична однополюсному фильтру.Хотя фазовый сдвиг усилителя обычно не учитывается, он может повлиять на общий коэффициент передачи композитного фильтра. AD822 был произвольно выбран для использования в моделировании фильтров в этой статье. Он был выбран частично, чтобы минимизировать влияние на передаточную функцию фильтра. Это связано с тем, что фазовый сдвиг усилителя значительно выше по частоте, чем граничная частота самого фильтра. Передаточная функция AD822 показана на рисунке 5, который является информацией, взятой непосредственно из таблицы данных.

Пример 1: 2-полюсный полосовой фильтр 1 кГц с Q = 20

Первым примером будет фильтр, изначально спроектированный как полосовой. Мы произвольно выбираем центральную частоту 1 кГц и добротность 20. Поскольку добротность находится на более высокой стороне, мы будем использовать конфигурацию с двойным полосовым усилителем (DABP). Опять же, это произвольный выбор.

Мы используем расчетные уравнения из справочника 1. Результирующая схема показана на рисунке 6:

В этой статье нас в первую очередь интересует фаза, но я считаю полезным изучить амплитудную характеристику.

Мы видим фазовую характеристику на рисунке 8:

Обратите внимание, что конфигурация DABP не инвертирующая. Рисунок 8 соответствует рисунку 3.

Пример 2: Преобразование Чебышева низких частот в полосовой фильтр, 1 кГц, 0,5 дБ,

основана на прототипе фильтра нижних частот, который затем может быть преобразован в другие формы.В этом примере прототипом, который будет использоваться, является 3-полюсный фильтр Чебышева, 1 кГц, 0,5 дБ. Был выбран фильтр Чебышева, потому что он более четко показал бы неправильные ответы. Например, рябь в полосе пропускания не совпадала. В этом случае фильтр Баттерворта, вероятно, был бы слишком снисходительным. 3-полюсный фильтр был выбран таким образом, чтобы пара полюсов и одиночный полюс были преобразованы.

Расположение полюсов для прототипа LP (из ссылки 1):

Первая стадия — это пара полюсов, а вторая стадия — однополюсная. Обратите внимание на неудачное соглашение об использовании α для двух совершенно разных параметров. Значения α и β слева — это положения полюсов в плоскости s.Это значения, которые используются в алгоритмах преобразования. Значение α справа равно 1 / Q, что и хотят видеть уравнения конструкции физических фильтров.

Прототип нижних частот преобразован в полосовой фильтр. Строка уравнения, указанная в ссылке 1, используется для преобразования. Каждый полюс фильтра-прототипа превратится в пару полюсов. Следовательно, 3-полюсный прототип при преобразовании будет иметь шесть полюсов (3-полюсные пары). Кроме того, в начале координат будет шесть нулей.Однополюсной полосы пропускания не существует.

Частью процесса преобразования является определение ширины полосы 3 дБ результирующего фильтра. В этом случае эта полоса будет установлена ​​на 500 Гц. По результатам трансформации выход:

На практике может быть полезно поместить секцию с более низким коэффициентом усиления и Q первой в строке, чтобы максимизировать обработку уровня сигнала. Причина требования к усилению для первых двух каскадов заключается в том, что их центральные частоты будут ослаблены относительно центральной частоты общего фильтра (то есть они будут на юбке других секций).

Поскольку результирующие Q являются умеренными (менее 20), будет выбрана топология множественной обратной связи. Расчетные уравнения для полосового фильтра с множественной обратной связью из ссылки 1 используются для разработки фильтра. На рисунке 9 показана схема самого фильтра.

На рисунке 10 мы смотрим на фазовый сдвиг всего фильтра. На графике показан фазовый сдвиг только первой секции (секция 1), первых двух секций вместе (секция 2) и всего фильтра (секция 3).Они показывают фазовый сдвиг «реальных» секций фильтра, включая фазовый сдвиг усилителя и инверсию топологии фильтра.

На рисунке 10 следует отметить несколько деталей. Во-первых, фазовая характеристика является кумулятивной. В первом разделе показано изменение фазы на 180 ° (фазовый сдвиг функции фильтра без учета фазового сдвига топологии фильтра). Вторая часть показывает изменение фазы на 360 ° из-за наличия двух частей, по 180 ° от каждой из двух частей.Помните, что 360 ° = 0 °. И третья часть показывает сдвиг фазы 540 °, по 180 ° от каждой из секций. Также обратите внимание, что на частотах выше 10 кГц мы начинаем видеть небольшой спад фазы из-за отклика усилителя. Мы видим, что спад снова является кумулятивным, увеличиваясь для каждого раздела.

На рисунке 11 мы видим амплитудную характеристику всего фильтра.

Вывод

В данной статье рассматривается фазовый сдвиг полосовых фильтров. В предыдущих статьях этой серии мы исследовали фазовый сдвиг в зависимости от топологии фильтра и для топологий верхних и нижних частот. В следующих статьях мы рассмотрим режекторные и всепроходные фильтры. В заключительной части мы свяжем все это воедино и исследуем, как фазовый сдвиг влияет на переходную характеристику фильтра, глядя на групповую задержку, импульсную характеристику и переходную характеристику, и что это означает для сигнала.

Примечания:

¹ Хэнк Зумбахлен. «Фазовые отношения в активных фильтрах». Аналоговый диалог , Volume 41, Number 4, 2007.

² Hank Zumbahlen. «Фазовый отклик в активных фильтрах, часть 2, низкочастотные и высокочастотные характеристики». Аналоговый диалог , Volume 43, Number 3, 2009.

использованная литература

Daryanani, G. Принципы синтеза и проектирования активных сетей n.John Wiley & Sons, 1976.

Грэм Дж., Дж. Тоби и Л. Хелсман. Проектирование и применение операционных усилителей . McGraw-Hill, 1971.

Van Valkenburg, Mac. Конструкция аналогового фильтра . Холт, Райнхарт и Уинстон, 1982.

Уильямс, Артур Б. Справочник по проектированию электронных фильтров . McGraw-Hill, 1981.

Zumbahlen, Hank. Базовая линейная конструкция . Гл. 8. Analog Devices, Inc., 2006.

Zumbahlen, Hank. «Глава 5: Аналоговые фильтры.» Handboo по применению операционных усилителей k. Newnes-Elsevier, 2006.

Zumbahlen, Hank. Linear Circuit Design Handboo k. Newnes-Elsevier, 2008.

Zumbahlen, Hank.» Фазовые отношения в активных фильтрах « Аналоговый диалог , том 41, 2007 г.

Зверев, Анатолий И. Справочник по синтезу фильтров , . John Wiley & Sons, 1967.

в качестве активных полосовых и активных полосовых фильтров

Мы узнали в В предыдущем руководстве говорилось, что операционные усилители позволяют нам разрабатывать высокопроизводительные фильтры, которые обеспечивают частотную характеристику второго порядка без необходимости использования катушек индуктивности.Это выгодно, потому что в контексте современной электронной конструкции характеристики катушек индуктивности значительно более проблематичны, чем характеристики резисторов и конденсаторов.

Band-Pass и Band-Reject

Фильтр нижних частот пропускает частоты ниже частоты среза, а фильтр верхних частот пропускает частоты выше частоты среза. Полосовой фильтр, напротив, пропускает частоты, которые попадают только в относительно узкий диапазон, а полосовой фильтр (также называемый полосовым или режекторным фильтром) пропускает все частоты, кроме тех, которые попадают в относительно узкий диапазон.

Полосовые фильтры широко используются в системах связи, поскольку они могут отделять принятый сигнал от других принятых сигналов, которые занимают соседние полосы частот. Полосовые фильтры также могут использоваться для определения высоты звука входящего аудиосигнала.

Фильтры отклонения полосы полезны, когда системе необходимо подавить шум, состоящий из небольшого диапазона частот (например, помехи от генератора с переменной частотой) или одной частоты (например, помех от линии электропередачи 60 Гц).

Сравнение однополюсных и двухполюсных роликов

В предыдущем уроке мы видели, что фильтр Саллена – Ки требует только одного операционного усилителя и может генерировать отклик второго порядка, то есть двухполюсный. Другой двухполюсной архитектурой на основе операционных усилителей является топология с множественной обратной связью (MFB).

Когда фильтр Саллена – Ки или MFB реализует отклик верхних или нижних частот, максимальный спад составляет 40 дБ / декаду. Однако, когда эти двухполюсные топологии используются для полосы пропускания или отклика с отклонением полосы, спад в конечном итоге стабилизируется на уровне всего 20 дБ / декаду, поскольку пассивные компоненты спроектированы таким образом, чтобы выделять один полюс к низкочастотной части частотной характеристики и один полюс к высокочастотной части частотной характеристики.

В следующих разделах мы рассмотрим двухполюсные активные полосовые фильтры и режекторные фильтры. Для этих схем требуется только один операционный усилитель. Однако имейте в виду, что полосовой и режекторный фильтры с более крутым спадом могут быть достигнуты путем комбинирования фильтра низких частот Саллена-Ки для MFB и фильтра высоких частот Саллена-Кея или MFB.

Когда требуется полосовой отклик, вы можете использовать фильтр верхних частот, за которым следует фильтр нижних частот. Когда требуется отклик с отклонением полосы, вы можете использовать каскад суммирования, чтобы добавить сигнал, отфильтрованный по нижним частотам, к сигналу, отфильтрованному по верхним частотам.Частоты среза двух фильтров регулируются таким образом, что частотные характеристики перекрываются таким образом, что создается полоса пропускания или режекция.

Полосовой фильтр MFB

На следующей схеме показан активный фильтр на базе операционного усилителя, который создает полосовой отклик.

Центральная частота рассчитывается следующим образом:

\ [f_ {CTR} = \ frac {\ sqrt {\ frac {1} {(R_1 || R_2) R_3C_1C_2}}} {2 \ pi} \]

Хотя спад будет иметь тенденцию к 20 дБ / декаду, спад около центральной частоты может быть значительно более крутым, потому что на эту часть частотной характеристики влияет добротность фильтра.Более высокая добротность увеличивает спад около центральной частоты — другими словами, полосовой фильтр с более высокой добротностью является более избирательным фильтром.

Фильтр отклонения полосы

Активный фильтр с подавлением полосы пропускания с высокой добротностью показан ниже. Эта топология называется двойной Т-сетью.

Эта схема включает значения компонентов, которые приводят к частоте режекции 60 Гц; подавление помех от сети с частотой 60 Гц является стандартным применением режекторного фильтра.Обратите внимание, что на этой схеме значения компонентов выбраны так, что R ₁ = R ₂ , R ₁ = 2 × R ₃ , C ₁ = C ₂ и C ₁ = С ₃ /2. Частота режекции рассчитывается следующим образом:

\ [f_ {NOTCH} = \ frac {1} {2 \ pi R_1C_1} \]

Конфигурация, показанная выше, ясно демонстрирует, что схема состоит из двух Т-образных сетей с пассивными компонентами; сеть, состоящая из двух резисторов и конденсатора, действует как фильтр нижних частот, а сеть, состоящая из двух конденсаторов и резистора, действует как фильтр верхних частот.

Таким образом, схема имеет каскад низких частот и каскад высоких частот, работающих параллельно, и интересно отметить, что реализация с подавлением полосы частот, описанная ранее в этой статье, состоит из выхода с фильтром нижних частот и выходного сигнала с высоким коэффициентом пропускания. выходной сигнал с пропускной фильтрацией, объединенный посредством суммирования.

Сводка

• Полосовые и режекторные фильтры используются для пропускания или блокировки узкого диапазона частот.
• Можно создать полосу пропускания или отклик с отклонением полосы, используя только один операционный усилитель в сочетании с конденсаторами и резисторами.
• Альтернативный подход к конструкции с полосой пропускания и отклонением полосы состоит в объединении отклика активного фильтра нижних частот и отклика активного фильтра верхних частот. Однако это приводит к увеличению количества компонентов: требуется как минимум два операционных усилителя, а количество пассивных компонентов значительно выше.

Полосовой фильтр: что это такое? (Схема, конструкция и передаточная функция)

Что такое полосовой фильтр?

Полосовой фильтр (также известный как BPF или полосовой фильтр) определяется как устройство, которое разрешает использование частот в определенном частотном диапазоне и отклоняет (ослабляет) частоты за пределами этого диапазона.

Фильтр нижних частот используется для изоляции сигналов с частотами выше частоты среза. Точно так же фильтр верхних частот используется для изоляции сигналов с частотами ниже частоты среза.

Посредством каскадного соединения фильтра верхних и нижних частот создается еще один фильтр, который позволяет передавать сигнал с определенным частотным диапазоном или полосой и ослаблять сигналы, частоты которых находятся за пределами этого диапазона. Этот тип фильтра известен как полосовой фильтр .

Полосовой фильтр имеет две частоты среза. Первая частота среза — от фильтра высоких частот. Это определит верхний предел частоты полосы, который известен как верхняя частота среза (fc-high). Вторая частота среза — от фильтра нижних частот. Это определит нижний предел частоты полосы, который известен как нижняя частота среза (fc-low).

Схема полосового фильтра

Полосовой фильтр представляет собой комбинацию фильтров нижних и верхних частот.Поэтому принципиальная схема содержит схему фильтров верхних и нижних частот. Принципиальная схема пассивного полосового RC-фильтра показана на рисунке ниже. Принципиальная схема полосового фильтра

Первая половина принципиальной схемы представляет собой пассивный RC-фильтр верхних частот. Этот фильтр пропускает сигналы с частотами выше нижней частоты среза (fc-low). И ослабьте сигналы с частотами ниже (fc-low).

Вторая половина принципиальной схемы представляет собой пассивный RC-фильтр нижних частот.Этот фильтр пропускает сигналы с частотами ниже верхней частоты среза (fc-high). И он будет ослаблять сигналы с частотами выше, чем (fc-high).

Полоса или область частот, в которой полосовой фильтр пропускает сигнал, известная как полоса пропускания. Полоса пропускания — это разница между верхним и нижним значением частоты среза.

Типы полосовых фильтров

Существует много типов схем полосовых фильтров.Давайте подробно объясним основные типы схем фильтров.

Активный полосовой фильтр

Активный полосовой фильтр представляет собой каскадное соединение фильтра верхних и нижних частот с усилительным компонентом, как показано на рисунке ниже. Блок-схема активного полосового фильтра

Принципиальная схема активной полосы Пропускной фильтр разделен на три части. Первая часть предназначена для фильтра высоких частот. Затем операционный усилитель используется для усиления. Последняя часть схемы — это фильтр нижних частот.На рисунке ниже показана принципиальная схема активного полосового фильтра. Принципиальная схема активного полосового фильтра

Пассивный полосовой фильтр

В пассивном фильтре используются только пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Поэтому в пассивном полосовом фильтре также используются пассивные компоненты, и он не использует операционный усилитель для усиления. Таким образом, как и в случае активного полосового фильтра, в пассивном полосовом фильтре отсутствует усилительная часть.

Пассивный полосовой фильтр представляет собой комбинацию пассивных фильтров верхних частот и пассивных фильтров нижних частот.Следовательно, принципиальная схема также содержит схемы фильтров верхних и нижних частот. Принципиальная схема пассивного полосового фильтра

Первая половина схемы предназначена для пассивного фильтра верхних частот. А вторая половина — для пассивного фильтра нижних частот.

Полосовой фильтр RLC

Как следует из названия, этот полосовой фильтр содержит только резистор, катушку индуктивности и конденсатор. Это тоже пассивный полосовой фильтр.

В соответствии с подключением RLC существует две конфигурации схемы полосового фильтра RLC.В первой конфигурации последовательный LC-контур включен последовательно с нагрузочным резистором. И вторая конфигурация — параллельная LC-цепь, подключенная параллельно с нагрузочным резистором. Принципиальная схема полосового фильтра RLC

Полоса пропускания для последовательного и параллельного полосового фильтра RLC показана в уравнениях ниже.

Полоса пропускания для последовательного RLC-фильтра

Уравнение угловой частоты одинаково для обеих конфигураций, и уравнение:

Полоса пропускания для параллельного RLC-фильтра

Широкополосный фильтр

В зависимости от размера полосы пропускания, его можно разделить на широкий полосовой фильтр и узкий полосовой фильтр.Если добротность меньше 10, фильтр известен как широкополосный фильтр. Как следует из названия, ширина полосы пропускания широкая для широкополосного фильтра.

В этом типе фильтра фильтры верхних и нижних частот представляют собой разные секции, как мы видели в пассивном полосовом фильтре. Здесь оба фильтра пассивны.

Другая компоновка схемы может быть выполнена с использованием активного фильтра верхних частот и активного фильтра нижних частот. Принципиальная схема этого фильтра показана на рисунке ниже, где первая половина предназначена для активного фильтра верхних частот, а вторая половина — для активного фильтра нижних частот.Принципиальная схема широкополосного фильтра

Из-за различных частей фильтров легко спроектировать схему для широкого диапазона полосы пропускания.

Узкополосный фильтр

Полосовой фильтр с добротностью больше десяти. Полоса пропускания этого фильтра узкая. Следовательно, он позволяет передавать сигнал с небольшим диапазоном частот. У него есть множественная обратная связь. В этом полосовом фильтре используется только один операционный усилитель.

Этот полосовой фильтр также известен как фильтр с множественной обратной связью, поскольку существует два пути обратной связи.

В этом полосовом фильтре операционный усилитель используется в неинвертирующем режиме. Принципиальная схема полосового фильтра показана на рисунке ниже. Принципиальная схема узкополосного фильтра

На рисунке ниже показано различие частотной характеристики между широкополосным и узкополосным фильтром.

Передаточная функция полосового фильтра

Передаточная функция полосового фильтра первого порядка

Полосовой фильтр первого порядка невозможен, поскольку он имеет минимум два энергосберегающих элемента (конденсатор или индуктор).Таким образом, передаточная функция полосового фильтра второго порядка выводится следующим образом.

Передаточная функция полосового фильтра второго порядка

Передаточная функция полосового фильтра второго порядка показана и выведена ниже.

(1)

Где,

Для полосового фильтра должно выполняться следующее условие:

Частота среза полосового фильтра

Полоса пропускания фильтр представляет собой комбинацию двух фильтров.Следовательно, он имеет две частоты среза. Одна частота среза получается из фильтра верхних частот и обозначается как F _c-high . Фильтр пропускает сигнал с частотами выше F _c-high . Значение F _c-high рассчитывается по приведенной ниже формуле.

Вторая частота среза получается из фильтра нижних частот и обозначается как F _c-low . Фильтр пропускает сигнал с частотами ниже, чем у F _c-low .Значение F _{c-low рассчитывается по приведенной ниже формуле.}

Фильтр работает между частотами F _c-high и F _c-low . Диапазон между этими частотами известен как полоса пропускания. Следовательно, полоса пропускания определяется следующим уравнением.

Частота среза фильтра верхних частот определяет нижнее значение полосы пропускания, а частота среза фильтра нижних частот определяет более высокое значение полосы пропускания.

График Боде полосового фильтра или частотная характеристика

На приведенном выше рисунке показан график Боде или частотная характеристика и фазовый график полосового фильтра. Фильтр пропускает сигнал, частота которого находится между полосой пропускания.

Фильтр будет ослаблять сигналы с частотой ниже, чем частота среза фильтра высоких частот. И пока сигнал не достигнет FL, выходной сигнал увеличивается со скоростью +20 дБ / декада, как и фильтр высоких частот.

После этого выходной сигнал будет работать с максимальным усилением до тех пор, пока не достигнет частоты среза фильтра нижних частот или в точке F _H . Затем выходной сигнал будет уменьшаться со скоростью -20 дБ / декада, как и у фильтра нижних частот.

Полосовой фильтр является фильтром второго порядка, поскольку на принципиальной схеме он имеет два реактивных компонента. Следовательно, разность фаз вдвое больше, чем у фильтра первого порядка, и она составляет 180 °.

До центральной частоты выходной сигнал опережает входной сигнал на 90 °.На центральной частоте выходной сигнал синфазен с входным. Следовательно, разность фаз равна 0˚.

После центральной частоты выходной сигнал отстает от входного на 90 °.

Идеальный полосовой фильтр

Идеальный полосовой фильтр позволяет получать сигнал с точностью от F _{до L} , подобной переходной характеристике. Сигнал допускает ровно на F _L с крутизной 0 дБ / декада. И он резко ослабляет сигналы с частотой выше F _H .

Частотная характеристика идеального полосового фильтра показана на рисунке ниже. Этот тип ответа не может привести к фактическому полосовому фильтру.

Уравнение полосового фильтра

Когда частота сигнала находится в диапазоне ширины полосы, фильтр пропускает сигнал с входным сопротивлением. И выход равен нулю, когда частота сигнала выходит за пределы полосы пропускания.

Для полосового фильтра;

(2)

Приложения полосового фильтра

Применение полосового фильтра выглядит следующим образом:

• Полосовые фильтры широко используются в схемах звуковых усилителей.Например, динамик используется для воспроизведения только желаемого диапазона частот и игнорирования остальных частот.
• Используется оптика, такая как ЛАЗЕР, ЛИДАРЫ и т. Д.
• Эти фильтры используются в системе связи для выбора сигналов с определенной полосой пропускания.
• Используется при обработке аудиосигнала.
• Он также используется для оптимизации отношения сигнал / шум и чувствительности приемника.

Пример конструкции полосового фильтра

Теперь вы знакомы с полосовым фильтром.Давайте разработаем фильтр для определенной полосы пропускания. Мы сделаем фильтр, который пропускает сигналы с частотами в диапазоне от 80 Гц до 800 Гц.

F1 = 80 Гц
F2 = 800 Гц

В этом примере мы сделаем простой пассивный RC-фильтр для заданного диапазона частот. Итак, нам нужно вычислить значение R1, C1, R2 и C2.

Аналогично,

Мы должны принять значение сопротивления или емкости.Здесь мы примем значение C1 и C2. Для простых расчетов мы примем одно и то же значение для C1 и C2, которое составляет 10 ^-6 F. И вычислим значение сопротивления в соответствии с этим значением C1, C2 и F1, F2.

Следовательно,

Аналогично,

Теперь у нас есть все значения, и по этим значениям мы можем создать фильтр, который разрешает сигналы с определенной полосой пропускания.

Основы полосовых фильтров

Фильтры пропускают одни сигналы и блокируют другие. Полосовой (также известный как полосовой) фильтр позволяет сигналам определенного частотного диапазона («полосы частот») проходить через фильтр как есть. (Этот диапазон принимаемых частот называется полосой пропускания. Размер или диапазон полосы пропускания называется полосой пропускания.) С полосовым фильтром все, что выше или ниже выбранного диапазона частот, будет заблокировано (ослаблено). Это полезно для удаления нежелательного шума, блокируя все, что, как вы знаете, вы в любом случае не будете использовать.Одним из примеров является диапазон звуковых частот для использования с музыкой и обработки речи; диапазон звуковых частот для этих приложений составляет примерно от 20 Гц до 20 кГц.

Аналоговые сигналы часто необходимо фильтровать перед их преобразованием в цифровые сигналы для обработки. (Существуют как аналоговые, так и цифровые фильтры, но мы говорим об аналоговых фильтрах, которые удаляют шум до его оцифровки.) Удаление шума на более высоких частотах (выше ~ 1 МГц) может быть выполнено с помощью схемы, использующей пассивные компоненты (конденсаторы (C), резисторы (R) и катушки индуктивности (L).) На более низких частотах (от 1 Гц до 1 МГц) катушка индуктивности может работать физически большой и неэкономичный, поэтому можно использовать активный фильтр для работы так же, как фильтр LRC, но на более низкой частоте. Активный фильтр использует активный компонент, такой как операционный усилитель, а также пассивные компоненты.

Три наиболее известных способа фильтрации — это фильтр нижних частот, фильтр верхних частот и полосовой фильтр.Существуют две менее известные категории: режекторный (режекторный) фильтр (разновидность обратного полосового фильтра) и всепроходный фильтр (сдвигающий фазу). Фильтр нижних частот пропускает только сигналы низких частот. Фильтр высоких частот пропускает только сигналы с более высокими частотами. (Простой способ создать полосовой фильтр — это разместить последовательно фильтры нижних и верхних частот.) Некоторые характеристики полосового фильтра, вызывающие озабоченность, — это частоты среза. Низкая частота среза ( f _L ) определяет нижнюю границу полосового фильтра, где сигналы, начиная с нижней частоты среза, могут проходить через фильтр.Высокая частота среза ( f _H ) определяет самую высокую частоту, которую пропускает полосовой фильтр.

Другая характеристика, вызывающая беспокойство, — это усиление на центральной частоте ( f _C ) и коэффициент качества (Q) полосового фильтра, который имеет отношение к селективности фильтра. Полосовой фильтр с высокой добротностью представляет собой полосовой фильтр с узкой полосой пропускания; то есть высокая добротность означает, что будет проходить меньше сигналов с нежелательными частотами.Низкая добротность означает, что полоса пропускания широкая и, следовательно, позволяет более широкому диапазону частот проходить через фильтр. Как правило, частота среза — это частота, на которой амплитуда фильтра на 3 дБ меньше амплитуды полосы пропускания. [I]

В действительности полосовые фильтры не могут полностью блокировать нежелательные сигналы. Сигналы, которые не попадают в полосу пропускания, могут быть просто ослаблены или значительно уменьшены по амплитуде. Сигналы, которые находятся в полосе пропускания, будут усилены усилением, связанным с f _C .Идеальный фильтр выглядел бы как пошаговая функция; позволяя частотам точно с f _L проходить через схему фильтра и резко останавливая пропускную способность точно с f _H . В его нынешнем виде проблема заключается в том, что фильтр не полностью ослабляет все и постепенно хуже пропускает сигналы, ведущие к частоте среза f _L, , и постепенно становится лучше при ослаблении сигналов по мере того, как мы удаляемся от высокая частота среза, f _H .Это несовершенное исключение называется «спадом». Спад можно увидеть на кривой, ведущей к плато на рисунке 1, и снова на кривой, падающей от f _H . Фильтры более высокого порядка (второго порядка, третьего порядка и т. Д.) Будут иметь более резкую скорость спада. Фильтры более высокого порядка содержат больше компонентов.

Дополнительную информацию об активных фильтрах можно найти в прекрасном онлайн-ресурсе «Активные фильтры от Analog Devices».

[i] https: //wiki.analog.ru / University / курсы / учебные пособия / index

Сигналы полосового фильтра — MATLAB bandpass

Аргумент 'Steepness' управляет шириной переходных областей фильтра. Чем ниже крутизна, тем шире переход область. Чем выше крутизна, тем уже переходная область.

Чтобы интерпретировать крутизну фильтра, рассмотрите следующие определения:

• Частота Найквиста , f _{Найквист} , является самой высокочастотной составляющей сигнала, который может быть дискретизирован с заданной скоростью без наложения спектров. f _{Найквист} равен 1 (× π рад / отсчет), когда вход сигнал не имеет информации о времени, а фс /2 герц, когда входным сигналом является расписание или когда вы указываете образец темп.

• Нижняя и верхняя частоты полосы задерживания фильтр, f _стоп ^нижний и f _стоп ^{верхний} , это частоты, ниже и выше которых затухание равно или больше значения, указанного с помощью 'Затухание полосы пропускания' .

• Нижняя ширина перехода фильтра, W ^нижний , является fpass ^нижний — ф _упор ^нижний , где fpass ^нижний первый элемент fpass .

• Ширина верхнего перехода фильтра, W ^верх , is f _упор ^верх — fpass ^{верхний} , где fpass ^{верхний} второй элемент fpass .

• Большинство неидеальных фильтров также ослабляют входной сигнал полоса пропускания. Максимальное значение этого частотно-зависимого затухания составляет называется пульсацией полосы пропускания . Каждый фильтр, используемый bandpass имеет пульсацию полосы пропускания 0,1 дБ.

Для управления шириной полос перехода можно указать 'Крутизна' либо двухэлементный вектор, [ s ^нижний , s ^{верхний} ] или скаляр.Когда вы указываете 'Steepness' как вектор, функция:

Когда вы указываете 'Крутизна' как скаляр, функция проектирует фильтр с равной шириной нижнего и верхнего перехода. Значение по умолчанию «Крутизна» составляет 0,85.

Конструкция полосового фильтра ОУ »Примечания по электронике

Операционные усилители, операционные усилители могут обеспечить простой метод построения схемы активного полосового фильтра.

Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Сводка схем Инвертирующий усилитель Суммирующий усилитель Неинвертирующий усилитель Усилитель с регулируемым усилением Активный фильтр высоких частот Активный фильтр нижних частот Полосовой фильтр Режекторный фильтр Компаратор Триггер Шмитта Мультивибратор Бистабильный Интегратор Дифференциатор Генератор моста Вина Генератор фазового сдвига

Полосовые фильтры используются во многих приложениях, где требуется одна полоса частот, а те, что выше и ниже, должны быть отклонены.

Операционные усилители могут предоставить удобный метод создания полосовых фильтров или многих других типов фильтров.

Полосовой фильтр операционного усилителя может быть создан с использованием относительно небольшого количества компонентов и обеспечивает хороший уровень производительности для многих приложений. Хотя при использовании одного операционного усилителя производительность полосового фильтра немного ограничена, при необходимости можно использовать дополнительные каскады или более сложные топологии.

Что такое полосовой фильтр

Как следует из названия, полосовой фильтр — это фильтр, пропускающий только заданную полосу частот.

Все частоты за пределами требуемой полосы ослабляются.

В ответе фильтра есть две основные области, представляющие интерес. Это полоса пропускания, где фильтр пропускает сигналы, и полоса заграждения, где сигналы ослабляются. Поскольку невозможно получить бесконечно крутой спад, существует область перехода за пределами полосы пропускания, где отклик падает, но не достигает требуемого внеполосного затухания.

Схема активного полосового фильтра ОУ

Конструкция полосовых фильтров может оказаться сложной даже при использовании операционных усилителей.Однако можно упростить расчетные уравнения, сохранив при этом приемлемый уровень характеристик активного фильтра операционного усилителя для многих приложений.

Уравнения схемы и конструкции представляют собой хороший баланс между производительностью и простотой схемотехники.

Из схемы видно, что помимо самого операционного усилителя, она состоит из двух конденсаторов и трех резисторов.

R2 = Q (2 Q2-H0) ω0 C

R3 = 2 Qω0 C

Где:
H ₀ = усиление
ω ₀ = 2 π f

Практические указания по проектированию фильтра

Когда в схеме полосового фильтра используется только одна микросхема операционного усилителя, коэффициент усиления должен быть ограничен пятью или менее, а добротность — менее десяти.

Если возникает необходимость улучшить характеристики с точки зрения коэффициента усиления или коэффициента формы, могут быть добавлены дополнительные каскады.

Также стоит отметить, что при разработке и реализации полосового фильтра для операционных усилителей этого типа необходимо использовать компоненты с высокими допусками / стабильностью как для резисторов, так и для конденсаторов. Любое изменение требуемых значений может привести к снижению производительности.

Этот полосовой фильтр операционного усилителя хорошо себя зарекомендовал и может использоваться во многих случаях.Он обеспечивает полезный уровень производительности, хотя имеет некоторые ограничения. Если они могут быть приняты, то это простой и недорогой метод установки фиксированной полосовой прокладки.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».