В этой статье будет рассказано о том, как сделать фильтр высокой частоты своими руками. Но прежде чем мы с вами начнем в этом разбираться, мы должны кое-что понять. То, что же из себя представляют сами фильтры высоких и низких частот.
Фильтры можно поделить на верхние (высокие) и нижние (низкие) частоты. Почему люди часто говорят “верхние”, а не “высокие” частоты? Происходит это из-за того, что с двух килогерц начинаются высокие в звукотехнике. Но два килогерца в радиотехнике — это частота звука, и поэтому ее называют “низкой”.
Также существует такое понятие, как средняя частота. Относится оно к звукотехнике. Так что же такое фильтр средней частоты? Это комбинация из нескольких вышеперечисленных устройств. Также это может быть полосовой фильтр.
Фильтр высокой частоты - это электронный или какой-нибудь прочий аппарат, который пропускает верхние частоты сигнала, и который на входе подавляет частоту сигнала в соответствии с ранее заданным срезом. Степень подавленности будет также зависеть от определенного типа фильтра.
Низкочастотный отличается тем, что он может пропускать входящий сигнал, который будет ниже заданного среза, при этом подавляя верхние частоты.
Фильтр высокой частоты можно использовать для того, чтобы выделять высокочастотные сигналы. Также часто его применяют при обработке аудиосигналов, например, в раздельных фильтрах, которые еще называют кроссоверными. Также они используются для обрабатывания изображений, чтобы можно было осуществить преобразование в частотной области.
Вот из чего состоит простейший фильтр высоких частот:
Работа сопротивления на емкость (R х С) есть постоянной времени (длительность протекания процесса) для данного фильтра, которая будет обратно пропорциональна частоте среза в герцах (единица измерения процессов колебаний).
Итак, как же мы можем провести расчет? Чтобы выполнить все действия на дому, нужно сделать одну из самых простых таблиц автоматического расчета в Microsoft Excel, но для этого нужно уметь пользоваться формулами в этой программе.
Можно пользоваться такой формулой:
Где f - это частота среза; R - это Ом; С - это емкость конденсатора, Ф (фарады).
Представленные устройства бывают пяти видов, и сейчас мы с вами их поочередно рассмотрим.
Можно сказать, что эти фильтры такие же, как и Г-образные, но к ним присоединяется вдобавок еще одна часть вначале. Все, что будет написано для Т-образных, будет верно и для П-образных. Отличия лишь заключаются в том, что у них увеличится шунтирующее действие на радиоцепь, стоящую спереди.
Вот вам примеры перехода Г-образного RC фильтра в П-образный RC также высоких частот:
На изображении можно заметить, что к исходной цепи добавляется еще один резистор 2R, расположенный параллельно первому.
Вот пример преобразования в RL:
Здесь вместо резисторра выстпает катушка индуктивности. Так же добавляется вторая (2L), расположенная параллельно первой.
И третий пример — преобразования в LC:
Т-образный фильтр — это тот же самый Г-образный, только с добавлением еще одного элемента.
Они будут рассчитываться таким же образом как и делитель напряжения, который будет состоять из двух частей с нелинейным АЧХ. Далее к полученному значению необходимо прибавить число реактивного сопротивления третьего элемента.
Также можно использовать и другой метод расчета, однако на практике он менее точен. Его суть заключается в том, что после полученного значения первой рассчитанной части Г-образного фильтра переменная растет или падает в двойне и распределяется на два элемента.
Если это будет конденсатор, тогда значение емкости катушек растет вдвойне, если же это резистор или дроссель, тогда значение сопротивления катушек, наоборот, падает вдвойне.
Примеры преобразования приведены ниже.
Переход Г-образного RC фильтра в Т-образный:
На изображении видено, что для перехода необходимо добавить второй конденсатор (2C).
Переход RL:
В данном случае все по аналогии. Для успешного перехода необходимо добавить второй резистор, подключенный последовательно.
Переход LC:
Г-образный фильтр - это делитель напряжения, который состоит из двух составляющих с нелинейной АЧХ (амплитудно-частотная характеристика). Для данного фильтра разрешается использовать схему и все формулы делителя напряжения.
Его можно представить так:
Если мы заменим сопротивление R1 на конденсатор, то у нас получится фильтр верхних частот. Фото измененной схеме вы можете наблюдать ниже:
Формулы для расчета:
U вх=U вых*(R1+R2)/R2; U вых=U вх*R2/(R1+R2); R общ=R1+R2 R1=U вх*R2/U вых - R2; R2=U вых*R общ/U вх |
Сейчас давайте наглядно рассмотрим, как провести расчет.
Строение такого фильтра довольно простое. Он будет состоять всего лишь из двух деталей - конденсатора и сопротивления.
Роль фильтра, который будет отсеивать среднечастотные и низкочастотные составляющие в аудиосигнале, будет исполнять непосредственно роль самого конденсатора. И простите за тавтологию, сопротивление будет выполнять роль сопротивления, то есть уменьшать уровень громкости.
Важно: высокие частоты эквалайзером с главного устройства не отрезаются - это будет вести к плохому звучанию. Лучше уменьшать их количество при помощи сопротивления.
Для создания фильтра высокой частоты для пищалки вам будут необходимы следующие материалы:
Активные фильтры обладают огромным преимуществом перед их пассивными "сородичами", тем более на частотах, значение которых меньше 10 кГЦ. Дело в том, что пассивные содержат катушки повышенной индуктивности и конденсаторы, которые обладают большой емкостью. Из-за этого они получаются громоздкими и дорогостоящими, и поэтому их характеристика по итогу выходит далеко не идеальной.
Большой индуктивности достигают благодаря увеличенному количеству витков катушки и использования ферромагнитного сердечника. Это освобождает ее свойства чистой индуктивности, потому что длинный провод катушки с большим числом витков имеет значимое сопротивление, а ферромагнитный сердечник подвергается влиянию температуры, что в значительной мере сказывается на его магнитных свойствах. Из-за того, что необходимо использовать большую емкость, приходится применять конденсаторы, которые обладают не лучшей стабильностью. К ним можно отнести электролитические конденсаторы. Фильтры, именуемые активными, во-многом лишены указанных выше недостатков.
Дифференциаторные и интеграторные схемы построены с применением операционных усилителей, они собой представляют простейшие активные фильтры. Когда выбирают элементы схемы по четкой инструкции, соблюдая зависимость от частоты дифференциатора, они становятся высокочастотными фильтрами, а от частоты интеграторов, напротив, - низкочастотными. Фото, объясняющие все сказанное, приведено ниже:
Рассмотрим настройку усилителя в машине.
Перед тем в машине, нужно сбросить все настройки главного устройства на нули. Величину частоты среза кроссовера нужно выставить в диапазоне 50-70 Гц. Фронтальный фильтр канала на усилителе в автомобиле устанавливают в положение высоких частот. Частота среза в данном случае выставляется в диапазоне 70-90 Гц.
Если конструкция будет предусматривать поканальное усиление фронтальных колонок, то нужно провести отдельную настройку высокочастотных динамиков. Для этого фильтр нужно установить в соответствующем положении и частоту среза выбрать в районе 2500 Гц.
Помимо прочего, нужно настроить чувствительность усилителя. Для этого его изначально необходимо сбросить на ноль, главное — устройство перевести в режим максимальной громкости, а следом начать увеличивать чувствительность. В тот момент, когда появится искажение звука, нужно прекратить вращение регулятора, а также стоит немного убавить саму чувствительность.
Еще есть незатейливый способ, как можно проверить качество звука: если после включения в сабвуфере слышны щелчки, а в динамике треск - это означает то, что имеются помехи для сигнала.
Басы не должны быть привязаны к сабвуферу. Для этого нужно повернуть регулятор фазы на сабвуфере на 180 градусов. Если этого регулятора нет, то нужно поменять местами положительный и отрицательный провода подключения.
Настроить звуковой процессор. Для этого необходимо отрегулировать временные задержки по каждому из каналов. Нужно установить временную задержку по левому каналу для того, чтобы звук, исходящий из левых динамиков достигал водителя в одно время с правым. Должно создаваться ощущение, что звук исходит из центральной части салона.
Кроме всего вышеперечисленного, звуковым процессором можно убрать привязку басов к задней части салона. Для того чтобы это сделать, нужно задать одинаковые задержки в правом и левом канале фронтальной акустики. Вследствие этого устранится локализация басов в районе сабвуфера.
Фильтры низких и высоких частот являются неотъемлемой частью любого усилителя. Устанавливаются они, как правило, рядом с электрической катушкой. Подвижные элементы в данном случае отсутствуют. К основным параметрам таких устройств относится показатель полосы пропускания. Дополнительно специалистами может быть рассчитан перехват сигнала. Если говорить про фильтры низких колебаний, то их чаще всего можно встретить в сабвуферах. В данном случае преобразователь занимается изменением высокочастотных волн.
Для того чтобы собрать фильтр низких частот своими руками, сетку лучше всего изначально подбирать магнитную. Электрическая катушка в данном случае должна располагаться за резисторами. Чтобы увеличить полосу пропускания тока, используют специальный преселектор. Дополнительно он в устройстве исполняет роль проводника. Перехват сигнала у фильтра зависит исключительно от типов конденсаторов.
Наиболее распространенными на сегодняшний день принято считать полевые модели. Емкость у них в среднем колеблется в районе 3 пФ. Все это в конечном счете позволит стабилизировать коротковолновые импульсы в цепи. Для создания искусственных сигналов применяется ревербератор. Преобразование в данном случае должно происходить без изменения показателя предельной частоты.
Расчет фильтра низких частот осуществляется через колебания среза. Дополнительно в формуле учитывается коэффициент передачи постоянного сигнала. Если говорить про активные типы фильтров, то емкость конденсаторов также берется во внимание. Для учета амплитуды колебаний дополнительно рассчитывается передаточная функция. Если частота выходного сигнала в конечном счете превышает первоначальные параметры, то коэффициент постоянного сигнала будет положительным.
Активный фильтр низких частот в первую очередь выделяется высокой полосой пропускания на уровне 5 Гц. Дополнительно в системе устанавливаются элементы для перехвата сигнала. Конденсаторы в данном случае припаиваются на специальной магнитной сетке. Для регулировки предельной частоты применяются транзисторы. Расширение возможностей устройства может осуществляться путем добавления в цепь конденсаторов. Емкость их должна составлять минимум 40 пФ.
Для положительной обратной связи применяется аналоговый модулятор. Устанавливается он в цепи только за конденсаторами. Колебательные контуры в системе можно стабилизировать при помощи стабилитронов. Пропускная способность их обязана составлять минимум 5 Гц. В данном случае параметр отрицательного сопротивления напрямую зависит от перекрытия диапазона частот.
Пассивный фильтр низких частот работает по принципу искажения колебаний. Происходит это путем установки ревербератора. Все элементы цепи в этом случае располагаются на магнитной сетке. Модуляторы в фильтрах используются самые разнообразные. Наиболее распространенными на сегодняшний день принято считать двухсторонние аналоги.
Периодическое изменение колебаний дополнительно может происходить путем изменения положения транзисторов. Конденсаторов всего у фильтра должно иметься три. В данном случае многое зависит от полосы пропускания непосредственно усилителя. Если этот параметр превышает 10 Гц, то конденсаторов в устройстве должно быть как минимум четыре.
Дополнительно перед их установкой рассчитывается предельное напряжение. Для этого необходимо взять номинальный ток блока питания и с учетом емкости конденсаторов соотнести его к поперечному траверсу. Чтобы минимизировать чувствительность фильтра, применяются специальные тетроды. Данные элементы являются довольно дорогими, однако качество прохождения сигнала значительно улучшается.
Фильтр низких частот первого порядка с указанными резисторами способен справляться с предельным сопротивлением на уровне 4 Ом. Все элементы цепи, как правило, располагаются на магнитной сетке. Конденсаторы можно устанавливать в систему самые разнообразные. В данном случае важно заранее просчитать показатель полосы пропускания. Если емкость конденсаторов превышает 2 пФ, то стабилитрон необходимо использовать обязательно.
Дополнительно некоторыми специалистами устанавливается ревербератор, который способен значительно снизить амплитуду колебаний. Промежуточная частота в данном случае довольно сильно зависит от сопряжения контуров. Номинальное напряжение блока питания обязано быть не ниже 20 В. Чтобы фильтр низких частот успешно справлялся с помехами, диоды в системе применяются кремниевого типа. Если блок питания устанавливается свыше 30 В, то транзисторы в конечном счете могут сгореть.
Простой фильтр низких частот с резисторами данного типа способен довольно успешно эксплуатироваться с блоком питания на 30 В. В этом случае параметр полосы пропускания обязан находиться на уровне не ниже 40 Гц. Положительная обратная связь в системе обеспечивается за счет стабильности колебаний.
Параметр отрицательного сопротивления во многом зависит от скважности импульсов. Расчет фильтра низких частот в данном случае необходимо проводить с учетом показателя концентрации. Конденсаторы в системе целесообразнее устанавливать емкостного типа. Диодные мосты в устройствах используются довольно редко. Обусловлено это именно отсутствием резонансных частот.
Фильтры с мощными преобразователями позволяют значительно повысить коэффициент пропускания - до уровня 33 Гц. При этом отрицательное сопротивление в системе не будет превышать 4 Ом. Катушки в данном случае используются электрические. Подвижные элементы, в свою очередь, не применяются. Преселектор в фильтре, как правило, располагается сразу за катушкой. Чтобы минимизировать риски различных сбоев, используют специальные стабилитроны.
Резисторы в данном случае следует подбирать аналогового типа. Чтобы уменьшить обратную связь в устройстве, конденсаторы устанавливают попарно. В некоторых случаях стабилитроны применяются двухстороннего действия. Однако недостатки у них также имеются. В первую очередь среди них следует отметить довольно резкое повышение чувствительности устройства.
Фильтры с емкостными конденсаторами отличаются стабильностью настройки контура. При этом параметр полосы пропускания напрямую зависит от типа электрической катушки. Если рассматривать хроматические аналоги, то они выделяются высоким параметром предельной частоты. Дополнительно важно учитывать объем конденсаторов в фильтре. Скважность последовательности импульсов зависит только от типа преобразователя.
В некоторых случаях фильтр низких частот не работает из-за резкого повышения температуры. В данном случае необходимо дополнительно установить тиристор возле катушки. С инерционными усилителями фильтры данного типа не способны работать. Дополнительно следует учитывать, что блок питания предельное напряжение обязан выдерживать как минимум 30 В.
Фильтр низких частот с использованием полевых конденсаторов является довольно распространенным. Во многом это связано с его дешевизной. В данном случае параметр полосы пропускания будет находиться на уровне 5 Гц. В свою очередь, отрицательное сопротивление цепи зависит от установленных транзисторов. Если использовать одноканальные элементы, то они позволят значительно сократить образцовое напряжение.
Отклонение фактической индуктивности у фильтра зависит от чувствительности прибора. Стабилитроны в системе применяются довольно редко. Однако если параметр отрицательного сопротивления превышает 5 Ом, то их следует использовать. Дополнительно можно задуматься над применением тиристоров. Во многом данные элементы позволят справиться с дипольностью в системе. Таким образом, чувствительность прибора значительно снизится.
Продольные резонаторы в фильтрах устанавливаются довольно редко. Предназначены данные устройства для повышения сопряжения контуров. В результате параметр полосы пропускания может увеличиться до 40 Гц. Чтобы система работала должным образом, дополнительно устанавливаются стабилитроны. Преселекторы в данном случае будут бесполезными. Также перед установкой стабилитрона необходимо задуматься о параметре отрицательного сопротивления.
Если он превышает 5 Ом, то необходимо использовать емкостные конденсаторы. Минимизация сбоев в системе может осуществляться несколькими способами. Наиболее популярными из них принято считать установку триггеров. Дополнительно многие специалисты советуют возле катушек размещать специальные ограничители. Данные устройства в конечном счете позволят резонатору работать более стабильно.
Диэлектрические резисторы в фильтрах не являются большой редкостью. Предназначены они для того, чтобы понижать параметр отрицательного сопротивления. При этом использовать мощные блоки питания есть возможность. Диоды в данном случае применяются в основном опорного типа. Согласование резонансных частот зависит исключительно от отдачи резистора.
Конденсаторы для фильтра подбираются с емкостью не менее 5 пФ. Это необходимо для того, чтобы повысить параметр полосы пропускания как минимум до 3 Гц. Все это в конечном счете позволит привести в норму чувствительность прибора. Дополнительно для расчета фильтра применяется показатель образцового напряжения. В среднем он находится на уровне 30 В. Если тиристоры в системе не использовать, то резисторы в конечном счете могут пострадать.
Фильтр низких частот с модулятором необходим для того, чтобы у пользователя была возможность настраивать прибор. При этом параметр полосы пропускания у таких устройств может быть различным. Устанавливается модулятор, как правило, на магнитной сетке. Преселектор на пару с вышеуказанным элементом использоваться может. Дополнительно следует отметить, что модулятор в некоторых случаях способен создавать низковолновые помехи. Обусловлено это повышением образцового напряжения. Чтобы минимизировать риски, в данном случае лучше рядом с модулятором устанавливать средней мощности стабилитрон.
Усилитель-фильтр низких частот с широкополосными резисторами имеет как преимущества, так и явные недостатки. Если рассматривать достоинства, то важно отметить его высокую пропускную способность. Соединение катода в данном случае осуществляется через маленькую пластину. Недостатком таких резисторов принято считать повышенную чувствительность.
В результате работа конденсаторов значительно усложняется. В некоторых случаях дополнительно оказывается нагрузка на электрическую катушку. В любом случае, чтобы минимизировать риски, важно сделать расчет фильтра. Для этого учитывается не только коэффициент пропускания, но и емкость конденсаторов, которые установлены в системе.
Практически все современные высококачественные акустические системы являются многополосными, то есть состоящими из нескольких громкоговорителей, каждый из которых работает в своем диапазоне частот. Это обусловлено тем, что практически невозможно создать динамический громкоговоритель, который обеспечивал бы излучение в широком диапазоне частот с малым уровнем искажений (в первую очередь, интермодуляционных, а также переходных, нелинейных и др.) и широкой характеристикой направленности. Поэтому в акустических системах (как профессиональных, так и бытовых) используют несколько громкоговорителей (низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные, иногда супервысокочастотные), а для распределения энергии звукового сигнала между ними включают электрические разделительные фильтры.
Влияние разделительных фильтров на формирование характеристик акустических систем в предыдущие годы недооценивалось: им отводилась лишь роль ослабления сигнала за пределами рабочей полосы частот громкоговорителей. Однако развитие техники акустических систем категории Hi-Fi заставило пересмотреть взгляд на роль разделительных фильтров в акустических системах и на методику их проектирования. Многочисленные теоретические и экспериментальные работы, посвященные влиянию разделительных фильтров на коррекцию характеристик излучателей и формирование объективных и субъективных характеристик акустических систем, заставили считать разделительные фильтры одним из важнейших компонентов акустических систем, с помощью которого можно синтезировать многие необходимые электроакустические характеристики и добиться значительного прогресса в обеспечении естественности звучания.
Прежде чем переходить к анализу различных типов фильтров, применяемых в акустических системах, и методам их расчета, остановимся на определении основных параметров фильтров.
Параметры фильтров
Фильтром
называется устройство, пропускающее определенные спектральные составляющие в сигнале и не пропускающее (ослабляющее) остальные. Фильтр может быть реализован в виде аналоговой схемы (пассивные и активные фильтры), а также реализован программно или в виде цифрового устройства (цифровые фильтры).
В современных акустических системах применяются как пассивные, так и активные фильтры (кроссоверы). Первые включаются после общего усилителя в каждом канале, вторые включаются до усилителя. Общая схема включения показана на рис.1. Активные фильтры имеют ряд преимуществ перед пассивными фильтрами, поскольку их значительно легче перестраивать, можно реализовать различными способами, в них отсутствуют потери мощности и т. д. Однако активные фильтры проигрывают пассивным по таким параметрам, как динамический диапазон, нелинейные искажения, уровень шумов и др. Методы проектирования активных фильтров широко освещены в специальной литературе, поэтому здесь остановимся только на методах проектирования пассивных фильтров, которые широко используются в современных акустических системах.
Основными параметрами, определяющими свойства фильтров, являются:
- полоса пропускания
— область частот, в которой фильтры пропускают сигнал;
- полоса задерживания
— область частот, где фильтры существенно подавляют сигнал;
- частота среза
f
ср — частота, на которой сигнал ослабляется на 3 дБ по отношению к среднему уровню в полосе пропускания.
По характеру расположения полосы пропускания и полосы задерживания фильтры разделяются на четыре основных типа.
Фильтры нижних частот (ФНЧ) пропускают низкочастотные составляющие в спектре сигнала (от нуля до частоты среза) и подавляют высокочастотные. Используются для низкочастотных громкоговорителей. Форма частотной характеристики показана на рис. 2.
Фильтры высоких частот (ФВЧ) пропускают высокочастотные составляющие (от частоты среза и выше) и подавляют низкочастотные. Применяются для высокочастотных громкоговорителей. Форма АЧХ показана на рис. 2.
Полосовые фильтры (ПФ) пропускают определенные полосы частот (от f ср1 до f ср2) и подавляют нижние и верхние частоты. Применяются для среднечастотных громкоговорителей, рис. 2.
Существуют также режекторные фильтры, которые представляют собой комбинацию низкочастотного и высокочастотного фильтров. Они подавляют спектральные составляющие сигнала в определенной полосе частот и пропускают в других полосах. Применяются иногда в акустических системах для вырезания отдельных пиков и провалов на АЧХ.
Кроме того, каждый из перечисленных фильтров характеризуется следующими параметрами: крутизной спада АЧХ при переходе от полосы пропускания к полосе задерживания, неравномерностью в полосе пропускания и задерживания, резонансной частотой и добротностью (Q). В зависимости от структуры фильтра и количества элементов в нем может быть обеспечена разная крутизна спада АЧХ. Обычно в акустических системах используются фильтры с крутизной спада 12 дБ/окт, 18 дБ/окт и 24 дБ/окт (рис. 3), которые, соответственно, называются фильтрами второго, третьего и четвертого порядков.
Простейшая структура LC-фильтра низких частот второго порядка показана на рис. 4. Она включает в себя следующие элементы: индуктивность L, реактивное сопротивление которой прямо пропорционально частоте (XL = 2πfL), и емкость C, реактивное сопротивление которой обратно пропорционально частоте (ХС = 1/2πfC). Поэтому представленная на рис. 4а цепь пропускает низкие частоты (поскольку сопротивление индуктивности L мало на низких частотах) и обеспечивает затухание высоких частот. Фильтр высоких частот имеет обратную структуру (рис. 4б) и, соответственно, пропускает высокие частоты и задерживает низкие.
Вид АЧХ фильтров высоких частот второго порядка при разных значениях добротности показан на рис. 5. Резонансная частота такого фильтра определяется как f=1/(LC)1/2, а добротность как Q = [(R2C)/L]1/2.
Из рис. 5 видно, что изменения значения добротности меняет характер спада АЧХ от гладкого (при Q = 0.707) до спада с подъемом на частоте резонанса (Q = 1).
По имени ученых, которые математически описали передаточные функции фильтров (то есть их формы частотных характеристик), они получили разное название: фильтры с добротностью Q = 1 называются фильтрами Чебышева, Q = 0.707 — Баттерворта, Q = 0.58 — Бесселя, Q = 0.49 — Линквица-Риле. Каждый из указанных типов фильтров имеет свои преимущества и недостатки.
Под передаточной функцией фильтра понимается отношение комплексной амплитуды напряжения на выходе фильтра к комплексной амплитуде напряжения на входе. Обычно передаточные функции физически реализуемых и устойчивых линейных цепей описываются в виде математических формул, знаменатели которых являются выражениями следующего вида (полиномами): Gn(s) = ansn+a n-1sn-1+…….+a1s+1. Порядок фильтра определяется степенью n от комплексной частоты s, которая связана с обычной круговой частотой как s = jω. (величина j называется мнимой единицей). Выбор вида коэффициентов аn определяет принадлежность фильтров к типу Баттерворта, Чебышева и др. Например, полиномы Баттерворта разных порядков имеют вид В1 (s) = (1+s); B2 (s) = (1+1,414s+s2) и т. д.
В акустических системах проблема выбора фильтров усложняется тем, что необходимо выбрать три или два (в зависимости от количества полос) типа фильтров одинаковых или разных порядков, которые совместно с громкоговорителями обеспечивали бы суммарные характеристики акустической системы (такие как амплитудно-частотная характеристика — АЧХ, фазочастотная характеристика — ФЧХ, групповое время задерживания — ГВЗ, и др.) с требуемыми параметрами внутри эффективно-воспроизводимого диапазона частот.
История создания фильтров
История создания разделительных фильтров начинается одновременно с появлением многополосных акустических систем. Одну из первых теорий разработали в 30-е годы инженеры G. A. Campbell и О. J. Zobel из фирмы Bell Labs (США). Первые публикации относятся к этому же периоду, их авторы K. Hilliard и H. Kimball работали в звуковом отделе фирмы Metro Goldwin Meyer. В 1936 году в мартовском номере Academy Research Council Technical Bulletin была опубликована их статья "Разделительные фильтры для громкоговорителей". В январе 1941 года K. Hilliard в журнале Electronics Magazine также опубликовал работу "Разделительные фильтры громкоговорителей", содержавшую все необходимые формулы для создания цепей Баттерворта первого и третьего порядков (как для параллельных, так и для последовательных схем). К 50-м годам фильтры Баттерворта были признаны предпочтительными для разделительных целей акустических систем. Тогда же в 60-х J. R. Ashley и R. Small впервые описали свойства "всепропускающих" фильтрующих схем, а также линейно-фазовых цепей.
Выяснению количественного соотношения затухания, вносимого фильтрами вне полосы пропускания, и величины интермодуляционных искажений вследствие перекрывания полос акустических систем, была посвящена статья "Фильтрующие цепи и модуляционные искажения" (автор R. Small), опубликованная в JAES в 1971 году. В ней было показано, что минимальная величина затухания должна быть 12 дБ/окт, чтобы предотвратить искажения в полосе перекрытия. Тогда же Ashley и L. М. Неnnе исследовали "всепропускающие" и "фазокогерентные" свойства фильтров Баттерворта третьего порядка. В 1976 году S. Linkwitz исследовал полярную диаграмму направленности для двухполосных систем с разнесенными излучателями и убедился, что акустические системы с разделительными фильтрами Линквитца-Риле обеспечивают ее симметричность.
Чуть позднее P. Garde дал полное описание всепропускающих фильтров и их разновидностей. Используя его идеи, D. Fink в соавторстве с Е. Long развил метод коррекции горизонтального (то есть глубинного) смещения головок громкоговорителей в акустических системах путем введения линий задержки в фильтр. Существенный вклад в теорию фильтрации внесли W. Marshall-Leach и R. Bullock, которые впервые ввели понятие оптимизации фильтров по типу и порядку с учетом смещения головок по двум осям. В продолжение этих работ R. Bullock описал свойства трехполосных симметричных фильтров и доказал, что трехполосная система фильтров не может быть получена как простая комбинация двухполосных, вопреки бытовавшему мнению. S. Lipshitz и J. Vanderkooy в серии статей рассмотрели различные варианты построения фильтров с минимально фазовыми характеристиками.
Новый этап в исследовании и проектировании многополосных акустических систем с разделительными фильтрами наступил с началом активной компьютеризации расчетов на основе программ ХОРТ, CACD, CALSOB, Filter Designer, LEAP 4.0 и др.
До недавнего времени конструирование разделительных фильтров в акустических системах шло практически методом "проб и ошибок". Это объясняется тем, что все теоретические работы прошлых лет, посвященные расчету разделительных фильтров в акустических системах, исходили из условия идеальности самих громкоговорителей. При анализе свойств разделительных фильтров того или иного типа и рассмотрении их влияния на характеристики акустических систем пренебрегали направленными свойствами громкоговорителей и условиями их физического размещения в корпусе акустической системы. Считали, что громкоговорители обладают плоской АЧХ, не вносят фазовых сдвигов в воспроизводимый сигнал и имеют активное входное сопротивление. Вследствие сказанного разработчики часто сталкивались с тем, что разделительные фильтры, обеспечивающие в идеализированных условиях требуемые характеристики, оказывались неприемлемыми при работе с реальными громкоговорителями, имеющими собственные амплитудно-частотные и фазочастотные искажения, комплексное входное сопротивление и обладающими направленными свойствами. Это и явилось причиной интенсификации в последние годы работ по созданию оптимизационных методов расчета разделительных фильтров-корректоров.
Выбор частот разделения
Как уже было отмечено, разделительные фильтры оказывают существенное влияние на такие характеристики многополосных акустических систем, как АЧХ, ФЧХ, ГВЗ, характеристики направленности, распределение мощности входного сигнала между излучателями, входное сопротивление акустической системы, уровень нелинейных искажений.
Начальным этапом в проектировании разделительных фильтров в многополосных акустических системах является обоснованный выбор частот разделения (частот среза) низкочастотного, средне-частотного и высокочастотного каналов. При выборе частот разделения обычно используют следующие предпосылки.
1. Обеспечение возможно более равномерных характеристик направленности, то есть отсутствия "скачков" ширины диаграммы направленности при переходе от низкочастотного к среднечастотному и от средне- к высокочастотному громкоговорителю, поскольку в той области частот, где они работают вместе, при отсутствии фильтра, диаграмма направленности резко сужается за счет расширения площади излучения.
2. Сохранение плавного изменения ширины характеристики направленности (по той же причине). Громкоговорители стараются размещать как можно ближе друг к другу и располагать их друг над другом в вертикальной плоскости (что позволяет избежать искажений характеристики направленности в горизонтальной плоскости, так как это отрицательно сказывается на воспроизведении стереопанорамы). Если выбор частоты разделения и расстояния между громкоговорителями влияет на ширину характеристики направленности, то соотношение фаз и амплитуд сигналов разделяемых частотных каналов влияет на ориентацию характеристики направленности в пространстве. Различные типы фильтров, как будет показано далее, в разной степени влияют на наклон характеристики направленности в пространстве в области частот разделения.
3. Ослабление пиков и провалов на АЧХ громкоговорителей, возникающих из-за потери поршневого характера движения диффузора. Выбор частоты среза и крутизны спада АЧХ фильтров для низкочастотных и среднечастотных громкоговорителей стараются осуществлять таким образом, чтобы первые резонансные пики и провалы ослаблялись не менее, чем на 20 дБ.
4. Ограничение амплитуды смещения подвижных систем средне- и высокочастотных громкоговорителей в низкочастотной части излучаемого ими спектра (и, соответственно, подводимой мощности) до значений, определяемых их механической и тепловой прочностью, что повышает надежность их работы и снижает уровень нелинейных искажений. Эти задачи регулируются как выбором частоты среза, так и выбором крутизны среза, которая должна составлять не менее 12 дБ/окт.
5. Обеспечение требуемого уровня звукового давления, поскольку с повышением частоты среза в области высоких частот можно увеличить уровень подаваемого напряжения, например, на высокочастотный громкоговоритель (поскольку амплитуды смещения диффузора с повышением частоты понижаются). Это позволяет увеличить, соответственно, уровень звукового давления в высокочастотной части АЧХ.
6. Снижение уровня нелинейных искажений, в частности, за счет эффекта Доплера (возникающих при модуляции высокочастотных составляющих низкочастотными компонентами сигнала).
Как правило, частоты среза в современных трехполосных акустических системах находятся в пределах: для низкочастотного громкоговорителя — 500...1000 Гц, для среднечастотного — от 500...1000 Гц до 5000...7000 Гц, для высокочастотного — 2000...5000 Гц.
Влияние на суммарные характеристики
Анализ влияния разделительных фильтров на формирование суммарных АЧХ, ФЧХ и других характеристик акустических систем удобно производить на некоторой идеализированной модели, в которой предполагается, что громкоговорители имеют активное сопротивление и идеальные характеристики (плоская АЧХ, линейная ФЧХ, постоянный сдвиг фаз между излучателями и др.). При расчете фильтров необходимо предварительно выбрать частоту среза (как уже было показано ранее), порядок и тип фильтра (Баттерфорта, Чебышева, Линквитца-Риле или др.).
По получаемым суммарным характеристикам фильтры, обычно применяемые в акустических системах, можно разделить на три группы: фильтры линейно-фазовые (in-phase), фильтры всепропускающие-(all-pass) и все остальные.
Фильтры линейно-фазовые (in-phase) обеспечивают частотно-независимую суммарную АЧХ, линейную ФЧХ (точнее, равную нулю на всех частотах), а также равную нулю ГВЗ. Примером могут служить фильтры Баттерворта первого порядка. Суммарные характеристики для двухполосной системы с такими фильтрами показаны на рис. 6. Опыт их использования в акустических системах показал, что они обладают рядом недостатков: плохой избирательной способностью, большой неравномерностью характеристик мощности сигнала, плохой характеристикой направленности в полосе раздела и др. Поэтому в настоящее время они в акустических системах категории Hi-Fi не применяются.
Фильтры всепропускающие (all-pass) обеспечивают плоскую суммарную АЧХ, частотно-зависимые ФЧХ и ГВЗ. Требования к линейности ФЧХ является избыточным для акустических систем — достаточно, чтобы их ГВЗ были ниже порогов слышимости (как показывают результаты измерений, фильтры такого типа вносят искажения ГВЗ в полосе раздела, удовлетворяющие этим требованиям). К этому типу фильтров относятся фильтры Баттерворта нечетких порядков и фильтры Линквица-Риле четных порядков. При этом свойства фильтров реализуются при разной полярности включения каналов: для 2, 6, 10 порядков требуется включение каналов в противофазе, для 4, 8, 12 — нет. Для нечетных порядков: 1, 5, 9 должны включаться синфазно, 3,7… —противофазно. Суммарные и поканальные характеристики фильтров Линквица-Риле второго порядка и Баттерворта третьего порядка для двухканальной идеализированной акустической системы показаны на рис. 7 и рис. 8. Следует отметить (будет показано далее), что фильтры нечетких порядков создают поворот главного лепестка характеристики направленности в области частоты раздела.
Существует довольно большой класс фильтров, которые применяются в акустических системах, но они не относятся к "всепропускающему" типу. Сюда включаются фильтры второго и четвертого порядка Баттерворта, второго и четвертого порядка Бесселя, группа ассиметричных фильтров четвертого порядка Лежандра, Гаусса и др. Они не дают суммарную плоскую характеристику, но этот недостаток можно частично исправить, если сделать частоты среза между громкоговорителями несовпадающими. Например, на рис. 9а показаны характеристики фильтра Баттерворта четвертого порядка с пиком АЧХ в 3 дБ на частоте раздела, равной 1000 Гц. Если несколько разнести частоты, то есть сделать частоту раздела для НЧ 885 Гц, а для ВЧ 1138 Гц, то пик на АЧХ исчезает (рис. 9б).
Как уже было сказано, выбор типов фильтров для низко-, средне- и высокочастотного громкоговорителя кроме обеспечения плоской АЧХ в полосах раздела, определяется требованием к обеспечению симметричности характеристики направленности акустической системы.
Внутри полосы пропускания каждого фильтра характеристика направленности акустической системы определяется характеристикой направленности каждого громкоговорителя, но внутри полосы раздела (полосы перекрытия фильтров) они работают совместно, то есть имеются два излучателя (например, средне и высокочастотный), которые разнесены в пространстве и работают на одной и той же частоте раздела. Пример такой системы показан на рис. 10. Пусть для простоты это будут два одинаковых излучателя, работающих в поршневом режиме с одинаковыми характеристиками направленности. На оси OA сигналы приходят в одинаковой фазе и складываются. Если оценить звуковое давление на оси OA", где фазовый сдвиг за счет разности пути от одного и другого громкоговорителя составит φ=π (то есть 180 град), то сигналы будут складываться в противофазе и на характеристике направленности появится провал. При дальнейшем сдвиге от оси в точках, где разница фаз составит 2π (то есть 360 град), опять появится пик. В целом характеристика направленности будет иметь трехлепестковый характер (рис. 10).
Ширина главного лепестка характеристики направленности на частоте раздела зависит от отношения расстояния между громкоговорителями к длине волны, а наклон лепестка зависит от соотношения амплитуд и фаз разделяемых каналов, что определяется также и типом выбранных фильтров.
Для уменьшения этого явления надо стараться уменьшить расстояние между громкоговорителями (например, за счет применения коаксиальных громкоговорителей), уменьшить ширину полосы раздела (за счет выбора фильтров более высоких порядков) и, наконец, выбрать соответствующий тип фильтра, поскольку каждый фильтр вносит свои частотно-зависимые фазовые сдвиги.
Например, при использовании фильтров третьего порядка типа Баттерворта происходит поворот главного лепестка характеристики направленности вниз (при включении громкоговорителей в одинаковой фазе), рис. 11. При включении громкоговорителей в противофазе (то есть изменении их полярности) лепесток характеристики направленности смещается в другую сторону относительно оси.
Анализ фильтров различных типов и порядков показал, что фильтры четных порядков (всепропускающего типа) не изменяют симметричности направления лепестков, фильтры нечетных порядков поворачивают лепесток вниз или вверх. Симметричные характеристики направленности обеспечивают наибольшую равномерность излучаемой акустической мощности.
Помимо влияния на характеристику направленности по АЧХ фильтры могут оказывать влияние на фазочастотные характеристики и ГВЗ в полосе раздела. То есть характер переходных процессов, несмотря на симметрию АЧХ, может отличаться при одинаковых углах смещения в верхней и нижней полуплоскости, и ГВЗ, будучи ниже порогов слышимости на оси, могут превосходить пороги слышимости в других точках пространства, тем самым ухудшая качество звучания.
Следует еще раз напомнить, что все сделанные выводы относятся только к случаю идеальных характеристик громкоговорителей. Учет реальных характеристик производится с помощью современных компьютерных программ.
Расчет пассивных акустических фильтров
Приступая к расчету пассивных акустических фильтров, необходимо уже четко определиться с конфигурацией системы (количеством полос воспроизведения, типами головок громкоговорителей и их параметрами, видом оформления — корпуса), а также выбрать порядок и тип фильтров в зависимости от основных задач, которые должны решаться при проектировании акустической системы: плоская АЧХ, линейная ФЧХ, симметричная характеристика направленности и др.
Поскольку в настоящее время в акустических системах чаще всего применяются фильтры типа "всепропускающих" (all-pass) с плоской АЧХ, то приведем приближенный расчет такого типа фильтров (более точные расчеты выполняются компьютерными методами).
Сначала разделительные фильтры рассчитываются из условия, что они нагружены на чисто активное сопротивление и питаются от генератора напряжения с малым выходным сопротивлением. Затем принимаются меры для учета влияния комплексной частотно-зависимой нагрузки громкоговорителей.
Расчет начинается с определения порядка фильтров и расчета элементов фильтра-прототипа. Фильтром-прототипом называется фильтр лестничного типа, элементы которого нормированы относительно единичной частоты среза и единичной нагрузки. Затем рассчитывается фильтр нижних частот для реальной частоты среза и реальной нагрузки, а из него путем преобразования частоты находятся элементы фильтра верхних частот и полосового фильтра.
Нормированные значения элементов фильтров-прототипов с первого по шестой порядок приведены в таблице 1.
Значения этих элементов даны только для фильтров "всепропускающего" типа, для других типов фильтров значения элементов в таблице будут другими. Схема фильтра-прототипа шестого порядка представлена на рис. 12. Фильтры меньших порядков получаются путем отбрасывания соответствующих элементов α (начиная с больших).
Значения реальных параметров фильтров для заданного порядка, сопротивления нагрузки R н (Ом) и частоты среза f i (Гц) определяются следующим образом.
1. Для фильтра нижних частот:
- каждая индуктивность-прототип α1, α3, α5 (рис. 12) заменяется на реальную индуктивность по формуле L=αi Rн/2πf1,(1) где i=1,3,5, f1 — частота среза фильтра нижних частот;
- каждая емкость-прототип α2, α4, α6 заменяется на реальную емкость по формуле C=αi /2πf1Rн,(2) где i=2,4,6.
2. Для фильтра верхних частот
(расчет происходит наоборот):
- каждая индуктивность-прототип α1, α3, α5 заменяется на реальную емкость C=1/2πf2Rнαi,(3) где i=1,3,5, f2 — частота среза фильтра верхних частот;
- каждая емкость-прототип заменяется на реальную индуктивность L=Rн/2πf2αi,(4) где i=2,4,6.
3. Для полосового фильтра:
- каждая индуктивность-прототип α1, α3, α5 заменяется на последовательный контур из реальных L- и C-элементов, рассчитываемых по формулам:
L=αiRн/2π(f2-f1),(5) С=1/4π2f02L,(6)
где — средняя частота полосового фильтра;
- каждая емкость-элемент α2, α4, α6 заменяется на параллельный контур из реальных L- и C-элементов, рассчитываемым по формулам:
С=αi/2π(f2-f1)Rн,(7) L=1/4π2f02C.(8)
Для расчета выбираем следующие параметры: фильтры всепропускающего типа второго порядка, то есть схема фильтра-прототипа будет включать только элементы α1, α2, Rн (рис. 12). Частоты раздела между низкочастотным и среднечастотным каналами равны 500 Гц, между средне- и высокочастотным каналами равны 5000 Гц. Сопротивление громкоговорителей (на постоянном токе): низкочастотного и среднечастотного Re=8 Ом, высокочастотного Re=16 Ом. Значение нормированных параметров элементов определим из табл. 1: α1=2,0, α2=0,5.
Значения реальных элементов фильтра нижних частот
находим по выражениям (1) и (2):
L1НЧ = α1 Rн/2πf1 = 2,0∙8,0/(2∙3,14∙500) = 5,1 мГн,
C1НЧ = α1 /2πf1Rн = 0,5/(2∙3,14∙500∙8,0) = 20 мкФ.
Значения элементов полосового фильтра
(для среднечастотного громкоговорителя) определяем в соответствии с выражениями (5)... (8):
L1СЧ = α1Rн/2π(f2-f1) = 2,0∙8,0/2∙3,14 (5000 — 500) = 0,566 мГн,
C1СЧ =1/4π2f02L = 1/4∙3,142∙5000∙500∙5,66∙10-4= 18 мкФ,
С2СЧ = α2/2π(f2-f1) Rн = 0,5/2∙3,14 (5000—500) ∙8,0 = 2,2 мкФ,
L2СЧ=1/4π2f02C2СЧ = 1/4∙3,142∙5000∙500∙2,2∙I0-6 = 4,6 мГн.
Значения элементов фильтра верхних частот
определяем в соответствии с выражениями (3,4):
С1ВЧ = 1/2πf2 Rн α1 = 1/(2∙3,14∙5000∙2,0∙16) = 1,00 мкФ,
L2BЧ = Rн/2πf2 α2 = 16/(2∙3,14∙5000∙2,0) = 0,25 мГн.
Расчеты, выполненные по этим формулам, корректны, только если фильтры нагружены на активное (омическое) сопротивление. Чтобы согласовать параметры фильтров с реальным комплексным сопротивлением громкоговорителей, надо включить дополнительно параллельно каждому громкоговорителю согласующую цепь. Параметры такой цепи находятся из условия, чтобы комплексное сопротивление этой цепи Zсогл и комплексное сопротивление громкоговорителя Zгг компенсировали друг друга при параллельном включении и обеспечивали бы в сумме активное сопротивление, то есть 1/ Zсогл+1/ Zгг=1/Re.
Для расчета элементов такой цепи строится эквивалентная электрическая схема громкоговорителя (см. предыдущую статью в декабрьском номере МО за 2008 год), и по отношению к ней создается дуальная компенсирующая цепь. Схема эквивалентной цепи громкоговорителя и соответствующей компенсирующей цепи показаны на рис. 13. Для компенсации входного сопротивления низкочастотного громкоговорителя можно использовать упрощенную цепь (поскольку резонанс громкоговорителя находится значительно ниже частоты среза фильтра и не оказывает влияния на его параметры), состоящую из двух элементов Rk1=Re и Ck1=Lvc/Re2, где Re и Lvc — сопротивление и индуктивность звуковой катушки громкоговорителя.
Для средне- и высокочастотного громкоговорителя полная компенсирующая цепь включается, только если частота среза и резонансы громкоговорителей находятся близко друг от друга — в противном случае достаточно применять упрощенную цепь (расчет параметров полной цепи приведен в книге Алдошина И. А., Войшвилло А. Г. "Высококачественные акустические системы"). Кроме того, в схему иногда включаются дополнительно режекторные фильтры, чтобы убрать отдельные пики на амплитудно-частотной характеристике.
Пример схемы фильтров для трехполосной акустической системы с учетом согласующих цепей режекторного звена для среднечастотного громкоговорителя и дополнительного Г-образного аттенюатора, состоящего из двух резисторов для выравнивания уровней по звуковому давлению между НЧ-, СЧ- и ВЧ-громкоговорителями, показан на рис. 14.
В настоящее время для расчета фильтрующе-корректирующих цепей используются компьютерные методы оптимального синтеза линейных электронных схем. Для этого задаются структура фильтра и начальные значения элементов, затем производится расчет суммарных выходных значений АЧХ, ФЧХ и ГВЗ с учетом реальных измеренных параметров громкоговорителей, размещенных в корпусе, и путем целенаправленного изменения элементов схемы минимизируется разница между реальными и заданными параметрами. Применение методов оптимального проектирования позволяет обеспечить наилучшее широкополосное согласование параметров фильтров и громкоговорителей и получить оптимально достижимое значение параметров акустической системы.
Сейчас активно проводятся исследования по применению цифровых фильтров-процессоров в акустических системах, что позволяет перестраивать параметры системы в реальном времени в зависимости от вида звукового сигнала, а также обеспечивать оптимальное согласование характеристик акустической системы с параметрами помещения, но эта техника находится еще в начале своего развития и пока не нашла широкого применения в промышленных разработках.
Юрий Садиков
г. Москва
В статье приведены результаты работ по созданию устройства, представляющего собой комплект активных фильтров для построения высококачественных трехполосных усилителей низкой частоты классов HiFi и HiEnd.
В процессе предварительных исследований суммарной АЧХ трехполосного усилителя, построенного с использованием трех активных фильтров второго порядка, выяснилось, что эта характеристика при любых частотах стыков фильтров обладает весьма высокой неравномерностью. При этом она весьма критична к точности настройки фильтров. Даже при небольшом рассогласовании неравномерность суммарной АЧХ может составить 10…15 дБ!
МАСТЕР КИТ выпускает набор NM2116, из которого можно собрать комплект фильтров, построенный на базе двух фильтров и вычитающего сумматора, не имеющий вышеперечисленных недостатков. Разработанное устройство малочувствительно к параметрам частот среза отдельных фильтров и при этом обеспечивает высоколинейную суммарную АЧХ.
Основными элементами современной высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуры являются акустические системы (АС).
Самыми простыми и дешевыми являются однополосные АС, имеющие в своем составе один громкоговоритель. Такие акустические системы не способны с высоким качеством работать в широком диапазоне частот в силу использования одного громкоговорителя (головка громкоговорителя - ГГ). При воспроизведении разных частот к ГГ предъявляются различные требования. На низких частотах (НЧ) динамик должен обладать большим и жестким диффузором, низкой резонансной частотой и иметь большой ход (для прокачки большого объема воздуха). А на высоких частотах (ВЧ) наоборот – необходим небольшой легкий но твердый диффузор с малым ходом. Все эти характеристики совместить в одном громкоговорителе практически невозможно (несмотря на многочисленные попытки), поэтому одиночный громкоговоритель имеет высокую частотную неравномерность. Кроме этого в широкополосных громкоговорителях существует эффект интермодуляции, который проявляется в модуляции высокочастотных компонент звукового сигнала низкочастотными. В результате звуковая картина нарушается. Традиционным решением этой проблемы является разделение воспроизводимого диапазона частот на поддиапазоны и построение акустических систем на базе нескольких динамиков на каждый выбранный частотный поддиапазон.
Пассивные и активные разделительные электрические фильтры
Для снижения уровня интермодуляционных искажений перед громкоговорителями устанавливаются электрические разделительные фильтры. Эти фильтры также выполняют функцию распределения энергии звукового сигнала между ГГ. Их рассчитывают на определенную частоту разделения, за пределами которой фильтр обеспечивает выбранную величину затухания, выражаемую в децибелах на октаву. Крутизна затухания разделительного фильтра зависит от схемы его построения. Фильтр первого порядка обеспечивазатухание 6 дБ/окт, второго порядка - 12 дБ/окт, а третьего порядка - 18 дБ/окт. Чаще всего в АС используются фильтры второго порядка. Фильтры более высоких порядков применяются в АС редко из-за сложной реализации точных значений элементов и отсутствия потребности иметь более высокие значения крутизны затухания.
Частота разделения фильтров зависит от параметров применяемых ГГ и от свойств слуха. Наилучший выбор частоты разделения - при котором каждый ГГ АС работает в пределах области поршневого действия диффузора. Однако при этом АС должна иметь много частот разделения (соответственно ГГ), что значительно увеличивает ее стоимость. Технически обосновано, что для качественного звуковоспроизведения достаточно применять трехполосное разделение частот. Однако на практике существуют 4-х, 5-и и даже 6-и полосные акустические системы. Первую (низкую) частоту разделения выбирают в диапазоне 200…400 Гц, а вторую (среднюю) частоту разделения в диапазоне 2500...4000 Гц.
Традиционно фильтры изготавливаются с применением пассивных L, C, R элементов, и устанавливаются непосредственно на выходе оконечного усилителя мощности (УМ) в корпусе АС, согласно рис.1.
Рис.1. Традиционное исполнение АС.
Однако у подобного исполнения существует ряд недостатков. Во первых, для обеспечения необходимых частот среза приходится работать с достаточно большими индуктивностями, поскольку необходимо выполнить одновременно два условия – обеспечить необходимую частоту среза и обеспечить согласование фильтра с ГГ (иными словами нельзя уменьшить индуктивность за счет увеличения емкости, входящей в состав фильтра). Намотку катушек индуктивности желательно производить на каркасах без применения ферромагнетиков из-за существенной нелинейности их кривой намагниченности. Соответственно, воздушные катушки индуктивности получаются достаточно громоздкими. Кроме всего существует погрешность намотки, которая не позволяет обеспечить точно рассчитанную частоту среза.
Провод, которым ведется намотка катушек, обладает конечным омическим сопротивлением, что в свою очередь, приводит к уменьшению КПД системы в целом и преобразованием части полезной мощности УМ в тепло. Особенно заметно это проявляется в автомобильных усилителях, где питающее напряжение ограничено 12 В. Поэтому для построения автомобильных стереосистем часто применяют ГГ пониженного сопротивления обмотки (~2…4 Ом). В такой системе введение дополнительного сопротивления фильтра порядка 0,5 Ом может привести к уменьшению выходной мощности на 30%…40%.
При проектировании высококачественного усилителя мощности стараются свести к минимуму его выходное сопротивление для увеличения степени демпфирования ГГ. Применение пассивных фильтров заметно снижает степень демпфирования ГГ, поскольку последовательно с выходом усилителя подключается дополнительное реактивное сопротивление фильтра. Для слушателя это проявляется в появлении "бубнящих" басов.
Эффективным решением является использование не пассивных, а активных электронных фильтров, в которых все перечисленные недостатки отсутствуют. В отличие от пассивных фильтров, активные фильтры устанавливается до УМ как показано на рис.2.
Рис.2. Построение звуковоспроизводящего тракта с использованием активных фильтров.
Активные фильтры представляют собой RC фильтры на операционных усилителях (ОУ). Несложно построить активные фильтры звуковых частот любого порядка и с любой частотой среза. Расчет подобных фильтров производится по табличным коэффициентам с заранее выбранным типом фильтра, необходимым порядком и частотой среза.
Использование современных электронных компонентов позволяет изготавливать фильтры, обладающие минимальными значениями уровней собственных шумов, малым энергопотреблением, габаритами и простотой исполнения/повторения. В результате, использование активных фильтров приводит к увеличению степени демпфирования ГГ, снижает потери мощности, уменьшает искажения и увеличивает КПД звуковоспроизводящего тракта в целом.
К недостаткам такой архитектуры относится необходимость использования нескольких усилителей мощности и нескольких пар проводов для подключения акустических систем. Однако в настоящее время это не является критичным. Уровень современных технологий значительно снизил цену и размеры УМ. Кроме того, появилось достаточно много мощных усилителей в интегральном исполнении с отличными характеристиками, даже для профессионального применения. На сегодняшний день существует ряд ИМС с несколькими УМ в одном корпусе (фирма Panasonic выпускает ИМС RCN311W64A-P с 6-ю усилителями мощности специально для построения трехполосных стереосистем). Кроме того УМ можно расположить внутри АС и использовать короткие провода большого сечения для подключения динамиков, а входной сигнал подать по тонкому экранированному кабелю. Однако, если даже не удается установить УМ внутри АС, применение многожильных соединительных кабелей не представляет собой сложную проблему.
Моделирование и выбор оптимальной структуры активных фильтров
При построении блока активных фильтров было решено использовать структуру состоящую из фильтра высокой частоты (ФВЧ), фильтра средней частоты (полосовой фильтр, ФСЧ) и фильтра низкой частоты (ФНЧ).
Это схемотехническое решение было практически реализовано. Был построен блок активных фильтров НЧ, ВЧ и ПФ. В качестве модели трехполосной АС был выбран трехканальный сумматор, обеспечивающий суммирование частотных компонент, согласно рис.3.
Рис.3. Модель трехканальной АС с набором активных фильтров и ФСЧ на ПФ.
При снятии АЧХ такой системы, при оптимально подобранных частотах среза, ожидалось получить линейную зависимость. Но результаты оказались далеки от предполагаемых. В точках сопряжения характеристик фильтров наблюдались провалы/выбросы в зависимости от соотношения частот среза соседних фильтров. В итоге подбором значений частот среза не удалось привести проходную АЧХ системы к линейному виду. Нелинейность проходной характеристики свидетельствует о наличии частотных искажений в воспроизводимом музыкальном оформлении. Результаты эксперимента представлены на рис.4, рис.5 и рис.6. Рис.4 иллюстрирует сопряжение ФНЧ и ФВЧ по стандартному уровню 0.707. Как видно из рисунка в точке сопряжения результирующая АЧХ (показана красным цветом) имеет существенный провал. При раздвижении характеристик глубина и ширина провала увеличивается, соответственно. Рис.5 иллюстрирует сопряжение ФНЧ и ФВЧ по уровню 0.93 (сдвижка частотных характеристик фильтров). Эта зависимость иллюстрирует минимально достижимую неравномерность проходной АЧХ, путем подбора частот среза фильтров. Как видно из рисунка, зависимость явно не линейна. При этом частоты среза фильтров можно считать оптимальными для данной системы. При дальнейшем сдвиге частотных характеристик фильтров (сопряжение по уровню 0.97) наблюдается появление выброса в проходной АЧХ в точке стыка характеристик фильтров. Подобная ситуация показана на рис.6.
Рис.4. АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный) и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.707.
Рис.5. АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный) и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.93.
Рис.6. АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный) и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.97 и появление выброса.
Основной причиной нелинейности проходной АЧХ является наличие фазовых искажений на границах частот среза фильтров.
Решить подобную проблему позволяет построение среднечастотного фильтра не в виде полосового фильтра, а с использованием вычитающего сумматора на ОУ. Характеристика такого ФСЧ формируется в соответствии с формулой: Uсч = Uвх – Uнч - Uвч
Структура такой системы представлена на рис.7.
Рис.7. Модель трехканальной АС с набором активных фильтров и ФСЧ на вычитающем сумматоре.
При таком способе формирования канала средних частот пропадает необходимость в точной настройке соседних частот среза фильтров, т.к. среднечастотный сигнал формируется вычитанием из полного сигнала сигналов фильтров высоких и низких частот. Кроме обеспечения взаимодополняющих АЧХ, у фильтров получаются так же и комплементарные ФЧХ, что гарантирует отсутствие выбросов и провалов в суммарной АЧХ всей системы.
АЧХ среднечастотного звена с частотами среза Fср1 = 300 Гц и Fср2 = 3000 Гц приведена на рис. 8. По спаду АЧХ обеспечивается затухание не более 6 дБ/окт, что, как показывает практика, вполне достаточно для практической реализации ФСЧ и получения качественного звучания СЧ ГГ.
Рис.8. АЧХ фильтра средних частот.
Проходной коэффициент передачи такой системы с ФНЧ, ФВЧ и ФСЧ на вычитающем сумматоре получается линейным во всем диапазоне частот 20 Гц…20 кГц, согласно рис. 9. Полностью отсутствуют амплитудные и фазовые искажения, что обеспечивает кристальную чистоту воспроизводимого звукового сигнала.
Рис.9. АЧХ системы фильтров с ФСЧ на вычитающем сумматоре.
К недостаткам подобного решения можно отнести жесткие требования к точности номиналов резисторов R1, R2, R3 (согласно рис.10, на котором представлена электрическая схема вычитающего сумматора) обеспечивающих балансировку сумматора. Эти резисторы должны использоваться с допусками на точность не более 1%. Однако при возникновении проблем с приобретением таких резисторов потребуется сбалансировать сумматор используя вместо R1, R2 подстроечные резисторы.
Балансировка сумматора выполняется по следующей методике. Сначала на вход системы фильтров необходимо подать низкочастотное колебание с частотой, намного ниже частоты среза ФНЧ, например 100 Гц. Изменяя значение R1 необходимо установить минимальный уровень сигнала на выходе сумматора. Затем на вход системы фильтров подается колебание с частотой заведомо большей частоты среза ФВЧ, например 15 кГц. Изменяя значение R2 опять устанавливают минимальный уровень сигнала на выходе сумматора. Настройка закончена.
Рис.10. Схема вычитающего сумматора.
Методика расчета активных ФНЧ и ФВЧ
Как показывает теория для фильтрации частот звукового диапазона необходимо применять фильтры Баттерворта не более второго или третьего порядка, обеспечивающие минимальную неравномерность в полосе пропускания.
Схема ФНЧ второго порядка представлена на рис. 11. Его расчет производится по формуле:
где a1=1.4142 и b1=1.0 - табличные коэффициенты, а С1 и С2 выбираются из соотношения C2/C1 больше равно 4xb1/a12, причем не следует выбирать отношение C2/C1 много большим правой части неравенства.
Рис.11. Схема ФНЧ Баттерворта 2-го порядка.
Схема ФВЧ второго порядка представлена на рис. 12. Его расчет производится по формулам:
где C=C1=C2 (задаются перед расчетом), а a1=1.4142 и b1=1.0 - те же табличные коэффициенты.
Рис.12. Схема ФВЧ Баттерворта 2-го порядка.
Специалисты МАСТЕР КИТ разработали и исследовали характеристики такого блока фильтров, обладающего максимальной функциональностью и минимальными габаритами, что является существенным при применении устройства в быту. Использование современной элементной базы позволило обеспечить максимальное качество разработке.
Технические характеристики блока фильтров
Принципиальная электрическая схема активного фильтра показана на рис.13. Перечень элементов фильтра приведен в таблице.
Фильтр выполнен на четырех операционных усилителях. ОУ объединены в одном корпусе ИМС MC3403 (DA2). На DA1 (LM78L09) собран стабилизатор питающего напряжения с соответствующими фильтрующими емкостями: С1, С3 по входу и С4 по выходу. На резистивном делителе R2, R3 и конденсаторе С5 выполнена искусственная средняя точка.
На ОУ DA2.1 выполнен буферный каскад сопряжения выходного и входных сопротивлений источника сигнала и фильтров НЧ, ВЧ и СЧ. На ОУ DA2.2 собран фильтр НЧ, на ОУ DA2.3 - фильтр ВЧ. ОУ DA2.4 выполняет функцию формирователя полосового СЧ фильтра.
На контакты X3 и X4 подается напряжение питания, на контакты X1, X2 - входной сигнал. С контактов X5, X9 снимается отфильтрованный выходной сигнал для тракта НЧ; с X6, X8 – ВЧ и с X7, X10 – СЧ трактов соответственно.
Рис.13. Схема электрическая принципиальная активного трехполосного фильтр
Перечень элементов активного трехполосного фильтра
| Позиция | Наименование | Примечание | Кол. |
| С1, С4 | 0,1 мкФ | Обозначение 104 | 2 |
| C2, С10, C11, C12, C13, C14, C15 | 0,47 мкФ | Обозначение 474 | 7 |
| С3, C5 | 220 мкФ/16 В | Замена 220 мкФ/25 В | 2 |
| С6, C8 | 1000 пФ | Обозначение 102 | 2 |
| С7 | 22 нФ | Обозначение 223 | 1 |
| С9 | 10 нФ | Обозначение 103 | 1 |
| DA1 | 78L09 | 1 | |
| DA1 | MC3403 | Замена LM324, LM2902 | 1 |
| R1…R3 | 10 кОм | 3 | |
| R8…R12 | 10 кОм | Допуск не более 1%* | 5 |
| R4…R6 | 39 кОм | 3 | |
| R7 | 75 кОм | - | 1 |
| Колодка DIP-14 | 1 | ||
| Штыревой разъем | 2-х контактный | 2 | |
| Штыревой разъем | 3-х контактный | 2 |
Внешний вид фильтра показан на рис.14, печатная плата – на рис.15, расположение элементов – на рис.16.
Конструктивно фильтр выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Конструкция предусматривает установку платы в стандартный корпус BOX-Z24A, для этого предусмотрены монтажные отверстия по краям платы диаметром 4 и 8 мм. Плата в корпусе крепится двумя винтами-саморезами.
Рис.14. Внешний вид активного фильтра.
Рис.15. Печатная плата активного фильтра.
Рис.16. Расположение элементов на печатной плате активного фильтра.
В своей жизни вы не раз слышали слово “фильтр”. Фильтр для воды, воздушный фильтр, масляной фильтр, “фильтруй базар” в конце концов). В воздушном, водяном, масляном и других видах фильтров происходит очистка от посторонних частиц и примесей. Но что же фильтрует электрический фильтр? Ответ простой: частоту.
Электрический фильтр – это устройство для выделения желательных компонентов спектра (частот) и/или для подавления нежелательных. Для остальных частот, которые не входят в , фильтр создает большое затухание, вплоть до полного их исчезновения.
Характеристика идеального фильтра должна вырезать строго определенную полосу частота и “давить” другие частоты до полного их затухания. Ниже пример идеального фильтра, который пропускает частоты до какого-то определенного значения частоты среза.
На практике такой фильтр реализовать нереально. При проектировании фильтров стараются как можно ближе приблизиться к идеальной характеристике. Чем ближе к идеальному фильтру, тем лучше он будет исполнять свою функцию фильтрации сигналов.
Фильтры, которые собираются только на пассивных радиоэлементах, таких как , называют пассивными фильтрами . Фильтры, которые в своем составе имеют один или несколько активных радиоэлементов, типа или , называют активными фильтрами .
В нашей статье мы будем рассматривать пассивные фильтры и начнем с самых простых фильтров, состоящих из одного радиоэлемента.
Как вы поняли из названия, одноэлементные фильтры состоят из одного радиоэлемента. Это может быть либо конденсатор, либо катушка индуктивности. Сами по себе катушка и конденсатор не являются фильтрами – это ведь по сути просто радиоэлементы. А вот вместе с и с нагрузки их уже можно рассматривать как фильтры. Здесь все просто. Реактивное сопротивление конденсатора и катушки зависят от частоты. Подробнее про реактивное сопротивление вы можете прочитать в статье.
В основном одноэлементные фильтры применяются в аудиотехнике. Для фильтрации используется либо катушка, либо конденсатор, в зависимости от того, какие частоты надо выделить. Для ВЧ-динамика (пищалки), мы последовательно с динамиком соединяем конденсатор, который будет пропускать через себя ВЧ-сигнал почти без потерь, а низкие частоты будет глушить.
Для сабвуферного динамика нам нужно выделить низкие частоты (НЧ), поэтому последовательно с сабвуфером соединяем катушку индуктивности.
Номиналы одиночных радиоэлементов можно, конечно, рассчитать, но в основном подбирают на слух.
Для тех, кто не желает заморачиваться, трудолюбивые китайцы создают готовые фильтры для пищалок и сабвуфера. Вот один из примеров:
На плате мы видим 3 клеммника: входной клеммник (INPUT), выходной под басы (BASS) и клеммник под пищалку (TREBLE).
Г-образные фильтры состоят из двух радиоэлементов, один или два из которых имеют нелинейную АЧХ.
Думаю, начнем с самого известного нам фильтра, состоящего из резистора и конденсатора. Он имеет две модификации:
С первого взгляда можно подумать, что это два одинаковых фильтра, но это не так. В этом легко убедиться, если построить АЧХ для каждого фильтра.
В этом деле нам поможет Proteus. Итак, АЧХ для этой цепи
будет выглядеть вот так:
Как мы видим, АЧХ такого фильтра беспрепятственно пропускает низкие частоты, а с ростом частоты ослабляет высокие частоты. Поэтому, такой фильтр называют фильтром низких частот (ФНЧ).
А вот для этой цепи
АЧХ будет выглядеть таким образом
Здесь как раз все наоборот. Такой фильтр ослабляет низкие частоты и пропускает высокие частоты, поэтому такой фильтр называется фильтром высокой частоты (ФВЧ).
Наклон АЧХ в обоих случаях равняется 6 дБ/октаву после точки, соответствующей значению коэффициента передачи в -3дБ, то есть частоты среза. Что означает запись 6 дБ/октаву? До или после частоты среза, наклон АЧХ принимает вид почти прямой линии при условии, что коэффициент передачи измеряем в . Октава – это соотношение частот два к одному. В нашем примере наклон АЧХ в 6 дБ/октаву говорит о том, что при увеличении частоты в два раза, у нас прямая АЧХ растет (или падает) на 6 дБ.
Давайте рассмотрим этот пример
Возьмем частоту 1 КГц. На частоте от 1 КГц до 2 КГц падение АЧХ составит 6 дБ. На промежутке от 2 КГц и до 4 КГц АЧХ снова падает на 6 дБ, на промежутке от 4 КГц и до 8 КГц снова падает на 6 дБ, на частоте от 8 КГц и до 16 КГц затухание АЧХ снова будет 6 дБ и тд. , следовательно, наклон АЧХ составляет 6 дБ/октаву. Есть также такое понятие, как дБ/декада. Оно используется реже и обозначает разницу между частотами в 10 раз. Как найти дБ/декаду можно прочитать в статье.
Чем больше крутизна наклона прямой АЧХ, тем лучше избирательные свойства фильтра:
Фильтр, с характеристикой наклона в 24 дБ/октаву явно будет лучше, чем в 6 дБ/октаву, так как становится более приближенным к идеальному.
Почему бы не заменить конденсатор катушкой индуктивности? Получаем снова два типа фильтров:
Для этого фильтра
АЧХ принимает такой вид:
Получили все тот же самый ФНЧ
а для такой цепи
АЧХ примет такой вид
Тот же самый фильтр ФВЧ
RC и RL фильтры называют фильтрами первого порядка и они обеспечивают наклон характеристики АЧХ в 6 дБ/октаву после частоты среза.
А что если заменить резистор конденсатором? Итого мы имеем в схеме два радиоэлемента, реактивное сопротивление которых зависит от частоты. Здесь получаются также два варианта:
Давайте рассмотрим АЧХ этого фильтра
Как вы могли заметить, его АЧХ в области низких частот получилась наиболее плоской и заканчивается шипом. Откуда вообще он взялся? Мало того, что цепь собрана из пассивных радиоэлементов, так она еще и усиливает сигнал по напряжению в области шипа!? Но не стоит радоваться. Усиливает по напряжению, а не по мощности. Дело в том, что мы получили , у которого, как вы помните, на частоте резонанса возникает резонанс напряжений. При резонансе напряжений, напряжение на катушке равняется напряжению на конденсаторе.
Но это еще не все. Это напряжение в Q раз больше, чем напряжение, подаваемое на последовательный колебательный контур. А что такое Q? Это . Вас этот шип не должен смущать, так как высота пика зависит от добротности, которая в реальных схемах составляет небольшое значение. Примечательна эта схема также тем, что наклон ее характеристики составляет 12 дБ/октаву, что в два раза лучше, чем у RC и RL фильтров. Кстати, если даже максимальная амплитуда превышает значения в 0 дБ, то все равно полосу пропускания определяем на уровне в -3 дБ. Об этом тоже не стоит забывать.
Все то же самое касается и ФВЧ фильтра
Как я уже сказал, LC фильтры называют уже фильтрами второго порядка и они обеспечивают наклон АЧХ в 12 дБ/октаву.
Что будет, если соединить два фильтра первого порядка друг за другом? Как ни странно, получится фильтр второго порядка.
Его АЧХ будет более крутой, а именно 12 дБ/октаву, что характерно для фильтров второго порядка. Догадайтесь, какой наклон будет у фильтра третьего порядка;-) ? Все верно, прибавляем 6 дБ/октаву и получаем 18 дБ/октаву. Соответственно, у фильтра 4 -ого порядка наклон АЧХ будет уже 24 дБ/октаву и тд. То есть, чем больше звеньев мы соединим, тем круче будет наклон АЧХ и тем лучше будут характеристики фильтра. Все оно так, но вы забыли то, что каждый последующий каскад вносит свою лепту в ослабление сигнала.
В приведенных схемах мы строили АЧХ фильтра без внутреннего сопротивления генератора а также без нагрузки. То есть в данном случае сопротивление на выходе фильтра равняется бесконечности. Значит, желательно делать так, чтобы каждый последующий каскад имел значительно бОльшее входное сопротивление, чем предыдущий. В настоящее время каскадирование звеньев уже кануло в лету и сейчас используют активные фильтры, которые построены на ОУ.
Для того, чтобы вы уловили предыдущую мысль, мы разберем простой пример от наших узкоглазых братьев. На Алиэкпрессе продаются различные фильтры для сабвуфера. Рассмотрим один из них.
Как вы заметили, на нем написаны характеристики фильтра: данный тип фильтра рассчитан на сабвуфер мощностью 300 Ватт, наклон его характеристики 12 дБ/октаву. Если соединять к выходу фильтра саб с сопротивлением катушки в 4 Ома, то частота среза составит 150 Гц. Если же сопротивление катушки саба 8 Ом, то частота среза составит 300 Гц.
Для полных чайников продавец даже привел схему в описании товара. Выглядит она вот так:
Чаще всего можно увидеть прямо на динамиках значение сопротивления катушки на постоянном токе: 2 Ω, 4 Ω, 8 Ω. Реже 16 Ω. Значок Ω после цифр обозначает Омы. Также не забывайте, что катушка в динамике обладает индуктивностью.
Как ведет себя катушка индуктивности на разных частотах?
Как вы видите, на постоянном токе катушка динамика обладает активным сопротивлением, так как она намотана из медного провода. На низких частотах в дело вступает , которое вычисляется по формуле:
где
Х L - сопротивление катушки, Ом
П - постоянная и равна приблизительно 3,14
F - частота, Гц
L - индуктивность, Гн
Так как сабвуфер предназначен именно для низких частот, значит, последовательно с активным сопротивлением самой катушки добавляется реактивное сопротивление этой же самой катушки. Но в нашем опыте мы это учитывать не будем, так как не знаем индуктивность нашего воображаемого динамика. Поэтому, все расчеты в опыте берем с приличной погрешностью.
Как утверждает китаец, при нагрузке на фильтр динамика в 4 Ома, его полоса пропускания будет доходить до 150 Герц. Проверяем так ли это:
Его АЧХ
Как вы видите, частота среза на уровне в -3 дБ составила почти 150 Герц.
Нагружаем наш фильтр динамиком в 8 Ом
Частота среза составила 213 Гц.
В описании на товар утверждалось, что частота среза на 8-омный саб составит 300 Гц. Думаю, можно поверить китайцам, так как во-первых, все данные приближенные, а во-вторых, симуляция в программах далека от реальности. Но суть опыта была не в этом. Как мы видим на АЧХ, нагружая фильтр сопротивлением большего номинала, частота среза сдвигается в большую сторону. Это также надо учитывать при проектировании фильтров.
В прошлой статье мы с вами рассматривали один из примеров полосового фильтра
Вот так выглядит АЧХ этого фильтра.
Особенность таких фильтров такова, что они имеют две частоты среза. Определяются они также на уровне в -3дБ или на уровне в 0,707 от максимального значения коэффициента передачи, а еще точнее K u max /√2.
Если нам надо выделить какую-то узкую полосу частот, для этого применяются LC-резонанcные фильтры. Еще их часто называют избирательными. Давайте рассмотрим одного из их представителя.
LC-контур в сочетании с резистором R образует . Катушка и конденсатор в паре создают , который на частоте резонанса будет иметь очень высокий импеданс, в народе – обрыв цепи. В результате, на выходе цепи при резонансе будет значение входного напряжения, при условии если мы к выходу такого фильтра не цепляем никакой нагрузки.
АЧХ данного фильтра будет выглядеть примерно вот так:
Если взять по оси Y значение коэффициента передачи, то график АЧХ будет выглядеть следующим образом:
Постройте прямую на уровне в 0,707 и оцените полосу пропускания такого фильтра. Как вы можете заметить, она будет очень узкой. Коэффициент добротности Q позволяет оценить характеристику контура. Чем большее добротность, тем острее характеристика.
Как же определить добротность из графика? Для этого надо найти резонансную частоту по формуле:
где
f 0- это резонансная частота контура, Гц
L - индуктивность катушки, Гн
С - емкость конденсатора, Ф
Подставляем L=1mH и С=1uF и получаем для нашего контура резонансную частоту в 5033 Гц.
Теперь надо определить полосу пропускания нашего фильтра. Делается это как обычно на уровне в -3 дБ, если вертикальная шкала в , либо на уровне в 0,707, если шкала линейная.
Давайте увеличим верхушку нашей АЧХ и найдем две частоты среза.
f 1 = 4839 Гц
f 2 = 5233 Гц
Следовательно, полоса пропускания Δf=f 2 – f 1 = 5233-4839=394 Гц
Ну и осталось найти добротность:
Q=5033/394=12,77
Другой разновидностью LC схем является последовательная LC-схема.
Ее АЧХ будет выглядеть примерно вот так:
Конечно, этот недостаток можно устранить, поместив катушку индуктивности в экран из мю-металла, но от этого она станет только дороже. Проектировщики всячески пытаются избежать катушек индуктивности, если это возможно. Но, благодаря прогрессу, в настоящее время катушки не используются в активных фильтрах, построенных на ОУ.
В радиоэлектронике фильтры находят множество применений. Например, в области электросвязи полосовые фильтры используются в диапазоне звуковой частоты (20 Гц-20 КГц). В системах сбора данных используются фильтры низких частот (ФНЧ). В музыкальной аппаратуре фильтры подавляют шумы, выделяют определенную группу частот для соответствующих динамиков, а также могут изменять звучание. В системах источников питания фильтры часто используются для подавления частот, близких к частоте сети 50/60 Герц. В промышленности фильтры применяются для компенсации косинуса фи, а также используются как фильтры гармоник.
Электрические фильтры используются для выделения какого-либо диапазона частота и глушат ненужные частоты.
Фильтры, построенные на пассивных радиоэлементах, таких как резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, называют пассивными фильтрами. Фильтры в которых имеется активный радиоэлемент, типа транзистора или ОУ, называются активными фильтрами.
Чем круче спад характеристики АЧХ, тем лучше избирательные свойства фильтра.
При участии JEER
