Автор: Род Эллиотт (Rod Elliott - ESP)

Вступление

Частоты ниже 20 Гц обычно не могут быть воспроизведены и, за исключением синтезаторов и органов, не являются желаемой частью звукового спектра. Это особенно неприятно для фонокорректоров, поскольку многие виниловые диски, которыми вы дорожите (или хотите записать на компакт-диск), будут в некоторой степени искажены. Любая деформация винилового диска вызовет большой выходной сигнал в дозвуковой области, обычно значительно ниже 20 Гц.

Например, диск на 33,3 об / мин с одной деформированной секцией создаст сигнал в звукоснимателе с частотой 0,55 Гц (33,3/60 = 0,555 Гц). Этот сигнал вызовет значительное движение диффузора динамика, что крайне нежелательно. Мало того, что вентилируемые сабвуферы полностью неспособны обрабатывать такой сигнал линейно, но и герметичные сабвуферы также будут подвержены значительному напряжению. Большое количество доступной мощности будет потрачено впустую, пытаясь воспроизвести сигнал, который никогда не предназначался для этого изначально.

Чтобы быть эффективным, дозвуковой фильтр должен быть очень сложным - это позволяет пропускать все нужные частоты и отбрасывать те, которые могут вызвать проблемы.

Еще одна область, в которой важен крутой дозвуковой спад, - это управление выходным трансформатором в системах громкой связи 70В или 100В, используемых в офисах, на заводах и т.д. Любой дозвуковой сигнал, который проходит через усилитель и насыщает трансформатор, может вызвать отказ усилителя, сильнейшее искажение или, как правило, и то, и другое. Фильтр ИНЧ  абсолютно необходим в этих системах, но зачастую некоторые производители усилителей, похоже, не осознают риски. С системами громкой связи на 70В и 100В обычно нет причин воспроизводить что-либо ниже 80 Гц, даже в качестве фоновой «музыки».

Cхемы низкочастотных фильтров, которые использует метод суммирования каналов ниже 140 Гц, хотя и эффективны для устранения низкочастотного гула (или суб-гула в данном случае), но вызывают недопустимые аберрации АЧХ. Дозвуковые частоты, генерируемые искажением записи, по своей природе не совпадают по фазе. Моно дорожка винилового диска вызывает боковое движение иглы, а сигналы деформации - вертикальное. Стереосигналы находятся под углом ± 45 °. Метод суммирования был тщательно исследован, прежде чем было решено, что его не следует использовать, если необходимо сохранить общую частотную характеристику диска. Суммирование также нельзя использовать с моносигналом, и это ограничивает полезность фильтра.

Представленный здесь проект может быть использован везде, где требуется быстрый спад, чтобы предотвратить разрушение акустических систем дозвуковыми сигналами. Как отмечалось выше, это важно для линейных систем громкой связи на 70В и 100В или в любом другом месте, где трансформатор питается от усилителя мощности. Это также очень полезно с вентилируемыми корпусами динамиков и предотвращает чрезмерное отклонение диффузора на частотах ниже резонанса. Его также можно использовать с контрольно-измерительными приборами, в которых низкочастотная энергия «загрязняет» результаты. Для этого проекта доступны печатные платы, что упрощает сборку.

Описание

Показанная схема представляет собой обычный фильтр Саллена-Ки, в котором были сделаны некоторые упрощения, чтобы минимизировать количество компонентов с различными значениями.

Добротность фильтров была оптимизирована, чтобы обеспечить более высокий входной импеданс. Конечная добротность двух фильтров составляет почти точно 0,707 (то есть традиционный фильтр Баттерворта).

Хотя теоретически допуск как резисторов, так и конденсаторов должен составлять 1% или лучше, на самом деле это не так важно. Рекомендуются металлопленочные резисторы с точностью 1%  для минимизации шума, а конденсаторы имеют стандартный допуск (т.е. 5% или 10%). Да, это приведет к отклонению АЧХ от показанной ниже (см. Рисунок 2), но по сравнению с другими ошибками в системе (запись эквалайзера, проблемы с НЧ в помещении и т.д.) они могут считаться незначительными.

Примечание. Хотя ниже указано, что входное сопротивление этого фильтра должно быть менее 100 Ом, его можно напрямую подключить к фонокорректору Project 06. Тестирование показывает, что общая частотная характеристика изменяется менее чем на 0,1 дБ на любой частоте выше 30 Гц. Естественно, что на низкочастотную характеристику фильтр влияет, как и положено. Даже при входном импедансе до 10 кОм нет значительного отклонения от ожидаемой кривой АЧХ, а только крошечная (около 0,2 дБ) потеря общего уровня.

Схема фильтра показана ниже. По сути, это пара каскадных фильтров 18 дБ на октаву, дающих окончательный спад 36 дБ на октаву. Спад -3 дБ наблюдается на частоте около 18 Гц при указанных значениях. В таблице ниже представлены различные значения конденсаторов, которые можно использовать для получения спада на различных частотах.

Рисунок 1 - Принципиальная схема одного канала

Я не предлагаю вам экспериментировать со значениями резисторов или конденсаторов, если вы точно не знаете, что делаете, поскольку любые изменения повлияют на добротность фильтров и вызовут либо резкий скачок в полосе пропускания, либо слишком плавный спад в потере баса.

На рисунке 2 показан теоретическая АЧХ фильтра. Я говорю «теоретическая» просто потому, что нереально ожидать, что какой-либо сигнал будет значительно ниже 100 дБ от уровня полосы пропускания (более -120 дБ на 1 Гц). Это просто выходит за рамки шумовых ограничений аудио оборудования. При этом затухание сверхнизких частот все еще очень велико, и даже сильно деформированный диск вызовет очень небольшое (если вообще будет) движение диффузора сабвуфера.

Рисунок 2 - АЧХ (красный) и ФЧХ (зеленый) фильтра

Как видно из вышеизложенного, частоты до 2 Гц  находятся более, чем на 90 дБ ниже уровня полосы пропускания. Номинально все, что ниже 17 Гц, эффективно исчезает. Нет причин пытаться улучшить это, поскольку оно уже превышает разрешение любого цифрового формата и размещает все типичные сигналы деформации значительно ниже уровня слышимости или опасности для сабвуфера.

Фазовая характеристика соответствует любому фильтру, но важно отметить, что, если полнодиапазонный сигнал не отфильтрован, могут быть неприемлемые изменения фазы в низкочастотных областях. В идеале этот фильтр не следует использовать последовательно с усилителем сабвуфера, так как это повлияет на фазовое соотношение между основными динамиками и сабвуфером. Однако вполне вероятно, что не будет никаких звуковых аномалий, даже если P99 установлен в тракте сигнала сабвуфера.

Если полнодиапазонный сигнал будет проходить через фильтр, рекомендуется использовать операционные усилители высокого качества для предотвращения шума или искажений в основном сигнале. При желании можно использовать переключатель для обхода цепи, когда она не используется. Использование дозвукового фильтра не предназначено исключительно для виниловых дисков - многие записи компакт-дисков также содержат дозвуковую энергию, намеренно или случайно!

Чтобы изменить частоту, меняйте только конденсаторы. В следующей таблице приведены диапазоны значений конденсаторов и частот. C1, C2, C3, C4, C5 и C6 должны иметь одно и то же значение...

Таблица 1 – Спад -3Дб на разных частотах в зависимости от емкости конденсаторов

Показанный выше диапазон явно подходит для частот, выходящих далеко за пределы обычного диапазона сабвуфера, но они включены, поскольку могут быть другие применения фильтра, кроме только сабвуфера. Существует бесчисленное множество применений для очень крутых фильтров в системах управления и других аналоговых приложениях, поэтому нет причин ограничивать использование только в аудио.

Если вы хотите, чтобы АЧХ была немного более плоским, чем обычно, можно увеличить R3 и R6. При 270k будет небольшой подъем перед спадом (0,2 дБ при 35 Гц), а предел низких частот (-3 дБ) немного сдвинут до 15,6 Гц вместо 18,1 Гц (с конденсаторами 150 нФ). Тот же эффект будет и с другими значениями ескостей, и вы можете использовать приведенную выше таблицу и просто уменьшить частоту -3 дБ на коэффициент 0,86. Например, при использовании конденсаторов 120 нФ для C1 ... C6 частота будет снижена с 22,7 Гц до 19,5 Гц. Разницу легко измерить на симуляторе, но невозможно услышать.

Если вы хотите поэкспериментировать со значениями резисторов, не стесняйтесь, но если вы не можете смоделировать АЧХ, вы обнаружите, что это довольно сложно измерить. Результаты также могут быть очень непредсказуемыми, если вы не знаете обо всех взаимодействиях значений компонентов в фильтрах Саллена-Ки. Например, если R2 и R5 уменьшить до 22k, ослабления -3 дБ (относительно 100 Гц) практически не будет, но будет подъем на 3 дБ с центром на 28 Гц (с использованием конденсаторов 150 нФ). При желании это можно использовать для усиления низких частот.

Конструкция

Хотя конструкция не критична, следует соблюдать обычные меры предосторожности, необходимые для любой схемы с операционным усилителем. Обратите особое внимание на шунтирование и не забудьте заземлить источник питания. Естественно, я рекомендую вам использовать печатную плату, так как она упрощает процесс сборки. Вы можете (как всегда) использовать операционные усилители лучшего качества, чем предлагаемые сдвоенные TL072, поскольку наиболее важным параметром является шум. Поскольку операционные усилители подключены как буферы с единичным усилением, верхняя частотная характеристика будет расширена за пределы слышимости.

На рисунке 1 показан только один канал, второй канал использует оставшийся операционный усилитель в каждом из сдвоенных корпусов. Фактический входной импеданс превышает 47 кОм на всех частотах, но в идеале полное сопротивление источника должно быть не более 100 Ом или около того (хотя, как отмечалось выше, даже 10 кОм не вызовут проблем).

Как правило, фильтр используется на выходе фонокорректора. Дозвуковые частоты несвойственны другим источникам сигнала (но могут и существовать!), и если вы хотите использовать схему последовательно с вашим сабвуфером, то вы должны знать о возможных эффектах фазовой характеристики фильтра (подробности см. выше).

Предлагаемые операционные усилители TL072 подойдут для большинства задач, но если вы предпочитаете использовать устройства со сверхмалым шумом или широкой полосой пропускания, этот выбор за вами. Подходящие операционные усилители включают NE5532, OPA2134, LM4562, LME45710, NJM2068 и т. Д. Вы также можете использовать LM833, но они могут быть подвержены возбуждению, особенно если вы используете панельки для микросхем.

Тестирование

Подключите устройство к подходящему источнику питания. Помните, что заземление источника питания должно быть подключено! При первом включении подключите «защитные» резисторы от 100 до 560 Ом последовательно с каждым плечом питания, чтобы ограничить ток, если вы допустили ошибку в подключении.

Выходное напряжение постоянного тока операционного усилителя должно быть почти нулевым. Тестирование частотной характеристики будет невозможно, если у вас нет генератора сигналов (подойдет и ПК) и милливольтметра переменного тока. АЧХ выше 20 Гц должна быть практически ровной (будет очень маленький пик около 30 Гц - менее 0,2 дБ), а при 10 Гц амплитуда должен быть не менее -15 дБ. Если вы можете измерить частоту до 5 Гц (или меньше), то АЧХ должна очень точно соответствовать графику на Рисунке 2.

Оригинал статьи

Теги:

• Перевод