Спектральные фильтры

Предназначение

Сделать фильтр для сабвуфера

Фильтр или кроссовер(см.Самодельные кроссоверы для акустики и их предназначение), как его еще называют, сегодня выполняет важнейшую функцию. Дело в том, что практически все современные динамики, включая и сабвуфер, воспроизводят эффективно только определенную долю частот. К примеру, тот же басовик воспроизводить хорошо в состоянии только низкие басы.

Фильтр для автомобильного сабвуфера

За границами «родной» полосы (эффективно воспроизводимой), звуковое давления, идущее из динамика, заметно снижается и возрастает одновременно с этим уровень искажений. В таком случае говорить о каком-то качестве звука просто глупо и следовательно, чтобы решить проблему, приходится использовать в аудиосистеме несколько динамиков(см.Как выбрать динамики для автомагнитолы своими силами). Такова реалия: это происходит и в домашней акустике, и в автомобильной. Это не новость.

Типичные схемы расположения динамиков в авто и роль фильтров

Динамики в авто

Касательно автомобильной акустики хотелось бы выделить две типичные схемы построения системы звука, с которыми знакомы, наверное, все, кто много мало знаком с автозвуком.Речь идет о следующих схемах:

Наиболее популярная схема подразумевает три динамика. Это басовик (нацеленный исключительно на низы), динамик средних и низких частот (мидбасс) и отвечающий за воспроизведение ВЧ, твитер.

Фильтр низких частот сделать самому для сабвуфера

Именно для того, чтобы не нарушать это требование, предназначены электрические фильтры, в роль которых входит выделение конкретных «родных» частот и подавление «чужих».

Типы фильтров

Фильтры(см.Как сделать самому фильтр для автомагнитолы) частот различаются по типам.Принято выделять следующие варианты:

Обычные фильтры, принцип действия которых сводится к тому, чтобы у их катушек индуктивности сопротивление возрастало с ростом частоты сигнала и спадало у конденсаторов, которыми они наделены. Несложно догадаться, что в таких фильтрах эффективно пропускают НЧ катушки индуктивности, а ВЧ – конденсаторы.

Полосовой фильтр

• Режекторный фильтр – полная противоположность полосовому. Здесь та полоса, которая ПФ пропускается без изменений, подавляется, а полосы вне этого интервала усиливаются;
• ФИНЧ или фильтр подавления инфранизких частот стоит особняком. Принцип его действия основывается на подавлении высоких частот с низким показателем среза (10-30Гц). Предназначение этого фильтра – непосредственная защита басовика.

Нч фильтр для сабвуфера самому

Параметры

Кроме типов фильтров, принято разделять и их параметры.К примеру такой параметр, как порядок, свидетельствует о количестве катушек и конденсаторов (реактивных элементов):

• 1-ый порядок содержит только один элемент;
• 2-ой порядок два элемента и т.д.

Другой, не менее важный показатель – крутизна спада АЧХ, показывающая, насколько резко фильтр подавляет «чужие» сигналы.

Для сабвуфера

В принципе, любой фильтр, в том числе и этот, представляет собой сочетание нескольких элементов. Обладают компоненты эти свойством избирательно пропускать сигналы определенных частот. Принято разделять три популярные схемы этого разделителя для басовика.Они представлены ниже:

Первая схема подразумевает самый простой разделитель (изготовить который своими руками, не составит никакой сложности). Он выполнен в виде сумматора и стоит на одном транзисторе. Конечно, серьезного качества звука с таким простейшим фильтром не добиться, но из-за своей простоты, он прекрасно подходит любителям и начинающим радиоманам;

Простая схема

Две другие схемы намного сложны, чем первая. Построенные по эти схемам элементы, размещаются между местом выхода сигнала и входом усилителя басовика.

Каким бы ни был разделитель, простейшим или сложным, он должен иметь следующие технические характеристики.

Питание/напряжение	12-35 В
Частота среза	100 Гц
Потребление тока	5 мА
Усиление «родной» частотной полосы	6 дБ
Подавление «чужой» полосы	12 дБ

Частотная фильтрация звука

Фильтрация звука подразумевает процесс обработки электрического звукового сигнала различными фильтрами для изменения его спектрального состава (изменение тембра). Наиболее часто фильтрация применяется: 1) для амплитудно-частотной коррекции сигнала и 2) для полного подавления определенной полосы частот.

Приведём несколько практических примеров:

Бывает, что необходимо устранить мутность в звучании инструмента или тембр аудиосигнала звучит очень назойливо и даже раздражает, а бывает что звуку не хватает верхов и он звучит скучно, нет «воздуха», яркости. Иногда один инструмент звучит неразборчиво и для него необходимо освободить место, в определенной полосе частот. Всё это можно подправить за счёт коррекция амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) сигнала.

Полное подавление полосы частот может применяться для устранения низкочастотных шумов или когда слишком много высоких в звуке. Однако, надо понимать, что срезая слишком много сигнал может стать тусклым и невыразительным, поэтому не переусердствуйте.

Перестраиваемый режекторный фильтр

категория

Электронные устройства

И. НЕЧАЕВ, г. КурскРадио, 2002 год, № 11

В звуковоспроизводящей либо радиоприемной аппаратуре иногда появляются узкополосные помехи или наводки, например, сетевые.

Для борьбы с такими помехами наиболее эффективен режекторный фильтр. Он подавляет сигнал помехи и пропускает остальные сигналы. В качестве частотозадающего элемента в нем чаще всего применяют двойной Т-образный фильтр или мост Вина. Как показала практика, простым и надежным является устройство, в котором используется двойной Т-образный фильтр (рис. 1), поскольку его можно сделать пассивным. В этом варианте сигналы с частотой выше режектируемой проходят с малыми потерями через цепочку C1R1C2, а ниже ≈ через R2C3R3. Сигналы же с режектируемой частотой проходят через обе цепочки, приобретают противоположный фазовый сдвиг, взаимно компенсируются на выходе и значительно ослабляются.

Если требуется фильтр с перестраиваемой режекторной частотой, устройство придется усложнить, поскольку нужно синхронно изменять параметры как минимум трех элементов. Проще собрать другой фильтр (рис. 2), известный как дифференциально-мостовой (см., например, Хоровиц П., Хилл У Искусство схемотехники. ≈ М.: Мир, 1998, с. 296), обладающий такими же частотными свойствами. Все конденсаторы должны быть одинаковой емкости, а сопротивление резистора R1 в шесть раз превышать сопротивление резистора R2.

Отличительная особенность фильтра ≈ способность изменять режекторную частоту одним переменным резистором. Частоту настройки фильтра определяют по формуле F_peж= 1/2πCv3R2′ R2″, где R2′ и R2″ ≈ сопротивления левой и правой (по схеме) частей переменного резистора, соответственно; С ≈ емкость каждого конденсатора.

На базе этой цепочки можно выполнить режекторный фильтр с приемлемыми параметрами (рис. 3). Чтобы исключить влияние источника сигнала и нагрузки на параметры фильтра, на входе и выходе цепочки установлены буферные каскады на полевых транзисторах. С указанными на схеме номиналами элементов фильтр можно перестраивать в диапазоне частот 30… 120 Гц переменным резистором R5. Подстроенным резистором R2 добиваются максимального подавления режектируемого сигнала.

На рис, 4 приведены экспериментальные АЧХ фильтра для двух частот настройки ≈ 50 Гц (1) и 100 Гц (2). Общее ослабление сигнала устройством составляет 6…7 дБ, а относительное затухание на частоте настройки ≈ 40…43 дБ. Иначе говоря, сигнал помехи по отношению к полезному сигналу ослабляется не менее чем в 100 раз. АЧХ фильтра вблизи частоты режекции имеет плавные скаты.

Крутизну скатов можно значительно увеличить (кривые 3 и 4), если движок резистора R5 отсоединить от общего провода и подсоединить к истоку транзистора VT5. В этом случае уменьшаются потери в полосе пропускания и глубина режекции.

Чтобы изменить частоту настройки фильтра, нужно установить конденсаторы С2 ≈ С4 другой емкости ≈ ее рассчитывают по вышеприведенной формуле.

Кроме указанных на схеме, допустимо использовать транзисторы КП307А, КП307Б. Конденсаторы С1 ≈ С4 ≈ серий К73 или аналогичные, причем конденсаторы С2, СЗ, С4 должны быть подобраны одинаковой емкости с точностью до нескольких процентов; С5, С6 ≈ серий К50, К52, К53. Переменный и подстроенный резисторы ≈ СП, СПЛ, СП4, постоянные ≈ МЛТ, С2-33.

Большинство деталей размещают на печатной плате (рис. 5) из односторонне фольгированного стеклотекстолита, которую затем устанавливают в металлическом или пластмассовом металлизированном корпусе подходящих размеров.

Металл или металлизацию корпуса соединяют с общим проводом. Переменный и подстроечный резисторы размещают на передней стенке корпуса.

Максимальное входное напряжение для этого фильтра составляет примерно 1 В. Чтобы его увеличить, нужно взамен истоковых повторителей применить усилители на ОУ ≈ каждый из них должен быть неинвертирующим с коэффициентом передачи 1.

Для стереоусилителей необходимо изготовить два фильтра и установить отдельные переменный и подстроечный резисторы, поскольку сдвоенные резисторы внесут рассогласование и одновременная настройка частоты фильтров окажется неэффективной.

Что такое фильтр?

Фильтр – это схема, которая удаляет или «отфильтровывает» определенный диапазон частотных компонентов. Другими словами, он разделяет спектр сигнала на частотные составляющие, которые будут передаваться дальше, и частотные составляющие, которые будут блокироваться.

Если у вас нет большого опыта анализа частотной области, вы можете быть не уверены в том, что представляют собой эти частотные компоненты и как они сосуществуют в сигнале, который не может иметь несколько значений напряжения одновременно. Давайте рассмотрим краткий пример, который поможет прояснить эту концепцию.

Давайте представим, что у нас есть аудиосигнал, который состоит из идеальной синусоидальной волны 5 кГц. Мы знаем, как выглядит синусоида во временной области, а в частотной области мы не увидим ничего, кроме частотного «всплеска» на 5 кГц. Теперь предположим, что мы включили генератор на 500 кГц, который вносит в аудиосигнал высокочастотный шум.

Сигнал, видимый на осциллографе, будет по-прежнему представлять собой только одну последовательность напряжений с одним значением на момент времени, но он будет выглядеть по-другому, поскольку его изменения во временной области теперь должны отражать как синусоидальную волну 5 кГц, так и высокочастотные колебания шума.

Однако в частотной области синусоида и шум являются отдельными частотными компонентами, которые присутствуют одновременно в этом одном сигнале. Синусоидальная волна и шум занимают разные участки представления сигнала в частотной области (как показано на диаграмме ниже), и это означает, что мы можем отфильтровать шум, направив сигнал через схему, которая пропускает низкие частоты и блокирует высокие частоты.

Рисунок 3 – Представление аудиосигнала и высокочастотного шума в частотной области

Типы фильтров

http-equiv=»Content-Type» content=»text/html;charset=UTF-8″>yle=»text-align: justify;»>Рассмотри наиболее часто встречающиеся типы фильтров, которые вы будете видеть во многих эквалайзерах:

Ограничительные фильтры:

 Low Pass (LP) или High Cut (HC) – этот фильтр обрезает все частоты выше заданного значения или оставляет все частоты ниже заданного значения.

High Pass (HP) или Low Cut (LC) – этот фильтр обрезает все частоты ниже заданного значения или оставляет все частоты выше заданного значения.

Band Pass (BP) – этот фильтр пропускает только определённою полосу частот.

Shelf -фильтры:

Low Shelf  низкочастотный шельфовый (или полочный) фильтр. Компенсирует или уменьшает избыток частот.

High Shelf высокочастотный шельфовый (или полочный) фильтр. Также компенсирует или уменьшает избыток частот.

Tilt Shelf – совмещает в себя оба вышеперечисленных фильтра. Он сразу усиливает и ослабляет частоты от заданного значения.

Bell — колокообразный фильтр. Используется для усиления или ослабления выбранного диапазона частот.

Режекторный фильтр:

Notch фильтр – вырезает определённую полосу частот.

В следующей статье мы поговорим об основных параметрах фильтров. Так что подписывайтесь на .

Продолжение следует…

Продолжение: Основные параметры частотных фильтров

Особенности и назначение

Спектральные фильтры представляют собой оптические (дихроичные) элементы специального назначения, основной особенностью которых является разделение входного потока излучения по заданным характеристикам из диапазона общего спектра. Технология позволяет выделить и пропустить нужный участок потока, при отражении вторичных волн с точки зрения рабочих задач.

С учётом соблюдения необходимых условий изготовления, рассматриваемые оптические изделия позволяют использовать волны строго определённой длины и интенсивности излучения. Это помогает с высокой точностью выбирать компоненты, исходя из конкретных параметров оборудования, однако существенно усложняет процесс производства.

Важной особенностью изделий этого типа является комбинирование малого количества потерь в нужных границах спектра, и высокой эффективности работы с отражаемым излучением. Тонкая настройка рабочих параметров фильтрующих элементов достигается за счёт использования нескольких слоёв диэлектрического покрытия с различными показателями коэффициента преломления.. Так отрезающие свойства изделия можно выбирать, исходя из специфики решаемых задач

При этом важной технической особенностью изготовления является необходимость строгого соблюдения толщины наносимой плёнки и количества единиц покрывающих плёнок. Кроме того, применение специализированного оборудования высокого класса делает возможным создание сразу нескольких зон с различными пропускающими способностями в определённом спектральном диапазоне. Также при необходимости используется совмещение на одной подложке узкополосных и широкополосных покрытий, что гарантирует высокую эффективность работы элемента в заданном диапазоне.

Так отрезающие свойства изделия можно выбирать, исходя из специфики решаемых задач

При этом важной технической особенностью изготовления является необходимость строгого соблюдения толщины наносимой плёнки и количества единиц покрывающих плёнок. Кроме того, применение специализированного оборудования высокого класса делает возможным создание сразу нескольких зон с различными пропускающими способностями в определённом спектральном диапазоне

Также при необходимости используется совмещение на одной подложке узкополосных и широкополосных покрытий, что гарантирует высокую эффективность работы элемента в заданном диапазоне.

Виды фильтров

FFT фильтр

Очень полезный фильтр и в некоторых ситуациях вообще незаменим. Но нужно точно знать, для чего он нужен, иначе есть большая вероятность серьезных искажений как временных, так и амплитудных.

Когда применять:

• Как эффект, создающий экстремальную фильтрацию
• Для работы с очень узкой и определённой полосой частот. Это не создаст побочных эффектов.
• FFT фильтр очень бережно относиться к фазе сигнала, поэтому обрабатывая им Вы можете сохранить фазовую информацию.
• В области низких частот (до 1 кГц). В этой полосе сильные изменения АЧХ FFT фильтром не приведут к очень плохим последствиям.
• Как легкий эквалайзер. Но большое вмешательство (более 3-5 дБ) уже опасно.

Когда точно не применять:

• Использовать в качестве основного эквалайзера. Поверьте, для изменения тембра найдутся менее вредные фильтры.
• Использовать как жесткий обрезной фильтр высоких частот.
• Работать, ставя максимальный размер FFT. Этот параметр определяется всегда интуитивно.
• Использовать фильтр несколько раз на одном и том же участке. Лучше все операции объединить в одну.

IIR фильтр

IIR фильтры расшифровывается как Infinite Impulse Response (бесконечная отдача импульса). Бесконечная, потому что теоретически влияние этих фильтров никогда не прекращается, но это только теоретически.

В IIR фильтрах обычно можно найти такие функции как (частота, ширина воздействия, усиление/ослабление в дБ),  фильтрация по краям диапазона (high-shelf и low-shelf), ослабления нежелательных сигналов low-pass, high-pass, band-pass.

Когда применять:

Для уменьшения высоких или низких частот с определенной частоты (high-shelf и low-shelf)

Лучше не выше 2-3 порядка.
Вырезание определенной частоты (слегка на пару дБ)
Фильтрация частот за слышимым диапазоном или в не очень важной области.
Изменение тональной окраски звука (лучше также не использовать фильтры высокого порядка)
Убрать или погасить резонансы. Когда точно не применять:

Когда точно не применять:

Лучше не используйте без надобности IIR фильтры высокого порядка. Это может привести к фазовым искажениям.

FIR фильтр

FIR фильтры (Finite Impulse Response) — конечная отдача импульса. Эти фильтры основаны на так называемой свертке. Они наиболее безопасны и надежны, но у них очень трудно управляемые параметры фильтрации и невысокая скорость работы.

Такие типы фильтров находятся в качественных цифровых эквалайзерах, в аналоговой схеме их не делают, там применяют IIR.

FIR фильтры можно применять как и где вы хотите, единственное они слишком медленные, в реальном времени работать с ними проблематично.

Расчет полосового фильтра

Расчет полосового фильтра может стать очень сложным занятием даже при использовании операционных усилителей. Тем не менее можно немного упростить методику расчета, и в то же время сохранить производительность полосового фильтра на ОУ на приемлемом уровне.

Цифровой мультиметр AN8009Большой ЖК-дисплей с подсветкой, 9999 отсчетов, измерение TrueRMS…

Мультиметр — RICHMETERS RM101Richmeters RM101 — удобный цифровой мультиметр с автоматическим изменен…

Мультиметр — MASTECH MY68Измерение: напряжения, тока, сопротивления, емкости, частоты…

Данная схема и методика расчета представляют собой хороший баланс между производительностью и простотой конструкцией фильтра.

Из рисунка видно, что помимо операционного усилителя схема еще содержит два конденсатора и три резистора.

Пример упрощенного расчета элементов полосового фильтра на ОУ

Входные данные:

• Резонансная частота f = 20Гц.
• Добротность Q = 10.
• Коэффициент передачи Hо = 5

Так как fmax – fmin = f / Q = 2Гц,

то полоса пропускания составит fmax = 21 Гц, fmin=19 Гц.

Будем исходить из того, что C1=C2=C=1мкФ

Тогда сопротивления резисторов можно рассчитать по следующим формулам:

В нашем случае получим следующие результаты:

R1 = 10 / (5*2*3,14*20*0,000001) = 15,9 кОм

R2 = 10 / ((2*10*10-5)*2*3,14*20*0,000001) = 408 Ом

R3 = 2*10 / (2*3,14*20*0,000001) = 159,2 кОм

В схеме с одним операционным усилителем, желательно, чтобы коэффициент передачи не превышал 5 и добротность была не более 10. Для получения качественного фильтра параметры резисторов и конденсаторов должны как можно ближе соответствовать расчетным значениям.

Maxim MAX4075 MAX4198

John Guy, Maxim Integrated Products

EDN

Недостатком многих схем режекторных фильтров, подавляющих сигналы в узкой полосе частот и пропускающих все остальные, является взаимное влияние допусков номиналов компонентов. Схема, изображенная на Рисунке 1, позволяет обойти это ограничение и легко вычислять параметры элементов для требуемой частоты подавления.

Рисунок 1.	Суммирование входного сигнала VIN с выходным сигналом фазового фильтра на микросхеме IC1 дает результирующий отклик, аналогичный отклику режекторного фильтра.

Два каскада фазового фильтра IC_1A и IC_1B на частоте среза создают точный фазовый сдвиг 180°. Каждый усилитель микросхемы IC₁ содержит согласованные с точностью 0.1% резисторы, определяющие их коэффициенты усиления. В большинстве приложений такая высокая точность позволяет отказаться от подстроечных элементов. В результате суммирования этого сдвинутого по фазе сигнала с входным сигналом формируется частотная характеристика схемы, типичная для полосно-заграждающего (режекторного) фильтра.

На низких частотах, где импеданс C₂ незначителен, схема представляет собой повторитель напряжения и фазу сигнала не инвертирует. Однако на высоких частотах этот конденсатор действует как короткое замыкание, что превращает усилитель в инвертор с единичным усилением и соответствующим сдвигом фазы на 180°. Действие результирующего фазового фильтра эквивалентно влиянию простой однополюсной RC-цепи и создает фазовый сдвиг 90° на резонансной частоте, равной 1/2pR₁C₁ и 1/2pR₂C₂.

R1, R2, C1 и C2 влияют только на частоту режекции, но не на ее глубину. Напротив, интегрированные в IC1 резисторы оказывают влияние только на глубину режекции. Если вам потребуется более высокая точность настройки частоты подавления, подберите соответствующие номиналы R1, R2, C1 и C2, или же просто обеспечьте подстройку сопротивления одного из двух резисторов. Микросхема IC2 прецизионного дифференциального усилителя в этой схеме используется в качестве согласованного суммирующего усилителя

Обратите внимание, что инвертирующий вход оставлен неподключенным

Рисунок 2.	При допускаемых отклонениях 5% для сопротивлений резисторов R1, R2 и 10% для емкостей конденсаторов C1, C2 частота среза равна приблизительно 99 Гц.

На Рисунке 2 показана характеристика схемы, в которой использовались неподобранные резисторы и конденсаторы с допускаемыми отклонениями номиналов 5% и 10%, соответственно. Чтобы увеличить глубину режекции, можно подстроить схему, добавив 100-омный резистор последовательно с выводом 3 микросхемы IC₂. Кроме того, для того чтобы иметь возможность установки максимального подавления на требуемой частоте, последовательно с выводом 1 микросхемы IC₂ вы можете включить подстроечный резистор 200 Ом.

Материалы по теме

1. Datasheet Maxim Integrated MAX4075
2. Datasheet Maxim Integrated MAX4198

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Notch filter is insensitive to component tolerances

11 предложений от 11 поставщиков
Micropower, SOT23, Rail-to-Rail, Fixed-Gain, GainAmp/Open-Loop Op Amps

T-electronРоссия и страны СНГ	MAX4075AOEUAMaxim	83 ₽	Купить
ЭлитанРоссия	MAX4075BKESAMaxim	102 ₽	Купить
МосЧипРоссия	MAX4075BNESA-TMaxim	по запросу	Купить
ТаймЧипсРоссия	MAX4075ADESA-TMaxim	по запросу	Купить

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.

Публикации по теме

• Схемы Режекторный фильтр
• Схемы Режекторный фильтр с ФАПЧ
• Схемы Перестраиваемый высокочастотный режекторный фильтр
• Новости Hittite представила первый в отрасли монолитный перестраиваемый режекторный фильтр — HMC1000LP5E
• Схемы Режекторный фильтр с автоматической настройкой для аудио приложений