Констролим ФНЧ.

Автор:
Опубликовано 01.01.1970

В нашем сабвуфере используется низкочастотный динамик, который может воспроизводить только определенную часть спектра сигнала - его низкочастотную часть - для того он и нужен. Поэтому, если мы будем скармливать ему весь спектр сигнала целиком, он будет плеваться и хрюкать, потому как не в состоянии все это воспроизвести. Таким образом, мы получим гору искажений вместо приличного звука. Чтобы от них избавиться, мы должны отрезать ту часть спектра сигнала, которую саб воспроизводить не может и не должен. Для этого есть у нас Фильтр Низких Частот. Ну, точнее, будет.

Мы не будем шарить по сайтам в Интернете и банально тырить уже готовые схемы - мы все посчитаем и спаяем сами. Тем более, что это не так уж и сложно, как кажется на первый взгляд.

Посоветовавшись с Котом, мы решили не вываливать сюда кучу формул, от которых у любого нормального человека волосы начинают шевелиться просто везде, а воспользоваться специальной программкой для расчета всяких разных фильтров. Программка называется Filter Wiz Pro. Запускаем.

Это её главное окошко, откуда все и начинается. Видите кнопочки с загадочными сочетаниями буков и синими полосками? Вот оно нам и надо.
Итак, програмулина может справляться со следующими фильтрами:
LP - LowPass - ФНЧ -Фильтр Низких Частот
HP - HighPass - ФВЧ - Фильтр Высоких Частот
BP - BandPass - Полосовой Фильтр
BS - BandStop - Режекторный Фильтр
USR - пользовательский тип фильтра - что хотите, что и считайте.
На данный момент нас интересует первая кнопка - LP. Нажимаем.

Слева - форма для заполнения исходных данных для фильтра. Справа - АЧХ (Будь здоров!) фильтра. Спасибо. Это я не чихал, это Кот не знает что такое АЧХ (Будь здоров!). Спасибо. Аплитудно-Частотная Характеристика позволяет нам наглядно увидеть каков будет уровень сигнала на той или иной частоте. Очень удобно, очень.
Хорошо, заводим начальные параметры.

Passband Attenuation - ослабление сигнала в полосе пропускания - оставляем 0,5 дБ, нехай подавится.
Stopband Attenuation - ослабление сигнала на частоте среза.
Passband Frequency - это частота, вернее полоса частот, которую наш фильтр должен пропускать; с этой частоты начнется ослабление сигнала. Обычно эта частота составляет от 100 до 300Гц, в зависимости от саба, помещения, акустики, с которой данный сабвуфер будет применяться. Ну, выберем например 150Гц.
Stopband Frequency - частота среза - частота, на которой реализуется максимальное ослабление сигнала. Выбираем 500Гц. Ниже объясню почему.
Overall Filter Gain - общее усиление фильтра - оставляем 0 дБ - наш фильтр не будет ни усиливать, ни ослаблять сигнал.

Теперь немножко теории, даже не теории, а просто хочется рассказать откуда растут ноги у всех этих частот среза и ослаблений сигнала.

Есть такое понятие у фильтров, как крутизна спада. Фактически, эта штука обозначает как быстро будет ослабляться сигнал в выбранной полосе частот. И есть еще одно понятие для фильтров - это порядок фильтра. Порядок не в смысле "помой за собой посуду, свинья", а в смысле количества элементарных звеньев в фильтре (На каждое звено обычно приходится один конденсатор).
Смотрим на график, где обезображены АЧХ фильтров разных порядков.

Теперь, я надеюсь, понятно, что такое крутизна спада? Чем круче "горка" на графике уходит вниз, тем больше эта самая крутизна. И как видно, она здорово зависит от порядка фильтра. Наша задача состоит в том, чтобы получить фильтр с максимально возможной крутизной спада. Однако, по мере увеличения порядкового числа фильтра, увеличивается и сложность его схемного решения - попросту говоря - нужно до фига всяких железок. Поэтому на практике находят компромисс между крутизной фильтра и его сложностью.

Однако продолжим.
Жмем кнопку Calculate.
Хлоп - у нас появилась еще одна закладочка - Calculation results. Отправляемся туда.

Итак, у нас есть уже табличка с некоторыми результатами. Наверху - различные типы фильтров - Баттерворта, Чебышева, инвертированный Чебышева, Эллиптический и Бесселя. В колонке слева нас интересует три параметра - Order - Порядок, Circuit stages - количество узлов схемы и Passband ripple - неравномерность в полосе пропускания. Мы будем собирать фильтр Баттерворта - это самый распространенный фильтр, у него самая хорошая линейность и простые схемные решения.

По заданным нами исходным данным видно, что у нас получается фильтр 4-го порядка. В принципе, если по каким то причинам этого мало или наоборот много, меняя частоту среза и/или ослабление на частоте среза можно изменять порядок фильтра. Кстати, можно сразу задать порядок фильтра, поставив галочку Force Filter Order и указав необходимый порядок фильтра.
В общем, жмем Next.

На этой страничке нам предлагают полюбоваться на расчетную АЧХ выбранного фильтра.
Идем дальше.

Теперь надо выбрать смотехническое решение для будущего фильтра для двух узлов схемы - Stage1 и Stage2. Возможны 13 вариантов - на любой вкус и размер. Не мудрствуя лукаво выбираем самый первый - фильтр Саллена и Ки. Жмем кнопку Select и идем дальше.

Вот почти и все. Программа рассчитала за нас номиналы необходимых компонентов схемы нашего фильтра. Мы можем оставить все как есть, а можно немного изменить номиналы элементов и посмотреть как это отобразится на результирующей АЧХ, которую можно посмотреть на следующей странице.

Теперь осталось составить общую схему нашего фильтра и спаять его.
Схема будет выглядеть следующим образом:

В фильтре использован ОУ К1401УД2Б - это счетверенный операционный усилитель общего назначения. Очень удобная штука - микросхема одна, а операционников сразу четыре. Можно так же применить К1401УД2А или К1401УД1. В принципе, можно применить и другие операционные усилители, но в таком случае на плате будет уже не один корпус, а два или три.
На элементе DA1.1 собран буферный каскад. DA1.2 и DA1.3 - непосредственно сам фильтр 4-го порядка. Необычность номиналов резисторов R2-R5 объясняется тем, что у меня не было под рукой резисторов именно тех номиналов, которые получались по расчету и пришлось их составлять из последовательно включенных резисторов величиной 47 кОм. Питание фильтра должно быть стабилизированным.
Уфф... ну вроде все пока.
В следующей, заключительной части мы быстренько рассмотрим усилитель для всего этого безобразия и соединим все это воедино - фильтр, усилитель и ящик. Ну и разумеется посмотрим, как нам быть с питанием - кушать то все хотят.