Разработка невзвешенного аудиофильтра с плоской частотной характеристикой

Nov 03, 2023

Существует несколько методов измерения звукового шума, которые используются шумомерами. Они обычно характеризуются кривыми частотных характеристик фильтров. Хотя некоторые аудиофильтры предназначены для имитации частотной характеристики человеческого уха при различных уровнях звука, в этой статье основное внимание будет уделено детальному проектированию Z-взвешенного (невзвешенного) аудиофильтра с плоской частотной характеристикой от 20 Гц до 20 кГц. Фильтр можно использовать совместно с широкополосным измерителем напряжения и тока, описанным в одной из моих предыдущих статей.

Невзвешенная плоская кривая частотной характеристики показана на рисунке 1. Границы частотной характеристики фильтра ограничения полосы указаны в виде «маски» в Рекомендации ITU-R BS.468-4 для измерения уровня напряжения звукового шума в Звуковое вещание. Международный стандарт IEC 61672 определяет аналогичную плоскую характеристику на звуковых частотах как «Z-взвешенную» или нулевую взвешенную.

Измеренная характеристика фильтра, который мы разрабатываем, должна укладываться в маску, что требует ровной характеристики практически во всем диапазоне звуковых частот. Этот метод дает результаты, измеренные как среднеквадратические значения, которые можно использовать для проектирования более низких уровней шума.

Невзвешенный фильтр состоит из двух фильтров, соединенных последовательно:

Соответствовать требованиям маски можно с помощью фильтров Баттерворта (которые не имеют пика на кривой частотной характеристики), настроенных так, чтобы пики составляли 0,5 дБ. Частотная характеристика фильтра Баттерворта порядка n, выраженная как А в децибелах, определяется выражением:

$$A = 10\log_{10}(1 + \Omega^{2n})$$

Ом зависит от типа фильтра:

где:

ω — частота сигнала

ωc — частота среза -3 дБ.

Для маски требуется фильтр верхних частот второго порядка, обеспечивающий восходящий отклик 12 дБ/октаву от значительно ниже 1 Гц до 22,4 Гц, и фильтр нижних частот третьего порядка, обеспечивающий нисходящий отклик от 22,4 кГц вверх.

На рисунке 2 показана схема модифицированного решения Баттерворта.

В фильтрах используются версии конфигураций Саллена и Кей с равными значениями компонентов. Регулировку довольно легко выполнить, увеличивая номиналы резисторов настройки усиления R7 и R12 до тех пор, пока пик отклика не достигнет пика на 0,5 дБ по сравнению с откликом на частоте 1 кГц на каждом конце.

На R2 имеется надпись «Настройка при проверке». Это означает, что с фильтром, подключенным к широкополосному вольтметру, вы подаете на вольтметр 1 В (среднеквадратичное значение) на частоте 1 кГц (конечно, в диапазоне 1 В) и регулируете R2 до тех пор, пока выходной сигнал также не станет 1 В.

Вы можете задаться вопросом об усилителе U1B в верхней части центра рисунка 2. Он существует потому, что выходное сопротивление U2A включено последовательно с C3, и на частотах намного выше 20 кГц сопротивление не является незначительным по сравнению с реактивным сопротивлением C3. поэтому спад 18 дБ/октава не достигается. Им нельзя пренебрегать, поскольку выходное сопротивление разомкнутого контура (не указано в технических характеристиках) уменьшается из-за отрицательной обратной связи, но коэффициент усиления разомкнутого контура довольно низок на высоких частотах, как это обычно бывает с операционными усилителями.

Для операционного усилителя общего назначения TL072 коэффициент усиления разомкнутого контура составляет всего около 30 на частоте 100 кГц, поэтому обратная связь не может значительно уменьшить выходное сопротивление. Аудиооперационный усилитель LM4562 вряд ли лучше в этом отношении. U1B обеспечивает более низкое выходное сопротивление, что позволяет удовлетворить требования к отклику.

Вы также можете заметить J2. Это упрощает частое использование этого и других внешних фильтров. К блоку 4 широкополосного вольтметра добавлен 5-контактный разъем DIN, так что не только устанавливаются соединения сигналов GO и RETURN, но и внешний фильтр получает питание постоянного тока от вольтметра.

Внешний фильтр может иметь либо свободный провод с вилкой, либо другую розетку, чтобы можно было использовать соединительный кабель. Было бы хорошо, чтобы провода к контактам 1 и 5 были индивидуально экранированы, чтобы предотвратить паразитную емкостную связь на фильтре. Можно получить четырехжильные кабели с индивидуальным экранированием, довольно небольшого диаметра, и экраны, конечно, обеспечивают необходимый пятый проводник.