Не секрет, что звучание системы во многом зависит от уровня сигнала на ее участках. Контролируя сигнал на переходных участках схемы, мы можем судить о работе различных функциональных блоков: коэффициенте усиления, вносимых искажениях и т.д. Так же бывают случаи, когда результирующий сигнал просто не возможно услышать. В тех случаях, когда не возможно контролировать сигнал на слух, применяются различного рода индикаторы уровня.
Для наблюдения могут использоваться как стрелочные приборы, так и специальные устройства, обеспечивающие работу «столбцовых» индикаторов. Итак, рассмотрим их работу более подробно.

1 Шкальные индикаторы
1.1 Простейший шкальный индикатор.

Этот вид индикаторов наиболее прост из всех существующих. Шкальный индикатор состоит из стрелочного прибора и делителя. Упрощенная схема индикатора приведена на рис.1 .

В качестве измерителей чаще всего используются микроамперметры с током полного отклонения 100 – 500мкА. Такие приборы рассчитаны на постоянный ток, поэтому для их работы звуковой сигнал необходимо выпрямить диодом. Резистор предназначен для преобразования напряжения в ток. Собственно говоря, прибор измеряет ток, проходящий через резистор. Рассчитывается элементарно, по закону Ома (был такой. Георгий Семеныч Ом) для участка цепи. При этом нужно учесть, что напряжение после диода будет в 2 раза меньше. Марка диода не важна, так что подойдет любой, работающий на частоте больше 20кГц. Итак, расчет: R = 0.5U/I
где: R – сопротивление резистора (Ом)
U - Максимальное измеряемое напряжение (В)
I – ток полного отклонения индикатора (А)

Гораздо удобнее оценивать уровень сигнала, задав ему некоторую инерционность. Т.е. индикатор показывает среднее значение уровня. Этого легко добиться, подключив параллельно прибору электролитический конденсатор, однако следует учесть, что при этом напряжение на приборе увеличится в (корень из 2) раз. Такой индикатор может быть использован для измерения выходной мощности усилителя. Что же делать, если уровня измеряемого сигнала не хватает, что бы «расшевелить» прибор? В этом случае на помощь приходят такие парни, как транзистор и операционный усилитель (далее ОУ).

Если можно измерить ток через резистор, то можно измерить и коллекторный ток транзистора. Для этого нам понадобится сам транзистор и коллекторная нагрузка (тот же самый резистор). Схема шкального индикатора на транзисторе приведена на рис.2

Рис.2

Здесь тоже все просто. Транзистор усиливает сигнал по току, а в остальном все работает так же. Коллекторный ток транзистора должен превышать ток полного отклонения прибора как минимум в 2 раза (так оно спокойнее и для транзистора, и для Вас), т.е. если ток полного отклонения 100 мкА, то коллекторный ток должен быть не менее 200мкА. Собственно говоря, это актуально для миллиамперметров, т.к. через самый слабый транзистор «со свистом» пролетает 50 мА. Теперь смотрим справочник и находим в нем коэффициент передачи по току h 21э. Вычисляем входной ток: I b = I k /h 21Э где:
I b – входной ток

R1 вычисляется по закону Ома для участка цепи: R=U e /I k где:
R – сопротивление R1
U e – напряжение питания
I k – ток полного отклонения = ток коллектора

R2 предназначен для подавления напряжения на базе. Подбирая его нужно добиться максимальной чувствительности при минимальном отклонении стрелки в отсутствии сигнала. R3 регулирует чувствительность и его сопротивление, практически, не критично.

Бывают случаи, когда сигнал требуется усилить не только по току, но и по напряжению. В этом случае схема индикатора дополняется каскадом с ОЭ. Такой индикатор применен, например, в магнитофоне "Комета 212". Его схема приведена на рис.3

Рис.3

Такие индикаторы обладают высокой чувствительностью и входным сопротивлением, следовательно, вносят минимум изменений в измеряемый сигнал. Один из способов использования ОУ – преобразователь «напряжение – ток» приведен на рис.4.

Рис.4

Такой индикатор обладает меньшим входным сопротивлением, зато весьма прост в расчетах и изготовлении. Вычислим сопротивление R1: R=U s /I max где:
R – сопротивление входного резистора
U s – Максимальный уровень сигнала
I max – ток полного отклонения

Диоды выбираются по тому же критерию, как и в других схемах.
Если уровень сигнала низок и (или) требуется высокое входное сопротивление, можно воспользоваться повторителем. Его схема приведена на рис.5.

Рис.5

Для уверенной работы диодов, выходное напряжение рекомендуется поднять до 2-3 В. Итак в расчетах отталкиваемся от выходного напряжения ОУ. Первым делом выясним нужный нам коэффициент усиления: К= U вых /U вх. Теперь вычислим резисторы R1 и R2: K=1+(R2/R1)
В выборе номиналов ограничений, казалось бы, нет, но R1 не рекомендуется ставить меньше 1кОм. Теперь вычислим R3: R=U o /I где:
R – сопротивление R3
U o – выходное напряжение ОУ
I – ток полного отклонения

2 Пиковые (светодиодные) индикаторы

2.1 Аналоговый индикатор

Пожалуй, наиболее популярный вид индикаторов в настоящее время. Начнем с простейших. На рис.6 приведена схема индикатора «сигнал/пик» на основе компаратора. Рассмотрим принцип действия. Порог срабатывания задан опорным напряжением, которое устанавливается на инвертирующем входе ОУ делителем R1R2. Когда сигнал на прямом входе превышает опорное напряжение, на выходе ОУ появляется +U п, открывается VT1 и загорается VD2. Когда сигнал ниже опорного напряжения, на выходе ОУ действует –U п. В этом случае открыт VT2 и светится VD2. Теперь рассчитаем это чудо. Начнем с компаратора. Для начала выберем напряжение срабатывания (опорное напряжение) и резистор R2 в пределах 3 – 68 кОм. Вычислим ток в источнике опорного напряжения I att =U оп /R б где:
I att – ток через R2 (током инвертирующего входа можно пренебречь)
U оп – опорное напряжение
R б – сопротивление R2

Рис.6

Теперь вычислим R1. R1=(U e -U оп)/ I att где:
U e – напряжение источника питания
U оп – опорное напряжение (напряжение срабатывания)
I att – ток через R2

Ограничительный резистор R6 подбирается по формуле R1=U e / I LED где:
R – сопротивление R6
U e – напряжение питания
I LED – прямой ток светодиода (рекомендуется выбрать в пределах 5 – 15 мА)
Компенсирующие резисторы R4, R5 выбираются по справочнику и соответствуют минимальному сопротивлению нагрузки для выбранного ОУ.

Начнем с индикатора предельного уровня с одним светодиодом (рис.7 ). В основе этого индикатора лежит триггер Шмитта. Как известно триггер Шмитта обладает некоторым гистерезисом т.е. порог срабатывания отличается от порога отпускания. Разность этих порогов (ширина петли гистерезиса) определяется отношением R2 к R1 т.к. триггер Шмитта представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Ограничительный резистор R4 вычисляется по тому же принципу, что и в предыдущей схеме. Ограничительный резистор в цепи базы рассчитывается исходя из нагрузочной способности ЛЭ. Для КМОП (рекомендуется именно КМОП-логика) выходной ток составляет примерно 1,5 мА. Для начала вычислим входной ток транзисторного каскада: I b =I LED /h 21Э где:

Рис.7

I b – входной ток транзисторного каскада
I LED – прямой ток светодиода (рекомендуется выставить 5 – 15 мА)
h 21Э – коэффициент передачи тока

Если входной ток не превышает нагрузочную способность ЛЭ можно обойтись без R3, в противном случае его можно рассчитать по формуле: R=(E/I b)-Z где:
R – R3
E – напряжение питания
I b – входной ток
Z – входное сопротивление каскада

Для измерения сигнала «столбиком» можно собрать многоуровневый индикатор (рис.8 ). Такой индикатор прост, но его чувствительность мала и годится только для измерения сигналов от 3-х вольт и выше. Пороги срабатывания ЛЭ устанавливаются подстроечными резисторами. В индикаторе использованы элементы ТТЛ, в случае применения КМОП, на выходе каждого ЛЭ следует установить усилительный каскад.

Рис.8

Наиболее простой вариант изготовления оных. Некоторые схемы приведены на рис.9

Рис.9

Так же можно использовать и другие усилители индикации. Схемы включения к ним можно спросить в магазине или у Яндекса.

3. Пиковые (люминесцентные) индикаторы

В свое время применялись в отечественной технике, сейчас широко применяются в музыкальных центрах. Такие индикаторы весьма сложны в изготовлении (включают в себя специализированные микросхемы и микроконтроллеры) и в подключении (требуют нескольких источников питания). Я не рекомендую использовать их в любительской технике.

Список радиоэлементов

В УМЗЧ смотрятся красиво и стильно, вот только где их найти... Выход есть - сделаем такой измеритель, в котором роль стрелки будут выполнять светоизлучающие диоды управляемые микросхемой. LM3916 - это специальная микросхема для LED индикаторов уровня.

Схема стрелочно-светодиодного индикатора

Светодиоды подключены через разъёмы J3 - J12 (показан на схеме только один ряд светодиодов). Схема индикатора потребует двухполярный источник питания для правильной работы. Положительный потенциал питания LED линейек должен быть ниже +25 В и в сочетании с напряжением отрицательного плеа не должен превышать 36 В. Минимальный уровень вольтажа зависит от рабочего напряжения светодиодов. Например, если светодиод на 1.9 В, а у нас 7 светодиодов на один контакт, то минимальное положительное напряжение будет 7 х 1.9 В + 1.5 В (падение напряжения на LM3916) = 14,8 вольт. Зеленые светодиоды, как правило, имеют чуть выше напряжение - 2.2-2.4 В, так что +18 В будет достаточно в большинстве случаев.

Светодиодный ток определяется резистором R1_REF, и с сопротивлением 2,2 кОм будет 5 мА.
Формула для расчёта: Iled = 10 х (1.2 V / R1_REF)

В качестве двойного операционного усилителя на входе можете ставить - TL072, TL082, LM358. Выходной режим может быть установлен 3-х контактной перемычкой JP1. Максимальное входное напряжение для LM3916 имеет значение 1,2 В, и с помощью R8-R7 можно регулировать уровень входного сигнала.

Видео работы индикатора

Цвет светодиодов на ваш выбор. Тут использованы зеленые светодиоды для отрицательных уровней, желтый - 0dB и красный для положительного уровня звукового сигнала. Для этого нужны прямоугольные светодиоды. Архив с рисунками печатных плат можно .

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

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.

Психоакустика (наука, изучающая звук и его влияние на человека) установила, что человеческое ухо способно воспринимать звуковые колебания в диапазоне от 16 до 20000 Гц. При том, что диапазон 16-20 Гц (низкие частоты), воспринимается уже не самим ухом, а органами осязания.

Многие меломаны сталкиваются с тем, что большинство поставляемых акустических систем не удовлетворяет их потребности в полной мере. Всегда находятся мелкие недоработки, неприятные нюансы и т.п., которые побуждают собирать колонки с усилителями своими руками.

Возможны и другие причины сборки сабвуфера (профессиональный интерес, хобби и т.п).

Сабвуфер (от англ. «subwoofer») – низкочастотный динамик, который может воспроизводить звуковые колебания в диапазоне 5-200 Гц (в зависимости от типа конструкции и модели). Может быть пассивным (использует выходной сигнал с отдельного усилителя) или активным (оснащается встроенным усилителем сигнала).

Низкие частоты (басы) в свою очередь можно разделить на три основные подвида:

• Верхние (англ. UpperBass) – от 80 до 150-200 Гц.
• Средние (англ. MidBass / мидбасы) – от 40 до 80 Гц.
• Глубокие или подбасы (англ. SubBass) – все что ниже 40 Гц.

Фильтры частот применяются как для работы активных сабвуферов, так и пассивных.

Преимущества активных низкочастотных динамиков заключается в следующем:

• Активный усилитель сабвуфера не нагружает дополнительно акустическую систему (так как питается отдельно).
• Входной сигнал может фильтроваться (исключаются посторонние шумы от воспроизведения высоких частот, работа устройства концентрируется только на том диапазоне, в котором динамик обеспечивает наилучшее качество передачи колебаний).
• Усилитель при правильном подходе к конструкции может гибко настраиваться.
• Исходный спектр частот можно разделить на несколько каналов, с которыми можно уже работать по-отдельности – низкие частоты (на сабвуфер), средние, высокие, а иногда и сверхвысокие частоты.

Виды фильтров для низких частот (НЧ)

По реализации

• Аналоговые схемы.
• Цифровые устройства.
• Программные фильтры.

По типу

• Активный фильтр для сабвуфера (так называемый кроссовер, обязательный атрибут любого активного фильтра – дополнительный источник питания)
• Пассивный фильтр (такой фильтр для пассивного сабвуфера лишь отсеивает необходимые низкие часты в заданном диапазоне, не усиливая сигнала).

По крутизне спада

• Первого порядка (6 дБ/октав.)
• Второго порядка (12 дБ/октав.)
• Третьего порядка (18 дБ/октав.)
• Четвертого порядка (24 дБ/октав.)

Основные характеристики фильтров:

• Полоса пропускания (диапазон пропускаемых частот).
• Полоса задерживания (диапазон существенного подавления сигнала).
• Частота среза (переход между полосами пропускания и задерживания происходит. нелинейно. Частота, на которой пропускаемый сигнал ослабляется на 3 дБ, называется частотой среза).

Дополнительные параметры оценки фильтров акустических сигналов:

• Крутизна спада АХЧ (Амплитудно-Частотная Характеристика сигнала).
• Неравномерность в полосе пропускания.
• Резонансная частота.
• Добротность.

Линейные фильтры электронных сигналов различаются между собой по типу кривых (зависимости показателей) АЧХ.

Разновидности таких фильтров чаще всего называются по фамилиям ученых, выявившим эти закономерности:

• Фильтр Баттерворта (гладкая АЧХ в полосе пропускания),
• Фильтр Бесселя (характерна гладкая групповая задержка),
• Фильтр Чебышёва (крутой спад АЧХ),
• Эллиптический фильтр (пульсации АЧХ в полосах пропускания и подавления),

И другие.

Простейший НЧ фильтр для сабвуфера второго порядка выглядит следующим образом: последовательно подключенная к динамику индуктивность (катушка) и параллельно – емкость (конденсатор). Это так называемый LC-фильтр (L — обозначение индуктивности на электрических схемах, а C – емкости).

Принцип работы заключается в следующем:

1. Сопротивление индуктивности прямо пропорционально частоте и поэтому катушка пропускает низкие частоты и задерживает высокие (чем выше частота, тем выше сопротивление индуктивности).
2. Сопротивление емкости обратно пропорционально частоте сигнала и поэтому высокочастотные колебания затухают на входе динамика.

Такой тип фильтров – пассивный. Более сложные в реализации – активные фильтры.

Как сделать простой фильтр для сабвуфера своими руками

Как и было сказано выше, самые простые в конструкции – пассивные фильтры. Они имеют в составе всего несколько элементов (количество зависит от требуемого порядка фильтра).

Собрать свой собственный фильтр НЧ можно по готовым схемам в сети или по индивидуальным параметрам после подробных расчетов требуемых характеристик (для удобства можно найти специальные калькуляторы для фильтров разных порядков, с помощью которых можно быстро рассчитать параметры составляющих элементов – катушек, емкостей и т.п.).

Для активных фильтров (кроссоверов) можно использовать специализированное программное обеспечение, например, такое как «Crossover Elements Calculator».

В некоторых случаях при проектировании схемы может понадобиться фильтр-сумматор.

Здесь оба канала звука (стерео), например, после выхода с усилителя и т.п., необходимо сначала отфильтровать (оставить только НЧ), а потом объединить в один с помощью сумматора (так как сабвуфер чаще устанавливается всего один). Или наоборот, сначала суммировать, а затем отфильтровать НЧ.

В качестве примера возьмем простейший пассивный НЧ фильтр второго порядка.

Если сопротивление динамика будет 4 Ом, предполагаемая частота среза – 150 Гц, то для типа фильтрации по Баттерворту нужны будут.