Aktywny filtr dolnoprzepustowy z regulacją wzmocnienia

Aktywny filtr dolnoprzepustowy z regulacją wzmocnienia

Tematem dzisiejszego artykułu jest aktywny filtr dolnoprzepustowy z regulacją wzmocnienia oraz częstotliwości granicznej. Aktywny filtr dolnoprzepustowy to niezbędny element w konstrukcji niskotonowej kolumny głośnikowej. Zadaniem urządzenia jest wzmocnienie składowych częstotliwościowych odpowiadającym basowym zakresom oraz wytłumić wyższe częstotliwości zawierające wokal oraz detale. Filtr powinien być zamontowany w torze sygnału wyjściowego przedwzmacniacza, między wyjściem audio a wejściem wzmacniacza głośnika niskotonowego.

Układ oparty jest o dwa niskoszumowe wzmacniacze operacyjne NE5532 produkcji Texas Instruments. Zasilany symetrycznym napięciem stałym lub zmiennym (prostownik na wejściu) o napięciu 12V.  Parametry sygnału wyjściowego regulujemy za pomocą potencjometrów, pasmo przenoszenia filtru deklarowane przez producenta to 22Hz – 210Hz. Górną częstotliwość graniczną oraz wzmocnienie możemy regulować. Wejście stereo filtru (lewy i prawy kanał) jest sumowane na wyjściu w jeden kanał mono.

Opisywany aktywny filtr akustyczny NE5532 dostępny w naszym sklepie internetowym gotronik.pl pod numerem katalogowym BTE-285.

Opis złącz

Przeprowadziliśmy serię pomiarów w celu wyznaczenia charakterystyki amplitudowej filtru oraz wzmocnienia napięciowego. Układ pomiarowy składał się z:

• modułu dolnoprzepustowego filtru aktywnego
• generatora funkcyjnego Siglent SDG1020
• oscyloskopu Hantek DSO5102BM
• zasilacza laboratoryjnego Zhaoxin RXN-305D-II

Układ pomiarowy

Moduł filtru zasilono z zasilacza laboratoryjnego RXN-305D-II. Jego kanały połączono szeregowo aby otrzymać konfigurację symetryczną oraz ustawiono napięcie wyjściowe 13V. Jako sygnał pobudzający na wejście układu podłączamy generator funkcyjny i generujemy sygnał sinusoidalny o stałej amplitudzie 450mVpp, którego częstotliwość będziemy zmieniać. Sygnał z generatora będzie służył jako symulacja sygnału audio. Wyjście filtru obserwujemy na kanale drugim oscyloskopu. Aby zobrazować zmieniające się właściwości sygnału. na kanał pierwszy oscyloskopu podpięto sygnał z generatora.

Na generatorze zmienialiśmy częstotliwość w zakresie 10Hz – 500Hz, amplituda była stała i wynosiła 450mVpp. Jako iż pasmo przenoszenia filtru wynosi 22Hz – 210Hz, sygnał pobudzający powinien przedstawić całą charakterystykę filtru.

Kanał CH1 (żółty przebieg) – sygnał wejściowy na filtr z generatora funkcyjnego SDS1020.

Kanał CH2 (niebieski przebieg) – sygnał wyjściowy z filtra.

Podczas pomiarów zmienialiśmy położenie potencjometrów filtru. Najpierw, sporządzono charakterystykę amplitudową dla potencjometru częstotliwości ustawionego na wartość minimalną (przepuszczane są wszystkie częstotliwości wynikających z pasma przenoszenia filtru). Wzmocnienie było ustawione na wartość maksymalną. Zauważono, że wraz ze zmianą częstotliwości, czy to sygnału wejściowego z generatora czy ograniczając pasmo za pomocą potencjometru, sygnał wyjściowy przesuwa się w fazie względem sygnału wejściowego:

Przesunięcie sygnałów w fazie

Regulacja wzmocnienia nie wpływa na przesunięcie fazowe sygnałów.

Następnie dokonano pomiarów dla potencjometru częstotliwości ustawionego w połowie skali a następnie w wartości maksymalnej. Wyniki pomiarów podsumowano na jednym wykresie, legenda:

• 1 – potencjometr częstotliwości w położeniu minimalnym
• 2 – potencjometr częstotliwości w położeniu środkowym
• 3 – potencjometr częstotliwości w położeniu maksymalnym

Wyniki pomiarów

Krzywe jednoznacznie pokazują, że zmiana położenia potencjometru częstotliwości skutkuje „przesunięciem” górnej częstotliwości granicznej. W pierwszym przypadku (krzywa niebieska), zakres pasma przenoszenia nie jest ograniczony potencjometrem. Ze spadku trzydecybelowego można odczytać, że górna częstotliwość pasma przenoszenia znajduje się w okolicy 250Hz. W przypadku ustawienia potencjometru częstotliwości w połowie (krzywa pomarańczowa) górna częstotliwość graniczna występuje w okolicach 120Hz. W ostatnim przypadku, gdy potencjometr częstotliwości ustawiony jest na wartość maksymalną, spadek trzydecybelowy można odczytać w okolicach 75Hz.

Z wykresu można odczytać również maksymalną wartość wzmocnienia w przypadku nie ograniczania pasma przenoszenia. Występuje ona przy około 60Hz, wtedy wartość amplitudy wyjściowej wynosi 1,64V, a wzmocnienie napięciowe jest równe Ku = 3,64. W takim przypadku, zmieniając położenie potencjometru wzmocnienia, można regulować amplitudę wyjściową w zakresie 40mV – 1,64V napięcia wyjściowego, co dla wzmocnienia napięciowego daje zakres od 0,89 do 3,64. Wykres przedstawiający wzmocnienie napięciowe w funkcji częstotliwości przedstawiono poniżej,  legenda:

• 1 – potencjometr częstotliwości w położeniu minimalnym
• 2 – potencjometr częstotliwości w położeniu środkowym
• 3 – potencjometr częstotliwości w położeniu maksymalnym

Wykres wzmocnienia napięciowego

Na koniec w generatorze funkcyjnym uruchomiono funkcję przemiatania częstotliwości i pobudzano filtr sygnałem o zmieniającej się częstotliwości z zakresu 1uHz – 500Hz. Zrzut ekranu z oscylogramem został pokazany poniżej:

Funkcja przemiatania częstotliwości