在这篇文章中,我们全面地讨论了各种形式的有源滤波器电路,并了解其工作,类型,特性和实际应用电路。
贡献者:Ken Madison
在音频信号处理电路中,滤波器用来消除不需要的频率,而只允许所需的频率。有音频高通,低通,带通,和缺口或带抑制过滤器,就像我们有许多其他频率的过滤器一样。被动,电阻电容器(rc.)过滤器是最基本的音频过滤器之一。
RC过滤器
基本的l段电阻-输入RC无源滤波器的设计如图1-a所示,其中电容C1在较低频率像开路,在较高频率像短路。
因此,该低通滤波器在拒绝(显着衰减)高频信号时接受低频信号。在截止频率(fC),该过滤器卷的输出滚动3分贝(DB),其中:
(1)fC= 1 /(2πRC)
如图1-b所示,当频率增加超过截止频率时,频率以6 dB/octave (20 dB/decade)的速率关闭。
结果,1kHz低通滤波器通过12dB和10kHz信号将4kHz输入信号切割为20dB。
图2-A描绘了第二根本的无源RC滤波器,其是L段电容输入滤波器。在较低的频率下,电容器还可以像开路一样起作用,而在高频时,它就像短路一样。结果,该高通滤波器允许高频信号通过拒绝低频时穿过。
根据图1-a中低通滤波器的上述公式(1)计算,该高通滤波器的输出在截止频率处降低了3 dB。当频率降低到这个阈值以下时,它以6db /倍频的速率滚转,如图2-b所示。因此,1 kHz高通滤波器将信号抑制12 dB至100 Hz。
活动过滤器
基本RC滤波器不能级联,因为它们的相互连接可能会对输出产生负面影响。然而,使用带运算放大器的反馈电路,这些电路可以被有效地级联。
外部电阻和电容器可用于创建活动过滤器在运算放大器周围构建,消除了使用大型电感器。Putterworth滤波器电路图如图3所示。
这是一个二阶单位增益低通滤波器,截止频率为10khz。在通带,巴特沃斯滤波器有一个显著的平坦振幅响应,伴随着一个适度的稳定时间,和适度的超调。在10khz以上,这个电路的输出每一个八度就减少12db。例如,在100khz时,输出可能会低40db。
Butterworth滤波器的截止频率可以使用以下公式计算:
(2)fC= 1 /(2.83πrc)
您可以更改有源滤波器中电阻器和电容器的设置以更改截止频率。如果已知电阻或电容器的值,则可以调整公式(1)或(2)(如适用)中的变量以解决给定的截止频率。
在图3设计中,需要其中一个电容值恰好是另一个电容值的两倍,这似乎是一个小缺点。(图3中的电容C2的值是C1的两倍)。这种限制通常需要使用非标准电容值。
图4描绘了不同的有源低通滤波器。它是一个二阶滤波器,具有10kHz的截止频率,可以解决图3中的电路的问题。3。
电容器R4和R5的值是相同的。在两个图中,使用普通的IC 741运算放大器,其使用电阻器R1和R2,3和4来提供4.1dB的电压增益。这些必须匹配图4中使用的附图。公式(1)可用于获得该“相等的组件”的截止频率。筛选。
图5示出了级联这些“等分量”滤波器的方法,以创建具有24dB / Octave rolloff的四阶低通滤波器。
R1 / R2的电阻分压器确定该电路中的增益为39千烃,除以5.87千欧,或6.644。R3 / R4潜在分频器采用39千克/ 48.5公斤建造,其值为0.805。这为电路提供了8.3 dB的总电压增益。
为了获得非标准R2和R4值,您可以串联连接几个标准的5%公差电阻以匹配所示值。具有Unity增益的二阶100Hz的高通滤波器如图6所示。
R2是电阻是R1的两倍。
图7显示了过滤器的“相等组件”变体,其中R3和R4是相同的。图8显示了一个四阶高通滤波器。图6和图7中滤波器的工作频率以及图中滤波器的工作频率
图4和图5的改变方式与图2概念的工作频率的改变方式相同。你可以增加电阻和电容的值以降低截止频率,反之亦然。
图9展示了将图7中的高通滤波电路和图4中的低通滤波原理图串联起来,生成一个300hz到3.4 khz的语音带通滤波器(并适当调整部分值)的方法。
所有超出这个频率范围的频率都被拒绝12dB/倍频程。在图7所示的高通滤波器中,为了将截止频率从100hz提高到300hz,电容值是原始数字的1/3。在图4的低通滤波器中,我们将原始电阻值与2.94相乘,以将截止频率从10 kHz降低到3.4 kHz。
可调节的主动滤清器
最可定制的有源滤波器是具有交叉频率的那个可以容易地跨越大范围的交叉频率。二阶变量有源滤波器的三个现实电路图如图10,11和12所示。
图10的设计是图10的基本版本。6高通滤波器,但是,通过均匀地设定匹配的电位计R3和R4,可以通过均匀地调节23.5Hz和700Hz之间的截止频率。
(这些可以机械地组合在一起。)因为RC网络中的电阻在这个电路中包含相等的值(不像在图6中),这个配置并不能真正产生一个平坦的巴特沃斯滤波器特性。尽管如此,它提供了良好的信号质量。这个过滤器的“静态”版本通常有50赫兹的截止频率。
图11电路设计是图3的改进版本。3高通滤波器,但通过恒定调节,其截止频率完全可调节到24 kHz的成对电位计R3和R4。(这些,也可以是Ganged。)这种过滤器,如图10中的那个。10,并没有真正表现出最平坦的Butterworth特征。
这种有源滤波器设计实际上是一个优秀的划痕噪声滤波器。该滤波器的“固定”版本的截止频率通常为10 kHz。图12描绘了图10和11中的滤波器的方法可以耦合以产生柔性,可调节的高通/低通滤波器,用于消除来自语音音频的隆隆声和划痕噪声。
低通和高通截止频率均完全可调。通过均匀地改变匹配的(或Ganged)电位器R6和R7,可以从23.5Hz至700Hz调节高通截止频率。R8和R9还可以在2.2 kHz和24 kHz之间改变低通频率。
音调控制电路
音频音调控制电路可能是最常见的可调节过滤电路.这使得单元的频率响应能够被调整以满足特定的听觉需求或感觉。它们还可以根据周围环境的声学异常进行调整。
在下一段中,在考虑实际的音调控制电路之前将讨论一些基本的音调控制原则和电路。
基本的被动,低音,音调控制网络如图13-a所示。在20至20,000Hz的音频范围内,该电路可能能够增强或减少(切割)低频。
罐滑块旋转以获得提升(向上)和切割的方向由Trimmer电位计R3(下)相邻的垂直双端箭头表示。
当电位计R3分别调节到最高升压,最高切割和平坦时,相应的电路示出了图13-B至13-D。一旦频率设定在其最小低音值,电容器C1和C2都是完全打开的。结果,升压电路变得与10千米电阻分为101千米电阻的成比例,如图13-B所示。
只有一定量的低音衰减。相比之下,图13-C切割等效电路相当于110千克电阻除以1.0千伏电阻。由于此,低音信号由大约40分贝衰减。图13-D示出了电位计R3的平坦设置。
在该设置中,电阻元件可以在锅的滑块上方和10千米上方看到90公里。100千欧姆电阻由11千米电阻分开,以创建上述配置。
在所有频率中,该电路大约产生20 dB的衰减。由此,电路能够在与扁平频率相比时提供大约20dB的最大低音升压或减少。
无源高音控制配置的典型设计如图14-a所示。在20至20,000 kHz的频率范围内,系统能够有效地放大或减少高音频频率。在技术上,在最佳升压期间,在图14-B至13d中分别在最佳提升,最佳减少和平面操作条件下示出。
当R3围绕平坦位置移动时,与电路平坦区域性能相比,该电路提供约20dB的信号衰减和最高的信号衰减,提升或降低值20dB。
图15示出了图13a和14a中的电路的方法可以互连,以提供全面的被动低音和高音调控制配置。
为了避免电路的不同部分之间的不期望的相互作用,网络中引入了10千克电阻R5。该电路的输出可以馈送到主功率放大器的输入,而输入可以直接从放大器的音量控制获得。
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