Разделительный фильтр для сабвуфера

Введение

Современная компактная акустика порой показывает неплохие результаты при воспроизведении низкочастотных звучаний без нарушения стереофонического эффекта. При малых габаритах фронтальной акустической системы компьютера сабвуфер часто размещаемый вне поля зрения пользователя, обеспечивая воспроизведение низкочастотных звучаний без нарушения стереофонического эффекта. Самостоятельное изготовление сабвуфера позволит исключить недостатки многих промышленных аналогов.

Под «акустической системой» (АС) в широком смысле слова понимают электромеханический преобразователь электрических звуковых сигналов в акустические.

Наиболее оптимальное решение - это изготовление сабвуфера с активным разделительным фильтром.

Работа данного блока способна удовлетворить своими характеристиками любого меломана за счет своих малых фазовых искажений, относительно простой схемы и доступностью электрорадиоэлементов.

В данном дипломном проекте сконструирован активный разделительный фильтр сабвуфера, представляющий собой печатную плату, на которой размещены  электрорадиоэлементы.

1  Обзор устройств данного класса

Разработка разделительного фильтра АС требует поиска приемлемого компромисса между неравномерностью АЧХ, диаграммой направленности и возможностью перегрузки высокочастотной головки низкочастотными составляющими звукового сигнала.

На  рисунке 1.1 показана самая оптимальная схема активного разделительного фильтра.

Достоинством такой схемы заключается в малых фазовых искажениях и относительно простой схемной реализации.

Входной сигнал с выхода аудиокарты поступает через разъемы Х1, Х2 (можно использовать один стереофонический разъем типа «джек» или «мини-джек») на контакты реле К1. При выключенном питании сабвуфера сигнал проходит через нормально замкнутые контакты реле К1 сразу на выходные разъемы Х3, Х4, к которым подключают активные громкоговорители.

При включении питания сабвуфера срабатывает реле К1 и сигнал поступает на вход разделительного фильтра. Повторитель на ОУ 1DA1.1 (для второго канала обозначение соответственно 2DA1.1) исключает влияние выходного сопротивления источника сигнала на ВЧ на ОУ 1DA2.1 и фазовращатель на 1DA1.2. Учитывая, что выход аудиокарты рассчитан на работу на низкоомную нагрузку и имеет низкое выходное сопротивление, входные повторители можно исключить, заменив неполярные конденсаторы 1С1, 2С1 полярными емкостью 4,7 мкФ (плюсовым выводом ко входу).

Частота настройки фазовращателя (соответствующая сдвигу фазы на 90˚) fср=1/2πRC=1/(2·3,14·33·103·33·10-9)≈146 Гц.                                                          (1)

                                                  Рисунок 1.1

Фазовые характеристики фазовращателя и ФВЧ одинаковы при условии отклонения номиналов частотозадающих элементов не более ± 1…2% (рис. 1.2). Сигналы с фазовращателя и фильтра поступают на дифференциальный усилитель на ОУ 1DA2.2, где в результате вычитания сигнала ФВЧ из сигнала фазовращателя получается сигнал НЧ каждого канала. Далее сигналы обоих каналов суммируются через развязывающие резисторы R1, R2 на входе повторителя на ОУ DA1. На выходе повторителя включен переменный резистор R3, который можно использовать как регулятор тембра НЧ. На рисунке 1.3 показана АЧХ фильтра ВЧ, а на рисунке 1.4 – АЧХ выхода на сабвуфер.

                               Рисунок 1.2                                                   Рисунок 1.3

                Рисунок 1.4

   На рисунке 1.5 приведена схема более простого разделительного фильтра.

Частота разделения полос выбрана равной 4,5 кГц, что обусловлено относительно высокой частотой собственного резонанса ВЧ головки (1,8 кГц). Из этих же соображений применен фильтр ВЧ третьего порядка. Для выравнивания отдачи в рабочей полосе головки в цепь ФВЧ введен резистор R1. Конденсатор С1 компенсирует спад отдачи головки на самых верхних частотах. ФНЧ совместно с естественным спадом отдачи НЧ головки на частотах выше 5 кГц позволяет согласовать АЧХ головок в области частоты разделения без существенной неравномерности.

            Рисунок 1.5
 

Еще одним из простых вариантов схемы такого устройства показан на рисунке 1.6.

В цепи НЧ головки ВА1 использовано звено первого порядка, ВЧ головка ВА2 включена через фильтр третьего порядка, частота раздела - 1,8 кГц. В области совместного излучения головок с ростом частоты наблюдается спад АЧХ НЧ головки. АЧХ же ВЧ головки остается плоской. В результате суммарные АЧХ громкоговорителей АС имеют почти симметричные спады относительно частоты раздела, несмотря на использование разделительных фильтров разного порядка. Выбор относительно низкой частоты раздела способствует расширению диаграммы направленности АС.

         Pисунок 1.6

Недостатками двух последних схем является относительно большие фазовыми искажениями, а следовательно и плохие характеристики качества звуковоспроизведения.

2  Анализ ТЗ

По техническому заданию (ТЗ) на дипломное проектирование требуется спроектировать активный разделительный фильтр для сабвуфера. Устройство должно быть простым в изготовлении, удовлетворять требованиям любителей музыки, отличаться высокой надежностью, доступностью радиоэлементов и иметь невысокую стоимость.

Необходимо проанализировать работу заданной схемы электрической принципиальной, выбрать типы электрорадиоэлементов с учетом требований к их техническим параметрам, скомпоновать их на плате печатной и произвести трассировку печатной платы. Кроме того, необходимо выбрать оптимальный метод изготовления печатной платы и разработать технологический процесс изготовления. Также важным моментом при конструировании печатной платы, сточки зрения обеспечения теплового режима имеется оптимальное размещение элементов исходя из ограничений, которые накладывает схемотехника данной схемы. Определиться с типом акустического оформления (закрытого типа, фазоинверторного типа, с пассивным излучателем, с комбинированным оформлением или с акустическим лабиринтом).

Проектируемое устройство предназначено для работы в отапливаемом помещении при нормальной влажности. Конструкция устройства должна быть компактной.

Немаловажно обеспечить проектируемому устройству ремонтопригодность, то есть его конструкция должна быть удобна для отыскания и устранения неисправностей в случае их возникновения.

Под проектированием понимается процесс, при котором техническое задание (ТЗ) преобразуется в комплект конструкторских  и технологических документов, по которым можно изготовить проектируемое изделие.

Полный комплект конструкторской и технологической документации имеет большой объем и полностью в дипломном проекте не приводится.

ТЗ ограничивается разработкой схемы электрической принципиальной, схемы структурной, перечня элементов, чертежа печатной платы, сборочного чертежа и спецификации.

3  Выбор схемы структурной

Исходя из всех требований и условий технического задания на дипломный проект, был выбран оптимальный вариант схемы электрической структурной активного разделительного фильтра для сабвуфера. Структурная схема данного устройства представлена на рисунке 1.

                                              Рисунок 1

1 – Повторитель

2 – Фильтр

3 – Фазовращатель

4 – Дифференциальный  усилитель

5 – Сумматор

6 – Повторитель

7 – Регулятор  тембра НЧ

4  Выбор схемы электрической принципиальной

Активный разделительный фильтр собран на пяти операционных усилителях. В качестве ОУ разделительного фильтра можно использовать практически любые малошумящие ОУ как отечественного производства (КР140УД608 и др.), так и зарубежные (OPA227, OPA2134, NE5534 и др.). Для миниатюризации выгодно использовать сдвоенные зарубежные ОУ – RC5532, NE5532, OPA2227, OPA2228, OPA2604 или их отечественные аналоги.

В фильтре можно использовать прецизионные конденсаторы К10-43 или более доступные К73-17,  предварительно отобранные по емкости. В случае использования конденсаторов емкостью 0,022 мкФ все резисторы сопротивлением 33 кОм заменяют на 47 кОм, а при использовании конденсаторов емкостью 0,047 мкФ – на резисторы сопротивлением 22 кОм.

Повторитель собран на ОУ 1DA1.1 (для второго канала обозначение соответственно 2DA1.1), он исключает влияние выходного сопротивления источника сигнала на ВЧ на ОУ 1DA2.1 и фазовращатель на 1DA1.2.

Сигналы с фазовращателя и фильтра поступают на дифференциальный усилитель на ОУ 1DA2.2, где в результате вычитания сигнала ФВЧ из сигнала фазовращателя получается сигнал НЧ каждого канала. Далее сигналы обоих каналов суммируются через развязывающие резисторы R1, R2 на входе повторителя на ОУ DA1. На выходе повторителя включен переменный резистор R3, который можно использовать как регулятор тембра НЧ.

5        Обоснование выбора ЭРЭ

Правильный выбор элементной базы во многом определяет качественные показатели изделия, а так же показатели с точки зрения надежности. Выбор конкретного типа элемента производится из ряда возможных, с предъявлением к нему технических требований, параметров и условий эксплуатации проектируемого устройства, а соответственно и данного элемента.

Проектируемое устройство предназначено для бытового пользования, в нормальных климатических условиях.

Нормальными климатическими условиями принято считать температуру окружающего воздуха 20±5°С, относительную влажность 50…80%, давление 720-780мм рт.ст.

5.1  Выбор конденсаторов

Конденсаторы имеют следующие основные электрические параметры и характеристики:

–                номинальная ёмкость;

–                допустимые отклонения ёмкости от номинала;

–                номинальное рабочее напряжение;

–                электрическое сопротивление изоляции;

–                температурный коэффициент ёмкости;

–                собственная индуктивность;

–                габариты и масса.

В качестве элемента 1С1 (аналогичный и для второго канала) выбран конденсатор К50-6. Такой тип используется в цепях постоянного, переменного и импульсного режиме. Конденсатор подходит для данной схемы по номинальной ёмкости 1мкФ, напряжению 16В и малым габаритные размерам. Чертёж конденсатора приведён на рисунке 1.

                                                    Рисунок 1

Размеры, указанные на рисунке 1, соответствуют размерам, приведенным в таблице 1.

Таблица 1

В качестве элементов 1С2, 1С3, 1С4 (аналогичных и для второго канала) мною выбран распространенный и легко доступный тип конденсаторов К73-17. Такой тип конденсаторов предназначен для работы встроенных элементов внутри комплектных изделий в цепях постоянного, переменного тока и импульсном режиме. Они подходят для данной схемы по номинальной ёмкости (0,033мкФ), небольшому напряжению (16В), малым габаритные размерам. Чертёж конденсатора приведён на рисунке 2.

                                                  Рисунок 2

Размеры, указанные на рисунке 1, соответствуют размерам, приведенным в таблице 2.