تصميم دائرة للملفات منخفضة التجويف لخفض عدد الإشارات الصوتية مع شركة أوب أمبس

Understanding Low-Pass Filters in Audio Systems

إن سلامة الإشارة الصوتية هي أساس من أسس التكاثر السليم الجيد، وسواء كنت تصمم معدات استوديو مهنية، أو تبني جهازاً مضخماً، أو استعادة معدات الصوت المتناثرة، فإن الحد من الضجيج يمثل تحدياً متكرراً، فالضوضاء الشديد التردد - من تحويل إمدادات الطاقة، والدوائر الرقمية، والتدخل الكهرومغناطيسي، أو التدخل في الترددات اللاسلكية - يمكن أن يبطل تجربة الاستماع.

ويمر مرشح منخفض التجويف إشارات ذات ترددات تقل عن تردد محدد وتخفف الترددات فوق تلك النقطة، وفي التطبيقات السمعية، يُحدَّد الاختزال عادة قرب أو فوق الحد الأعلى لسمع الإنسان (20 كيلوهرتز)، وإن كان قد يكون أقل بالنسبة لاستخدامات محددة مثل التقاطعات دون الرئة أو التكاثر المضاد للصوت قبل تحويل الإنتاج إلى مخرجات متجانسة.

وتوفر هذه المادة منفذاً شاملاً لتصميم دائرة تصفية منخفضة التجويف باستخدام أجهزة استنشاق تعمل بالأجهزة الضوئية، مع توجيه عملي بشأن اختيار المكونات، وحساب الترددات المتقطعة، وعلم الطبويات، والاختبار، والإدماج في النظم السمعية للعالم الحقيقي.

لماذا تستخدم فيلم "الرجل ذو الصدر المنخفض"؟

(ج) إن مرشحات الرنين المغناطيسي المربوطة بسيطة ولا تتطلب إمدادات من الطاقة، ولكنها تعاني من آثار التحميل عند ربطها بمراحل أخرى، أما نسبة الإنتاج في مرشح سلبي فهي تعتمد على الترددات، ويمكن تخفيض حجم الإشارة بدرجة كبيرة عند التردد المقطعي، كما أن مرشحاً نشطاً يستخدم جهازاً للتشغيل يزيل هذه المشاكل، ويعطي هذا المقياس الازدحام، بحيث يكون رد المرشاق مستقلاً عن الحمولة.

النظرية الأساسية: الاستجابة للملفات المنخفضة

The fundamental building block of a first-order low-pass filter is a resistanceor-capacitor (RC) network. The cutoff frequency ]f]_c] is the frequency at which the output signal power drops to half of the input power, equivalent to a voltage attenuation.

f_c = 1/ (2 ]]R ]C]]]

(د) إذا كانت R] مقاومة في الأورام و] هي القدرة على تنفيذ البطاقات، وبالنسبة لمرشح من الدرجة الأولى، فإن التدفق فوق تردد الخفض هو - 20 درجة مئوية في العقد (أو 6 درجات مئوية من الطول لكل مرشّح)

ويؤثر عامل الجودة Q] من المرشح على شكل الرد قرب تردد الاختصار، وبالنسبة للطلبات السمعية، فإن رد بوترورث (]Q = 0.707) يوفر مقياساً ثابتاً إلى أقصى حد لا يتسع، مما يجعله الخيار المفضل لخفض الضوضاء الشاملة.

اختيار المبلِّغ التشغيلي

المُتفجر هو القلب النشط للمرشاة، بالنسبة للدوائر الصوتية، أهمّ ما في الآبار التالية:

Gain-bandwidth product (GBW):] The GBW must be significantly higher than the cutoff frequency to avoid phase shift and amplitude errors. For audio filters up to 20 kHz, an op amp with a GBW of at least 1 MHz is adequate. The TL072 (3 MHz GBW)
Slew rate:] A minimum slew rate of 1 V/mis is recommended for audio. Faster slew rates preserve transient detail. The TL072 offers 13 V/kims, while the NE5532 provides 9 V/MEs.
Notise performance:] Low input voltage noise and current noise are essential for silence operation. The NE5532, LM4562, and OPA2134 are known for low-noise characteristics suitable for high-fidelity audio.
/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /

For the design example in this article, the TL072 is used due to its low cost, wide availability, and solid audio performance. The LM741, while historically common, has lower GBW (1 MHz) and higher noise, making it less suitable for high-quality audio filtering.

Designing the Sallen-Key Low-Pass Filter]

وتستخدم طب التلويث السلين - كي مركباً واحداً يُشكل كتابع للفولط (يكسب الوحدة) أو مكسباً، أما بالنسبة لكسب الوحدة، فإن رد المرشح يحكمه مقاومان ومكثفان، ويشكلان قسماً ثانوياً منخفضاً، ويظهر الشكل المعياري أدناه من الناحية المفاهيمية:

حساب المكوّنات والاختفاء

[[FLT] مقياس وحدة ثانٍ] [FLlen-Key low-passterworth response, the resistanceor values are typically set equal (R]_]1]=R[5]

R] = 10 كيلو مترات

C_1[] = 22 فرنكاً ألمانياً (القيمة القياسية 22 فرنكاً ألمانياً)

C₂] = 10 فرنكات (قيمة قياسية 10 فرنكات غير رسمية)

- التحقق من الترددات: (و) ] ] _(c] = 1 / × R] √ C

وعندما يتم تشكيل القافز بمكسب (غير وحدي سالين كي)، تزداد Q، ويجب تعديل القيم المكوّنة للحفاظ على شكل الاستجابة المنشود، وبالنسبة لمعظم أغراض الحد من الضوضاء الصوتية، فإن زيادة الوحدة كافية وتخفض مساهمة الضوضاء من المشهد.

Circuit Schematic and Connections

وتُجمَّع الدائرة على النحو التالي:

وتطبق الإشارة السمعية إلى المدخلات على مدخلات التوقيف (+) غير المتعمدة.
Resistor R]_]1] connecteds from the input to the inverting input (−) node, and ]R₂ to connect the outputs from that no
Capacitor C₁] connecteds from the inverting input node to ground.
Capacitor C₂] connecteds from the output to the inverting input node (feedback path).
ويُستخدم المصابيح المضبوطة بالإمدادات المزدوجة (مثلاً، 12 V). ويجب وضع المكثفات التحللية (100 سيراميك فلوريد اليورانيوم زائد 10 ميكروليتيكلوليتيك) بالقرب من دبابيس الكهرباء لقمع الضوضاء على إمدادات الطاقة.
وينبغي أن تكون الإشارة إلى المدخلات مدمجة بواسطة مكثف سلسلة (من 1 إلى 10 ميكروو) إذا كان المصدر قد قابل العاصمة.

ملاحظة: وصف المادة الأصلية لمقاوم واحد و مكثف طبق على تصفية قفزة من الطراز الأول، وليس تصفية من الدرجة الثانية، والتصميم الموسع أعلاه يوفر مرشحا أكثر فعالية مع تشغيل جهاز استنشاق.

البناء والاختبار النموذج الأولي

قبل أن ألتزم بجهاز دائري مطبوع، أصنع الدائرة على لوحة للاختبار، استخدم مسارات الإشارة القصيرة وحافظ على أجهزة التفكيك المزودة بأجهزة الإرسال بالقرب من الدبوس قدر الإمكان، وحول الصفوف غير المستخدمة في لوحة الخبز للحد من الانقلاب الطفيلي.

المعدات اللازمة لإجراء الاختبار

Oscilloscope (two-channel, 20 MHz bandwidth minimum)
مولد كهربائي قادر على إنتاج موجات حرارة من 10 هرتز إلى 100 كيلوهرتز
قياس رقمي متعدد القياسات مع القدرة على قياس الترددات
محلل الإشارة أو وصلة صوتية مع البرمجيات (مثلاً، RW، أو ARTA، أو محلل بصري)

الإجراء الاختباري

تطبيق موجة صامتة في 100 هرتز مع ارتفاع من الذروة إلى التراكم في المدخلات، التحقق من أن حجم الناتج يصل إلى نحو 1 رطل (كسب الوحدة).
زيادة التردد إلى 1 كيلوهرتز، وينبغي أن يكون الناتج حوالي 0.707 V pp (3-DB) من مستوى السر.
زيادة إلى 10 كيلوهرتز - ينبغي أن يكون الناتج حوالي 0.1 جزء من المليون (-20 من الـ دي بي) لمرشح ثاني أو أكثر.
زيادة إلى 100 كيلوهرتز - ينبغي زيادة تناقص الناتج إلى أقل من 10 ملليترات.
استخدام مدخل الموجات المربعة في 100 هرتز ومراقبة الموجة المولدة، فالرد النظيف والمدور دون الإفراط في التصوير يشير إلى تصفية سليمة، ويشير الرنين الزائد إلى أن المرشّح Q مرتفع جداً، مما قد يتطلب تعديل نسب المقاومة.

وإذا انحرفت ترددات التقطيع عن هدف التصميم، عدل قيم المقاومين أو القيم المكثفة، فالمقاومين المتقطعين في 1-2 كيلو مترات شائعة أثناء التطعيم، كما أن مقاييس الطبقية المتناهية السطحية هي أيضا خيار لقطع المتغيرات في وضع العلامات.

الأداء المتعلق بتخفيض عدد الأفراد

والهدف الرئيسي للمرشح هو تقليل الضوضاء العالية التردد، وقياس طيف ضوضاء الناتج بمحلل طيف، وربط المدخلات بالأرض )أو إنهاءها ب ٥٠ درجة مئوية( وقياس ضوضاء الناتج على مدى التردد ٢٠ هرتز - ١٠٠ كيلوهرتز.

وبالنسبة للتطبيقات السمعية النموذجية، يتوقف تحسين نسبة الإشارة إلى الأرقام على التوزيع الطفيف للضوضاء، إذ يرى ضوضاء النطاق الواسع (ضوضاء بيضاء) انخفاضا يتناسب مع ترتيب التصفية، ويمكن تخفيف تدخلات النطاق الترددي، مثل ضوضاء تحويلية قدرها 50 كيلوهرتز من محول كهربائي، بواقع 40 إلى 60 دنانيا مع مرشح من الدرجة الثانية عند 20 كيلوهرتز.

وفي تصميمات العالم الحقيقي، فإن مصادر ضوضاء إضافية مثل الضوضاء الحرارية المقاومة (ضوضاء جونسون - نيكيست) وضوضاء من الطراز الأوتوماتيكي قد وضعتا أرضا لا يمكن للمرشّح أن يقلل من الضوضاء الإجمالية، حيث أن استخدام المقاومين ذوي القيمة المنخفضة (دون 100 كيلو متر) وأجهزة التصوير المنخفض يقلل من هذا الحد، ويوصى بمقاومي الأفلام المعدنية التي لها نسبة 1 في المائة من أنواع تكوين الكربون بسبب انخفاض الضوضاء واستقرار أفضل.

الإدماج في نظم المواد السمعية

ويمكن وضع مرشحة الالتفافات المنخفضة في مختلف نقاط سلسلة الإشارات حسب مصدر الضوضاء:

Input stage:] Filter incoming signals from microphones or line inputs to remove EMI picked up by cables. Place the filter after the input coupling capacitor and before the preamplifier.
Interstage filtering:] Between gain stages or between the preamplifier and the power amplifier, the filter removes noise accumulated from active components and wiring.
مرحلة النواتج: ] Filter the amplifier output to remove ultrasonic noise that could stress tweeters or cause intermodulation distortion in downstream equipment.
Filter bank for multi-way speakers:] In active loudspeakers, a low-pass filter directs the low-frequency content to the woofer or subwoofer amplifier.

عندما تُخرّب مراحل متعددة من الرشّة، لاحظ أنّ الردّ العام هو نتاج ردّ كلّ مرحلة، مرحلتان من الدرجة الثانية (بتروورث) تنتجان ردّاً من رابع (بتروورث)، ويزداد مجموع عنصر العدّ، ويصبح التصميم أكثر أهمية لتجنب القذف أو التقاط الضوضاء، كما أنّ الضيوف الدرعية والهبوط السليم (بقع الأرضيّة أو الطائرة الأرضية).

الاعتبارات العملية بالنسبة لعيون ثنائي الفينيل متعدد الكلور

ويتطلب الانتقال من خزف إلى ثنائي الفينيل متعدد الكلور الاهتمام بالآثار الطفيلية:

أبقوا شبكة المقاومين على مقربة جسدياً من مدخلات العمليات لتقليل الكبسولة الضالة
استخدم طائرة أرضية على طبقة أسفل لوحة لطوابقين لتقليل الإحباط الأرضي وتوفير الحماية
تجنب آثار طويلة متوازية يمكن أن تُضاعف ضوضاء من قسم التكنولوجيا الرقمية أو قسم الطاقة إلى مسار الرش المائي
مكثفات التزيين في الأماكن لكل مقطع من مسامير الإمداد في حدود 5 مم، استخدم مزيجاً من 100 خزف (مقصود منخفض) و 10 ميكروفلوريك (مخزن البلاط).
النظر في استخدام سكة حديد مكرس لإمدادات الطاقة الم analogية منفصلة عن الإمدادات المنطقية الرقمية للتقليل إلى أدنى حد من الضوضاء التي تُجرى.

المسائل المشتركة

وحتى المرشح المصمم تصميما صحيحا يمكن أن يُنفذ بشكل غير سليم في الممارسة العملية، وهنا توجد مشاكل وحلول مشتركة:

التلقيح أو التقلبات العالية

وإذا كان المرشّح يُنَفَّر في ترددات عالية أو يظهر ذروة قرب الخفض، فإن المُحتَج قد يكون غير مستقر بسبب التحميل السقفي أو هامش المرحلة غير الكافي، والحلول: زيادة هامش المنتج الذي يُكسبه رباعياً باختيار مُضخة سريعة، أو إضافة مقاوم صغير (50-100 خام) في سلسلة مع الناتج قبل أي مُسرّب.

انخفاض شديد أو ارتفاع شديد

فالتسامح بين العناصر يسبب تحولات في الترددات، إذ يستخدم 1 في المائة من المقاومين و5 في المائة من المكثفات لتحقيق نتائج يمكن التنبؤ بها، وإذا كان الدقة حرجة، يستخدم 0.1 في المائة من المقاومين و2 في المائة من المكثفات، أو يضيف مقياساً من المقاييس الحرارية لتكييف قيم المقاومين.

زيادة في عدد الترددات المنخفضة

وعادة ما يكون الضوضاء المنخفضة التردد (الدرجة) في خط القوى 50/60 Hz، غير مزال من قِبل مرشح منخفض التجويف، واستخدام مرحلة تصفية عالية التجويف (أو على نطاق واسع) للقضاء على التواضع، أو تحسين حماية النظام الصوتي وإرسائه.

Distortion at High Signal Levels

إذا كانت الإشارة إلى المدخلات تتجاوز نطاق البرمجيات (المحددة بحجم الإمدادات والتأرجح الناتج)، تحدث تشوهات، تخفيض مستوى الإشارة المُدخلة أو زيادة حجم الإمدادات، بالنسبة للصوتيات على المستوى الخطي (0.5 V إلى 2 Vنموذجي)، 12.

Alternative Filter Topologies]

وفي حين أن تصميم مرشح سالين كي هو أكثر تصميمات مرشحات نشطة سهولة الوصول إليها، فإن الطبقات الأخرى توفر مزايا محددة لخفض الضوضاء السمعية:

Multiple Feedback (MFB): Uses fewer components than Sallen-Key and provides lower sensitivity to op amp gain, but requires careful resistanceor matching.
] مرشح قابل للتداول على الدولة: ] يستخدم ثلاثة أمبير عمل في آن واحد لتوفير نواتج منخفضة التجويف، وجوازات السفر، ومستعملة عندما تكون هناك حاجة إلى استجابات متعددة من المرشات من دائرة واحدة.
Biquad:] A second-order section that offers independent control of ]f_c and Q, commonly implemented in shifted-capaci
Active inductor using a gyrator:] Simulates a large inductor using an op amp and capacitor, enabling low-frequency filtering without physically large inductors.

وبالنسبة لمعظم المشاريع السمعية الهوائية والمهنية، يوفر برنامج سالين كي أفضل توازن في البساطة والأداء والتكلفة، وهو نقطة البداية الموصى بها للمصممين الجدد إلى المرشّحين النشطين.

معرض التطبيق العالمي الحقيقي: مصور لمكافحة الاتصال من أجل التعاون التقني فيما بين البلدان النامية

(أ) النظر في إشارة صوتية على مستوى خطي يجري رقمنة بها جهاز تسجيل صوتي من 24 إلى طراز ADC مع معدل أخذ العينات قدره 48 كيلوهرتز. ووفقاً لنظرية عينة النييكيست - شانون، يجب إزالة أي تردد يزيد على 24 كيلوهترتز لتجنب الاسم المستعار.

المرحلة 1: R] = 4.7 كيلو متر مربع C₁ = 2.7 فرنك فرنسي C
المرحلة 2: R] = 4.7 كيلو متر مربع ]C₁ = 2.7 فرنك فرنسي [[6]]C]

ويمكن أن تكون عمليات التفتيش مجموعة مزدوجة مثل TL072، مع وجود كلا القناةين في مركز إي سي. وينبغي أن يعزل مخطط ثنائي الفينيل متعدد الكلور مراحل المدخلات والنواتج لمنع الانقلابات من خلال الإمداد بالطاقة، وينبغي أن يبين الاختبار بموجة صينية تبلغ 25 كيلوهرتز ما لا يقل عن 60 كيلوغراماً من الديوكسينات بالنسبة إلى إشارة إلى 1 كيلوهرتز.

Using Design Tools for Filter Synthesis]

الحساب اليدوي أمر مفيد، ولكن بالنسبة للتصميمات المعقدة - مرشحات أعلى درجة، محددة Q] قيم، أو ترددات غير قياسية - أدوات برمجية توفر الوقت وتخفض الأخطاء.

التحقق من الأداء والمقاييس

استعملي قياس نسبة الإشارة إلى الأنظار مع موجة واحدة من الـ"إتش إيهز" في 1 - 1 دي بي إف إس (نحو 0.9) جرام من الرشاقة من أجل نظام كامل النطاق، مقاييس ضوضاء الـ "آر إس" مع الإدخال الذي تم وضعه على الأقل

إن التشويه التناسقي الكلي بالإضافة إلى الضوضاء (THD+N) هو مقياس حرج آخر، إذ أن قيادة الرش بموجة حرارة واحدة كيلوهرتز في مختلف الكميات وقياس الـ THD+N في الناتج، وبالنسبة للمسار الصوتي النظيف، ينبغي أن تظل أقل من 0.01 في المائة من إنتاج 100 متر مربع إلى 2 سم، وقد يشير التشوه العالي في الترددات المنخفضة إلى حدوث انقلابات العالية.

ويمثل تأخير المجموعة تدبيراً من تدابير التسلسل التدريجي ويؤثر على الاستجابة العابرة للمرشح، وبالنسبة للتطبيقات السمعية، فإن تغييراً يقل عن 100 ميكروغرام عبر النطاق الترددي غير قابل للاختراق عموماً، إذ أن استجابات بوترورث وبيسسيل توفر أفضل تأخّر جماعي بين أنواع التسريح المشتركة، وإذا ما استخدم المرشح في شبكة تقاطع الترددات، فإن تأخير المجموعة بين أجزاء المرشّح أمر هام لتصحيحه.

الصيانة والشيخوخة

وتشتمل أجهزة التحلل الكهربائي على التحلل الكهربائي وأدوار تجميع المدخلات على أن تتدهور على مدى سنوات من التشغيل، مما يؤدي إلى زيادة الضوضاء أو الانجراف في الرش، وبالنسبة للموثوقية الطويلة الأجل، فإن استخدام أجهزة التصوير (البوليبروبيل أو البوليستر) في مسار الإشارة حيثما أمكن.

الاستنتاج: مسار عملي إلى نظام أودي أنظف

تصميم مرشح منخفض التجويف مع أجهزة التصفيق العملية خطوة عملية ومكافئة نحو الصوت الأنظف، وبفهم العلاقة بين الترددات المقطعية والقيم المكوّنة وأمر التصفية، يمكنك أن تصمم الدائرة لتلائم طائفة واسعة من التطبيقات - من إزالة الضوضاء البسيطة إلى إزالة الختان المضادة للصوت الرقمي، وتوفر الطبقات العليا في سالين كيب أساساً قوياً، وتساعد في اختيار أهداف الفرز

الدائرة المعروضة هنا يمكن تكييفها مع العديد من السياقات: دمجها في مرحلة مدخلات المزيج، واستخدامها كمتقاطع دوني، أو وضعها أمام شركة ADC لضمان تحويل البيانات النظيفة، وكما هو الحال بالنسبة لأي تصميمات، والاهتمام بالتصميم، ونوعية الإمداد بالطاقة، وتسامح العناصر، يفصل بين مرشح جيد من جهاز كبت، مع التنفيذ الدقيق، فإن جهاز التصنت الصوتي المنخفض يمكن أن يصبح أداة موثوقة