Фильтры частот – это простейшие электрические цепи, АЧХ которых нелинейная. Сопротивление в таких цепях изменяется при изменении частоты сигнала. Состоять такая цепь может из одного или нескольких элементов цепи.
Пассивные и активные фильтры низких частот
Пассивный фильтр состоит только из резисторов или конденсаторов. Они не требуют энергии для выполнения возложенных на них задач. Почти все пассивные фильтры обладают линейной характеристикой.
Активный фильтр включает в свою конструкцию транзистор или операционный усилитель. АЧХ такого фильтра благоприятнее чем у пассивного.
Спрашивается, зачем и где они применяются? У фильтров принцип действия следующий: поступающий на них сигнал фильтруется, и остаются только те сигналы, которые необходимы. Одной из областей применения таких устройств является электронная цветомузыка.
Характеристики частотных фильтров
Частота, при которой понижается амплитуда выходного сигнала, до значения 0,7 от входного, называется частотой среза.
Крутизна частотной характеристики фильтра. Она показывает, как резко меняется сигнал после того, как прошел фильтр. Чем больше будет угол, тем лучше.
Виды частотных фильтров
- Одноэлементные;
- Г,Т,П-образные;
- Многозвездные. Они представляют собой последовательно подключенные Г-образные.
В данной статье будут рассмотрены схемы и устройство фильтра нижних частот.
Простейшие фильтр нижних частот своими руками
В домашних условиях вполне можно изготовить данное устройство и по качеству оно будет не сильно уступать магазинному аналогу. К тому же, дешевизна и простота конструкции окупит все вложенные усилия.
Какими будут характеристики
- Частота среза – 300 Гц. Пропускаемый сигнал не будет выше данного показателя;
- Требуемое напряжение –9/30 В;
- Потребление электричества – 7 мА.
Что нужно для изготовления фильтра низких частот:
- DD1 BA4558;
- VD1 Д814Б;
- C1, C2 10 мкФ;
- С3 0,033 мкФ;
- С4 220 нф;
- С5 100 нф;
- С6 100 мкФ;
- С7 10 мкФ;
- С8 100 нф;
- R1, R2 15 кОм;
- R3, R4 100 кОм;
- R5 47 кОм;
- R6, R7 10 кОм;
- R8 1 кОм;
- R9 100 кОм — переменный;
- R10 100 кОм;
- R11 2 кОм.
Инструкция, как правильно сделать простой фильтр
В схеме включающей в себя резистор R11, конденсатор С6, и стабилизатор VD1 собран блок, который стабилизирует входящее напряжение. Если подаваемое напряжение меньше 15 В резистор нужно удалить из схемы.
Элементы R1, R2, С1, С2 являются сумматорами входящих сигналов. Если на фильтр подается моносигнал, сумматор можно удалить. После этого необходимо подключить источник сигнала напрямую к следующему (второму) контакту.
DD1.1 является усилителем поступаемого сигнала, а на DD1.2 расположено устройство, не пропускающее высокие сигналы.
Изготовление печатной платы
Мы описали схему, которую нужно использовать, теперь изготовим важнейший элемент, а именно печатную плату.
Необходимо взять стеклотекстолит, ширина которого должна быть 2 см, а длина 4 см. Для начала обезжирьте поверхность и тщательно ее отшлифуйте. Затем распечатав представленную ниже схему, перенесите ее на кусочек стеклотекстолита, соблюдая габариты. Рекомендуется использовать метод ЛУТ.
Обратите внимание!
Рисунок должен полностью отпечататься на поверхности заготовки, если не получилось сделать это с первого раза, можно дорисовать прерванные дорожки о руки.
Приготавливаем раствор, в котором будем травить стеклотекстолит. Вам необходимо взять 2 столовые ложки лимонной кислоты и 6 столовых ложек перекиси водорода и тщательно их перемешать. Для ускорения процесса перемешивания добавляем в щелочной раствор щепотку соли. Соль не участвует в процессе растворения.
Нужно поместить приготовленную заготовку с начертанными дорожками прямо в полученный раствор. Перед погружением убедитесь, что рисунок дорожки хорошо прорисован, иначе вы испортите поверхность.
Подождав немного убедитесь, что весь лишний медный слой растворился. Затем необходимо достать заготовку из емкости и промыть ее в проточной воде. При помощи ацетона удаляем чернила с платы.
Сборка
Для того, чтобы не ошибиться во время спаивания желательно использовать схему. Последовательно и аккуратно припаивайте все элементы.
Обратите внимание!
Заключение
Описанная выше схема должна заработать после первого включения. Никаких настроек фильтр не требует. Основные проблемы, которые могут возникнуть при запуске, связанны с некачественной сборкой или спайкой, в редких случаях с неисправностью применяемых элементов схемы.
В некоторых случаях звук не идет после включения фильтра. Чтобы исправить проблему требуется покрутить ручку переменного резистора. Если не помогло, проверьте все соединения в местах спайки.
Фото фильтров низких частот
Обратите внимание!
Активными фильтрами называют электронные усилители , содержащие RC -цепи , с помощью которых усилителю придаются определенные избирательные свойства.
Применение усилительных элементов выгодно отличает активные фильтры от фильтров на пассивных элементах.
К преимуществам активных фильтров в первую очередь следует отнести:
Способность усиливать сигнал, лежащий в полосе пропускания фильтра;
Возможность отказаться от применения таких нетехнологичных элементов, как катушки индуктивности , использование которых несовместимо с методами интегральной технологии;
Простота настройки;
Малые масса и объем, которые слабо зависят от полосы пропускания, что особенно важно при разработке устройств, работающих в низкочастотной области;
Простота каскадного включения при построении фильтров высоких порядков.
Вместе с тем активным фильтрам свойственны следующие недостатки, ограничивающие область их применения:
Невозможность использования в силовых цепях, например в качестве фильтров во вторичных источниках питания;
Необходимость использования дополнительного источника энергии, предназначенного для питания активных элементов усилителя;
Рассмотрим общие принципы применения ОУ с цепями частотно-зависимой ООС для формирования устройств с различными частотными свойствами.
Фильтры нижних и верхних частот
Простейшими активными фильтрами нижних и верхних частот первого порядка являются, соответственно, интегрирующий (рисунки 3.13, 3.14) и дифференцирующий (рисунки 3.16, 3.17) усилители. В них основным элементом, определяющим частотную характеристику усилителя, является конденсатор , включенный в цепь обратной связи.
Передаточные функции простейших фильтров представляют собой уравнения первого порядка , поэтому и фильтры называются фильтрами первого порядка . Наклон логарифмической АЧХ (ЛАЧХ) за пределами полосы пропускания у фильтров первого порядка составляет всего -20 дБ/дек, что свидетельствует о плохих избирательных свойствах таких фильтров.
Для улучшения избирательности нужно либо повышать порядок передаточной функции фильтра за счет введения дополнительных RC -цепей , либо последовательно включать несколько идентичных активных фильтров.
На практике наиболее часто в качестве фильтров используют ОУ с цепями ОС, работа которых описывается уравнениями второго порядка. При необходимости повысить избирательность системы несколько фильтров второго порядка включают последовательно (например, для получения ФНЧ четвертого порядка последовательно включают два ФНЧ второго порядка, для получения ФНЧ шестого порядка - три ФНЧ второго порядка и т. д.).
Активные фильтры низких и высоких частот второго порядка приведены на рисунке 3.28, а , б. У них, при соответствующем подборе номиналов резисторов и конденсаторов, спад ЛАЧХ за пределами полосы пропускания составляет 40 дБ/дек. Причем, как видно из рисунка 3.28, переход от фильтра нижних к фильтру верхних частот осуществляется заменой резисторов на конденсаторы, и наоборот.
а б
Рисунок 3.28 - ФНЧ (а ) и ФВЧ (б ) второго порядка на операционном усилителе
Передаточная функция фильтра НЧ второго порядка описывается выражением
а фильтра ВЧ второго порядка - выражением
Частоты среза фильтров второго порядка соответственно равны:
; (3.40)
. (3.41)
В последнее время широкое распространение получили активные ФНЧ и ФВЧ второго порядка, реализованные на повторителях напряжения (максимальное значение коэффициента усиления напряжения у таких фильтров в пределах полосы пропускания равно 1). Схемы названных фильтров показаны на рисунке 3.29, а (ФНЧ) и 3.29, б (ФВЧ).
а б
Рисунок 3.29 - ФНЧ (а ) и ФВЧ (б ) второго порядка на повторителях напряжения
Последовательность расчета элементов фильтров, выполненных на основе повторителей, состоит в следующем:
а) по графикам (рисунок 3.30) выбрать подходящую характеристику фильтра (с учетом требуемой избирательности) и определить число полюсов, требующееся для получения желаемого затухания;
б) из схем на повторителях выбрать подходящую схему фильтра (рисунок 3.29);
в) пользуясь данными таблицы 3.2, выполнить необходимый пересчет параметров элементов фильтра.
В таблице 3.2 даны значения емкостей (в фарадах) для схемы повторителя в зависимости от числа полюсов фильтра. При этом для получения фильтра, например, четвертого порядка, используют каскадное включение двух одинаковых повторителей, но элементы первого каскада рассчитывают как для фильтра с двумя полюсами, а второго каскада - как для фильтра с четырьмя полюсами.
Рисунок 3.30 - Амплитудно-частотные характеристики ФНЧ (слева) и ФВЧ (справа) Баттерворта
Таблица 3.2 - Величины емкостей конденсаторов (фарад)
| Число полюсов | Фильтр Бесселя | Фильтр Баттерворта | ||
| C 1 | С 2 | C 1 | С 2 | |
| 0,9066 | 0,6799 | 1,414 | 0,7071 | |
| 0,7351 1,0120 | 0,6746 0,3900 | 1,082 2,613 | 0,9241 0,3825 | |
| 0,6352 0,7225 1,0730 | 0,6098 0,4835 0,2561 | 1,035 1,414 3,863 | 0,9660 0,7071 0,2588 | |
| 0,5673 0,6090 0,7257 1,1160 | 0,5539 0,4861 0,3590 0,1857 | 1,091 1,202 1,800 5,125 | 0,9809 0,8313 0,5557 0,1950 | |
| 0,5172 0,5412 0,5999 0,7326 1,1510 | 0,5092 0,4682 0,3896 0,2792 0,1437 | 1,012 1,122 1,414 2,202 6,389 | 0,9874 0,8908 0,7071 0,4540 0,1563 |
На рисунке 3.31 показана процедура расчета схем фильтров на повторителях на примере двухполюсных ФНЧ (слева) и ФВЧ (справа) Баттерворта с частотой среза f в = 1 кГц.
Величины компонентов, взятые из таблицы 3.2, для схемы ФНЧ нормированы для частоты 1 рад/с при сопротивлении резисторов 1 Ом и емкости конденсаторов в фарадах. Емкости конденсаторов фильтра пересчитываются по частоте делением величин емкостей, взятых из таблицы, на частоту среза в радианах (2pf в ). Компоненты фильтра пересчитывают умножением величин сопротивлений на подходящий коэффициент (например, 10 4) и делением величин емкостей на тот же коэффициент. В результате получаем следующие значения параметров элементов ФНЧ: С 1 = 0,0225 мкФ, С 2 = 0,0112 мкФ, R 1 = R 2 = 10 кОм.
Величины компонентов, взятые из таблицы 3.2, для схемы ФВЧ нормированы для частоты 1 рад/с при емкости конденсаторов 1 Ф и сопротивлении резисторов в омах, обратных значениям емкостей. Емкости конденсаторов фильтра пересчитываются по частоте делением величин емкостей на частоту среза в радианах (2pf н ). Компоненты фильтра пересчитывают умножением величин сопротивлений на подходящий коэффициент (например, 14,1 10 3) и делением величин емкостей на тот же коэффициент. В результате получаем следующие значения параметров элементов ФВЧ: С 1 = С 2 = 0,0113 мкФ, R 1 = 10 кОм, R 2 = 20 кОм.
Полосовой и режекторный фильтры
Простейший полосовой фильтр может быть получен посредством объединения фильтров нижних и верхних частот (например, интегратора и дифференциатора). Пример такой схемы показан на рисунке 3.32, а , а его логарифмическая АЧХ - на рисунке 3.32, б .
Частоты среза фильтра определяются из выражений:
Рисунок 3.31 - Последовательность расчета ФНЧ (слева) и ФВЧ (справа)
Для измерительной техники и техники обработки сигналов представляют интерес три типа схем ПФ:
- фильтр с многопетлевой обратной связью - применяется при величинах добротности до 10 и выгодно отличается от других схем тем, что имеет всего лишь один операционный усилитель;
- биквадратный резонатор - является более сложным электрическим фильтром, выполняемым на трех ОУ и обеспечивающим добротность до 200;
- коммутируемый фильтр - обеспечивает добротность до 1000, необходимую при селекции узкополосных сигналов.
а
Рисунок 3.32 - Схема и логарифмическая АЧХ полосового фильтра
Добротность Q во всех случаях определяется следующим отношением
где f 0 - средняя частота полосы пропускания;
Df - ширина полосы пропускания на уровне -3 дБ (то есть на уровне 0,707K U макс ).
АЧХ полосовых фильтров для различных значений Q приведены на рисунке 3.33.
 |
Рисунок 3.33 - АЧХ полосовых фильтров при разных значениях добротности
На рисунке 3.34 показана схема полосового фильтра с многопетлевой ОС (ПФМОС) и вид его АЧХ.
Рисунок 3.34 - Полосовой фильтр с многопетлевой обратной связью
Сопротивления резисторов R1 , R2 и R3 ПФМОС при заданной емкости конденсаторов С = 1 мкФ, выбирают с учетом требуемой добротности Q и средней частоты f 0 по формулам:
, (3.46)
Чтобы получить максимальную стабильность фильтра, расчет ведется для единичного усиления на частоте f 0 .
Полосовой фильтр второго порядка может быть выполнен по схеме, показанной на рисунке 3.45.
Рисунок 3.45 - Полосовой фильтр второго порядка
Квазирезонансная частота ПФ второго порядка (на которой коэффициент передачи фильтра максимален) может быть найдена из выражения
. (3.49)
Режекторный фильтр может быть получен на основе схемы ПФМОС, если к ее выходу подключить неинвертирующий сумматор (рисунок 3.46). В такой схеме выделенный на частоте f 0 сигнал c выхода инвертирующего ПФМОС, коэффициент усиления напряжения которого равен единице, поступает на один из входов неинвертирующего сумматора. Входной широкополосный сигнал поступает на второй вход сумматора также без усиления и без изменения фазы. В результате сложения двух сигналов в противофазе происходит подавление сигнала в области частоты режекции f 0 , то есть обеспечивается требуемый вид АЧХ для режекторного фильтра.
Рисунок 3.46 - Режекторный фильтр на основе схемы ПФМОС
Нужно отметить, что выше рассмотрены только отдельные примеры построения схем активных фильтров. На практике широко применяются также схемы, основу которых составляют мост Вина или двойной Т-мост.
При сборке усилителей для автомобилей на микросхемах TDA 7293 или TDA 7294 иногда возникает необходимость в компактом блоке фильтра, желательно чтобы был простым и понятным, а также имел нормальные характеристики и являлся одновременно сумматором. Именно в этой статье и предоставляю такую поделку и схему.
Схема собрана всего на одном биполярном, маломощном транзисторе. Можно конечно использовать для сабвуфера и пассивный фильтр, например всего из одного фильтра LC, он мог бы отфильтровать звук до частоты 20-150 Гц, но это не целесообразно, так как на выходе получим то же самое, что и на входе. Вот именно поэтому нам и нужно первоначальный звук хорошо отфильтровывать.
Почему применяют фильтры НЧ, да потому что при фильтрации, так сказать с каждой ступенькой номинал звука уменьшается на входе в сотни раз, и когда подаём этот номинал на сабвуфер, его не достаточно или просто не хватает для нормальной раскачки.
В приведённой в этой статье схеме, происходит практически тоже, но за исключением того, что стоит один транзистор, на котором собран предварительный усилитель, и который уже “отфильтровал” звуковой сигнал и усилил его для подачи на конечный усилитель.
печатка для тех, кто собирается травить плату.
На входе фильтра собран сумматор, который суммирует оба канала, и в последствии сигнал поступает в пассивный фильтр с частотой среза 150 Гц. Фильтр второго канала имеет усилитель на выходе. Есть и особенность данной схемы, в том что можно регулировать срез от 15 до 30 Гц.
Схема не требует к себе каких-либо наладок или подстроек. Единственная подстройка это частота среза, которую можно настроить под себя, под свой вкус, так как в схеме есть сдвоенный регулятор 100 кОм (можно взять номинал от 47 до 2200 кОм).
Схема прекрасно работает с любыми усилителями мощности звук.частоты, как с маломощными 12-Воль-ми, так и с мощными двуполярными.
Отечественные или импортные транзисторы, прекрасно себя чувствуют в этой схеме, так что тут выбор за вами.
И ещё хочу отметить один момент, если у вас сложилась ситуация, которая требует обратиться в автосалон, то сперва узнайте о нём прочитав отзывы. Лучше ехать, когда знаешь куда едешь…
Предлагаемые схемы предназначены как раз для таких случаев. Большинство из них были разработаны по просьбе трудящихся. Поэтому, кстати, мало рисунков печатных плат - это дело сугубо индивидуальное, зависит от деталей и компоновки в целом. Но платы зависит многое, в том числе и количество граблей, на которые наступит радиолюбитель при повторении, поэтому все дополнения только приветствуются. Я пока проектирую платы только для конструкций личного употребления, на все нет времени...
При разработке ставилось два условия:
- обойтись только однополярным питанием 12 вольт, чтобы не связываться с изготовлением преобразователей и не лезть за повышенным напряжением внутрь усилителя
- схема должна быть предельно простой и не требовать для повторения особой квалификации
Первая схема предназначена для простейших установок. Поэтому ее характеристики далеки от идеала, но возможности вполне достаточны. Большой диапазон перестройки частоты частоты среза позволяет использовать сабвуфер практически с любой акустикой. Если у магнитолы нет линейных выходов - не беда. Схема может работать и с колоночных выходов магнитолы. Для этого нужно только увеличить сопротивление резисторов R1,R2 до 33...100 кОм.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VT1 | Биполярный транзистор | КТ3102 | 1 | BC546 | В блокнот | |
| С1 | 1 мкФ 10В | 1 | В блокнот | |||
| C2 | Конденсатор | 100 нФ | 1 | В блокнот | ||
| C3 | Конденсатор | 68 нФ | 1 | В блокнот | ||
| C4 | Конденсатор | 33 нФ | 1 | В блокнот | ||
| C5 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ 16В | 1 | В блокнот | ||
| C6 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ 10В | 1 | В блокнот | ||
| VR1 | Переменный резистор | 100 кОм | 1 | Двойной | В блокнот | |
| R1-R5 | Резистор | 10 кОм | 5 | В блокнот | ||
| R6 | Резистор | 200 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R7 | Резистор | 240 кОм | 1 |
Такой фильтр был изготовлен для мощного автомобильного сабвуфера. Представленная схема — , который срезает все ненужные полосы, оставляя только низкие. Затем сигнал усиливается и подается на вход сабвуферного усилителя. Именно благодаря такому НЧ фильтру головка играет на низких частотах, (в простонародье называют БАСС).
Схема активного сабвуфера
На плате помимо фильтра НЧ также присутствует сумматор, который предназначен для суммирования сигнала обеих каналов. На вход этого блока подается сигнал с двух каналов (стереофонический), поступая на сумматор, сигнал превращается в один единый, это дает возможность получить дополнительное усиление. После суммирования, сигнал фильтруется и срезаются частоты ниже 16Гц и выше 300Гц. Регулирующий фильтр срезает сигнал от 35Гц — 150Гц.
Таким образом, мы получаем низкочастотный сигнал с возможностью регулировки в указанных пределах. Также имеется фазовый регулятор, который дает возможность согласовать сабвуфер с акустикой автомобиля.
В ФНЧ схеме я применил только пленочные конденсаторы, говорят в усилителях они лучше керамики, но и с керамическими работает очень хорошо, разница не слишком большая.
Монтаж выполнен на печатной плате, которая была создана методом ЛУТ, .
ФНЧ.lay
Такой сабвуфер питается от двухполярного источника питания (+/-15Вольт), поскольку работает совместно с мощным . Если для питания усилителя и блока фильтров (как в моем случае) у вас только один источник питания, то блоку ФНЧ необходим двухполярный стабилизатор напряжения.
Такой блок сумматора и фильтра низких частот может работать буквально с любыми усилителями мощности. Три регулятора, один из них предназначен для регулировки громкости, другой для среза низких частот, третий — регулятор плавной фазы (о чем было сказано выше).
В моем случае были куплены только микросхемы, все остальные пассивные компоненты были сняты из старых плат. Пленочные конденсаторы на входе ФНЧ были выпаяны от старого телевизора, одним словом затраты на такой блок минимальны, не более 3$, взамен можете гордится тем, что аналогичный блок фильтров используют в современных автоусилителях, цена которых порядка 400$.
Loading...