構建電路來測量噪聲對音頻信號的影響

出處：維庫電子市場網發(fā)布于：2024-08-07 16:45:38 | 363 次閱讀

　　介紹 468-4 頻譜

　　468-4 加權噪聲濾波器的頻率響應

　　圖 1. 468-4 加權噪聲濾波器的頻率響應
　　曲線上升部分的斜率為 6 dB/octave，為一階高通部分；下降部分的斜率為 -30 dB/octave，為五階低通部分。
　　原始無源濾波器解決方案
　　ITU 文件還包括圖 2 所示的無源濾波器電路。該電路可實現(xiàn)所需的響應。該文件還指出，電感器的 Q 值在 10 kHz 時必須至少為 200，并且可能需要對 C3 的值進行一些調整，以滿足曲線的指定公差限值。（我們稍后將討論公差。）

　　適用于 600 Ω 電路的 468-4 濾波器的無源網絡實現(xiàn)

　　圖 2. 468-4 濾波器用于 600 Ω 電路的無源網絡實現(xiàn)
　　圖 2 中的濾波器電路最初是在 20 世紀 60 年代末開發(fā)的，基于 20 世紀 50 年代初的早期工作，當時廣播音頻互連技術仍主要基于 600 Ω 迭代匹配。圖 2 中的無源網絡具有顯著的插入損耗，因此需要額外的放大器來實現(xiàn) 468-4 濾波器規(guī)定的 6.3 kHz 時的 12.2 dB 增益。
　　現(xiàn)代音頻系統(tǒng)要求
　　如今，已不再使用 600 Ω 匹配。相反，音頻信號源的源電阻設計為 100 Ω 或更小，輸入的阻抗設計為 10 kΩ 或更大。
　　制作滿足這些阻抗目標并提供 468-4 頻率響應的有源濾波器的主要方法有兩種：
　　合并 6.3 kHz 左右的傳統(tǒng)低通和高通有源濾波器。
　　利用巧妙的數(shù)學技巧從無源電路派生出有源電路。
　　本文的其余部分將介紹第一種方法。不幸的是，這個過程并不容易，至少部分問題在于原始頻率響應規(guī)范和指定的公差。
　　分析 468-4 噪聲濾波頻譜
　　頻率響應規(guī)格可能是通過測量實際網絡獲得的，該網絡會受到隨頻率非線性變化的電感損耗的影響。在有源濾波器技術中，這無法通過添加串聯(lián)和并聯(lián)電阻或等效物來建模。
　　即使是線性模型也很復雜。其頻率響應的一個公式表明，涉及六階和五階低通響應的總和，盡管五階響應在 16 kHz 以上占主導地位，從 30 dB/十倍頻程的梯度可以看出。無需六階濾波器即可滿足規(guī)格，但濾波器效果最大的位置的容差較小。
　　一階高通和五階低通濾波器的電路是眾所周知的；唯一的問題是確定濾波器部分的臨界頻率以及五階濾波器是否能達到最大平坦度。臨界頻率f是響應為 -3 dB 的頻率。
　　這絕非是一件簡單的事情：高通部分的臨界頻率的所需值取決于低通濾波器響應的形狀，而簡單的試驗設計表明，該濾波器的兩個部分都不是最大平坦的，也不類似于任何其他“標準”響應（切比雪夫、貝塞爾等）。
　　變量太多，無法通過簡單的“嘗試”調整在可接受的時間內產生良好的結果，因此有必要使用優(yōu)化應用程序。

　　用于 468-4 噪聲濾波的有源濾波器設計

　　圖 3 提供了兩個示意圖：（頂部）原始無源濾波器，添加了通用運算放大器以補償插入損耗，以及（底部）優(yōu)化的有源濾波器。
　　無源濾波器和優(yōu)化有源濾波器的仿真示意圖
　　圖 3. (上) 無源濾波器的仿真示意圖和 (下) 優(yōu)化的有源濾波器 (點擊放大)
　　電阻值是優(yōu)化器計算出來的。為了達到所需的電阻，我結合了兩個容差為 1% 的E12 值電阻。為了支持微調，最好遵循以下三個步驟：
　　選擇最接近目標值的一個電阻。
　　如果電阻值低于目標，則串聯(lián)一個小值電阻。
　　如果電阻值高于目標，則并聯(lián)一個大值電阻。
　　對于有源濾波器部分，第一個放大器輸出端的C 2和R 2構成一階高通濾波器。R 3和C 3構成五階 Sallen 和 Key 濾波器的一階低通部分。緩沖器U 1和U 3將濾波器部分與周圍的源和負載阻抗隔離開來，因為響應必須非常準確。
　　U 4周圍的電路是兩個二階部分之一，U 5周圍的電路是另一個二階部分。R 11的值至關重要。必須將其調整為 R 10 測量值的1.413倍。
　　468-4 加權噪聲濾波器設計的仿真
　　我使用 LTspice 模擬了圖 3 中的設計。圖 4 顯示了有源濾波器部分的分離頻率響應。整體 5 階低通濾波器響應略有峰值，但第三部分（即 2 階部分）本身就相當有峰值，這就是R 11的值至關重要的原因。

　　各個有源濾波器部分的頻率響應

　　圖 4.各個有源濾波器部分的頻率響應

　　圖 5 將圖 3 中的有源濾波器響應與規(guī)格公差進行了比較。請注意，6.3 kHz 處有零公差，因為這是設置濾波器增益的參考頻率。

　　模擬濾波器響應偏差和規(guī)定的公差
　　圖 5.模擬濾波器響應偏差和指定公差

　　構建和測試 468-4 加權噪聲濾波器

　　圖6顯示了構建的濾波器的示意圖。
　　構造濾波器的示意圖
　　圖 6.構建的濾波器示意圖（點擊放大）
　　電阻器R2、R3、R4 、 R5、R8和R10設定濾波器部分的臨界頻率，以及1 nF 電容器的實際值，無論如何，它們都應具有盡可能接近的公差。
　　如果您可以測量皮法拉的電容器值，則可以調整每個電阻器值，以使用以下公式將連接到它的電容器的實際值 C 考慮在內：
R=RsCH×（1000C）
　　其中Rsch是原理圖中的電阻值。此調整可補償電路以實現(xiàn)所需的 -3 dB 頻率，該頻率由以下公式給出：
　F3d乙=12πRC
　　U3B運算放大器周圍的電路需要一些解釋。U3A運算放大器輸出的增益變化不太可能超過 ±1 dB，但為了安全起見，我們將使用電位器R V1進行 ±2 dB 調整范圍。但是，最后一級是非反相的，因此其增益不能小于 1。

　　為了解決這個問題，R 12和R 13組成一個 3 dB 衰減器，而R 14和R 15與R V1一起提供 1 dB 至 5 dB 的增益調節(jié)范圍。當R V1設置為 4.4 kΩ 時，增益為 3 dB ，相當接近中間值。

　　圖 7 顯示了構建的濾波器的響應誤差曲線與指定公差的比較。
　　構造濾波器響應偏差和指定的公差
　　圖 7.構造濾波器響應偏差和指定的公差
　　將濾波器連接到我的寬帶電壓表
　　在我之前的噪聲濾波器項目中，我將濾波器設置為 1 kHz。對于這個，需要通過調整R V1來調整，以在 6.3 kHz 時實現(xiàn) 12.2 dB 的增益。圖 8 顯示了連接到我的寬帶電壓表時測量的濾波器頻率響應。

　　連接 468-4 濾波器的寬帶電壓表的頻率響應