構(gòu)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(wǎng) 發(fā)布于：2024-08-07 16:45:38 | 288 次閱讀
468-4 加權(quán)噪聲濾波器的頻率響應(yīng)
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(yīng)。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(jìn)行一些調(diào)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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)
圖 2 中的濾波器電路最初是在 20 世紀(jì) 60 年代末開發(fā)的，基于 20 世紀(jì) 50 年代初的早期工作，當(dāng)時廣播音頻互連技術(shù)仍主要基于 600 Ω 迭代匹配。圖 2 中的無源網(wǎng)絡(luò)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(shè)計為 100 Ω 或更小，輸入的阻抗設(shè)計為 10 kΩ 或更大。
制作滿足這些阻抗目標(biāo)并提供 468-4 頻率響應(yīng)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(xué)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(yīng)規(guī)范和指定的公差。
分析 468-4 噪聲濾波頻譜
頻率響應(yīng)規(guī)格可能是通過測量實際網(wǎng)絡(luò)獲得的，該網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(fù)雜。其頻率響應(yīng)的一個公式表明，涉及六階和五階低通響應(yīng)的總和，盡管五階響應(yīng)在 16 kHz 以上占主導(dǎo)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(dá)到最大平坦度。臨界頻率f是響應(yīng)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(yīng)的形狀，而簡單的試驗設(shè)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(biāo)準(zhǔn)”響應(yīng)（切比雪夫、貝塞爾等）。
變量太多，無法通過簡單的“嘗試”調(diào)整在可接受的時間內(nèi)產(chǎn)生良好的結(jié)果，因此有必要使用優(yōu)化應(yīng)用程序。
用于 468-4 噪聲濾波的有源濾波器設(shè)計
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(dá)到所需的電阻，我結(jié)合了兩個容差為 1% 的E12 值電阻。為了支持微調(diào)，最好遵循以下三個步驟：
選擇最接近目標(biāo)值的一個電阻。
如果電阻值低于目標(biāo)，則串聯(lián)一個小值電阻。
如果電阻值高于目標(biāo)，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(gòu)成一階高通濾波器。R 3和C 3構(gòu)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(fù)載阻抗隔離開來，因為響應(yīng)必須非常準(zhǔn)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(guān)重要。必須將其調(diào)整為 R 10 測量值的1.413倍。
468-4 加權(quán)噪聲濾波器設(shè)計的仿真
我使用 LTspice 模擬了圖 3 中的設(shè)計。圖 4 顯示了有源濾波器部分的分離頻率響應(yīng)。整體 5 階低通濾波器響應(yīng)略有峰值，但第三部分（即 2 階部分）本身就相當(dāng)有峰值，這就是R 11的值至關(guān)重要的原因。
各個有源濾波器部分的頻率響應(yīng)
圖 5 將圖 3 中的有源濾波器響應(yīng)與規(guī)格公差進(jìn)行了比較。請注意，6.3 kHz 處有零公差，因為這是設(shè)置濾波器增益的參考頻率。
圖 5.模擬濾波器響應(yīng)偏差和指定公差
構(gòu)建和測試 468-4 加權(quán)噪聲濾波器
構(gòu)造濾波器的示意圖
圖 6.構(gòu)建的濾波器示意圖（點擊放大）
電阻器R2、R3、R4 、 R5、R8和R10設(shè)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(yīng)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(diào)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(nèi)：
R=RsCH×（1000C）
其中Rsch是原理圖中的電阻值。此調(diào)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(jìn)行 ±2 dB 調(diào)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(diào)節(jié)范圍。當(dāng)R V1設(shè)置為 4.4 kΩ 時，增益為 3 dB ，相當(dāng)接近中間值。
構(gòu)造濾波器響應(yīng)偏差和指定的公差
圖 7.構(gòu)造濾波器響應(yīng)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(shè)置為 1 kHz。對于這個，需要通過調(diào)整R V1來調(diào)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(yīng)。
連接 468-4 濾波器的寬帶電壓表的頻率響應(yīng)
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