非加权音频滤波器的设计

时间:2023-09-25
    未加权滤波器由两个串联的滤波器组成:
    12 dB/倍频程高通滤波器,-3dB 截止频率接近 20 Hz
    18 dB/倍频程低通滤波器,-3 dB 截止频率接近 20 kHz。
    通过调整为具有 0.5 dB 峰值的巴特沃斯滤波器(频率响应曲线中没有峰值)可以满足模板要求。n阶巴特沃斯滤波器的频率响应(以分贝数A表示)由下式给出:
    $$A = 10\log_{10}(1 + \Omega^{2n})$$
    Ω取决于滤波器的类型:
    低通滤波器:\(\Omega = \omega \text{/} \omega_c \)
    高通滤波器:\(\Omega = \omega_c \text{/} \omega \)
    在哪里:
    ω是信号频率
    ω c 是 -3 dB 截止频率
    该模板需要一个二阶高通滤波器来提供从远低于 1 Hz 到 22.4 Hz 的 12 dB/倍频程上升响应,以及一个三阶低通滤波器来提供从 22.4 kHz 以上的下降响应。
    图 2 显示了调整后的巴特沃斯解决方案的示意图。

   

    图 2.准巴特沃斯未加权音频滤波器示意图
    调整滤波器响应
    过滤器使用 Sallen 和 Key 配置的等分量值版本。通过增加增益设置电阻器 R7 和 R12 的值,直到响应峰值与两端 1 kHz 时的响应相比,达到 0.5 dB,调整就相当容易完成。
    R2 标记为“测试时调整”。这意味着,当滤波器连接到宽带电压表时,您可以将 1 kHz 时的 1 Vrms 输入电压表(当然是在 1 V 范围内),并调整 R2 直到输出也为 1 V。
    输出电阻补偿
    您可能很想知道图 2 顶部中心附近的放大器 U1B。它在那里是因为 U2A 的输出电阻与 C3 串联,并且在远高于 20 kHz 的频率下,与 C3 的电抗相比,该电阻不可忽略,因此未实现 18 dB/倍频程滚降。它不可忽略,因为负反馈会降低开环输出电阻(数据表中未给出),但开环增益在高频下相当低,这与运算放大器的情况一样。
    对于TL072通用运放来说,100kHz时的开环增益仅为30左右,因此反馈不能太大地降低输出电阻。LM4562 音频运算放大器在这方面也好不到哪去。U1B提供较低的输出电阻,可以满足响应要求。
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