Zaloguj się
Wszystkie
2 maja 2024
219
Przedstawiony poniżej projekt filtru dolnoprzepustowego audio, o nachyleniu 24 dB/okt, wykorzystuje do przestrajania cztery fotorezystory, oświetlane przez pojedynczą diodę LED. Jasność diody LED steruje częstotliwością odcięcia filtru w zakresie od około 20 Hz do 20 kHz. Dobroć filtru (tj. współczynnik Q lub rezonans) można zmieniać aż do uzyskania oscylacji, co jest atrakcyjną funkcją w przypadku zastosowania w syntezatorach muzycznych. Układ jest łatwy do zbudowania, a koszt komponentów to około 4 Euro.
Filtr został zaprojektowany z myślą o syntezatorach muzycznych, ale jego wysoka jakość sprawia, że nadaje się do użycia w wielu różnych aplikacjach audio. Przed zbudowaniem prototypu na płytce stykowej, projekt został poddany symulacji programowej w celu oszacowania jego parametrów. Przykładowe nagrania dźwiękowe i film demonstracyjny są dostępne na stronie projektu Elektor Labs [1].
Dwie wersje
Dostępne są dwie wersje filtru, jedna prostsza: zasilana symetrycznie z podwójnego zasilania i druga, trochę bardziej złożona, z zasilaniem niesymetrycznym. Dodając kilka rezystorów i kondensatorów, można przekształcić pierwszą wersję w drugą. Zbudowano i zmierzono drugą wersję, z pojedynczym zasilaniem.
Opis układu (wersja z zasilaniem symetrycznym)
Omówimy obwód filtru z zasilaniem symetrycznym, ponieważ składa się on z mniejszej ilości elementów. Wersja z pojedynczym zasilaniem działa dokładnie tak samo.
Sercem układu jest filtr dolnoprzepustowy RC, o nachyleniu 6 dB/oktawę, z rezystorem R zastąpionym przez fotorezystor FR. Cztery takie filtry połączono szeregowo, aby uzyskać sumaryczne nachylenie 24 dB/oktawę. Zmiana rezystancji czterech fotorezystorów, w tym samym czasie, za pomocą pojedynczej diody LED daje filtr o częstotliwości odcięcia, którą można przestrajać w szerokim zakresie (>1:1000).
Kaskadowe połączenie czterech identycznych obwodów RC bez buforów rozdzielających może wyglądać jak przepis na katastrofę, która skutkuje bardzo słabym filtrem z mało eleganckim przejściem na częstotliwości odcięcia, ale ponieważ słynny filtr drabinkowy Mooga również opiera się na tej zasadzie, to może nie wszystko jest tutaj złe. Od red. EdW: W oryginalnym filtrze Mooga, dzięki zastosowaniu tranzystorów pracujących w stanie aktywnym, poszczególne stopnie nie obciążają siebie nawzajem. Takie zjawisko występuje w późniejszych rozwiązaniach układowych, z diodami zamiast tranzystorów, które powstały po to, by mieć filtr, a nie naruszyć zastrzeżeń patentowych oryginału. Mimo podobieństw układowych filtry te mają różne charakterystyki i przez to różne brzmienie.
Sprzężenie zwrotne obejmujące zespół czterech filtrów FR/C pozwala na uzyskanie regulowanego podbicia rezonansowego przy częstotliwości granicznej filtru. Dodatek Wyjaśnienie parametru Q filtru opisuje to bardziej szczegółowo.
Wzmacniacz operacyjny U1A buforuje wejście i dodaje doń globalny sygnał sprzężenia zwrotnego przez R9 i P1. Wzmacniacz U1B to bufor o wysokiej impedancji dla kaskady FR/C, który dodaje też wzmocnienie potrzebne do skompensowania strat w pobliżu częstotliwości odcięcia. P1 ustawia ilość ogólnego sprzężenia zwrotnego. Filtr przechodzi od odpowiedzi tłumionej do pełnej oscylacji, przy zmianie wartości P1 od 100 kΩ do 0. Zastąpienie P1 kombinacją LED-FR pozwoliłoby na elektroniczne sterowanie współczynnikiem Q. Zapoznaj się z wstawką zatytułowaną Wyniki symulacji odpowiedzi filtru, aby uzyskać informacje na temat dostrajania częstotliwości i krzywych regulacji dobroci (Q).
Szczegółowe wyjaśnienie wyboru diody LED D1 i koncepcji jej obwodu sterowania znajduje się we wstawce Kombinacja LED-FR.
Zalety koncepcji
Większość analogowych filtrów przestrajalnych wykorzystuje bardziej złożone obwody, które niestety działają tylko przy małych poziomach sygnału (<100 mVpp), aby móc utrzymać zniekształcenia na akceptowalnym poziomie. Przykładami są filtry oparte na tranzystorach lub diodach o przestrajanym prądem punkcie pracy, dyskretnych lub zintegrowanych w specjalnych układach scalonych (np. OTA, takich jak słynny LM13700). Z drugiej strony konstrukcja oparta na fotorezystorach obsługuje sygnały o amplitudzie kilku woltów przy bardzo niskich wartościach zniekształceń. W rzeczywistości zakres zmienności napięcia w układzie jest ograniczony głównie przez zastosowane wzmacniacze operacyjne i napięcie zasilania, ponieważ większość fotorezystorów może wytrzymać do 100 V lub więcej. Możesz nawet zbudować ten filtr na lampach! Ponieważ poziom szumów obwodu jest dość niski – jest określany głównie przez wzmacniacze operacyjne i równoważny szum fotorezystorów – to dzięki temu można uzyskać szeroki zakres dynamiki.
Kolejną zaletą układu jest wyjątkowo niskie przenikanie napięcia sterującego do ścieżki audio, ponieważ w obwodzie przestrajania ma on tylko sprzężenie optyczne.
Z odpowiednimi wzmacniaczami operacyjnymi (tu MCP602) układ jest zasilany z pojedynczego zasilacza o niskim napięciu (od 3 V do 5 V), dzięki czemu jest kompatybilny z aplikacjami mikroprocesorowymi, takimi jak Arduino.
Korzystanie z napięciowego sterowania diodą LED (patrz wstawka Kombinacja LED-FR) pozwala uzyskać surową, ale z grubsza wykładniczą krzywą przestrajania, która jest potrzebna w zastosowaniach syntezatorowych (muzycznych). Aby uzyskać bardziej precyzyjne (ale liniowe) przestrajanie, do sterowania diody LED można zastosować źródło prądowe lub sygnał PWM.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
