평탄한 주파수 응답을 갖는 비가중 오디오 필터 설계

Nov 03, 2023

소음 측정기에 사용되는 오디오 소음 측정 방법에는 여러 가지가 있습니다. 이는 일반적으로 필터의 주파수 응답 곡선으로 특징 지어집니다. 일부 오디오 필터는 다양한 사운드 레벨에서 인간 귀의 주파수 응답을 모방하도록 설계되었지만 이 기사에서는 20Hz ~ 20kHz의 평탄한 주파수 응답을 갖는 Z 가중(가중치 없음) 오디오 필터의 세부 설계에 중점을 둘 것입니다. 필터는 이전 기사 중 하나에서 설명한 광대역 전압 및 전류 측정기와 함께 사용할 수 있습니다.

가중치가 적용되지 않은 평탄한 주파수 응답 곡선은 그림 1에 나와 있습니다. 대역 제한 필터 주파수 응답 범위는 오디오 주파수 잡음 전압 레벨 측정에 대한 ITU 권장 사항 ITU-R BS.468-4에서 '마스크'로 지정됩니다. 사운드 방송. 국제 표준 IEC 61672는 오디오 주파수에 대한 유사하고 평탄한 응답을 "Z 가중치" 또는 0 가중치로 정의합니다.

우리가 설계한 필터의 측정된 응답은 마스크 내부에 맞아야 하며, 이를 위해서는 거의 모든 오디오 주파수 범위에 걸쳐 평탄한 응답이 필요합니다. 이 기술은 더 낮은 소음 수준을 설계하는 데 사용할 수 있는 RMS 값으로 측정된 결과를 제공합니다.

비가중 필터는 직렬로 연결되는 두 개의 필터로 구성됩니다.

0.5dB 피크를 갖도록 조정된 버터워스 필터(주파수 응답 곡선에 피크가 없음)를 사용하여 마스크 요구 사항을 충족할 수 있습니다. n차 버터워스 필터의 데시벨 단위로 A로 표시되는 주파수 응답은 다음과 같이 계산됩니다.

$$A = 10\log_{10}(1 + \오메가^{2n})$$

Ω은 필터 유형에 따라 다릅니다.

어디:

Ω는 신호 주파수

Ωc는 -3dB 차단 주파수입니다.

마스크에는 1Hz 미만에서 22.4Hz까지 12dB/옥타브 상승 응답을 제공하기 위한 2차 고역 통과 필터와 22.4kHz 이상에서 하강 응답을 제공하기 위한 3차 저역 통과 필터가 필요합니다.

그림 2는 조정된 Butterworth 솔루션의 개략도를 보여줍니다.

필터는 Sallen 및 Key 구성의 동일한 구성 요소 값 버전을 사용합니다. 각 끝에서 1kHz의 응답과 비교하여 응답이 0.5dB만큼 피크에 도달할 때까지 이득 설정 저항 R7 및 R12의 값을 증가시키면 조정이 매우 쉽게 수행됩니다.

R2에는 "테스트 시 조정"이라는 라벨이 붙어 있습니다. 이는 광대역 전압계에 필터를 연결하면 전압계(물론 1V 범위)에 1kHz에서 1Vrms를 입력하고 출력도 1V가 될 때까지 R2를 조정한다는 의미입니다.

그림 2의 중앙 상단 근처에 있는 증폭기 U1B에 대해 궁금할 것입니다. U2A의 출력 저항이 C3과 직렬이고 20kHz보다 훨씬 높은 주파수에서 저항은 C3의 리액턴스와 비교하여 무시할 수 없기 때문에 존재하는 것입니다. 따라서 18dB/옥타브 롤오프가 달성되지 않습니다. 개방 루프 출력 저항(데이터 시트에는 제공되지 않음)이 네거티브 피드백에 의해 감소되기 때문에 무시할 수 없지만, 개방 루프 이득은 OP 앰프에서 일반적으로 그렇듯이 고주파수에서 매우 낮습니다.

TL072 범용 연산 증폭기의 경우 개방 루프 이득은 100kHz에서 약 30에 불과하므로 피드백은 출력 저항을 크게 줄일 수 없습니다. 이 점에서는 LM4562 오디오 연산 증폭기가 더 나을 것이 없습니다. U1B는 더 낮은 출력 저항을 제공하므로 응답 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

J2도 볼 수 있습니다. 이렇게 하면 이 필터와 기타 외부 필터를 더 쉽게 자주 사용할 수 있습니다. 5핀 DIN 소켓이 광대역 전압계의 블록 4에 추가되어 GO 및 RETURN 신호 연결이 설정될 뿐만 아니라 외부 필터도 전압계에서 DC 전원을 공급받습니다.

외부 필터에는 플러그가 있는 플라잉 리드나 다른 소켓이 있을 수 있으므로 연결 케이블을 사용할 수 있습니다. 필터 전체에 부유 용량 결합을 방지하기 위해 핀 1과 5에 대한 와이어를 개별적으로 차폐하는 것이 좋습니다. 직경이 매우 작은 4코어 개별 차폐 케이블을 얻을 수 있으며 물론 차폐는 필요한 5번째 도체를 제공합니다.