Делаем внешнюю USB звуковую карту. Часть 2. Собираем фильтр нижних частот.
В первой части статьи было описано изготовление внешней USB звуковой карты для ПК. Основная плата собрана, опробована, чего еще не хватает? А не хватает нам для полного счастья фильтра нижних частот «LPF» (low-pass filter). А зачем то нужен этот LPF? А вот зачем!
Обычно выходной сигнал ЦАП сглаживают с помощью аналогового фильтра. На выходе ЦАП получается ступенчатый аналоговый сигнал, величина ступенек которого равна численному значению соответствующих отсчетов.
Чтобы из ступенчатого сигнала получить гладкую кривую, его необходимо пропустить через ФНЧ. Этот фильтр должен устранять наложение спектра, подавляя все сигналы, частота которых превышает частоту среза фильтра. Проще говоря, Фильтр нижних частот предназначен для того что бы сгладить «побочные продукты» сигма-дельта конвертации сигнала. Высокие частоты он режет за пределами возможностей нашего слуха. В промышленных изделиях часто выбирают частоту среза 27-29 КГц.
Теперь встал вопрос — какой фильтр применить?
Выбор мой остановился на фильтре Баттерворта. А выбрал я его потому, что у фильтра Баттерворта амплитудно-частотная характеристика максимально гладкая на частотах полосы пропускания и снижается практически до нуля на частотах полосы подавления. Более того, фильтр Баттерворта имеет более линейную фазо-частотную характеристику на частотах полосы пропускания.
На рисунке показана АЧХ фильтра
Был выбран фильтр Баттерворта 2 — го порядка с затуханием АЧХ на −12 дБ на октаву.
Это вызвано тем, что что при преобразовании сигнала из цифровой формы в аналоговую, нежелательно использовать для формирования спектра аналоговые фильтры высокого порядка, так как они вызывают значительные искажения формы исходного аналогового сигнала.
Теперь вопрос о схемном решении фильтра. Тут была выбрана схема Саллена-Ки. Схема Саллена-Ки представляя собой фильтр с передаточной функцией второго порядка.
Как раз то, что нужно.
Ниже представлена схема этого типа фильтров.
Схема фильтра до смешного проста. Два резистора, два конденсатора и активный элемент, в нашем случае — операционный усилитель.
Рассчитывал номиналы элементов фильтра на частоту среза 28 кГц. Расчет производился в программе TI Filter Pro от фирмы Texas Instruments. Очень удобная программа для расчета активных аналоговых фильтров. Скачать бесплатно можно тут(только необходимо зарегистрироваться).
В этой программе можно рассчитать любой аналоговый фильтр.
Вот мануал к программе.
Вот окончательный вариант схемы после всех расчетов и дополнений.
Крупнее
Итак, некоторые пояснения к схеме.
1. Входные и выходные разделительные конденсаторы С5-С6, С17-С18 желательно ставить пленочные качественные. Мне понравилось как «звучат» в паре наши К73-11
И китайские CL21[MEF]
2. Резисторы R2, R9 и резисторы обратной связи R5, R12 определяют коэффициент усиления
операционного усилителя и определяется из соотношения К = 1+ R5/R2. Номиналы были рассчитаны для коэффициента усиления равным 1,5.
3. Резисторы R7, R14 обеспечивают правильную работу выходных разделительных конденсаторов (поляризация).
4. Выбор операционного усилителя. Вот тут можно поэкспериментировать. Пробовал ставить я ОУ серии TL(TL071,TL072), но, не понравилось как они звучат, как то сухо, безжизненно, да и шумящие они оказались. Потом вспомнил, что не так давно собирал знакомому гитаристу активный темброблок для комбика и ставил я туда операционники LT1355. Это конечно «деликатес». Этот сдвоенный ОУ обладает замечательными характеристиками( быстродействие — до 400V/µs., уровень собственных шумов — 10nV/vHz; f=10MHz)Правда и стоит он как жменя обычных. Но, делать так делать. Заказал я эту микросхемку. И вот она приехала.
Нарисовал и собрал плату. Вот, получилось.
Питание подается на плате через SMD ферритовые «бусинки». Земля входа и выхода тоже разделена «бусиной».
Двуполярный блок питания собран по приведенной ниже схеме
Тут тоже все «до безобразия» просто. Были у меня в наличии только LM337 да трансформатор с одной вторичной обмоткой на 20 вольт.
Вот такой бублик.
Дабы сэкономить один стабилизатор и не мотать вторую обмотку, решил сделать на ней стабилизатор напряжения отрицательной полярности, а двуполярное напряжение, в виду малого тока потребления фильтра, сделать «искуственно». Для этого на выходе стабилизатора стоит подстроечный резистор R3. С его подвижного контакта снимается искусственная средняя точка. Подключил вольтметр с начала на плюс и общий и выставил 12 вольт, затем на минус и общий и подкорректировал тут напряжение.
Вот фото в сборе
Теперь все соединяем вместе
Подключил все это хозяйство к основной плате самодельной звуковухи, выход фильтра подключил к усилителю (усилитель собран на TDA7294). Подал питание, включил на компутере
плеер… и как штуковина та эта запела, ну просто чудо! Да, все таки LT1355 здорово работает в звуковом диапазоне! Звук плотный, особенно бас, не бубнящий, верхние частоты прозрачные, не смазанные. По сравнению со встроенной звуковой картой — эта просто небо и земля! Даже не стал проводить сравнительное тестирование самопала и встроенной. Теперь мне на встроенную просто «наплевать», больше ее я не включу! Но, недолго музыка играла! Появились искажения и LT1355 стала проявлять признаки самовозбуждения. На выявление и устранение причины убил где-то часа два. Нормальная работа восстановилась при исключении
из схемы резисторов R2 и R9. При этом коэффициент усиления стал равен ближе к 1 и самовозбуждение пропало. И снова я стал наслаждаться великолепным звуком, радуясь за то, что не зря всем этим начал заниматься.
Вот в этой части и все. Следующая, третья часть, будет посвящена сборке предварительного лампового усилителя, так сказать, «скрестим цифру с вакуумом»!!!)))
Обычно выходной сигнал ЦАП сглаживают с помощью аналогового фильтра. На выходе ЦАП получается ступенчатый аналоговый сигнал, величина ступенек которого равна численному значению соответствующих отсчетов.
Чтобы из ступенчатого сигнала получить гладкую кривую, его необходимо пропустить через ФНЧ. Этот фильтр должен устранять наложение спектра, подавляя все сигналы, частота которых превышает частоту среза фильтра. Проще говоря, Фильтр нижних частот предназначен для того что бы сгладить «побочные продукты» сигма-дельта конвертации сигнала. Высокие частоты он режет за пределами возможностей нашего слуха. В промышленных изделиях часто выбирают частоту среза 27-29 КГц.
Теперь встал вопрос — какой фильтр применить?
Выбор мой остановился на фильтре Баттерворта. А выбрал я его потому, что у фильтра Баттерворта амплитудно-частотная характеристика максимально гладкая на частотах полосы пропускания и снижается практически до нуля на частотах полосы подавления. Более того, фильтр Баттерворта имеет более линейную фазо-частотную характеристику на частотах полосы пропускания.
На рисунке показана АЧХ фильтра
Был выбран фильтр Баттерворта 2 — го порядка с затуханием АЧХ на −12 дБ на октаву.
Это вызвано тем, что что при преобразовании сигнала из цифровой формы в аналоговую, нежелательно использовать для формирования спектра аналоговые фильтры высокого порядка, так как они вызывают значительные искажения формы исходного аналогового сигнала.
Теперь вопрос о схемном решении фильтра. Тут была выбрана схема Саллена-Ки. Схема Саллена-Ки представляя собой фильтр с передаточной функцией второго порядка.
Как раз то, что нужно.
Ниже представлена схема этого типа фильтров.
Схема фильтра до смешного проста. Два резистора, два конденсатора и активный элемент, в нашем случае — операционный усилитель.
Рассчитывал номиналы элементов фильтра на частоту среза 28 кГц. Расчет производился в программе TI Filter Pro от фирмы Texas Instruments. Очень удобная программа для расчета активных аналоговых фильтров. Скачать бесплатно можно тут(только необходимо зарегистрироваться).
В этой программе можно рассчитать любой аналоговый фильтр.
Вот мануал к программе.
Вот окончательный вариант схемы после всех расчетов и дополнений.
Крупнее
Итак, некоторые пояснения к схеме.
1. Входные и выходные разделительные конденсаторы С5-С6, С17-С18 желательно ставить пленочные качественные. Мне понравилось как «звучат» в паре наши К73-11
И китайские CL21[MEF]
2. Резисторы R2, R9 и резисторы обратной связи R5, R12 определяют коэффициент усиления
операционного усилителя и определяется из соотношения К = 1+ R5/R2. Номиналы были рассчитаны для коэффициента усиления равным 1,5.
3. Резисторы R7, R14 обеспечивают правильную работу выходных разделительных конденсаторов (поляризация).
4. Выбор операционного усилителя. Вот тут можно поэкспериментировать. Пробовал ставить я ОУ серии TL(TL071,TL072), но, не понравилось как они звучат, как то сухо, безжизненно, да и шумящие они оказались. Потом вспомнил, что не так давно собирал знакомому гитаристу активный темброблок для комбика и ставил я туда операционники LT1355. Это конечно «деликатес». Этот сдвоенный ОУ обладает замечательными характеристиками( быстродействие — до 400V/µs., уровень собственных шумов — 10nV/vHz; f=10MHz)Правда и стоит он как жменя обычных. Но, делать так делать. Заказал я эту микросхемку. И вот она приехала.
Нарисовал и собрал плату. Вот, получилось.
Питание подается на плате через SMD ферритовые «бусинки». Земля входа и выхода тоже разделена «бусиной».
Двуполярный блок питания собран по приведенной ниже схеме
Тут тоже все «до безобразия» просто. Были у меня в наличии только LM337 да трансформатор с одной вторичной обмоткой на 20 вольт.
Вот такой бублик.
Дабы сэкономить один стабилизатор и не мотать вторую обмотку, решил сделать на ней стабилизатор напряжения отрицательной полярности, а двуполярное напряжение, в виду малого тока потребления фильтра, сделать «искуственно». Для этого на выходе стабилизатора стоит подстроечный резистор R3. С его подвижного контакта снимается искусственная средняя точка. Подключил вольтметр с начала на плюс и общий и выставил 12 вольт, затем на минус и общий и подкорректировал тут напряжение.
Вот фото в сборе
Теперь все соединяем вместе
Подключил все это хозяйство к основной плате самодельной звуковухи, выход фильтра подключил к усилителю (усилитель собран на TDA7294). Подал питание, включил на компутере
плеер… и как штуковина та эта запела, ну просто чудо! Да, все таки LT1355 здорово работает в звуковом диапазоне! Звук плотный, особенно бас, не бубнящий, верхние частоты прозрачные, не смазанные. По сравнению со встроенной звуковой картой — эта просто небо и земля! Даже не стал проводить сравнительное тестирование самопала и встроенной. Теперь мне на встроенную просто «наплевать», больше ее я не включу! Но, недолго музыка играла! Появились искажения и LT1355 стала проявлять признаки самовозбуждения. На выявление и устранение причины убил где-то часа два. Нормальная работа восстановилась при исключении
из схемы резисторов R2 и R9. При этом коэффициент усиления стал равен ближе к 1 и самовозбуждение пропало. И снова я стал наслаждаться великолепным звуком, радуясь за то, что не зря всем этим начал заниматься.
Вот в этой части и все. Следующая, третья часть, будет посвящена сборке предварительного лампового усилителя, так сказать, «скрестим цифру с вакуумом»!!!)))
31 комментарий