Progettazione di un filtro audio non ponderato con risposta in frequenza piatta

Nov 03, 2023

Esistono diversi metodi per effettuare misurazioni del rumore audio utilizzati dai fonometri. Questi sono generalmente caratterizzati dalle curve di risposta in frequenza dei filtri. Sebbene alcuni filtri audio siano progettati per imitare la risposta in frequenza dell'orecchio umano a vari livelli sonori, questo articolo si concentrerà sulla progettazione dettagliata di un filtro audio ponderato Z (non ponderato) con una risposta in frequenza piatta da 20 Hz a 20 kHz. Il filtro può essere utilizzato insieme al misuratore di tensione e corrente a banda larga descritto in uno dei miei articoli precedenti.

La curva di risposta in frequenza piatta e non ponderata è illustrata nella Figura 1. I limiti della risposta in frequenza del filtro di limitazione della banda sono specificati come "maschera" nella raccomandazione ITU ITU-R BS.468-4 per la misurazione del livello di tensione del rumore in audiofrequenza in Trasmissione del suono. Lo standard internazionale IEC 61672 definisce una risposta simile e piatta sulle frequenze audio come “ponderata Z” o ponderata zero.

La risposta misurata del filtro che progettiamo deve adattarsi all'interno della maschera, che richiede una risposta piatta su quasi tutta la gamma di frequenze audio. Questa tecnica fornisce risultati, misurati come valori RMS, che possono essere utilizzati per progettare livelli di rumore più bassi.

Il filtro non ponderato è composto da due filtri che verranno collegati in serie:

È possibile soddisfare i requisiti della maschera con i filtri Butterworth (che non hanno un picco nella curva di risposta in frequenza) ottimizzati per avere picchi di 0,5 dB. La risposta in frequenza, espressa come A in decibel di un filtro Butterworth di ordine n è data da:

$$A = 10\log_{10}(1 + \Omega^{2n})$$

Ω dipende dal tipo di filtro:

Dove:

ω è la frequenza del segnale

ωc è la frequenza di taglio di -3 dB

La maschera richiede un filtro passa-alto del secondo ordine per fornire una risposta in aumento di 12 dB/ottava da ben al di sotto di 1 Hz a 22,4 Hz, e un filtro passa-basso del terzo ordine per fornire la risposta in diminuzione da 22,4 kHz in su.

La Figura 2 mostra lo schema della soluzione Butterworth ottimizzata.

I filtri utilizzano le versioni con valore componente uguale della configurazione Sallen e Key. La regolazione viene eseguita abbastanza facilmente aumentando i valori dei resistori di impostazione del guadagno R7 e R12 fino a quando la risposta raggiunge un picco di 0,5 dB rispetto alla risposta a 1 kHz a ciascuna estremità.

R2 è etichettato come "Regola durante il test". Ciò significa che con il filtro collegato al voltmetro a banda larga, inserisci 1 Vrms a 1 kHz nel voltmetro (sulla gamma 1 V, ovviamente) e regola R2 finché anche l'uscita non è 1 V.

Potresti chiederti dell'amplificatore U1B vicino alla parte superiore centrale della Figura 2. È lì perché la resistenza di uscita di U2A è in serie con C3 e a frequenze molto più elevate di 20 kHz, la resistenza non è trascurabile rispetto alla reattanza di C3, quindi l'attenuazione di 18 dB/ottava non viene raggiunta. Non è trascurabile perché la resistenza di uscita ad anello aperto (non indicata nella scheda tecnica) è ridotta dal feedback negativo, ma il guadagno ad anello aperto è piuttosto basso alle alte frequenze, come al solito con gli amplificatori operazionali.

Per un amplificatore operazionale per uso generico TL072, il guadagno ad anello aperto è solo di circa 30 a 100 kHz, quindi il feedback non può ridurre di molto la resistenza di uscita. L'amplificatore operazionale audio LM4562 non è certo migliore sotto questo aspetto. U1B fornisce una resistenza di uscita inferiore, consentendo di soddisfare i requisiti di risposta.

Potresti anche notare J2. Ciò facilita l'uso frequente di questo e di altri filtri esterni. Una presa DIN a 5 pin viene aggiunta al blocco 4 del voltmetro a banda larga, in modo che non solo vengano stabilite le connessioni dei segnali GO e RETURN, ma anche il filtro esterno riceva l'alimentazione CC dal voltmetro.

Il filtro esterno può avere un cavo volante con spina o un'altra presa, in modo da poter utilizzare un cavo di collegamento. Sarebbe opportuno avere i fili ai pin 1 e 5 schermati individualmente in modo da evitare accoppiamenti di capacità parassite attraverso il filtro. Si possono ottenere cavi quadripolari schermati individualmente, di diametro piuttosto piccolo, e le schermature, ovviamente, forniscono il quinto conduttore necessario.