Вопросы по проектированию активного кроссовера (раньше - стоит ли фазолинейность заморочек?)

[s3tup]

Здравствуйте.

У меня скопилось определенное колличество динамиков в шкафу, и с этим надо что-то делать

До недавних пор, я рассчитывал на активные кроссы по сайту Линквица, как на оптимальное решение - топология саллен-кий, LR2/4, с фазокрутилками, нотчами и баффлстепом как комплексное решение, но:
- Проведя некоторое исследование, выявилась проблема - кросс Линквица не фазолинеен, как и прочие решения (стэйт-вариэйбл...). В итоге пришлось задуматься над по настоящему фазолинейными решениями - но - они имеют свои недостатки - кривая АЧХ, не стандартное решение, фильтрация на основе вычитания низкочастотного сигнала из исходного - для твитера = легкое несовпадение фазы приводит к сгоревшему твитеру... Минимальная гибкость настройки.
Добавив в салат фильтра еще и собственную кривость АЧХ/ФЧХ динамиков, получается неудобоваримая каша, из которой не выкрутиться.
С другой стороны - существуют же фильтры исконно фазолинейные электрически, выдающие вполне ровную АЧХ. Слышал упоминания о фазолинейных параметрических эквалайзерах, и существуют all-pass фильтры, не трогающие АЧХ, но проворачивающие фазу.
Возможно ли из этих ингридиентов создать нормальный фильтр?
Под нормальным - имеется ввиду не портящий сам по себе исходный сигнал, имеющий соизмеримое с простым фильтром колличество деталек?

Зачем? Хочу нарисовать плату, поддерживающую все нужные топологии фильтров - можно будет одним лишь заполнением детальками и джамперами создать кроссовер под бОльшую часть акустических систем (т.е. стандартные баффлстеп, разделительные фильтры, нотчи, фазокрутилки для каждого динамика, выходные бафферы с регулятором громкости. Не нужна часть - не вставляем детальки, замыкаем вход-выход). С поддержкой большинства футпринтов кондеров, и 1206 резисторы, сдвоенные DIP-8 микросхемки (можно и SMT под DIP-ом).


Стоит ли заморочка с фазолинейностью геммороя с наладкой?
Без фазолинейности - с фазокогерентностью - получается в разы проще, элегантней, и - быстрей в наладке...

Кто-нибудь сравнивал в лоб фазолинейные и фазокогерентные фильтры при равных условиях?

Из деталек - есть пару коробок opa2132/opa2134, wima, 1206 E24 1%.

Коммерческой ценности поэкт не имеет - схемки нагло срисованны, разводку - выложу + можно будет самостоятельно заказать платы по приемлемой цене у производителя - около 45$ за 10шт, надеюсь поместиться на 10х10см для фазокогерентного решения. Останется место - впихну БП или фазокрутилок/нотчей.
В случае с фазолинейным - понадобится отдельная плата фильтра, скорее всего - 10х10, будет ложиться поверх общей платы. Плюс в том, что вместо фазолинейного фильтра можно будет поставить простой фазокогерентный - простой заменой платы - с любимой топологией - салленки/стэйтвариэйбл/что угодно. Так будет интересней...



Зы... По вопросу из сабжа - вырисовывается следующая концепция разделительных фильтров:
- Пассивные фильтры сделать фазокогерентными и просто - оно того не стоит, поэтому переходим к активным фильтрам.
- Активные фильтры на раз становятся фазокогерентными - фазокрутилки, они просты и работают. Зато фазолинейный - сложно (как фазокогерентный пассив). Следовательно, переходим в цифровые фильтры.
- Цифровые IIR фильтры сделать фазолинейными гораздо проще - они точны в настройке, просты в наладке и т.д. Проблемы с временными задержками нет. Но, если нужно сделать что-то очень сложное с сигналом (комплексная коррекция всего), то нужно перейти чуть дальше - в FIR фильтры, построенные для коррекции каждого динамика.
- Цифровые FIR фильтры умеют все и даже больше

[s3tup]

По стоимости платы - 10х10см вне конкуренции. Но на 10х10 не влазит трехполосный фильтр. Максимум - двухполоска.

Поэтому, немного подумав, пришел к следующим вариантам размещения на двух платах:
- Двухполоска, полная комплектация для работы с одной платой + плата разширения с дополнительными одной (а может даже и с двумя) полосами - в итоге, поддержка четырехполосок.
- 2 одинаковые платы двухполосок, но стоит их положить одну на другую - получается трехполоска (или даже четырехполоска).
- Первая плата содержит вход и общую обработку сигнала по входу + по паре notch для каждого выхода (3х2 шт). Сверху - кладется плата фильтра полос + фазокрутилки для каждой полосы.

А еще вариант... Notch - штука большая, и часто - не нужная, но полезная. Можно его сделать отдельным блоком, который будет подключаться в нужные места при надобности.
Или же выбросить второй гиратор, и выбросить вторую фазокрутилку - и совместить одинарные фазокрутилку и гиратор в один блок - тогда и трехполоска поместится на одну плату... - невозможно, т.к. нужно воткнуть LPF между фазокрутилкой и гиратором.
Альтернатива - обьединить гираторы для ВЧ и СЧ, как и фазокрутилки. Каждому - по одной.

[s3tup]

Жуть.
Итого... все, что в предидущем посте
+ БП в лице набора кондеров 4700uf/16v + 0.1u MKS + 1n NP0, пассивный (без стаба).

Размышляю, а не вставить ли мне пару стабов фиксированных, а-ля 78L12? Места много не займут... Посмотрим.

А пока - выкладываю все слои + схемку к ним.



Питание развел звездой хитрой (нарисовал круг на верхнем и нижнем слое, подвел к каждому + и -, и централизированно вытянул дорожки во все стороны).
Звезда питания покорежила земляную заливку - я попытался компенсировать увечья заливкой и верхнего слоя + сшиванием обоих слоев с помощью т.н. "vias".
Визуально дыр по земле нет.

Есть разные "подтеки" - длинные и узкие земляные полигоны - их обрезать в обоих концах, с одной стороны, или оставить как есть?


Видимо, я разговариваю сам с собой. Это, как видите, довольно увлекательно - уже несколько пламенных сообщений написал.
Ничего, мне они помогают сконцентрироваться на задаче.


П.С.: Файл увесистый, 2.2мб.

[anatol0]

я попытался компенсировать увечья заливкой и верхнего слоя + сшиванием обоих слоев с помощью т.н. "vias".

Изготовление ПП будете на призводстве заказывать ?

[s3tup]

Да, я с утюгом не дружу, а при стоимости десятка плат 10х10см 2side FR4 6-8mil - 40$ (+доставка простой почтой) - на производстве выходит дешевле.

[s3tup]

Почти законченная версия Сейчас борюсь с design violations, добавляю красивостей (а-ля подписи секций), дорожки питания кладу рядом друг с другом...

Снимки без заливок - так наглядней.

Теперь все SMT детальки - взаимозаменяемы с трухольными - можно лепить из того, что есть в наличии

Кажется, я увлекся со сшиванием слоев - изрешетил плату виасами вдоль и поперек, как бы она потом в руках не развалилась


ЗЫ, даже крепежные дырки поместились, аж 4 штуки. Я их сделал ввиде больших пэдов. К земле не подключал - на всякий случай.

[_Yuriy_]

Может лучше вместо больших электролитов поставить М5230 (выпрямитель с большими конденсаторами на другой плате) и электролиты на меньшую ёмкость? Чем вызвано стремление уместить всё на плате 10*10?
Если предполагается использовать плату внутри АС, то нужен симметричный вход, для уменьшения уровня наводок, он у Вас предусмотрен?

[s3tup]

Стаб на самой плате - я думал об этом, но так и не решил что лучше:
За стаб - лучшая стабилизация питания на самой плате, правильней в случае использования нескольких плат (более двух... да и с двумя правильней)
Против - со стабом и маленькими конденсаторами проводки питания будут нести помехи более высокой частоты - возможны (?) наводки на соседние платы в случае соприкосновения питающих проводников с ними. Без стаба на плате - предпологалось "мягкое" питание, когда проводки являются развязывающими "резисторами/индукцией" между стабом и большим кондером.
Еще один камень в огород стаба - стаб будет грется - разогревая плату - а значит уровень шума резисторов (да и операционников) будет расти. Рассеиваемую мощность на стабе предположить не знаю как, поэтому на предидущей странице задал вопрос о предположительном потреблении всей схемки.

Стремление затолкать все на 10х10 - просто нашел производителя плат, у которого ограничение размера платы - 5х5 и 10х10, и ценники 20у.е. и 40у.е. (за 10 плат). Ценник привлекательный по соотношению sq.in/$, другого такого не нашел. Если есть варианты (я искал, проверял... из популярных сервисов seeed studio самые дешевые, и гораздо дешевле конкурентов).
К тому-же seeed studio имеет и магазин плат, и работает по принципу open source, т.е. можно отладить проэкт, задокументировать, и выложить в их магазин - любой желающий сможет купить себе такие-же платы на прямую от них - и им прибыль, и мне меньше мороки в случае распространения.

Баллансный вход - штука полезная. Использовать его я не буду, но, возможно, лучше пусть он будет на плате - места много занять не должен.
Еще один момент - на входе у меня есть gain для улучшения сигнал/шум по плате, а на выходе - нет понижающих резисторов. С одной стороны это хорошо - кроссовер одновременно является и предусилителем, с другой - с обычными усилителями придется понижать уровень. Конечно, такую операцию лучше проделывать на входе усилителя, а не на выходе кросса...
О, еще нету возможности отрегулировать уровень сигнала на каждый канал динамика.
Имхо все это решается выносной платой с четырьмя сдвоенными переменниками (один на вход, три - на выход). И удобно размещать (можно и на переднюю панель + сразу в обоих каналах громкость крутится), и как-то рациональней - три крутилки к ряду, чем шесть и на разных платах. Входной переменник можно и не ставить, т.к. с баллансным входом потребуется счетверенный.

Хотя... было-бы полезно иметь регулировку уровня через ДУ = счетверенный переменник с моторчиком + микроконтроллер, или PGA... Но это уже удел предусилителя, или хотя-бы отдельной платы.

Заодно хотелось бы и DC-blocking конденсатор по входу (отключаемый), на всякий случай, но - он будет большой, и на плату плохо поместится. Для одного кондера место найдется, для двух (баллансный) - уже проблема. Хотя в случае баллансного подключения постоянка имеет меньшую вероятность присутствия. Только если кондеры размещать по обоим сторонам платы... А это мысль


UPD:
Достаточно ли будет следующей схемки для баллансного включения?


Такую штуку я уже не умещу - банально некуда класть еще один корпус опера.




UPD2:
Еще полезно добавить джамперы в разрез сигнальных проводников на входе каждого блока. Тогда можно будет перенаправить сигнал при надобности, и протестировать каждый блок по отдельности. Например - можно будет задействовать notch басовика для твитера (вариант не самый удачный, т.к. на том-же ОУ висит выход басовика). Или обойти LPF среднечастотника - для двухполоски. Или даже сцепить последовательно все три notch-а для коррекции ШП, и обойдя LPF/HPF фильтры...

[_Yuriy_]

Тепловыделение стабилизатора зависит от потребляемого тока и величины первичного напряжения. Ток потребления каждой микросхемы (opa2134) не может быть более 40 мА, это при минимальном допустимом сопротивлении нагрузки, реально будет меньше (ток покоя 5 мА). Перемножив всё и на всё получаем очень незначительное потребление и выделения тепла. Говорить при этом об увеличении шумов резисторов, пожалуй, слишком сгоряча. Это ничтожно малая величина не сопоставимая с другими куда более весомыми источниками искажений. Для уменьшения наводок от питающих проводников их можно скрутить и не помешает пропустить через ферритовое кольцо, но опять, же помехи будут очень незначительны. На счёт помех от большого или маленького конденсатора не совсем понял, но большой тоже надо перезаряжать, при прочих равных, его внутреннее сопротивление будет меньше чем у маленького, соответственно импульс тока больше. А вообще это лишние опасения, правильнее всего стаб на плате.
Балансный вход или как привычнее для меня симметричный. По суте дела это диф усилитель, накладывается определённое ограничение на выбор ОУ, необходимо хорошее подавление синфазной помехи, вполне можно собрать на одном ОУ. Ставится он на входе устройства, а регулировки можно проводить на его выходе и не надо счетверённых регуляторов. Только зачем регулировки? Все они должны быть в преде, я это так себе представляю.

[anatol0]

Такую штуку я уже не умещу - банально некуда класть еще один корпус опера.

На 3-х ОУ нарисован т.н. инструментальный усилитель с высоким входным сопротивлением, заданным точным коэф. передачи и т.п. Для звуковых цепей это избыточно, достаточно дифференциального включения ОУ. Посмотрите, как выполнен линейный вход любого микшерного пульта. Кроме ОУ применяются ещё специализированные драйверы/приёмники симм. линии типа SSM... AD и INA... TI

[s3tup]

Из рассеивания тепла стабами получается около 2-3ватт на оба стабилизатора вместе - почти ничего. Значит стабы будут на плате.

По CMRR (common mode rejection ratio, подавление синфазных помех)
OPA2132 85-95дб
TL072 - 75-85db
OPA627 - 110-116db
AD8066 - 85-100db
LM318 - 70-100db

При этом, глядя на графики CMRR Vs. frequency:
OPA2132 - 66db 20kHz, 35db 100kHz
OPA627 - 100db 20kHz, 85db 100kHz
TL072 - График отсутствует
AD8066 - 88db 100kHz
LM318 - 92db 20kHz, 65db 100kHz
Видно, что OPA2132 существенно уступает на высоких частотах.

Значит, для подобных целей 2132 не подходит (?), хотя пассивный фильтр на входе должен спасать.
Есть варианты в ценовой категории 2132, но с лучшим CMRR и высоким сопротивлением входа (*FET), и сдвоенные? С одной стороны более быстрые микросхемки имеют лучшее подавление синфазных помех, с другой - возбуждаются они легче...


Схемки микшерных пультов сейчас ищу попадаются и на трех операционниках.

[anatol0]

Схемки микшерных пультов сейчас ищу попадаются и на трех операционниках.

Посмотрите здесь, например, любую схему, входы весьма незатейливы в про изделиях, это не Hi-End

[s3tup]

Маленький апдейт, и шаг в сторону.

Полез смотреть как конкретно считаются эти фильтра - в худьшем случае с бумажкой и карандашем, в лучшем - с экселем - вводим частоту, крутизну - и получаем циферки для кондеров и резисторов.
Плохо.

Я решил написать себе програмку, которая
- Рисует. графики передаточных функций использовующихся фильтров по номиналам элементов фильтра - т.н. симуляция.
- Крутилками можно регулировать такие параметры как Q, Fc, K - а програмка сама на основе базовых параметров фильтра подберет нужные номиналы. Остается их впаять в плату. При этои она еще и наглядно показывает ФЧХ/АЧХ как отдельного фильтра, так и отдельного динамика, и всей системы. (суммарную ФЧХ системы будет сделать сложновато, хотя посмотрим...)
- Можно подгружать АЧХ отдельных динамиков. Эту часть еще не трогал, и не имею представления как.

На данный момент прога умеет лишь рисовать функции - баффлстеп, нотчь, LPF, HPF. О, еще полезная функция - gain.
По дороге пришлось познакомиться с комплексными числами, передаточными функциями и их писанию по схеме, и вспомнить чуточку теории...

[_Yuriy_]

Хорошее подавление синфазных помех требуется в случае, когда помеха соизмерима или даже больше полезного сигнала. Такое встречается не часто, если конечно мы умышленно не укладываем параллельно сетевой шнур и не экранированный входной кабель. Поэтому в большинстве случаев достаточно любого ОУ, а упомянул я об ограничениях при выборе ОУ глядя, на сколько незначительные источники искажений Вы принимаете во внимание.
Возможно, придётся выбирать ОУ, но по другому критерию. Некоторые могут возбуждаться на очень высоких частотах. Не каждым осциллографом это видно. Проявляется в росте искажений и возможно будет шуметь в звуковом диапазоне. ОУ с полевиками не входе этому больше подвержены.

[s3tup]

... просто мимо пролетевшая мысль, записываю чтобы не забыть.

1. Плата-мать (вышеописанная). Остается как есть за малым исключением - добавляются коннекторы на посадочные места резисторов/кондеров для конфигурации.
2. Плата-конфигуратор. Садится поверх матплаты, и имеет на борту переменники (а может и кондеры?) для быстрой настройки. Полностью пассивная - и поэтому не дорогая в сборке.

Что получаем?
- Оперативный доступ крутилками ко всем параметрам.
- Закончили крутить и настраивать? Сняли плату, обмеряли все переменники и их значения - и впаяли их значения в матплату. Плату-конфигуратор можно использовать многократно для разных проэктов.

Таким образом отладка будет очень и очень быстрой. Пришла колонка - покрутили крутилки, выписали значения - собрали матплату с выписанными значениями. элементарно, ггг )))
Для визуализации этого модуля можно написать програмку, рисующую шкалы в соответствии с кондерами и переменниками - затем распечатываем "переднюю панель" на принтере, пробиваем дырочки под крутилки в бумажке - и имеем контроль панель для активного кроссовера... Такие вот мысли приходят...


По поводу стабилизаторов на плате - как всегда "решение в лоб из даташита за 5 минут" переросло в изучение работы этих стабов, способы их готовки, выравнивание импеденса с помощью корректирующей цепи в Adj... Нужно было ставить 7815, а не 317/337.



Вход получился как на картинке в аттаче. Можно ставить R1, C1 для балансного включения, либо замыкать P1 и ставить С2 вместо С1 для обычного подключения.
Схемка любезно предоставлена Rane, и подправлена для двух типов включения.

Еще - мелочь, но приятно - организовал перемножение функций в програмке в комплексном виде. Теперь для получения общей функции достаточно написать F=HP4*LP2*Bafflestep*Notch1*Notch2 и все автоматом считается из заданных значений компонентов каждой функции, и рисуются три графика Бодэ - АЧХ, ФЧХ, group delay.

[Andrew_A]

На данный момент прога умеет лишь рисовать функции - баффлстеп, нотчь, LPF, HPF. О, еще полезная функция - gain.
По дороге пришлось познакомиться с комплексными числами, передаточными функциями и их писанию по схеме, и вспомнить чуточку теории...

Вы Микрокап скачать не знаете где? Или это типа упражнение для ума? Извините...

[s3tup]

С Микрокапом и сверяю. Для ума это, и для углубленного понимания вопроса...
+ в микрокапе нет графического интерфейса для крутилок параметров фильтра с высчитыванием значений элементов...
+ микрокап платный

[RINDIG]

s3tup,
Полезный кроссовер делаешь .
Итого какие функции получаются ?
Сколько полос , какого порядка и тип кроссовера ?
Надеюсь 3 полосы поместились на неё.
Частота среза регулируется ?
ОУ сдвоенные ? ( очень уж их много надо сюда )
Эта плата мне интересна, но от неё мне на самом деле нужны только сами кроссоверы.


Активные кроссоверы это очень хорошо
но проблеммой остаётся многоканальный усилитель , это тоже большая тема
Я вот его не могу заставить нормально работать.

[s3tup]

Общий - Фильтр ограничитель по ВЧ шуму, баллансный/обычный вход + усилитель сигнала для лучшего соотношения С/Ш в кроссовере, баффлстеп, нотчь, буффер.
НЧ - фильтр Саллен-Ки 1/2/3/4-ого порядка, нотчь, буффер
СЧ - 2 фильтра Саллен-Ки 1/2/3/4-ого порядка, фазокрутилка 0-180 градусов, нотчь, буффер
ВЧ - фильтр Саллен-Ки 1/2/3/4-ого порядка, фазокрутилка 0-180 градусов, нотчь, буффер

Обвязка - стабы на LM337/LM317, у каждого операционника - по кондеру 1нан керамика 1206 + 4.7-10мкф электролит в каждое плече питания.

Фильтр сам по себе смысла не имеет, т.к. без коррекции динамиков ничего хорошего не будет. К тому-же фазу сводить между динамиками - обязательно, иначе будут дырки/пики на АЧХ.

Подстраивается пока лишь заменой резисторов/кондеров. Значения резисторов/кондеров разсчитываются либо в ручную, либо в экселе с сайта Линквица, либо в еще не созданной програмке путем кручения крутилок...

[s3tup]

Итак... на выходных было время - поковырял схемку, переделал нотчи на гираторы, с возможностью создания как провала так и пика на АЧХ.
Организовал симметричный вход (можно джампером переключать в обычный).
Добавил по коннектору вход/выход у каждой секции... Получилась каша из коннекторов, да и на плате дорожки не красиво ходят - и питание местами пересекают, и местами - длинные слишком...
Тут появилась мысль, а что, если:
- Все секции организовать отдельными блоками, не подключенными между собой?

Тогда нужно будет все секции подключать самостоятельно проводками, экранированным проводом, с припаянным экраном у одной стороны провода к земле. Это минус - будет много проводков в воздухе.

А в плюс... Можно будет получить плату, содержащую
- Симметричный/ассиметричный вход + предусилитель
- Баффлстеп/линквиц трансформ (Линквиц - если применять вместе с нотчем)
- Четыре параметрических эквалайзера
- Четыре секции Саллен-Ки второго порядка High-Pass
- Четыре секции Саллен-Ки второго порядка Low-Pass
- Две секции фазокрутилок 0-180

И из этого - уже крутить свой фильтр, собирая из "кубиков", последовательно соединяя блоки.
Таким образом возможны конфигурации до пяти полос вторым порядком, и от двух полос восьмым порядком (!!!), выход на сабик (если придумать сумматор на отдельной плате, или отдавать сабику стереосигнал на его встроенный фильтр-сумматор), сабик можно пропустить через фазокрутилку и поправить нотчем...
и еще кучу применений.

Каждый выход является выходом операционника = уже буфферизирован = можно на прямую подключать к усилителю.

Множество экранированных проводков, оплетающих плату - это... не знаю, на сколько хуже тех-же проводков, идущих в миллиметрах от линий питания на самой плате (не паралельно, а на перехлест, однако весьма рядом).

[RINDIG]

много проводов тоже плохо, сам убедился
но кому это не нравится можно ведь будет просто перемыки уже самому перекинуть вместо них ?