Аналоговый фильтр с линейной АФЧХ N-полос, n-порядка

[Dark-Fox]

Привет. Задался вопросом постройки активного фильтра, да все никак схему подобрать не могу. То ФЧХ неравномерная, то порядок слишком мал. Так и быть, нужно разработать свой. Вот некоторые наброски, в железе еще не собирал, возможно ничего не выйдет, деталей не много, плату пока не спешу разводить, пока сыровато. Хочу получить адекватную критику, потому что чувствую, захожу в тупик с этим ужасом Ниже схемы и результат моделирования.

Схема в программе Multisim 14


Результат моделирования в программе Multisim 14



Схема в программе Micro-Cap 10



Результат моделирования в программе Micro-Cap 10






Это максимальный порядок который я проверял, меньший порядок намного стабильнее и "красивее", без всяких плясок. Наращивать полосы можно добавляя ФВЧ и ФНЧ, вычитая при этом разность частот, можно получать полосовые и режекторные фильтра. Увеличивать порядок можно добавляя цепочки интеграторов и подгоняя глубину обратной связи. Единственное что у меня не получилось это выделить адекватную СЧ полосу из стандартного фильтра, потому пришлось городить огород из двух независимых фильтров, и вычитать разность полос НЧ-НЧ1 (ВЧ-ВЧ1). Фазовый фильтр после основного можно не использовать, тогда фаза "крутится" на 180° либо в "+" либо в "-" по полосам НЧ и ВЧ, так же становится проблематично "поймать" фазу СЧ полосы при разности НЧ (ВЧ) полос. Это уже решается при тонкой настройке. За основу была взята схема state variable filter https://en.wikipedia.org/wiki/State_variable_filter Схема претерпела некоторые изменения Файлы для моделирования могу залить на файлообмен, если кто-то захочет "поиграться". Еще раз повторюсь, в железе возможно ничего работать не будет. Жду комментариев.

[lazertok]

Мультисим не может...

эт точно - видимо слишком много элементов модели - "СВиСТ_итЬ"

[Dark-Fox]

эт точно - видимо слишком много элементов модели - "СВиСТ_итЬ"

Да, это его недостаток, при большом количестве элементов, еще до начала моделирования начинает жутко тормозить. К тому же он однопоточный, максимум он может загрузить только одно ядро. В мультисиме быстрей набросать схемку и посмотреть что к чему. Микрокап серьезней и стабильней, можно под микроскопом все рассмотреть, но он неудобен для быстрой отрисовки схем и задания параметров моделирования. Был бы core i7 возможно все летало, а так приходится довольствоваться 6-ю ядрами от AMD. Ладно, это уже оффтоп.

Пока что я разбираюсь почему возникает ПОС. Сама основа схемы "State variable filter" неплохая.

[lazertok]

можно попробовать с моделями идеальных ОУ - посмотреть в полосах с сигналами разной формы и думаю спектр тоже

[Alex]

Был бы core i7 возможно все летало, а так приходится довольствоваться 6-ю ядрами от AMD.

Т.е. 4 ядра от Интела были бы лучше 6-ти ядер от АМД?
Хотя да, некоторые i7 тоже 6-ти ядерные.

[dvm1961]

Т.е. 4 ядра от Интела были бы лучше 6-ти ядер от АМД?

Offтопик:
В микрокап толку от 6 ядер AMD не больше, чем и от 4 ядер Intel.

[lazertok]

Offтопик:
"яЙдрами" мерятся будем??? - чушь...
измерения я на старом компе 10-ти летней давности в 12-м симе делал - и файлы с открытием в 13-м также почти работают,
с небольшими коррекциями и адаптацией по DC.

[vladsan75]

Dark-Fox,если будете делать электростатики,то не портите их ШП динамиками.Очень хорошо работает 2х-3х полосная система с панелями разной ширины даже с одним повышающем трансформатором и RC фильтрами(в качестве емкости будут выступать сами панели).Если будете применять для каждой полосы свой трансформатор,то вполне хватит фильтра 2го порядка,но последовательно с панелями все равно нужно ставить сопротивления,а то получите подъем в 6 Дб на октаву.

[anatol0]

Что-то тема ушла от схемотехники, а ведь есть принципиальные вещи - фильтры высоких порядков не делают путем простого каскадирования идентичных звеньев первого-второго порядков.

[Dark-Fox]

Сейчас будет конкретный оффтоп, это первый и последний пост в этой ветке по электростатам, когда "созрею" создам новую тему посвященную альтернативному подходу в проектировании электронной части ЭСАС.


vladsan75, спасибо за рекомендацию. Найду пленку, и начну плотнее проектировать электростаты, втирать графит я не хочу. По усилителю, я (как горе проектировщик фазолинейных кроссоверов ) порадую публику своей разработкой высоковольтного усилителя на доступных компонентах. В первом приближении набросал схему в симуляторе, проверил работает.

За основу взят принцип: http://www.power-e.ru/2009_2_57.php

Структурная схема для электростатов на полупроводниках:



Дорогие компоненты схемы — оптопары для развязки, должны обладать хорошей линейностью. Планирую такие: H11F1M или HCPL-7840, из доступного. Трансформаторы для питания каскадов импульсные, проектировать с учетом уменьшения емкостной связи обмоток. Можно использовать сердечники от ТВС, и разносить обмотки. Можно использовать маленькие трансформаторы и включать их параллельно по принципу проводных радиоточек, такой подход применяется в некоторых промышленных ПЧ, работает успешно для развязки питания драйверов IGBT.

Подобных решений или предложений по многоуровневой схемотехнике я в сети не встречал. Такая схемотехника открывает хороший простор для построения, скажем, высоковольтных лабораторных БП, от 0В — до ...кВ.
Сейчас понемногу занимаюсь проектированием высоковольтного мостового усилителя на ОУ с повторителями на транзисторах, хочу получить размах в несколько сотен вольт, потому что оптопары дорогие, и нужно уменьшить количество последовательных каскадов, но так, что бы суммарный размах амплитуды, последовательно включенных каскадов, составил около киловольта, для хорошей отдачи на НЧ.

Конкретный оффтоп подошел к концу.

---------- Сообщение добавлено 13.13 ---------- Предыдущее сообщение было 12.50 ----------
Ближе к делу.

В общем. Поразмыслил глубже и пришел пока к выводам, что невозможно создать аналоговый кроссовер с линейной ФЧХ. anatol0, прав, нужна цифра. Аналоговая обработка возможна за счет реактивного сопротивления компонента. Реактивное сопротивление возможно за счет фазового сдвига, не слышал о создании фазолинейного компонента обладающего переменным сопротивление на участке частот, как-то конденсатор или индуктивность. При устойчивой системе фазовый сдвиг получается отрицательный, между выходным и входным сигналом, это фильтра и иже с этим. При положительном сдвиге фаз получается генератор. При нулевом фазовом сдвиге, с нелинейным сопротивлением на участке частот, так же получается генератор. Есть схемы с линейной АЧХ, обладающие заданным сдвигом фазы, опять же в отрицательную сторону — фазовые фильтры.

Любая обработка влечет отрицательный фазовый сдвиг, при наслаивании обработок, фазовый сдвиг увеличивается в отрицательную сторону. Компенсировать фазовый сдвиг нечем, применить, скажем, инвертор нет смысла, инвертор прибавляет еще -180° ко всей полосе частот сигнала.

Устойчивых схем фазовых фильтров или иных, которые производят положительный фазовый сдвиг нет. Электрически это попросту невозможно, невозможно опередить появление сигнала которого не существует.

Остается только пространственный фазовый сдвиг за счет разноса головок. Тогда можно головку запаздывающей полосы физически выдвинуть вперед, с учетом ее акустического центра. Это все долгие игры с акустическими измерениями, очень долгие.

Для этого нужно синтезировать квазифазолинейную схему, имеющую постоянный фазовый сдвиг в рабочей полосе частот, что сложно сделать для промежуточных полос, СЧ, СЧ1...СЧn.

Буду искать решение, из разных зол выбирать меньшее. В сети много схем названных фазолинейными, которые при проверке не выдерживают критики. Постараюсь по возможности показать работу части из них. Мало ресурсов, где в одном месте попадается подборка схемотехники фильтров с приемлемыми характеристиками. Постараюсь сделать такую подборку.

[Alex]

Дорогие компоненты схемы — оптопары для развязки, должны обладать хорошей линейностью.
Планирую такие: H11F1M или HCPL-7840, из доступного.

Первые тут как бы вообще не подходят - нужны дифференциальные, например IL300.
7840, 7800 - можно попробовать.

Offтопик:

Подобных решений или предложений по многоуровневой схемотехнике я в сети не встречал. Такая схемотехника открывает хороший простор для построения, скажем, высоковольтных лабораторных БП, от 0В — до ...кВ.

Я делал лабараторники до 250В/150А из пяти последовательных SPV-1500-48, и 750В/80А из 4-х этажей по 6 параллельных елтеков.
Только кто-ж такие конструкции просто так в сеть выкладывает

[Dark-Fox]

Первые тут как бы вообще не подходят

Подходят. Вспомните, на каком принципе работает усилитель класса А. На второй стороне нужен преобразователь R/I или R/U.

Offтопик:
Каждый, из последовательных каскадов, представляет собой "батарейку", напряжение на которой меняется по закону входного сигнала. "Батарейки" эти включены последовательно. Неважно, есть ли разброс каких-либо линейных параметров, в итоге получаем сумму напряжений каждого каскада. Возможен незначительный разброс выходных характеристик, ток, в последовательной цепи одинаков.

[Alex]

Подходят. Вспомните, на каком принципе работает усилитель класса А.

Мне проще вспомнить свои более чем 25-летние опыты с аналоговой гальванической развязкой.
От худшего к лучшему:
- с использованием обычного оптрона и его линеаризация разными способами (последнее что так делал лет 15 назад - развязку телевизионного сигнала с компа, без которой я спалил свой Матрокс)

- с использованием дифференциального оптрона или двух обычных (второй фотодатчик - в обратной связи, в слуае двух отдельных - светодиоды последовательно). Вот такое мы еще в 80-е широко использовали для мед. аппаратуры =- линейность получалась порядка 0.2% при комнатной температуре, и 0.5% в реальном диапазоне. На половине совецких, тогда еще деталях.

- переход к цифре, прогон ее через обычные оптроны или гальв. развязки (Adum, Iso, Si) и потом обратно в аналог. По простому- PWM с одной стороны и RC/LPF с другой, по хорошему - ADC-DAC.
Собственно в вышеупомянутых 48хх примерно так и сделано.

Каждый, из последовательных каскадов, представляет собой "батарейку", напряжение на которой меняется по закону входного сигнала.

Да я понял идею. Как и идею питать электростаты без транса.
У меня один знакомый лет 10 назад экспериментировал со своими Мартин Логанами, питая напрямую от мостового высоковольтного усилителя, если мне память не изменяет.
Насколько я помню, вернулся опять к классике.

[onv23]

Да я понял идею. Как и идею питать электростаты без транса.
У меня один знакомый лет 10 назад экспериментировал со своими Мартин Логанами, питая напрямую от мостового высоковольтного усилителя, если мне память не изменяет.
Насколько я помню, вернулся опять к классике.

У меня ЭС-наушники кормятся и от транса, и от DirectDrive УМ. Во втором случае звучание несравнимо лучше.

[vladsan75]

У меня ЭС-наушники кормятся и от транса, и от DirectDrive УМ. Во втором случае звучание несравнимо лучше.

Учтите,что для создания нормального давления в ЭС наушниках нужно порядка 100В RMS,а дла колонок нужно как минимум в 10 раз больше и сделать директ драйв на такой размах с хорошими характеристиками очень и очень не легко и не каждому под силу.

[anatol0]

Эту тему надо закрывать и открывать по электростатам в соотвествующем разделе.

[Alex]

Да я понял идею. Как и идею питать электростаты без транса.
У меня один знакомый лет 10 назад экспериментировал со своими Мартин Логанами, питая напрямую от мостового высоковольтного усилителя, если мне память не изменяет.
Насколько я помню, вернулся опять к классике.

У меня ЭС-наушники кормятся и от транса, и от DirectDrive УМ. Во втором случае звучание несравнимо лучше.

Я полагаю, в твои наушники от ДиректДрайва не подаются 1.5-2 киловольта?

[onv23]

Учтите,что для создания нормального давления в ЭС наушниках нужно порядка 100В RMS,а дла колонок нужно как минимум в 10 раз больше и сделать директ драйв на такой размах с хорошими характеристиками очень и очень не легко и не каждому под силу.

Это очевидно и и тут не о чем спорить

---------- Сообщение добавлено 23.14 ---------- Предыдущее сообщение было 23.13 ----------

Я полагаю, в твои наушники от ДиректДрайва не подаются 1.5-2 киловольта?

Конечно, +-330В на синусе и 1,3кВ поляризующего. Но с этим, действительно, лучше не здесь.

[ViktKors]

Ближе к делу.

В общем. Поразмыслил глубже и пришел пока к выводам, что невозможно создать аналоговый кроссовер с линейной ФЧХ.

Это слишком строгое утверждение. Несколько ближе к истине оно будет, если требовать не только линейной ФЧХ, но и фазокогерентности между полосами.

Если-же требование фазокогерентности не озвучено, то самый очевидный "противопример" - это пассивные фильтры-вычитатели. На двух полосах и низких порядках они вполне успешно реализуются. Понятно, что теоретически (), особенно в активе, ограничения малыми порядками и двумя полосами нет.

В более общем случае основная сложность - это вносимая фильтрами задержка. Но эту проблему не очень сложно обойти - достаточно уметь задерживать сигнал целиком. Т.е. в типичном случае, СЧ задерживается фильтром, а ВЧ проходит практически мгновенно, ну так и пускать СЧ через фильтр, а ВЧ через линию задержки.

Правда аналоговая линия задержки на несколько миллисекунд полосой в десяток килогерц - изврат еще тот. Но ведь есть еще цифра, и там сделать задержку труда не составляет, причем "хайэндовость" такого решения (в отличие от FIR-ов) несоменна.
Ну а дальше дело техники, желания и наличия свободного времени
Где-то на форуме я выкладывал подробности, сходу пост не нашел, но это мелочи. Там достаточно ключевых слов: задержки, вычитатели.

ЕМНИП где-то в середине 80-х даже выходила какая-то статья от кого-то из корифев по поводу подобных кроссоверов на вычитателях. Статья вроде как за деньги, потому я ее не читал , но учитывая, что там они дальше несимметричного раздела 3/4 порядком не продвинулись, ценность статьи скорее историческая.
По сути, никто не мешает делать разделы нужных разумных порядков по желанию.


Подобный кросс получается фазолинейным, но в типичном слуучае не идеально фазокогерентным. Впрочем, на фоне неидеальности головок кроссоверый разбег по фазе до пары десятков градусов роли не играет.

П.С. И да, это такой кросс - это ведь даже не пол-дела. Ключевой вопрос - коррекция динамиков

П.П.С. Строгое ИМХО. Я это уже озвучивал, но тем не менее. ИМХО куда важнее чем фазолинейность кроссовера (на слух это такие крохи) другая фазолинейность - басового звена, а именно, его нижнего среза. Т.е. на все что выше 1 килогерца - забить. Раздел НЧ-СЧ возможно (!) выправить, не исключено, что и обычными фазолинейными фильтрами с разбегом фазы (задержки не нужны), а вот с ГВЗ на нижнем срезе АС (из-за основного резонанса басовика) - поработать вдумчиво.

[Dark-Fox]

аналоговая линия задержки на несколько миллисекунд полосой в десяток килогерц - изврат еще тот

Фазовый фильтр:

Обеспечение фазокогерентности не является проблемой, точней, не является существенной проблемой.

---------- Сообщение добавлено 00.40 ---------- Предыдущее сообщение было 00.17 ----------

фильтры-вычитатели

Фильтр дополнительной функции?

причем "хайэндовость" этого

[ViktKors]

Фазовый фильтр:

Как вариант.
Это "фазокрутилка", позволяет плавно менять фазу с частотой. Для целей собственно задержки скорее сгодятся ФФ более высокого порядка, тогда нужно чуть меньше ОУ, но там, помимо прочего, требуются более точные элементы.

Фильтр дополнительной функции?

Типо того. Связка ФНЧ и вычитателя на ОУ.
В типовом случае (без задержки) "дополняющий ФВЧ" получается только первого порядка.
Можно поиграться с ФНЧ и повысить крутизну ФВЧ за счет расширения полосы совместной работы.
Можно задержать полосу перед вычитателем посредством ФФ (частично, например аналогично ФНЧ) - получится та или иная (менее качественая) реализация обычного фильтра.
Можно задержать полосу полностью - получится фазолинейный фильтр порядком не выше третьего.
Можно еще поиграться.

Попробую нарисовать - дополню пост.