Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - Версия для печати
+- Audio Perfection Forum (https://www.audio-perfection.com/forum)
+-- Форум Аналоговая Схемотехника (https://www.audio-perfection.com/forum/forumdisplay.php?fid=3)
+--- Форум Измерительная техника (https://www.audio-perfection.com/forum/forumdisplay.php?fid=4)
+--- Темы: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей (/showthread.php?tid=87)
+- Audio Perfection Forum (https://www.audio-perfection.com/forum)
+-- Форум Аналоговая Схемотехника (https://www.audio-perfection.com/forum/forumdisplay.php?fid=3)
+--- Форум Измерительная техника (https://www.audio-perfection.com/forum/forumdisplay.php?fid=4)
+--- Темы: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей (/showthread.php?tid=87)
Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - begemot - 07-14-2014
Постановка задачи-уверенно измерять гармоники частоты 15-20КГц на уровне не хуже -140дБ (0.00001%).
При этом использовать звуковую карточку 24бит/192КГц чуть выше среднего уровня.
Т.е. такую, которая не позволяет мерить искажения на высоких частотах лучше чем -110дБ (0.0003%).
Решение задачи.
Эту задачу можно решать несколькими способами.
В данном случае предлагается использовать фильтровой метод.
1. Генератор. Необходимо улучшить исходные гармоники, т.е. подавить 2, 3 и т.д. гармоники более чем на 30дБ.
Для решения этой задачи к выходы генератора подключается полосовой фильтр с добротностью не менее 20.
Такой фильтр будет подавлять 2-ю гармонику не менее чем на 30дБ а гармоники более высоких порядков-на большую величину.
Фильтр с добротностью 40 будет подавлять 2-ю гармонику на 36дБ, что вполне достаточно для выполнения
поставленной задачи.
Кроме подавления гармоник входного сигнала, сам фильтр должен иметь искажения меньше 140дБ, при этом обладая
желаемой стабильностью центральной частоты и АЧХ.
2. Измеритель. Поскольку исходный измеритель (звуковая карточка) позволяет мерить искажения на уровне -110дБ,
необходимо увеличить его разрешение на 30-40дБ. Т.е. использовать режекторный фильтр, подавляющий частоту
генератора например на 40дБ, при этом пропускающий гармоники практически без ослабления.
Собственные искажения такого устройства то же должны быть не хуже -140дБ.
Схема устройства удовлетворяющего заявленным требованиям приведена в прикреплённом файле.
Полученные результаты:
Генератор - AP2722A, аналоговый.
Измеритель - АЦП на базе ADS1672 Performance Demonstration Kit
Измерительный тракт: генератор-->полосовой фильтр-->режекторный фильтр с подавлением 40дБ-->АЦП
Частота - 20КГц, амплитуда генератора-2V RMS
Как видно, уровень второй и третьей гармоник примерно - 112дБс ("с" означает - относительно сигнала)
Учитывая то что сигнал подавлен на 40дБ, получим уровни гармоник лучше -150дБс
Данный софт позволяет автоматически расставить маркеры над гармониками.
Соответственно, увеличив области в районе маркеров, можно детальней рассмотреть сигнал в районе гармоник.
На мой взгляд это больше похоже на шум, чем на сигнал гармоник. Т.е. реальный уровень гармоник возможно
ещё ниже.
Чтобы оценить что реально даёт полосовой фильтр, проведём измерение по следующей схеме:
Измерительный тракт: генератор-->режекторный фильтр с подавлением 40дБ-->АЦП
Т.е. без полосового фильтра. Таким образом, мы можем посмотреть искажения и помехи самого генератора.
Смею заметить что аналоговый генератор AP2722A один из лучших измерительных звуковых генераторов.
Таким образом учитывая подавление режектора 40дб получим 2 гармонику на уровне примерно -122дБ
и третью-144дБ.
Интересно было бы оценить что происходит при использовании генератора худшего качества.
Поскольку у меня не было под рукой обычной звуковой карточки, для данного измерения был использован
"цифровой" звуковой генератор AP2722A. Его качество примерно соответствует качеству ЦАП средненькой
звуковой карточки.
Искажения самого генератора, измеренные по схеме: генератор-->режекторный фильтр с подавлением 40дБ-->АЦП
Не забываем вычитать 40дБ из значения гармоник.
А вот это измерено с применением полосового фильтра.
Измерительный тракт: генератор-->полосовой фильтр-->режекторный фильтр с подавлением 40дБ-->АЦП
Как видно средненький генератор стал значительно лучше.
И спектр стал намного чище.
Т.е. даже такой генератор при применении данного полосового фильтра позволит измерять искажения
на уровне -140 а то и -150дБ
Не дурненько так получилось
.
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - begemot - 07-14-2014
Особенности конструкции и печать.
Собственно на чём это всё собрано:
Печатная плата, верхний слой.
Печатная плата, нижний слой.
Положительное питание выделено красным цветом.
Отрицательное питание выделено фиолетовым цветом.
Земля - выделено белым
Ну и несколько 3D картинок, чтоб было лучше понятно расположение деталей.
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - begemot - 07-14-2014
Краткое описание и особенности схемной реализации
Я думаю что схема несмотря на свою простоту заслуживает некоторых пояснений.
Схема представлена на 3 листах.
1. Полосовой фильтр, фильтрующий гармоники генератора (т.е. выхода звуковой карточки).
2. Режекторный фильтр, увеличивающий разрешение измерителя (т.е. входа звуковой карточки)
3. Блок питания. Точнее - стабилизатор. Который является общим для 2х остальных, в общем-то независимых устройств.
И полосовой и режекторный фильтры могут использоваться как совместно так и как 2 независимых устройства.
При совместном использовании предполагается следующая конфигурация:
Выход звуковой карточки (по сути-генератор) -->полосовой фильтр -->Измеряемое Устройство --> режекторный фильтр-->вход звуковой карточки (АЦП)
Начнём со стабилизатора (страница 3). Стабилизатор собран по схеме "Назара", которую я слегка модифицировал для улучшения
некоторых параметров. Что в принципе скорее всего было не нужно. Схема обладает очень высоким коэффициентом подавления
входной помехи в широком диапазоне частот. Что и послужило причиной её использования. Кроме того она мне понравилась
оригинальностью и изящностью идеи, положенной в её основу. Поэтому мне было интересно попробовать как она работает на практике.
Я думаю что стабилизатор имени "Назара" заслуживает того чтоб о нём поговорить в отдельной теме.
Что мы возможно и сделаем в ближайшее время.
Основой усилительных узлов является композит http://www.audio-perfection.com/forum/thread-8.html
Страница 1. Полосовой фильтр.
Полосовой фильтр собран по топологии биквада "tow-thomas". Эта топология обеспечивает значительно меньший уровень шума
при высоких добротностях по сравнению с фильтрами на одиночных усилителях (топология MFB).
Расплата - необходимость использования трёх усилительных блоков, т.е. некоторое усложнение.
Одним из достоинств выбранной топологии является уменьшение требований к параметрам выбранных усилителей.
Или, при заданных параметрах-уменьшение искажений и увеличение стабильности и повторяемости.
Добротность фильтра составляет примерно 40, что должно обеспечивать подавление второй гармоники 36дБ.
При желании добротность можно уменьшить, например при добротности 20 подавление будет примерно 30дБ.
Чего в большинстве случаев вполне достаточно.
Для увеличения перегрузочной способности на выход полосового фильтра добавлен LME49610,
который может быть заменён на BUF634F. При этом возможно потребуется небольшое изменение коррекции.
Для удобства использования, применены два BNC коннектора, один-номинальный выход и второй-ослабленный в 10 раз (20дБ).
Страница 2. Режекторный фильтр.
Входной буферный усилитель на U7, U8. Для удобства работы предусмотрено 2 входных BNC разьёма
с чувствительностью отличающейся в 10 раз (1 и 1/10)
Так же предусмотрено переключение усиления с 1 на 3. Естественно эти коэффициенты могут быть легко
пересчитаны для более удобного сопряжения с рабочим диапазоном ваших измерений.
Оптимальное значение напряжения на выходе U7 составляет 1.5-2.5В RMS.
Именно при этом напряжении были получены результаты по 2 и 3 гармоникам лучше чем -150дБ.
При увеличении сигнала на выходе U7 более 2.5-3В RMS наблюдается некоторое плавное возрастание
3-ей гармоники, вносимой входным буфером.
Сам режектор получен путём вычитания сигнала полосового фильтра, собранного на U6, U15 из сигнала с выхода буфера на U7, U8.
Разностный сигнал усиливается U9, U10, при этом имеется возможность переключать усиление при помощи SW4.
Блок выделенный как RF (RP1) позволяет подстраивать частоту полосового фильтра на U6, U15, перестраивая таким образом частоту режектора.
Несколько резисторов вокруг RP1 ограничивают величину регулирования и немного подстраивают закон регулирования частоты.
Использованный в режекторе полосовой фильтр имеет достаточно низкую добротность (Q=2),
что позволяет использовать для его построения простейшую топологию MFB, без значительного возрастания шумов.
RP2 используется для балансировки режектора и позволяет совместно с RP1 добиваться максимального подавления.
Настраивать режектор рекомендуется в среднем положении SW3 (MAX REJ), добиваясь подавления более 55-60дБ.
После чего SW3 рекомендуется перевести в положение -40дБ или -20дБ.
В этих положениях SW3 в сигнал подмешивается вполне определённая нормированная часть исходного сигнала, соответствующая подавлению основной частоты на 40 или 20 дБ.
Т.е. у вас в сигнале всегда будет присутствовать вполне определённая часть основной частоты,
подавленная на соответствующую величину и не подавленный спектр гармоник.
Таким образом очень легко осуществить нормировку, т.е. уменьшить относительное значение гармоник на величину, соответствующую подавлению основной частоты (40 или 20дБ в зависимости от положения SW3).
При настройке подавления, SW4 обычно удобно использовать в положении +20дБ,
чтоб частично компенсировать подавление сигнала режектором и обеспечить достаточно высокий уровень
сигнала на входе осциллографа и АЦП звуковой карточки.
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - begemot - 07-20-2014
Использованные компоненты.
Все конденсаторы, использованные в частотозадающих и корректирующих цепях - SMD 0603 COG/NPO.
Исключение составляют несколько конденсаторов большой ёмкости, которые предполагается использовать
при переключении фильтра на 20Гц (порядка 3мкФ). С ними я ещё не определился поскольку пока попробовал
только 20Кгц без переключения на более низкие частоты.
Проще использовать 5% конденсаторы, они значительно дешевле 1 или 2%. Абсолютная точность
установки частоты в принципе не нужна, всегда можно подстроить частоту генератора, а частота режектора
плавно перестраивается в достаточно широких пределах.
Большинство резисторов в цепях коррекции - обычные толстоплёночные SMD 0603 1%
В качестве резисторов в цепях задающих коэффициенты передачи (делители ОС) и ЧХ,
используются обычные выводные метало-оксидные резисторы 1% или SMD 0603 специальных
серий с малым коэффициентом напряжения.
Для того чтоб можно было использовать любой из этих вариантов, использован двойной футпринт.
В качестве переменных резисторов использованы многооборотные проволочные резисторы 7286R1KL.25
Работают очень хорошо, без проблем настраивается подавление 80дб и держит настройку вполне терпимо.
Так же пробовал обычные керметные. Особой разницы нет, просто многооборотником проще настраивать.
А с обычными скорее всего надо использовать 2, один для грубой, другой для точной.
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - begemot - 10-03-2014
Джентльмены, решил вот добить измеритель, поставить реле, посмотреть что будет на 20Гц.
Соответственно, нужны кондюки 3uF или 3.3uF. Что ставить посоветуете?
COG таких не бывает, даже близко. Ну не 30 же штук в параллель.
Не думаю что плёнка будет так хорошо себя вести, но увы.
Желательно чтоб они были здесь http://www.mouser.com/
Хотя не обязательно.
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - nazar - 10-03-2014
20Гц? а нафига?
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - begemot - 10-03-2014
А вот интересно. Плюс это позволяет оценить тепловые искажения. Есть разница в поведении ОУ например. По сравнению с 1Кгц. В 318 они очень большие при работе на 2К. Т.е. его нехорошо грузить на что-то ниже 10К. В 5534 на поядок лучше. В 49990, да и вообще в в современной ЛМЕ497хх-ещё почти на порядок лучше.
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - nazar - 10-03-2014
да ТИ это интересно, если будеш такое мерять померь 5534 от ОН и ТИ (фактически два разных ОУ), а ты собсно раньше какие 5534 мучал?
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - begemot - 10-03-2014
По моему у меня ТИ. Интересно конечно старые Филипсы померить. Не знаю, у меня есть конечно доступ к старенькому AP SYSTEM ONE. Там они наверняка где-то есть. Но не знаю.
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - nazar - 10-03-2014
там скорей всего не филипс а ТИ
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - Nick - 10-03-2014
Да любой нормальный полипропилен должен подойти.
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - begemot - 10-03-2014
Я вот то-же думаю про полипропилен. Но он разный бывает.
Вот кстати, у поросёнка есть совсем недорогая серия.
http://br.mouser.com/ProductDetail/Panasonic/ECW-FD2W335JB/?qs=9JuRDuJWUh/ruBgGJDVuMw==
Заказал, посмотрим.
Интересно, а как это для колонкостроения?
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - RadioMan - 11-11-2014
Как скоро ожидается готовое изделие для продажи?
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - flipper - 11-12-2014
Ай ловко!
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - begemot - 11-16-2014
RadioMan Написал:Как скоро ожидается готовое изделие для продажи?Да я в общем как-то не планировал. А что, надо?
Там на самом деле несколько небольших ошибок в печати.
Это печать вообще задумывалась как заменитель макетки.
Если кому-то интересно, свяжитесь с Владимиром ako PVM.
Возможно он сможет помочь.
Он кстати повторил это "великое" изделие и получил сравнимые результаты на
своей звуковой карточке.
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - belka - 11-16-2014
Жень, изделие хорошее.
Я так понял, что с генератором на 20 кил. не получилось? Или так оказалось просто проще?
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - begemot - 11-16-2014
Да нет, почему не получилось? Просто руки пока не дошли. Может когда и дойдут, но наверно уже не так как я планировал. Х.З.
И да, примочка к звуковой карте проще. Она вообще как-то спонтанно получилась, Владимир попробовал мой старый композит,
результаты мне не понравились, я попробовал другой. Ну и надо было как-то его измерить. А чем? Ну вот так эта штука и возникла.
Сейчас я наверно делал бы её немного по другому. Но перепаивать пока лень, и это неплохо работает. Как я уже писал, это скорее макет. Просто такие вещи надо макетировать уже на нормальной печати.
Кстати, сейчас наверно и старый композит нормально бы запустился. Я всё-ж чему-то научился, пока игрался. Но он мне сейчас уже неинтересен. Есть одна смешная мыслишка, я её пока думаю. Если получится, выложу.
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - Altor Audio - 11-17-2014
Если-б его еще перестраиваемым во всем диапазоне сделать....
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - begemot - 11-17-2014
Ну режектор там перестраивается процентов на 20-30. А полосовик, нужно спаренный резистор с высокой точностью согласования. В принципе можно попробовать механически спарить проволочный многооборотник. Плюс ещё надо пару чтоб подстраивать добротность. Можно правда использовать топологию, где добротность остаётся постоянной. Но она немного посложнее. Kак-то муторно. А делать электронную регулировку - всё разрастётся...
Тогда уж лучше сразу делать генератор с гармошками -140/150дБ с электронным управлением. В принципе мысли есть, но это развликуха на год-полтора. Надо будет ставить что-то приличное на управление, ну типа http://www.digikey.com/product-detail/en/STM32F429I-DISCO/497-13898-ND/4310131 Чтоб заодно и с дисплеем и с тачем. Плюс там быстрый 12 разрядный АЦП, можно попробовать замутить цифровую петлю в канал управления АРУ и что-то интересное сделать со временем установления на НЧ. Ну типа нелинейной петли. Чтоб и быстро устаканивалась и хорошо фильтровала пульсации. Но это тот ещё НИР получится. Хотя интересно.
Ну в общем я пока не готов.
RE: Полосовой и режекторный фильтры для измерения гармоник ультра-линейных усилителей - Altor Audio - 11-18-2014
begemot Написал:Ну режектор там перестраивается процентов на 20-30.Да ну, это несерьезно. Я имел ввиду 1000 процентов - хотя бы с 200гц до 20-30кГц.
Цитата: А полосовик, нужно спаренный резистор с высокой точностью согласования. В принципе можно попробовать механически спарить проволочный многооборотник.
не, механически не интересно, надо чтобы процессором управлялос.
Цитата:Плюс ещё надо пару чтоб подстраивать добротность. Можно правда использовать топологию, где добротность остаётся постоянной. Но она немного посложнее. Kак-то муторно. А делать электронную регулировку - всё разрастётся...
Тогда уж лучше сразу делать генератор
Меня больше режектор для АЦП интересует.
Цитата:с гармошками -140/150дБ с электронным управлением. В принципе мысли есть,
У меня пока не получилось.
Цитата:но это развликуха на год-полтора. Надо будет ставить что-то приличное на управление, ну типа http://www.digikey.com/product-detail/en/STM32F429I-DISCO/497-13898-ND/4310131
Нахрена там 429-й?!
Цитата: Чтоб заодно и с дисплеем и с тачем.
Таких евабордов и на ебее навалом, на разных процах.
Цитата:Плюс там быстрый 12 разрядный АЦП, можно попробовать замутить цифровую петлю в канал управления АРУ и что-то интересное сделать со временем установления на НЧ. Ну типа нелинейной петли. Чтоб и быстро устаканивалась и хорошо фильтровала пульсации. Но это тот ещё НИР получится. Хотя интересно.
Ну в общем я пока не готов.
Я тоже, но хотелось бы - до кучи к моим АЦП и Генератору, получился бы хороший комплектик.