Фильтр низких частот своими руками

Обновлено: 08.07.2024

Фильтры частот – это простейшие электрические цепи, АЧХ которых нелинейная. Сопротивление в таких цепях изменяется при изменении частоты сигнала. Состоять такая цепь может из одного или нескольких элементов цепи.

Краткое содержимое статьи:

Пассивные и активные фильтры низких частот

Пассивный фильтр состоит только из резисторов или конденсаторов. Они не требуют энергии для выполнения возложенных на них задач. Почти все пассивные фильтры обладают линейной характеристикой.

Активный фильтр включает в свою конструкцию транзистор или операционный усилитель. АЧХ такого фильтра благоприятнее чем у пассивного.

Спрашивается, зачем и где они применяются? У фильтров принцип действия следующий: поступающий на них сигнал фильтруется, и остаются только те сигналы, которые необходимы. Одной из областей применения таких устройств является электронная цветомузыка.

Характеристики частотных фильтров

Частота, при которой понижается амплитуда выходного сигнала, до значения 0,7 от входного, называется частотой среза.

Крутизна частотной характеристики фильтра. Она показывает, как резко меняется сигнал после того, как прошел фильтр. Чем больше будет угол, тем лучше.

Виды частотных фильтров

Одноэлементные;
Г,Т,П-образные;
Многозвездные. Они представляют собой последовательно подключенные Г-образные.

В данной статье будут рассмотрены схемы и устройство фильтра нижних частот.

Простейшие фильтр нижних частот своими руками

В домашних условиях вполне можно изготовить данное устройство и по качеству оно будет не сильно уступать магазинному аналогу. К тому же, дешевизна и простота конструкции окупит все вложенные усилия.

Частота среза – 300 Гц. Пропускаемый сигнал не будет выше данного показателя;
Требуемое напряжение –9/30 В;
Потребление электричества – 7 мА.

DD1 BA4558;
VD1 Д814Б;
C1, C2 10 мкФ;
С3 0,033 мкФ;
С4 220 нф;
С5 100 нф;
С6 100 мкФ;
С7 10 мкФ;
С8 100 нф;
R1, R2 15 кОм;
R3, R4 100 кОм;
R5 47 кОм;
R6, R7 10 кОм;
R8 1 кОм;
R9 100 кОм — переменный;
R10 100 кОм;
R11 2 кОм.

Инструкция, как правильно сделать простой фильтр

В схеме включающей в себя резистор R11, конденсатор С6, и стабилизатор VD1 собран блок, который стабилизирует входящее напряжение. Если подаваемое напряжение меньше 15 В резистор нужно удалить из схемы.

Элементы R1, R2, С1, С2 являются сумматорами входящих сигналов. Если на фильтр подается моносигнал, сумматор можно удалить. После этого необходимо подключить источник сигнала напрямую к следующему (второму) контакту.

DD1.1 является усилителем поступаемого сигнала, а на DD1.2 расположено устройство, не пропускающее высокие сигналы.

Далее фильтром входного сигнала служит R7, а R9, R10, С8 является регулятором звука. Его можно отключать, при этом С7 будет снят со звуковой дорожки.

Изготовление печатной платы

Мы описали схему, которую нужно использовать, теперь изготовим важнейший элемент, а именно печатную плату.

Необходимо взять стеклотекстолит, ширина которого должна быть 2 см, а длина 4 см. Для начала обезжирьте поверхность и тщательно ее отшлифуйте. Затем распечатав представленную ниже схему, перенесите ее на кусочек стеклотекстолита, соблюдая габариты. Рекомендуется использовать метод ЛУТ.

Рисунок должен полностью отпечататься на поверхности заготовки, если не получилось сделать это с первого раза, можно дорисовать прерванные дорожки о руки.

Приготавливаем раствор, в котором будем травить стеклотекстолит. Вам необходимо взять 2 столовые ложки лимонной кислоты и 6 столовых ложек перекиси водорода и тщательно их перемешать. Для ускорения процесса перемешивания добавляем в щелочной раствор щепотку соли. Соль не участвует в процессе растворения.

Нужно поместить приготовленную заготовку с начертанными дорожками прямо в полученный раствор. Перед погружением убедитесь, что рисунок дорожки хорошо прорисован, иначе вы испортите поверхность.

Подождав немного убедитесь, что весь лишний медный слой растворился. Затем необходимо достать заготовку из емкости и промыть ее в проточной воде. При помощи ацетона удаляем чернила с платы.

Сборка

Для того, чтобы не ошибиться во время спаивания желательно использовать схему. Последовательно и аккуратно припаивайте все элементы.

Заключение

Описанная выше схема должна заработать после первого включения. Никаких настроек фильтр не требует. Основные проблемы, которые могут возникнуть при запуске, связанны с некачественной сборкой или спайкой, в редких случаях с неисправностью применяемых элементов схемы.

Фото фильтров низких частот

Электрический фильтр — прибор, позволяющий выделять необходимые компоненты спектра и подавлять ненужные. Бывают они верхних (ФВЧ) и нижних (ФНЧ) частот.

Основные определения

Амплитудно-частотная (АЧХ) — указывает изменение амплитуды сигнала, в зависимости от его частоты. На одной она может быть равна на входе и выходе. При другой будет уменьшать амплитуду входного сигнала.

Частота среза — частота, при которой исходящие колебания падают до 0.7 от входящих.

Крутизна частотной характеристики — при перемене АЧХ на выходе указывает резкость изменения исходящего сигнала. При этом лучше, когда это уменьшение происходит быстрее.

Фильтры представляют собой электрические цепи. В состав может входить один или несколько элементов, которые имеют разное сопротивление. Существуют различные схемы и устройство фильтров низких частот.

Для звукового сигнала изменение сопротивления этих фильтров зависит от его частоты и называется реактивным. Им наделены катушки индуктивности и конденсаторы, благодаря чему из них производят фильтры различных частот.

Фильтр низких частот управляемый напряжением обычное дело для аналоговых синтезаторов, но на рынке гитарной обработки сложно найти, что то подобное.

Подавляющее большинство подобных диу педалей имеют очень урезанный генератор огибающей, что ограничивает их использование.

В очередной раз не найдя подходящую по функционалу педаль, решил собрать ее сам из того что было под рукой.

Для тех кому лень читать.

По ссылке доступны все необходимые файлы и инструкции по заказу плат, комплектующих и сборке педали:

В самом низу постав добавлю короткое видео с работой устройства.
(Ссылка на видео есть так же на странице в гитхабе)

В общем, однажды надоело ковырять гитарные педали и полез в синтезаторы, там ознакомился с разными способами обработки и управления сигналами не свойственными для гитарных педалей в ввиду разных ограничений (которые вовсе и не ограничения).

Погуглил что к чему прикладывается.

Схемы из интернетов к деталям прикинул, и собрал из того, что было.

Здесь установлены два блока из аналогового синтезатора, адаптированных под гитарный сигнал:

VCF (Voltage Controled Filter) — Фильтр управляемый напряжением, здесь я использовал фильтр низких частот (Low Pass Filter), так как он самый приятный уху оказался в работе с гитарой.

Это схема на довольно популярном для этих целей операционном усилители LM13700, ее часто можно встретить в компрессорах, лимитерах, фейзерах или даже на громкостях.

Все компоненты были подобраны с учетом частотных характеристик гитары (на слух), так как большинство фильтров для синтов слишком резкие для гитары и звучат довольно специфично.
С этим конечно пришлось повозиться.
Ниже будет приведена схема использованная в данной педали.

AR/AD ENVELOPE GENERATOR — Генератор огибающей, в синтезаторах используется для управления громкостью, например для того, чтобы сделать нарастающий по громкости звук или наоборот плавно затухающий при нажатии на клавишу.

Данный генератор может работать в трех режимах, один из которых цикличный и может использоваться как генератор низкой частоты (LFO), например как в фейзере, но при этом форму волны можно поменять всего двумя теми же ручками атаки и затухания.

На изображении пример того как срабатывает генератор огибающей в разных режимах при нажатии на кнопку.

В паинте рисовал 🤷‍♂️

Из чего это все состоит:

Я разбил схему на 6 функциональных блоков на которой изобразил блок-схемой как проходит сигнал, а так же ручки управления.

Каскад перегруза (OVERDRIVE)

Гейт конвертер (GATE CONVERTER)

Генератор огибающей (ENVELOPE)

Фильтр управляемый напряжением (LP FILTER)

Микшер (MIX STAGE)

Для полноценного управления напряжением, необходимо двухполярное питание.
Такое питание используется во всех модульных синтезаторах.

Поскольку схема у нас максимально аналоговая и потребление здесь минимальное, самое простое решение это преобразователь на переключающихся конденсаторах ICL7660S.
Он компактный, дешевый, требует минимум обвеса и идеально подходит для работы в педалях.
Обязательно нужно использовать микросхему с маркировкой ICL7660S (та что без буквы S имеет низкую частоту работы, из за чего будет постоянный "свист" на фоне)

Поскольку гитарный сигнал у нас поступает сразу на несколько функциональных блоков, его необходимо усилить, для этого используются 2 ОУ с регулируемым коэффициентом усиления.

После чего сигнал подается:

В блок перегруза

В гейт конвертер

Схема перегруза взята за основу Vertex TDrive, это достаточно гейновый овердрайв, на выходе у него стоит JFET транзистор, добавляющий довольно приятной "теплоты".

Питание этого блока была адаптировано под двухполярное напряжение, что по идеи должно было дать больший частотный диапазон (Да, этим часто пользуются производители перегрузов в последнее время, разгоняя питание обычной той же ICL7660).

Схема взята кстати отсюда: Caboose Overdrive.

Устанавливал вместо этого блока другие приколясы (например октавер через FLIP-FLOP), тоже интересно, но для гитары овер оказался более компромиссным решение.

Гейт конвертер использует 3 ОУ, двумя из которых усиливает сигнал в 100 раз(а может быть и нет), после чего полностью выпрямляет его компаратором.

Для установки выходного напряжение на нужный уровень, используется простой делитель напряжения (R31 и R34), при напряжение в 9в, на выходе ровно 5в, так что при желании можно вывести его отдельно, для управления внешними устройствами.

Микшер был взят из MFOS SUB-COMMANDER очень нравится решение с посыл/возвратом сигнала, очень понятное и удобное решение для смешивания сигналов.

Энвелоп генератор взят из MFOS MINI SYNTH SOUND LAB.
Надёжный и простой генератор огибающей.

ADSR для гитары не показался чем то особенно круче, +2 ручки не стоят того.

Не самое компактное решение, но цикличный режим который позволяет его использовать как LFO и делает не нужоным это ваш лфо.

О том как он устроен и почему работает вполне доступно и подробно написано на сайте musicfromouterspace, да и вообще там можно много найти интересного, что может помочь с Вашими проектами.

Фильтр низких частот как уже писал ранее практически на самой классической микросхеме для этих целей.

LM13700 здесь используется в режиме резистора управляемого напряжением и меняет частоту среза фильтра открывая ее.(так гугл транслет говорит).

Ручка резонанса регулирует обратную связь и усиливает частоты на срезе, при высоких значениях ручки резонанса, фильтр начинает заводиться, добавляя сигналу гармоник, что дает классический синтезаторный "Wah"-тон.

Чтоб собрать всю эту теорию в практику, потребовалось не мало времени.

Для начала мне пришлось проверить работоспособность каждого отдельного блока на макетных платах, в работоспособности честно говоря не сомневался, так как некоторые блоки использовал ранее в других устройствах и убедился в их корректной работе, но тем не менее нужно было понимать о возможных багах и артефактах в их работе совместно.

Убедившись, что все более менее работает корректно, отправился в EasyEDA перерисовывать это все в цельную схему.

Я всегда использую разделение по блокам и пометки в схемах, чем советую не пренебрегать.

Разбираться через пару месяцев в своей же схеме тратит время.

Корпуса педалей обычно ограничены по размеру, а учитывая количество деталей и желание построить все на "DIP" компонентах, пришлось использовать довольно плотную компоновку.
Соответственно ручки были вынесены на проводах, что позволило расположить их ~~как попало~~ лишь бы влезло :-)

Сразу было определены размеры платы, от которых приходилось отталкиваться:
82х86мм, это практически максимально допустимый размер платы который поместится в корпуса GAINTA G0473 (MXR STYLE).

Я такой корпус конечно же не использую.

Крепежные элементы тоже конечно же не рассчитывал, что в корне осуждаю, но был расчет, что плата будет держаться на проводах, что собственно и произошло.
Отверстия кстати есть на всякий случай.

На трассировку потратил некоторое время, еще некоторое время на исправление.

Очень рекомендую всем, кто занимается подобным "тетрисом" использовать 3д модели, чтоб хотя бы примерно понимать о расположении комплектующих, особенно важно в проектах где установлены потенциометры и другие управляющие элементы сразу на плате.

Далее был оперативно оформлен заказ на одном из сервисов по производству печатных плат в Китае и приступил к сборке.

Так как я заранее располагал комплектующие с учетом их реальных размерам (благодаря 3д моделям), в сборке никаких трудностей не возникло и готовая плата уже была через пару часов после прибытия посылки с почту.

Самое сложное, как и ожидалось, это установка потенциометров и тумблеров.
11 потенциометром, 3 тумблера и 2 кнопки становятся в притык в такой небольшой корпус.

Корпус это отдельная история.

Он уже пережил несколько проектов которые не нашли себя в реальном применении и обзавелся неожиданными отверстиями, которые пришлось заделывать тем, что было под рукой.

Рассчитав необходимую длину проводов для потенциометров, установил их на плату.
Тумблера устанавливаются с внешней стороны корпуса, поэтому остались напоследок.

Из за такой особенности установки не рекомендую использовать подобные клавиши, но в данном случае это была безысходность, так как диаметр установочных отверстий под них чуть больше 15 мм и пришлось бы закрывать "технологические" отверстия.

Конечно же не все завелось с первого раза, попался сгоревший полевой транзистор на выходе перегруза, второй тоже.

В общем разборка подобной конструкции не самое приятное занятие, так что замена была установлена с нижней части платы.

Байпасс конденсаторы так же до сих пор не установлены из за совокупности разных факторов и человеческой лени, но и без них прекрасно работает.

Ну и видосик о том как это работает.

Если будет какая то активность под постами, постараюсь ускорить выход новых проектов.

Но пока жду юбилея в 60 дней ожидания бесплатных плат с ALLPCB, осталось совсем не много(или много).

В 12 каскадный фейзер с лфо управляемым напряжением и энвелоп генератором.

В Бомж-драм-машина за полтораху.

MFOS SLMS с модами и дилеем

Что то еще, но уже забыл, потому что слишком долго идут платы.

На все проверенные проекты будут выложены или не будут, схемы и файлы для заказа плат под сборку.

На научную степень диванного эксперта не претендую.

Видосик унылый, но другого у меня для вас нет.

Если я в чем то не прав, то я прав.

Пишите в комменты, что хотелось бы, чтоб аналогово и по всякому, и собиралось легко, и доступно по русски, что нибудь придумаю с этим.

Фильтр низкой частоты для сабвуфера выполнен на распространенных операционных усилителях (LM324, LM358). Неотфильтрованный сигнал подается по двум каналам (правый и левый), а в дальнейшем суммируется, фильтруется и поступает на один выход фильтра.

Особенностью схемы фильтра низкой частоты является его балансный вход, который позволяет подключить источники звука как с дифференциальным выходом (трехпроводным каналом), так и с классическим выходом (двухпроводным). Также есть возможность включения фильтра как после предварительного усилителя, так и после усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ), в таком случае на входе схемы сигнал ослабляется резисторами.

Фильтру для сабвуфера придают универсальность широкий диапазон напряжения питания, а также ручки регулировки частоты среза ФНЧ, сдвига угла фазы сигнала и коэффициента усиления.

Основные характеристики фильтра низкой частоты для сабвуфера

Напряжение питания Uпит (DC) …… 3…30В

Ток, потребляемый схемой ….. 50мА

Полоса пропускания ….. 20…250Гц

Нижняя частота среза ….. 20Гц-25Гц-30Гц

Верхняя частота среза ….. 30…250Гц

Коэффициент усиления ….. -20дБ…+20дБ

Регулировка фазы ….. 0…360 градусов

Схема фильтра низкой частоты для сабвуфера

Эту схему можно встретить практически среди всех производителей и распространителей наборов для самостоятельной сборки, собственно, откуда она и была взята.

Резисторы R1-R4 ослабляют сигнал, если он подан с выхода усилителя мощности звуковой частоты.

Балансные блоки выполнены на операционных усилителях (ОУ) U1.1-U1.2 и U1.3-U1.4, которые включены как повторители напряжения с единичным коэффициентом усиления, усиливая сигнал по току. ОУ U2.1 представляет собой сумматор.

Сигнал с выхода сумматора поступает на фильтр верхних частот C5, C7, C8, R23, R25, R26, U2.3, который срезает сигнал в области инфранизких частот. Частота среза будет зависеть от подключенного перемычкой XP1 резистора R23, R25 или R26 и равняться 30Гц, 25Гц или 20Гц.

Далее сигнал поступает на фильтр нижних частот, главным образом состоящий из ОУ U2.4 и его пассивных элементов. Изменяя сопротивление резистора R19, плавно изменяется частота среза в диапазоне 30-250Гц.

Таким образом, образуется изменяемая полоса пропускания, которая будет находиться в диапазон 20Гц-250Гц.

Вращая ручку потенциометра R16, происходит изменение коэффициента усиления, а также изменение угла фазы сигнала. Когда ручка R16 в среднем положении, коэффициент усиления равен -20дБ. В крайних положениях коэффициент усиления равен +20дБ, а угол фазы 0 градусов и 180 градусов соответственно.

Фазовращатель U3.1 позволяет повернуть фазу еще на угол 0-180 градусов.

Регулирование угла фазы позволяет правильно настроить акустическую систему в целом, так как активные фильтры всегда изменяют угол фазы, а в УМЗЧ без фильтров данного эффекта не происходит.

Резистивный делитель R33 и R34 создает среднюю точку питания.

Компоненты схемы фильтра низкой частоты для сабвуфера

При прослушивании музыкальной программы на сабвуфере (тем более в автомобиле) тяжело судить о качестве усиления и о наличии каких-либо искажений. Поэтому, нет необходимости применять дорогостоящие ОУ или пленочные конденсаторы.

Все конденсаторы керамические, за исключением полярных электролитических конденсаторов C14 и C17. Резисторы мощностью 0.25Вт.

Емкости C1-C4 и C18 могут быть как электролитическими полярными, так и неполярными керамическими или пленочными.

В качестве ОУ U1 и U2 можно применить LM324, LM124, MC3403, LM2902, а в качестве U3 можно применить LM358, LM258 или LM2904.

Подключение фильтра низкой частоты для сабвуфера

Подключение фильтра будет зависеть от источника сигнала. Во-первых, это может быть неусиленный (слаботочный) сигнал со звуковой карты или предварительного усилителя. Во-вторых, сигнал на вход фильтра низкой частоты можно подать уже усиленным УМЗЧ. Также, в первом и во втором случае выходы могут быть балансными, это очень редкий случай, но все же.

Когда на вход фильтра подключается неусиленный сигнал по двухпроводной линии (сигнал и земля), то сигнальные провода нужно подключать на X1 (левую) и X3 (правую) клеммы, а клеммы X5 и X7 нужно соединить с минусом питания. Земли сигнальных проводов (правого и левого канала) также нужно соединить с минусом питания.

Если подключение происходит от УМЗЧ, то левый канал подается на X2, правый на X4, а клеммы X5 и X7 необходимо также как и в предыдущем варианте соединить с минусом питания.

Подключая источник с неусиленным дифференциальным выходом (балансный), левый канал — X1 и X5, правый канал — X3 и X7.

Дифференциальный усиленный сигнал подается на клеммы X2 и X6 — левый канал, X4 и X8 — правый канал.

Печатная плата

Печатная плата фильтра низкой частоты для сабвуфера разведена по оригинальной плате из конструктора, идущей в комплекте для самостоятельной сборки. Разведена она не мной. На ней имеются несколько элементов, которые не нужно устанавливать. Я их отметил желтым цветом. Эти элементы совместно с U3.2 образуют генератор прямоугольных импульсов для светодиода. Светодиод мигает, сигнализируя о работе фильтра низкой частоты. Кстати, в комплекте конструктора и на схеме, приложенной к нему, эти элементы отсутствуют. Я собрал сначала с ними, мигающий светодиод раздражает, а в акустической системе слышны помехи. После чего я эти элементы демонтировал.

Размеры печатной платы 100?40мм.

Рекомендации по сборке фильтра низкой частоты для сабвуфера

В первую очередь необходимо установить на плату все семь перемычек. После чего выполняется монтаж остальных компонентов.

После выполнения пайки нужно в обязательном порядке смыть остатки флюса или канифоли, иначе фильтр низкой частоты будет иметь серьезные искажения или вовсе будет работать неисправно.

Также хочу заострить внимание на заземление корпусов переменных резисторов. Настоятельно рекомендую соединить все три корпуса медным проводом и припаять его к отрицательному выводу питания. Если этого не сделать, то в акустической системе будет слышен значительный фон, особенно при касании потенциометров рукой.

Печатная плата фильтра низкой частоты для сабвуфера СКАЧАТЬ

Читайте также: