フラットな周波数応答を備えた重み付けされていないオーディオ フィルターの設計

Nov 03, 2023

騒音計で使用される音声ノイズ測定には複数の方法があります。 これらは一般に、フィルターの周波数応答曲線によって特徴付けられます。 一部のオーディオ フィルターは、さまざまなサウンド レベルで人間の耳の周波数応答を模倣するように設計されていますが、この記事では、20 Hz ～ 20 kHz のフラットな周波数応答を備えた Z 加重 (加重なし) オーディオ フィルターの詳細な設計に焦点を当てます。 このフィルタは、以前の記事で説明した広帯域電圧および電流計と組み合わせて使用​​できます。

重み付けされていない平坦な周波数応答曲線を図 1 に示します。帯域制限フィルターの周波数応答限界は、音声周波数ノイズ電圧レベルの測定に関する ITU 勧告 ITU-R BS.468-4 の「マスク」として指定されています。音声放送。 国際規格 IEC 61672 では、オーディオ周波数にわたる同様の平坦な応答を「Z 加重」またはゼロ加重として定義しています。

私たちが設計するフィルターの測定された応答はマスク内に収まる必要があり、これには可聴周波数範囲のほぼすべてにわたって平坦な応答が必要です。 この手法により、RMS 値として測定された結果が得られ、ノイズ レベルを下げる設計に使用できます。

重み付けされていないフィルターは、直列に接続された 2 つのフィルターで構成されます。

0.5 dB ピークを持つように調整されたバターワース フィルター (周波数応答曲線にピークがない) を使用して、マスク要件を満たすことが可能です。 次数 n のバターワース フィルターの周波数応答は、デシベル単位で A として表され、次の式で与えられます。

$$A = 10\log_{10}(1 + \オメガ^{2n})$$

Ωはフィルタのタイプによって異なります。

どこ：

ω は信号周波数です

ωc は -3 dB のカットオフ周波数です

このマスクには、1 Hz よりかなり下から 22.4 Hz までの 12 dB/オクターブの上昇応答を提供する 2 次ハイパス フィルターと、22.4 kHz 以上からの下降応答を提供する 3 次のローパス フィルターが必要です。

図 2 は、微調整されたバターワース ソリューションの概略図を示しています。

フィルターは、Sallen および Key 構成のコンポーネント値が等しいバージョンを使用します。 微調整は、応答が両端の 1 kHz での応答と比較して 0.5 dB ピークになるまでゲイン設定抵抗 R7 と R12 の値を増やすことで非常に簡単に行うことができます。

R2 には「テスト時に調整」というラベルが付いています。 これが意味するのは、広帯域電圧計にフィルタを接続した状態で、1 kHz で 1 Vrms を電圧計に入力し (もちろん 1 V レンジで)、出力も 1 V になるまで R2 を調整するということです。

図 2 の中央上部付近にあるアンプ U1B について疑問に思うかもしれません。これは、U2A の出力抵抗が C3 と直列になっているためであり、20 kHz よりはるかに高い周波数では、抵抗が C3 のリアクタンスと比較して無視できないためです。そのため、18 dB/オクターブのロールオフは達成されません。 開ループ出力抵抗 (データシートには記載されていない) は負帰還によって低減されるため、これは無視できませんが、オペアンプでは通常のことですが、高周波数では開ループ ゲインが非常に低くなります。

TL072 汎用オペアンプの場合、開ループ ゲインは 100 kHz で約 30 しかないため、フィードバックによって出力抵抗を大幅に下げることはできません。 この点では、LM4562 オーディオ オペアンプの方が優れているとは言えません。 U1B は出力抵抗が低いため、応答要件を満たすことができます。

J2にも注目かもしれません。 これにより、このフィルターや他の外部フィルターを頻繁に使用することが容易になります。 5 ピン DIN ソケットが広帯域電圧計のブロック 4 に追加されているため、GO および RETURN 信号接続が確立されるだけでなく、外部フィルタが電圧計から DC 電源を取得することもできます。

外部フィルターには、プラグ付きのフライング リードまたは別のソケットが付いているため、接続ケーブルを使用できます。 フィルタ全体の浮遊容量結合を防ぐために、ピン 1 と 5 へのワイヤを個別にシールドすることをお勧めします。 直径が非常に小さい 4 芯の個別シールド ケーブルを入手できます。もちろん、シールドは必要な 5 番目の導体を提供します。