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在音频设备中，分频器是一个重要的组件，它可以将音频信号分为不同频段，使得不同频段的信号能够经过不同的处理，提高音频系统的效果。音频滤波器可以是无源的或有源的，具体取决于所使用的组件以及是否需要电源。双向音频分频器更是一种特殊的分频器，它能够实现双向的音频信号分频，为音频系统的设计提供了更多的灵活性和功能性。本文将介绍双向音频分频器的设计原理和应用，帮助读者更好地理解和应用这一技术。 在频率响应方面，滤波器也可分为高、低、带和全通，以及陷波、T 型陷波、带阻和均衡滤波器。现在，我们已准备好设计音频分频器。 音频分频器是一种将音频信号分成两个或更多频带的电子电路。然后将这些频段发送到不同的音频驱动器（例如高音扬声器、低音扬声器或中音扬声器）。然而，由于其设计的限制，单个扬声器无法提供全范围的可听频率。因此，需要不同的驱动器（扬声器）来提供不同的频率范围。 例如，高音扬声器通常用于高频音频信号，而低音扬声器用于低频信号。顾名思义，中档驱动器是中档信号的理想选择。 为了将音频信号分成不同的频带，在交叉中使用单独的音频滤波器。它们通常被归类为双向或三向交叉。 双向将音频信号分成两个频段——高频扬声器的高频频段和低音扬声器的低频段——它是标准音频系统中最常用的分频器。 三路将音频信号分成三个频段，这种方式不太常见但效率更高。它将音频信号分成不同的频率，以最佳匹配高音扬声器、低音扬声器和中音扬声器。 在本教程中，我们将使用有源音频滤波器构建双向分频器。分频器将有一个高通滤波器将高频信号传送到一个扬声器，一个低通滤波器将低频信号传送到另一个扬声器。两个电路都会使用运算放大器（op-amp）。 音频将通过智能手机输入，并通过两个不同的扬声器输出。两个滤波器的截止频率均为 500 Hz。 为了测试交叉，我们将检查音频滤波器的频率响应曲线。该曲线将通过绘制音频信号相对于频率的电压电平来绘制。函数发生器也将用作输入源以演示不同频率的正弦波。 我们将使用一些与音频放大器或音频滤波器相关的常用术语，例如增益、削波效果、截止频率、带宽和品质因数。 电路连接
在分频电路中，音频信号被分成不同的频带。每个波段单独放大，输出应用于适当的驱动单元。每个频段都有一个单独的旋钮来控制音频信号的增益，如下所示： 典型的双向音频交叉。 这个分频电路是通过连接这些元件来设计的…… 电源——双电源用于为该电路供电，使用两节9V 电池。需要直流电源来偏置两个滤波器电路中使用的运算放大器。电池为放大器提供负电源电压和正电源电压。 使用相同电池向两个滤波器中使用的放大器提供正电源电压和负电源电压。 · 为了向运算放大器提供负电源电压，将一个电池的阴极连接到放大器的负电源引脚，并将该电池的阳极接地。 · 为了向运算放大器提供正电源电压，另一个电池的阳极连接到放大器的正电源引脚，该电池的阴极接地。 电池将连接到相应的运算放大器，如此电路图所示： 有源高通和低通滤波器的双电源电路图。 音频源 ——该项目的音频输入由智能手机提供。为此，我们需要将3.5 毫米音频插孔插入手机。插孔应该有三根线：一根接地，一根用于左声道，第三根用于右声道。连接到通道的电线用于立体声系统。 在这个系统中，来自两个通道的音频信号以 180 度的相位差传输。相移后的音频信号组合起来产生无噪声的音频信号，称为平衡音频系统。 然而，在我们的电路中，只有一个通道用于音频源。插孔的地线连接到公共地。因此，此音频系统将是不平衡的，并且音频源将连接为单个 或单源通道。 一个 3.5 毫米音频插孔。 高通滤波器 ——电路中连接了一个有源的一阶高通滤波器。对于此滤波器，音频输入通过RC网络通过运算放大器的同相引脚传递（意味着它使用电阻器和电容器）。 音频信号通过电容器。它的阻抗与频率和电容成反比——因此，频率越低，阻抗越高，反之亦然。因此，音频信号的高频成分将具有较小的阻抗，并且很容易通过电容器到达放大器的同相输入端。信号的低频元素将包含更高级别的阻抗。它通过接地的电阻绕过。 电容器的阻抗可以使用以下公式确定： (阻抗),Xc= 1/ (2π*f*C) 高通滤波器是使用 100 nF 的电容器（电路图中的“C1”）和 3.2 千欧姆的电阻器（“R2”）设计的。使用电容器和电阻器的这些值，滤波器的截止频率可以计算如下： FH= 1/ (2πR2C1)
FH= 1/ (2π*3.2k*100n)
FH= 500Hz（大约） RC 网络形成一个无源高通滤波器。通过这个网络，过滤后的音频信号——现在只携带高频信号——被传递到运算放大器的同相引脚。 有源高通滤波器中的 LM741 运算放大器的电路图。 对于这个项目，我们使用LM741 IC 运算放大器。LM741 是一种通用运算放大器，具有低输入阻抗（兆欧），而 FET 运算放大器具有高输入阻抗（单位为g兆欧）。 LM741 集成电路 理想情况下，741 的输出阻抗应为零，但通常约为 75 欧姆。741 IC 的最大电源电流约为 2.8 mA，电源电压高达 +/- 18V。 该 IC 具有以下引脚配置：
该 IC 具有输入和输出过载保护，并且在超过共模范围时具有零闩锁。该 IC 可提供高达22V 的正或负电源电压以及高达 15V 的输入信号电压（幅度）。通常，必须为其提供至少 10V 的正电压或负电压。
LM741 可配置为开环或闭环放大器，以及反相或同相放大器。 在这个电路中，LM741 IC 被用作同相放大器。来自无源高通滤波器的输入信号连接到 IC 的同相输入引脚（引脚 3）。一个22 kΩ 的电阻器（电路图中的“R5”）连接在 IC 的引脚 6 和 2 之间，提供负反馈。反相引脚（引脚 2）通过 2.2 千欧电阻器（“R3”）接地。 放大器的增益由这些电阻设置，计算如下： 增益 = (R5/R3) =22/2.2 千欧姆 = 10 结果，与输入音频信号相比，音频信号的高频元素被放大了 10 倍。运算放大器的输出来自 IC的引脚 6，该引脚连接到扬声器的一根电线。 低通滤波器 —— 有源一阶低通滤波器连接在电路中。对于此滤波器，音频输入通过RC网络传递到运算放大器的同相引脚。音频信号通过电阻器，该电阻器具有与频率无关的响应。音频信号的高频成分通过电容器旁路到地。 电容器的阻抗与频率及其电容成反比——因此频率越低，阻抗越高，反之亦然。因此，音频信号的高频元素阻抗较小，很容易通过电容器旁路到地。音频信号的低频元素会遇到更大的阻抗，无法通过电容器旁路。 电容器的阻抗可以用这个等式提供： (阻抗),Xc= 1/ (2π*f*C) 低通滤波器是使用 100 nF 的电容器（电路图中的“C2”）和 3.2 千欧姆的电阻器（“R1”）设计的。给定电容器和电阻器的这些值，滤波器的截止频率可以计算如下： FH= 1/ (2πR2C1)
FH= 1/ (2π*3.2k*100n)
FH= 500 Hz（大约） RC 网络形成一个无源低通滤波器。通过网络，过滤后的音频信号——现在只携带低频元素——被传递到运算放大器的同相引脚。
在这个低通滤波器电路中，LM741IC用作同相放大器。来自滤波器的输入信号与 IC 的同相输入引脚（引脚 3）相连。一个 22 kΩ 的电阻器（电路图中的“R6”）连接在 IC 的引脚 6 和 2 之间，提供负反馈。反相引脚（引脚 2）通过 2.2 千欧电阻器（“R4”）接地。 放大器的增益由这些电阻设置，计算如下： 增益 = (R6/R4) =22/2.2千欧姆 = 10 与输入音频信号相比，音频信号的低频成分被放大了 10 倍。运算放大器的输出来自 IC的引脚 6，该引脚连接到扬声器的一根电线。 扬声器 —— 电路中使用了两个扬声器，额定功率为 25 mW，阻抗为 8 欧姆。每个扬声器的一根线连接到运算放大器的输出引脚，另一根线连接到公共地。 扬声器从音频信号中重新生成声音。理想情况下，应该将高频信号发送到高音扬声器，将低频信号发送到低音扬声器。然而，对于本教程，电路中使用了基本扬声器。 安全第一
组装此电路时必须采取以下预防措施： 1.只使用与放大器输出相当的扬声器——或具有高额定功率的扬声器。
2.避免削波输出信号，因为它可能会损坏扬声器。
3.始终将元器件放置得尽可能近，以减少电路中的噪声 。
4.面包板会产生大量噪声和松散元件，因此建议在 PCB 上制作此电路以获得清晰、无失真的噪声。
电路工作原理
单通道音频作为输入馈入电路，高通和低通滤波器电路接收该音频信号。高通滤波器提取高频音频信号（频率高于 500 Hz）并将它们发送到运算放大器，运算放大器将信号放大 10 倍。 同样，低通滤波器提取低频信号（频率低于 500 Hz）并将它们发送到运算放大器，运算放大器将信号放大 10 倍。高通和低通滤波器的输出被定向到不同的扬声器. 由于音频信号的低频和高频元素被分离并发送到理想的扬声器，因此放大后的声音清脆清晰。
测试电路
为了测试滤波器电路，函数发生器被用作输入源以产生恒定幅度和可变频率的正弦波。由于音频信号本质上是正弦波，因此可以使用函数发生器代替麦克风或其他类型的音频源。 您会注意到，在测试期间不使用耳机，因为它们的扬声器是电阻性和电感性的。在不同的频率下，它的电感会发生变化，进而改变扬声器的阻抗（R和L组合）。 因此，使用扬声器作为负载以在运算放大器的输出端导出其规格可能会导致错误或非标准结果。相反，使用纯电阻性虚拟负载。由于电阻不随频率变化，因此可以认为它是独立于音频信号输入频率的可靠负载。 来自函数发生器的信号的峰峰值幅度设置为 23 mV，并且100 欧姆的电阻负载连接到输出（而不是扬声器）。高通和低通滤波器的截止频率必须为 500 Hz，运算放大器的电压增益应为10 。 在这种情况下，观察到 11 的电压增益。高通和低通滤波器的频率响应如下：
低通滤波器的频率响应。 高通滤波器的频率曲线：
通过读取更多频率的电压电平，可以更精确地绘制高通和低通滤波器的频率曲线。 综上所述，我们在本教程中设计了一个双向分频器，其最大输出功率为 22 mW，信号增益为 20dB。其截止频率为 500 Hz。也可以通过为高通和低通滤波电路选择合适的电阻和电容值来设计其他截止频率的分频点。 此音频分频器可用于驱动不同类型的扬声器，例如高音扬声器、低音扬声器和超低音扬声器。它还可用于Hi-Fi 音频系统，用于将频带与音频信号分离。 这是一个使用很少组件的简单电路设计，但可以通过在电路 中添加更多滤波器将其转换为三路（或更多）分频器 总而言之，双向音频分频器作为一种重要的音频处理设备，为音频系统的设计和优化提供了更大的空间和灵活性。通过合理的设计和应用，双向音频分频器能够实现音频信号的高质量分频，使得不同频段的音频信号得到更好的处理和放大，从而提升整个音频系统的性能。希望本文所介绍的双向音频分频器的设计原理和应用能够对读者在音频系统设计和调试过程中有所帮助。
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发表于 2023-12-14 16:52:29
