Projeto de um filtro de áudio não ponderado com resposta de frequência plana

Nov 03, 2023

Existem vários métodos para fazer medições de ruído de áudio que são usados ​​por medidores de nível de som. Geralmente são caracterizados pelas curvas de resposta de frequência dos filtros. Embora alguns filtros de áudio sejam projetados para imitar a resposta de frequência do ouvido humano em vários níveis de som, este artigo se concentrará no projeto detalhado de um filtro de áudio ponderado Z (não ponderado) com uma resposta de frequência plana de 20 Hz a 20 kHz. O filtro pode ser usado em conjunto com o medidor de tensão e corrente de banda larga descrito em um dos meus artigos anteriores.

A curva de resposta de frequência plana e não ponderada é ilustrada na Figura 1. Os limites de resposta de frequência do filtro limitador de banda são especificados como uma 'máscara' na recomendação da ITU ITU-R BS.468-4 para a medição do nível de tensão de ruído de frequência de áudio em Transmissão de som. O padrão internacional IEC 61672 define uma resposta plana semelhante em frequências de áudio como “ponderada Z” ou ponderada zero.

A resposta medida do filtro que projetamos deve caber dentro da máscara, o que requer uma resposta plana em quase toda a faixa de frequência de áudio. Esta técnica fornece resultados, medidos como valores RMS, que podem ser usados ​​para projetar níveis de ruído mais baixos.

O filtro não ponderado é composto por dois filtros que serão conectados em série:

É possível atender aos requisitos da máscara com filtros Butterworth (que não possuem pico na curva de resposta de frequência) ajustados para ter picos de 0,5 dB. A resposta de frequência, expressa como A em decibéis de um filtro Butterworth de ordem n, é dada por:

$$A = 10\log_{10}(1 + \Omega^{2n})$$

Ω depende do tipo de filtro:

onde:

ω é a frequência do sinal

ωc é a frequência de corte de -3 dB

A máscara requer um filtro passa-alta de segunda ordem para fornecer a resposta ascendente de 12 dB/oitava de bem abaixo de 1 Hz a 22,4 Hz, e um filtro passa-baixa de terceira ordem para fornecer a resposta descendente de 22,4 kHz para cima.

A Figura 2 mostra o esquema da solução Butterworth ajustada.

Os filtros usam versões de valores de componentes iguais da configuração Sallen e Key. O ajuste é feito facilmente aumentando os valores dos resistores de ajuste de ganho R7 e R12 até que a resposta atinja um pico de 0,5 dB em comparação com a resposta de 1 kHz em cada extremidade.

R2 é rotulado como “Ajustar no teste”. O que isso significa é que com o filtro conectado ao voltímetro de banda larga, você coloca 1 Vrms a 1 kHz no voltímetro (na faixa de 1 V, claro) e ajusta R2 até que a saída também seja 1 V.

Você pode muito bem estar se perguntando sobre o amplificador U1B próximo ao topo central da Figura 2. Ele está lá porque a resistência de saída do U2A está em série com C3, e em frequências muito superiores a 20 kHz, a resistência não é desprezível em comparação com a reatância de C3, portanto, o roll-off de 18 dB/oitava não é alcançado. Não é desprezível porque a resistência de saída de malha aberta (não fornecida na folha de dados) é reduzida pela realimentação negativa, mas o ganho de malha aberta é bastante baixo em altas frequências, como é habitual com amplificadores operacionais.

Para um amplificador operacional de uso geral TL072, o ganho de malha aberta é de apenas cerca de 30 a 100 kHz, portanto, o feedback não pode reduzir muito a resistência de saída. O amplificador operacional de áudio LM4562 dificilmente é melhor nesse aspecto. U1B fornece uma resistência de saída mais baixa, permitindo que o requisito de resposta seja atendido.

Você também pode notar J2. Isso facilita o uso frequente deste e de outros filtros externos. Um soquete DIN de 5 pinos é adicionado ao bloco 4 do voltímetro de banda larga, para que não apenas as conexões dos sinais GO e RETURN sejam estabelecidas, mas também o filtro externo receba suas fontes CC do voltímetro.

O filtro externo pode ter um cabo voador com um plugue ou outro soquete, para que um cabo de conexão possa ser usado. Seria bom ter os fios dos pinos 1 e 5 blindados individualmente para evitar acoplamento de capacitância parasita através do filtro. Podem ser obtidos cabos blindados individualmente de quatro núcleos, de diâmetro bastante pequeno, e as blindagens, é claro, fornecem o quinto condutor necessário.