richi44
18.08.2009, 10:55
Wie im Thread über die Aktivfilter bereits angetönt geht es hier um die Entzerrung des Tiefbassbereichs der (als reines Gedankengebilde) vorgestellten Box. Die Simulation der Box zeigt ja, dass wir eine Grenzfrequenz von 57Hz zu erwarten haben. [attachment=514]Und weiter sagen die Chassisdaten aus, dass wir von einem Hub von 8mm ausgehen können. [attachment=515]Dieser Hub zusammen mit der Membranfläche ergibt ein bestimmtes verschiebbares Luftfolumen. Und aus Tabellen ist zu ersehen, dass mit diesem Volumen eine bestimmte Frequenz mit einer entsprechenden Lauttärke (Schalldruck) zu erreichen ist.
Wenn wir also eine Bassentzerrung vornehmen, sprich den Bass unterhalb den 57Hz anheben, so erreichen wir entsprechend früher den maximalen Schalldruck, limitiert durch das verschiebbare Luftvolumen. Daher werden wir diese Entzerrung nur so lange aufrecht erhalten, als die maximale Auslenkung nicht überschritten wird. Es ist folglich eine dynamische Funktion sinnvoll, welche die Bassanhebung reduziert, sobald eine bestimmte Auslenkungsüberschreitung zu erwarten ist.
Dynamisches Filter
Hier erst mal das Prinzipschaltbild.
[attachment=516]
Es teilt sich in drei Bereiche, welche die drei „Problemzonen“ darstellen. Da diese Schaltung ja Teil der Aktivbox ist und nur im Tieftonbereich eingesetzt wird, können wir uns auf eine einfache Eingangsschaltung beschränken. Sie ist darum hier nicht explizit gezeichnet.
Die erste Filterschaltung besitzt eine Grenzfrequenz von 16Hz mit einer Steilheit von 24dB/Oktave. Damit sind Rumpelstörungen wirkungsvoll unterdrückt. Diese Störungen treten bei Plattenspielern auf, können aber auch bei Aufnahmen im Freien vorkommen. Da wir den Bassbereich ja durch eine Entzerrung anheben und ausdehnen (linearisieren), ist es wichtig, solche Störungen zu unterbinden, damit der Membranhub nicht umzulässig hoch wird.
Der zweite Teil umfasst die Bassentzerrung. Hier wird mit einem Filter der Frequenzverlauf des Lautsprechers nachgebildet und dieses Signal vom linearen Basssignal subtrahiert.
Im dritten Teil wird ein Allpass verwendet. Dieser verändert den Pegel nicht, wohl aber die Phasendrehung. Und wenn man diesen Allpass regelbar gestaltet, so kann man damit wieder durch eine Subtraktion die vorher vorgenommene Bassanhebung pegelabhängig zurück regeln.
Betrachten wir das Detailschaltbild
[attachment=517]
so sehen wir eine Eingangsstufe als Spannungsfolger. Damit ist die nachfolgende Schaltung von der vorgängigen Filterschaltung entkoppelt. Natürlich wäre diese Eingangsschaltung nicht zwingend nötig, da ja das Filter bereits eine solche Abtrennung besitzt. Sollte man aber mal genötigt sein, diese Einheit gesondert zu verwenden (Reparatur?), so ist das Vorhandensein eines solchen Eingangs vorteilhaft (OPV 1).
Die 16Hz Bassbegrenzung geschieht durch die beiden Hochpässe OPV 2a und 2b. Das folgende Bild zeigt die Filtersimulation für den 16Hz Hochpass.[attachment=518]OPV 2c ist ein Inverter, welcher das Filter 2d ansteuert. Dieses bildet den Frequenzgang des Lautsprechers nach und besitzt genau wie dieser eine Butterworth-Charakteristik und eine Grenzfrequenz von 57Hz. Auch dazu ein Bild der Filtersimulation und ebenfalls das Bild der Lautsprecher-Simu.
[attachment=519][attachment=514]
Betrachten wir die Simu des 57Hz-Filters so sehen wir in der Kennlinie, dass die Phase bei tiefen Tönen gedreht ist und bei hohen Tönen nicht gedreht wird. Und erinnern wir uns daran, dass wir diese Schaltung (OPV 2d) invertiert angesteuert haben. Das bedeutet letztlich, dass die Bässe durch die zweifache Drehung mit dem Eingangssignal des Inverters (2c) in Phase sind, die Höhen aber gegenphasig anliegen.
Die beiden Widerstände 4,75k und 5,9k führen diese beiden Signale an den Addierer 3a. Durch die Wahl der Widerstände und die Tatsache, dass die höheren Frequenzen gegeneinander phasengedreht anliegen ergibt sich ein relativ geringer Signalpegel am Addierer. Dieser bekommt eine zusätzliche Verstärkung (das Verhältnis der zuführenden Widerstände zum Gegenkopplungswiderstand), welche diesen tiefen Pegel wiederum auf Normalpegel anhebt. Dieser Normalpegel wird üblicherweise mit +6dBU (1,55V) angenommen. An dieser Stelle habe ich aber einen Pegel von 0dBU (0,775V) gewählt. Dazu gleich mehr.
Wir haben also am Eingang des Addierers zwei Signale, die sich bei höheren Frequenzen teilweise aufheben. Bei tieferen Frequenzen haben wir aber erstens keine Phasendrehung mehr, sodass sich die Signale unterstützen würden und zweitens nimmt das Basssignal vom OPV 2d mit sinkender Frequenz ab, sodass es keine Beeinflussung mehr gibt.
Und da ja das Korrekturfilter 2d keine Verstärkung besitzt, kann es auch durch irgendwelche Musiksignale nicht übersteuert werden. Und da wir ja den Pegel auf 0dBU (0,775V) eingestellt habe ist auch bei maximaler Bassanhebung von 18dB (Faktor 8)keine Übersteuerung zu erwarten.
Wir haben nun also am Ausgang des Addierers 3a das Musiksignal mit einer Rumpelunterdrückung und einer Bassanhebung entsprechend der Frequenzkurve des Lautsprechers. Was noch fehlt ist die dynamische Funktion. Dazu wird nach dem Addierer ein Allpass angefügt (3b). Diesem werden alle Frequenzen am Inverseingang zugeleitet. Am Noninvers liegt ein Kondensator, welcher zusammen mit den 220k die allertiefsten Tiefen aussperrt, alles Übrige aber durchlässt. Liegt ein Signal am Noninvers an, so muss (laut Theorie des OPV) am Invers das selbe Signal anliegen. Und dies ist dann der Fall, wenn am Ausgang ebenfalls das gleiche Signal vorhanden ist. Unser Kondensator von 100nF zusammen mit den 220k lässt alle Signale, die man als Musik bezeichnen kann, ungehindert durch. Und damit ist am Ausgang dieses OPV 3b ein gleiches Signal wie an seinem Eingang vorhanden.
OPV 3c addiert nun das ursprüngliche Signal zum Signal des Allpasses. Und wie gesagt sind diese beiden bei normaler Musik identisch. 3c liefert also das normale Signal, also praktisch gleich wie 3a.
Jetzt haben wir aber mit 3d einen Gleichrichter gebaut, der eine positive Gleichspannung abgibt, die signalabhängig ist. Und diese soll nur auf tiefe Frequenzen reagieren. Darum gibt es in der Zuleitung zum Gleichrichter noch einen Tiefpass (Kondensator von 330nF gegen Masse). Die Gleichspannung wird nun an einen FET geleitet, der über einen Widerstand von der Minusspannung her zum Sperren gebracht ist. Daher haben wir bei Minus am Gate des FET nur den 220k Widerstand, der mit den 330 nF zusammen wirkt. Ist nun ein kräftigeres Basssignal vorhanden, so entsteht am Gleichrichter eine Plusspannung, welche den FET leitend werden lässt. Und damit wirkt sein Widerstand von 6,8k und verschiebt den Allpass so, dass er bei tiefen Tönen die Phase dreht. Somit treffen an dem Addierer 3c gegenphasige Signale ein, was zu einer Auslöschung und damit Bassdämpfung führt. Der Verlauf der Schaltung gleicht damit die Bassanhebung dann aus, wenn man Gefahr laufen würde, den Lautsprecher durch zu grossen Hub zu zerstören. Bei normalen Lautstärken kann die Bassanhebung aber voll wirksam bleiben.
Mit dem Trimmpotmeter am Gleichrichter kann die Höhe der Regelspannung eingestellt werden, um eine optimale Funktion zu erreichen.
Wenn wir also eine Bassentzerrung vornehmen, sprich den Bass unterhalb den 57Hz anheben, so erreichen wir entsprechend früher den maximalen Schalldruck, limitiert durch das verschiebbare Luftvolumen. Daher werden wir diese Entzerrung nur so lange aufrecht erhalten, als die maximale Auslenkung nicht überschritten wird. Es ist folglich eine dynamische Funktion sinnvoll, welche die Bassanhebung reduziert, sobald eine bestimmte Auslenkungsüberschreitung zu erwarten ist.
Dynamisches Filter
Hier erst mal das Prinzipschaltbild.
[attachment=516]
Es teilt sich in drei Bereiche, welche die drei „Problemzonen“ darstellen. Da diese Schaltung ja Teil der Aktivbox ist und nur im Tieftonbereich eingesetzt wird, können wir uns auf eine einfache Eingangsschaltung beschränken. Sie ist darum hier nicht explizit gezeichnet.
Die erste Filterschaltung besitzt eine Grenzfrequenz von 16Hz mit einer Steilheit von 24dB/Oktave. Damit sind Rumpelstörungen wirkungsvoll unterdrückt. Diese Störungen treten bei Plattenspielern auf, können aber auch bei Aufnahmen im Freien vorkommen. Da wir den Bassbereich ja durch eine Entzerrung anheben und ausdehnen (linearisieren), ist es wichtig, solche Störungen zu unterbinden, damit der Membranhub nicht umzulässig hoch wird.
Der zweite Teil umfasst die Bassentzerrung. Hier wird mit einem Filter der Frequenzverlauf des Lautsprechers nachgebildet und dieses Signal vom linearen Basssignal subtrahiert.
Im dritten Teil wird ein Allpass verwendet. Dieser verändert den Pegel nicht, wohl aber die Phasendrehung. Und wenn man diesen Allpass regelbar gestaltet, so kann man damit wieder durch eine Subtraktion die vorher vorgenommene Bassanhebung pegelabhängig zurück regeln.
Betrachten wir das Detailschaltbild
[attachment=517]
so sehen wir eine Eingangsstufe als Spannungsfolger. Damit ist die nachfolgende Schaltung von der vorgängigen Filterschaltung entkoppelt. Natürlich wäre diese Eingangsschaltung nicht zwingend nötig, da ja das Filter bereits eine solche Abtrennung besitzt. Sollte man aber mal genötigt sein, diese Einheit gesondert zu verwenden (Reparatur?), so ist das Vorhandensein eines solchen Eingangs vorteilhaft (OPV 1).
Die 16Hz Bassbegrenzung geschieht durch die beiden Hochpässe OPV 2a und 2b. Das folgende Bild zeigt die Filtersimulation für den 16Hz Hochpass.[attachment=518]OPV 2c ist ein Inverter, welcher das Filter 2d ansteuert. Dieses bildet den Frequenzgang des Lautsprechers nach und besitzt genau wie dieser eine Butterworth-Charakteristik und eine Grenzfrequenz von 57Hz. Auch dazu ein Bild der Filtersimulation und ebenfalls das Bild der Lautsprecher-Simu.
[attachment=519][attachment=514]
Betrachten wir die Simu des 57Hz-Filters so sehen wir in der Kennlinie, dass die Phase bei tiefen Tönen gedreht ist und bei hohen Tönen nicht gedreht wird. Und erinnern wir uns daran, dass wir diese Schaltung (OPV 2d) invertiert angesteuert haben. Das bedeutet letztlich, dass die Bässe durch die zweifache Drehung mit dem Eingangssignal des Inverters (2c) in Phase sind, die Höhen aber gegenphasig anliegen.
Die beiden Widerstände 4,75k und 5,9k führen diese beiden Signale an den Addierer 3a. Durch die Wahl der Widerstände und die Tatsache, dass die höheren Frequenzen gegeneinander phasengedreht anliegen ergibt sich ein relativ geringer Signalpegel am Addierer. Dieser bekommt eine zusätzliche Verstärkung (das Verhältnis der zuführenden Widerstände zum Gegenkopplungswiderstand), welche diesen tiefen Pegel wiederum auf Normalpegel anhebt. Dieser Normalpegel wird üblicherweise mit +6dBU (1,55V) angenommen. An dieser Stelle habe ich aber einen Pegel von 0dBU (0,775V) gewählt. Dazu gleich mehr.
Wir haben also am Eingang des Addierers zwei Signale, die sich bei höheren Frequenzen teilweise aufheben. Bei tieferen Frequenzen haben wir aber erstens keine Phasendrehung mehr, sodass sich die Signale unterstützen würden und zweitens nimmt das Basssignal vom OPV 2d mit sinkender Frequenz ab, sodass es keine Beeinflussung mehr gibt.
Und da ja das Korrekturfilter 2d keine Verstärkung besitzt, kann es auch durch irgendwelche Musiksignale nicht übersteuert werden. Und da wir ja den Pegel auf 0dBU (0,775V) eingestellt habe ist auch bei maximaler Bassanhebung von 18dB (Faktor 8)keine Übersteuerung zu erwarten.
Wir haben nun also am Ausgang des Addierers 3a das Musiksignal mit einer Rumpelunterdrückung und einer Bassanhebung entsprechend der Frequenzkurve des Lautsprechers. Was noch fehlt ist die dynamische Funktion. Dazu wird nach dem Addierer ein Allpass angefügt (3b). Diesem werden alle Frequenzen am Inverseingang zugeleitet. Am Noninvers liegt ein Kondensator, welcher zusammen mit den 220k die allertiefsten Tiefen aussperrt, alles Übrige aber durchlässt. Liegt ein Signal am Noninvers an, so muss (laut Theorie des OPV) am Invers das selbe Signal anliegen. Und dies ist dann der Fall, wenn am Ausgang ebenfalls das gleiche Signal vorhanden ist. Unser Kondensator von 100nF zusammen mit den 220k lässt alle Signale, die man als Musik bezeichnen kann, ungehindert durch. Und damit ist am Ausgang dieses OPV 3b ein gleiches Signal wie an seinem Eingang vorhanden.
OPV 3c addiert nun das ursprüngliche Signal zum Signal des Allpasses. Und wie gesagt sind diese beiden bei normaler Musik identisch. 3c liefert also das normale Signal, also praktisch gleich wie 3a.
Jetzt haben wir aber mit 3d einen Gleichrichter gebaut, der eine positive Gleichspannung abgibt, die signalabhängig ist. Und diese soll nur auf tiefe Frequenzen reagieren. Darum gibt es in der Zuleitung zum Gleichrichter noch einen Tiefpass (Kondensator von 330nF gegen Masse). Die Gleichspannung wird nun an einen FET geleitet, der über einen Widerstand von der Minusspannung her zum Sperren gebracht ist. Daher haben wir bei Minus am Gate des FET nur den 220k Widerstand, der mit den 330 nF zusammen wirkt. Ist nun ein kräftigeres Basssignal vorhanden, so entsteht am Gleichrichter eine Plusspannung, welche den FET leitend werden lässt. Und damit wirkt sein Widerstand von 6,8k und verschiebt den Allpass so, dass er bei tiefen Tönen die Phase dreht. Somit treffen an dem Addierer 3c gegenphasige Signale ein, was zu einer Auslöschung und damit Bassdämpfung führt. Der Verlauf der Schaltung gleicht damit die Bassanhebung dann aus, wenn man Gefahr laufen würde, den Lautsprecher durch zu grossen Hub zu zerstören. Bei normalen Lautstärken kann die Bassanhebung aber voll wirksam bleiben.
Mit dem Trimmpotmeter am Gleichrichter kann die Höhe der Regelspannung eingestellt werden, um eine optimale Funktion zu erreichen.