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分频器设计原理浅析
时间:2018-03-01作者:华清远见

对于分频器的认识刚开始只是知道是一种可以用来划分不同频率的电路。借着机会认真学习了分频器的具体原理。以下内容主要是分频器设计原理的总结。

分频器分为电子分频和传统的电容电感分频器。电子分频器通常位于功率放大器前。因为电流较小可以用较小功率的电子有源滤波器实现,所以调整较容易、功率消耗小并且扬声器单元之间的干扰小。但是由于每路都要用到独立的功率放大器,成本比较高,电路结构相对复杂的多,电子分频器主要运用于专业扩声系统中。传统的电容电感分频器的本质实际上是LC滤波网络电路。

分频器的应用:

分频器主要的应用就是在音响中的应用。分频器把输入的模拟音频信号分离成高音,中音,低音等不同成分后,再分别送入相应的高,中,低音喇叭单元中重放。实现对模拟声音信号转化成相应的声音播放出来。分频器的好坏决定了音响音质的好坏。由于现在音响种类很多,相应的分频器的种类也比较多,常用的分频器有2分频,3分频4分频等。要使音响达到不同的效果,通常需要灵活配置分频器。

单元:

分频器中的单元就是按照频率划分出来的超高音,高音,中高音,中音,重低音,低音,超低音等不同的频率段。

分频器基本电路原理图:

分频器设计

分频器的主要电路元器件:

电阻:在分频电路中主要的作用是调整灵敏度

电感:阻挡较高频率,只让较低频率成分通过

电容:独挡较低频率,允许较高频率部分通过

电容器特性:

由于当电容器两端加载电压的时候,两端就会感应并存储电荷,此时电容器就相当于一个临时的存储电能的器;当电容器两端电压变化很快的时候,也就是我们所说的高频,此时,由于快速变化的电压导致电容器两端的感应电荷也同步地变化,也就等效于有电流流过电容器。当频率很低的时候,电容器两端电压变化很慢,也就近似没有电流流过电容器。所以体现出来的效果就是电容器器的通高频组低频的特性。

电感特性:

当有电流通过的时候,如果电流的大小和方向发生变化,线圈会产生感应电动势,它与原来的电压方向相反,即体现出来的效果就是电感线圈是阻碍变化的电流通过的;当电流变化很快的时候,线圈产生的负电压就会很大,阻碍变化的电流通过的阻碍作用越大。所以体现出来的就是电感通低频阻高频的特性。

分离高频部分的原理:

如上图链接高音喇叭的电路部分,电流流过电容器的时候,由于电容器的通高频阻低频特性,此时得到的是高频部分,并且喇叭与一个线圈并联,此时线圈产生一个负电压,这个负电压对于高音喇叭来说就正好是一个电压补偿,这样就很近似的把高频部分的模拟信号还原成声音电流。

分离低频部分的原理:

电流流过线圈,由于电感线圈通低频阻高频的特性,高频部分被阻止,低频部分顺利通过电感线圈,并且,低音喇叭并联了一个电容器,利用电容器在高频的时候产生一个电压来补偿损失的电压,同样,就很近似的把低频部分的模拟信号还原成声音信号。

分频器的“路”:

是指分频器将输入的原始信号分成的不同频率段的信号,即常说的2分频、3分频等。

分频器的“阶”:

是指一个无源分频器中滤波电路的数量。通常精细的滤波器设计,在每一个滤波电路中都有多路滤波,经过多次滤波得到想要的频率部分进行输出。通常有“双路一阶分频器”,“双路二阶分频器”。

阻抗:

阻抗=原件本身的直流电阻+感抗向量值+容抗向量值

每一个额定电感量和额定电容量的电感和电容对某一个频率的信号变化的阻碍作用是不一样的,所以在信号的频率发生变化的时候,单元的阻抗就会呈现出曲线。因为单元的音圈本身就是一个电感,电感当然自身也有直流电阻。

一般来说高音单元的阻抗曲线较为平直,低音单元在某一个频段的阻抗会表现出明显的峰值。因此低音在分频电路中总是需要被特殊照顾。

绝大部分为无源功率分频器,通常称为“巴特沃斯分频器”。它的瞬态响应好,又有平坦的频响特性曲线。2阶二路分频器巴特沃斯参数设置如下:

C 1 = 0.1125 / RH F L1 = 0.2251 RL / F

C2 = 0.1125 / RL F L2 = 0.2251 RH / F

分频器的设计重要的就是分频点的选取和分频器的相位的问题。分频点选取高一点,高频部分就比较亮丽;分频点取低一点,高频部分比较厚实。分频器中有电容、电感。对于电容来说,通过电容的电流比电压超前90゜,而通过电感的电流比电压滞后90゜,对于一阶和三阶巴特沃斯滤波器来说,它们在分频点附近很大范围內相位的超前和滞后能够相互抵消,可以使通带內的相移刚好为0。所以,一阶和三阶分频器,高低音喇叭可以相连。对于四阶分频器来说,它具有比较好的相位特性,其分频点处的相位差为360゜,即低高通网络在分频点处相位是相同的。所以高低音喇叭也是可以相连的。对于二阶分频器来说,在分频点处有180゜的相位差,我们必须将高低音喇叭反相连接。

如果在分频点处,高低音扬声器全功率工作势必在分频点附近,声音特别响。所以,要设法在分频点处,使高低音喇叭各分得一半功率。这样我们可以认为,Xc(高通容抗) =XL(低通感抗)=Z(喇叭阻抗),则满足了以上的分频要求。由此等式可得: Xc=1/2πfC=Z C=1/2πfZ (1) ,XL=2πfL=Z L=Z/2πf (2) ,式中f为分频点频率。(1) (2)式计算出的值,即为高通电容低通电感数值。其它阶数的计算公式都可以通过此基本公式推导而得。

设计出来的分频器通常因为各种原因,在分频点附近和其他频率点上都会产生峰谷。这就要运用“RLC”电路来校正。

其实传统的电感电容分频器就是常说的功率分频器,其特点是连接简单,使用方便。同时因为它会消耗功率,出现音频谷点,还会产生交叉失真,其参数与扬声器阻抗有直接联系,扬声器的阻抗是频率的函数,通常情况下设计出来的分频器与理想效果偏差比较大,调整也不方便。


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