AFW1 / Aktive Frequenzweiche

AFW1 aktive Frequenzweiche

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

24.11.2009

Im Frühjahr 2006 habe ich angefangen mich mit der Entwicklung einer aktiven Frequenzweiche (parallel zum Design eines Subwoofers) zu beschäftigen. Als erstes habe ich mir natürlich die verfügbaren Unterlagen zur Pass Labs XVR1 besorgt und versucht die Technik hinter diesem Design zu ergründen. Allerdings bin ich mit den Ergebnissen diverser Simulationen bzgl. der Übertragungsfunktionen der vermutlich verwendeten Filter in dieser Frequenzweiche nicht zufrieden gewesen. Für mich war ein glatter Frequenzgang bei der Summation aller Teilfrequenzgänge und der gleiche Phasengang zweier benachbarter Filter im Übergangsbereich eine Grundvoraussetzung für mein Design. Sehr gut gefallen hat mir allerdings der Einsatz diskreter Operationsverstärker im XVR1.

Letztendlich kamen für das Filterdesign nur State-Variable oder Sallen-Key Filter in Frage. Ich habe mich aufgrund der geringeren Anzahl an benötigten Operationsverstäkern pro Signalweg für die Verwendung von Sallen-Key Filtern entschieden. Eine sehr schöne Abhandlung über eine solche Frequenzweiche ist bei Elliott Sound Products zu finden.

2 Weg Weiche mit integrierten Operationsverstärkern

24.11.2009

Vor dem Aufbau einer Weiche mit diskreten Operationsverstärkern wollte ich Erfahrung sammeln mit einer einfacher zu handhabenden Weiche. Aus diesem Grund habe ich eine aktive 2 Weg Weiche mit integrierten Operationsverstärkern designed die als Zwischenschritt und Versuchsanordnung in meiner Audio Anlage genutzt werden soll.

Aus dem Design der XVR1 übernahm ich die einstellbaren Frequenzen per Jumper. Zusätzlich eingebaut habe ich eine Stufe zur Addition der beiden Low Frequenz Signale – Mono Signal für den Bass – mit anschließender Möglichkeit die Phase und den Frequenzgang anzupassen. Beide Kanäle inklusive der benötigten Netzteile – auch hier wieder in bewährter Doppel-Mono Bauweise – sind auf einem Board untergebracht.

12dB Sallen-Key Filter mit Butterworth Koeffizienten

12dB Sallen-Key Filter mit Butterworth Koeffizienten

Die Filter bestehen aus einer normalen Sallen-Key Filterstruktur die in jedem Lehrbuch über aktive Filter zu finden ist. Mit Butterworth Koeffizienten 2. Ordnung sind im Tiefpaßfilter beide Widerstände gleich groß und die Kapazität in der Rückkopplung ist doppelt so groß wie die am positiven Eingang des OP’s (siehe oben links). Im Hochpaßfilter vertauschen sich die Lage der Widerstände und Kondensatoren. Die beiden Kapazitäten haben den gleichen Wert und der Widerstand am positiven Eingang des OP’s ist doppelt so groß wie der Rückkopplungswiderstand (siehe oben rechts). Es ist sinnvoll bei der Bestimmung der Bauteilwerte die Kondensatoren vorzugeben (E12) und die Widerstände (E96) zu berechnen. Der Widerstand ergibt sich bei Vorgabe der Kapazität und Frequenz aus :

    \[ R = \frac{1}{2\sqrt{2} \, \pi{} f C} \]

Die doppelt so großen Bauteilwerte erhält man beim Widerstand durch die Reihenschaltung zweier gleicher Widerstände und bei den Kapazitäten durch die Parallelschaltung zweier gleicher Kondensatoren.

Zwei hintereinander geschaltete Butterworth Filter 2. Ordnung führen zu dem von mir favorisierten Linkwitz-Riley Filter 4. Ordnung mit einer Filtersteilheit von 24dB.

Die ganzen Überlegungen führten zu den folgenden Anforderungen :

  • aktive Linkwitz-Riley 2 Weg Weiche
  • 6/12/18 und 24dB Filtersteilheit wählbar (Linkwitz-Riley Filter nur bei 24dB)
  • 3 Dekaden und 10 Übergangsfrequenzen pro Dekade wählbar
  • Symmetrische Ein- und Ausgänge
  • Mono Summensignal mit Phasenschieberstufe für den Bass
  • Schaltung zur Bassanhebung/-absenkung im Mono Summensignal
  • beide Kanäle inkl. Netzteile auf einem Board

Aus den obigen Anforderungen ist der folgende Schaltplan entstanden :

Mit den gewählten Widerstands- und Kapazitätswerten ergeben sich folgende Übergangsfrequenzen der Filter :

 R [kΩ]
Freq. [Hz]
C [nF]5,627,158,8711,014,018,022,128,035,745,3
120025157401268810231803962525092401931522484
102002157412691023804625509402315248
100200157127102806351403225

 


2 Weg Weiche mit integrierten Operationsverstärkern

2 Weg Weiche mit integrierten Operationsverstärkern

Gehäuseeinbau der OP-Weiche

28.11.2009

Ich habe die Frequenzweiche in ein Slim Line Gehäuse mit einer 10mm dicken Frontplatte von HI-FI 2000 eingebaut. Auch die Drehknöpfe sind vom gleichen Hersteller. Die Montageplatte auf der die Elektronik befestigt ist habe ich selbst angefertigt. Die gesamte mechanische Bearbeitung des Gehäuses wurde von mir auf einer Datron M35 durchgeführt.


AFW1 - Ansicht von vorn

AFW1 – Ansicht von vorn

Zu sehen sind die Bedienelemente der Frequenzweiche. Rechts erkennt man die Pegelregel des Hoch- und Tiefpasskanals. Auf der linken Seite sind die Einstellungen für den Mono-Subwoofer Kanal zu finden – der Pegelregel, der Regler für die Bassanhebung / -absenkung, den Schalter für die 180° Phasendrehung und den Regler der kontinuierlichen Phasenschieberstufe.


AFW1 - Sicht auf die Elektronik

AFW1 – Sicht auf die Elektronik

Auf dem Bild oben sieht man den Einbau der Elektronik. Gut zu sehen ist das große Audio Board mit den Filtern und dem Netzteil. Rechts davon sieht man noch eine kleine Leiterplatte auf der sich die Remote Einschaltung befindet.


AFW1 - Rückseite

AFW1 – Rückseite

Hier sind die Anschlüsse auf der Rückseite der Frequenzweiche zu sehen. Links die beiden symmetrischen Eingänge, rechts davon die Ausgänge für die High- und Low-Pass Kanäle und des Mono-Signals für den Subwoofer. Über Remote werden die Signale für die Einschaltung der Anlage über eine Steuerspannung zu- und weitergeführt. Auf der rechten Seite sieht man die Netzbuchse, den Netzschalter und die Sicherung. Über die Erdungsbuchse wird die Masse der Audio-Schaltung mit einer Erdschiene verbunden.