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FECHA 25/07/2007
NÚMERO RA
PROGRAMA Programa de ingeniería de sonido
AUTOR
(ES)
CORTES PERALTA, carlos david
TÍTULO Análisis de las etapas de filtrado en equipos de audio de alta fidelidad.
PALABRAS
CLAVES
AO Amplificador Operacional
Filtros
Procesadores de audio Crossover
DESCRIPCIÓN Dentro del estudio de los equipos electroacústicos utilizados para modificar audio,
se consiguen varias etapas que son comunes en todos ellos. Una de estas etapas es
la de filtrado, en la cual se define en gran medida la calidad de la señal resultante.
Los filtros tienen variedad de funciones que permiten al diseñador de los equipos
lograr resultados tan diversos como su imaginación se lo permita, por ello la
realización de este documento en el cual se describen los principales filtros,
resumiendo sus características, su diseño y sus principales aplicaciones.
FUENTES
BIBLIOGRÁFICA
S
1. ANGEL ZETINA. Electronic basica. Editorial limusa. Grupo Noriega
editors. México 1.995
2. CHRISTIAN ZINGALES. Electronic. Giunti gruppo editorial. Firence,
francia 2002
3. chrnoosvaldo.tripod.com 4. DAVID E. JOHNSON, JOHN HILBURN, JHONNY JOHNSON.
Análisis básico de circuitos electrónicos, cuarta edición, prentice hall
Hispanoamérica USA 1.991.
5. DAVIS, Gary y jones, Ralph. The sound reinforcement handbook.
Second edition. Yamaha. Hal leonard corporation.usa.1990
6. es.wikipedia.org/wiki/Electroacústica 7. es.wikipedia.org/wiki/Electrónica_
8. espanol.answers.yahoo.com/question/index
9. gaussian.trota-mundos.com/blog/
10. platea.pntic.mec.es/~lmarti2/glosari1.htm
11. www.ccapitalia.net/reso/articulos/audiodigital/06/avanzado
s_audiodigital
12. www.doctorproaudio.com/doctor/temas/dinamica_compre
s.htm
13. www.hostear.com/google/enciclopedia-virtual-informatica
14. www.todoarquitectura.com/crawler/foros/9966.htm
NÚMERO RA
PROGRAMA Programa de ingeniería de sonido
CONTENIDOS MARCO DE REFERENCIA
Marco conceptual
Señal de audio
Electroacústica Procesadores de rango dinámico
Compresores y limitadores
Expansores
Crossover
Filtros
Ecualizadores
Tablas de ecualización
Diagramas de bloques
Parámetros de medición
Alta fidelidad / High fidelity
Características de un equipo de alta fidelidad
Marco legal Marco teórico
Resistencias
Amplificadores operacionales
Aplicaciones
Configuraciones
Sumador
Restador
Seguidor
Inversor
Condiciones de un sistema de alta fidelidad
Electrónica digital PRESENTACION Y ANALISIS DE RESULTADOS
ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS AO.
Lm833
Tl 084
NE 5532
Tl 072
CIRCUITOS A ANALIZAR
Filtros Filtro pasa-bajo
Filtro pasa-alto
Filtro pasa-banda
Filtro de rechazo de banda
Ecualizador de audio
Control de tonos Ecualizador paramétrico o semi-paramétricos
Ecualizador grafico activo
Ecualizador grafico pasivo
Procesadores de rango dinámico
Crossover
Dos vías
Tres vías
Filtro pasa-bajo para sub-woofer activo
Compendio de filtros
DESARROLLO INGENIERIL
NÚMERO RA
PROGRAMA Programa de ingeniería de sonido
METODOLOGÍA METODOLOGÍA
ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN.
El enfoque de este proyecto es el empírico analítico, este facilita la
experimentación de los componentes utilizados en los diseños, y permite dar
resultados empíricos a partir del análisis teórico. Se aclara que el enfoque
empírico analítico al destacar el interés técnico del proyecto, en el cual se analiza
e interpretan diseños orientados a objetos materiales.
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN.
La línea de investigación de este proyecto es la ingeniería de sonido, en la cual el diseño de sistemas de sonido permite por medio de la electroacústica, que es la
parte de la acústica que se ocupa del estudio, análisis, diseño de dispositivos que
convierten energía eléctrica “señal de audio” en acústica y viceversa, esto se
hace claro al decir que dentro del diseño de las etapas de filtrado de equipos de
audio de alta fidelidad la electrónica hace parte fundamental, tanto en sus bases
teóricas como en sus bases físicas, fortalecidas por la fuerte interpretación
electroacústica que se debe dar de la norma que rige este proyecto, para ser
claros en los resultados.
TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN.
Software de Simulación electrónica. Software para diseño de diagramas de bloques.
Mediciones En Laboratorio De Electrónica (Osciloscopio, Generadores,
Multimetros, fuentes).
Nota:
El software utilizado en este proyecto es freeware.
POBLACIÓN Y MUESTRA.
La población a la cual va dirigido este proyecto es básicamente todas las
empresas que construyen equipos de audio en Colombia, así como estudiantes
electrónica y/o sonido que deseen desarrollar proyectos de similar característica,
que requieran bloques listos analizados para este fin.
HIPÓTESIS.
Los circuitos de audio se diseñan a partir de etapas ya existentes, si se logra
reunir una gran cantidad de circuitos básicos, se podrá realizar el desarrollo de
proyectos mas complejos. Se empezara averiguando cuales son los circuitos mas
utilizados para después montarlos en software de simulación, la siguiente etapa
será montarlos físicamente para comprobar su funcionamiento.
Con todos estos datos se realizara un documento donde recopilare todos los
resultados y apreciaciones sobre los circuitos, así darle al estudiante de
ingeniería una guía para resolver sus proyectos mas complejos
VARIABLES.
VARIABLES INDEPENDIENTES.
Obtener en concordancia con la norma DIN 45500 los diferentes
componentes electrónicos de la mesa.
Contar con equipos en estado adecuado para las diferentes mediciones
en los laboratorios.
Adquisición de componentes ideales.
VARIABLES DEPENDIENTES.
Parámetros de HIFI.
El cumplimiento de la norma.
Mejoramiento de algunas partes análogas a digitales.
Adquirir teoría suficiente para el soporte del proyecto.
Magnitud y Ganancia.
Respuesta en frecuencia.
Frecuencias de corte.
Usabilidad.
CONCLUSIONES A través del desarrollo de este proyecto lo más importante es el profundo
conocimiento adquirido sobre todo lo concerniente a los filtros de audio y sus
variantes.
Se entregar un compendio que cumple con las necesidades de gran número de
ingenieros de sonido, que dedican sus esfuerzos al campo de la electroacústica y
específicamente al análisis de equipo de audio con aspiraciones a alta fidelidad,
superando en los diseños analizados por gran margen los requisitos establecidos
por la norma DIN 45500 que rige a los equipos de audio de alta fidelidad.
Debido al análisis de este proyecto, se confirma que por medio de los cuatro
filtros básicos es posible llegar al diseño de cualquier variante que contenga
etapas de filtrado, como fue demostrado en el análisis y diseño de diversos tipos
de ecualizadores, crossovers, en la base central del diseño de procesadores de
rango dinámico como compresores, expansores, limitadores y gates, así como
definir los alcances que como ingeniero de sonido puede tener en el diseño de
este tipo de dispositivos.
Dentro del diseño de circuitos que cumplan con las normas de alta fidelidad y la
construcción de los mismos, la correcta escogencia de los componentes así como el correcto montaje de los mismos, es la base que garantiza el éxito en el
funcionamiento de los diseños, en el cual los amplificadores operacionales
ofrecen diversas opciones y cualidades que deben ser analizadas, permitiendo
estas reducir en gran medida los niveles de THD del diseño, así como el ahorro
de espacio lo cual limita la interferencia o intermodulación de la señal, factor que
permite reducir el nivel de señal/ruido.
La norma DIN 45500 permite un nivel de THD (distorsión armónica total), el
cual debe ser inferior al 1%, debido al correcto estudio de los diseños y como ya
se dijo la correcta selección de los componentes se ha conseguido en las
simulaciones que este nivel sea completamente nulo y en las mediciones un
máximo de 0.003%, lo cual es producto de factores como el protoboard y defectos de fabricación en los componentes que llegan al país.
Con respecto al ancho de banda la norma DIN nos exige un rango mínimo que
está entre 40 Hz y 16 Khz, pero que debido a las cualidades de los componentes
en las mediciones nos arrojaron rangos que estuvieron entre 20 Hz y 20 Khz,
considerando que la función de los filtros es delimitar estos rangos a las
conveniencias del diseñador.
Definitivamente, para uno como ingeniero de sonido es vital, en el desarrollo de
proyectos de esta índole, contar con la orientación de ingenieros electrónicos,
capacitados en el desarrollo de componentes de audio.
ANÁLISIS DE LAS ETAPAS DE FILTRADO EN EQUIPOS DE AUDIO DE ALTA FIDELIDAD
CARLOS DAVID CORTES PERALTA
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERIA
INGENIERIA DE SONIDO BOGOTA
2007
ANÁLISIS DE LAS ETAPAS DE FILTRADO EN EQUIPOS DE AUDIO DE ALTA
FIDELIDAD
CARLOS DAVID CORTES PERALTA
PROYECTO DE GRADO
INGENIERO MIGUEL PEREZ INGENIERA ESPERANZA CAMARGO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERIA
INGENIERIA DE SONIDO BOGOTA
2007
Nota de aceptación
___________________________ ___________________________ ___________________________ ___________________________ ___________________________ ___________________________
___________________________ Firma del presidente del jurado
___________________________ Firma del jurado
___________________________ Firma del jurado
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCION 10 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 12 1.1 Antecedentes 12 1.2 Descripción y formulación del problema 12 1.3 Justificación 13 1.4 Objetivo de la investigación 13 1.4.1 Objetivo general 13 1.4.2 Objetivos específicos 13 1.5 Alcances y limitaciones 14 1.5.1 Alcances 14 1.5.2 Limitaciones 14 2. MARCO DE REFERENCIA 15 2.1 Marco conceptual 15 Señal de audio 15 Electroacústica 16 Procesadores de rango dinámico 16 Compresores y limitadores 17 Expansores 20 Crossover 20 Filtros 22 Ecualizadores 27
Tablas de ecualización 32 Diagramas de bloques 34 Parámetros de medición 34 Alta fidelidad / High fidelity 37 Características de un equipo de alta fidelidad 37 2.2 Marco legal 38 2.3 Marco teórico 39 Resistencias 39 Amplificadores operacionales 39 Aplicaciones 40 Configuraciones 41 Sumador 41 Restador 41 Seguidor 42 Inversor 42 Condiciones de un sistema de alta fidelidad 43 Electrónica digital 43 3. Metodología 44 3.1 Enfoque de la investigación 44 3.2 Línea de investigación 44 3.3 Técnica de recolección de información 44 3.4 Población y muestra 44 3.5 Hipótesis 45
3.6 Variables 45 3.6.1 Variables independientes 45 3.6.2 Variables dependientes 45 4. PRESENTACION Y ANALISIS DE RESULTADOS 46
Estudio de las características de los AO. 46 Lm833 46
Tl 084 47 NE 5532 48 Tl 072 49
CIRCUITOS A ANALIZAR 50 Filtros 50
Filtro pasa-bajo 50 Filtro pasa-alto 53 Filtro pasa-banda 56 Filtro de rechazo de banda 59 Ecualizador de audio 62 Control de tonos 62 Ecualizador paramétrico o semi-paramétricos 65 Ecualizador grafico activo 68 Ecualizador grafico pasivo 72 Procesadores de rango dinámico 73 Crossover 75 Dos vías 75 Tres vías 80 Filtro pasa-bajo para sub-woofer activo 82 Compendio de filtros 84 5. DESARROLLO INGENIERIL 85 6. CONCLUSIONES 98 7. RECOMENDACIONES 99 8. BIBLIOGRAFIA 100 9. ANEXOS 101
TABLA DE GRAFICAS
Figura 1 “Funciones de transferencia de procesado de rango dinámico. 17
En la segunda columna se muestra el efecto producido sobre un mismo sonido.”
Figura 2 “Niveles de compresión A” 18 Figura 3 “Niveles de compresión B” 18 Figura 4 “Variación de nivel al comprimir” 19 Figura 5 “Controles comunes en compresores” 19 Figura 6 “División de frecuencias a causa del proceso del crossover” 21 Figura 7 “Diagrama de bloque del crossover” 21 Figura 8 “Grafica del comportamiento de los filtros habituales 22
de 1 orden” Figura 9 “Grafica del comportamiento de los filtros habituales 23 de diferentes orden” Figura 10 “Sonido original” 24 Figura 11 “Filtrado pasa-bajo a 1.500 Hz” 24 Figura 12 “Filtrado pasa-alto a 1.500 Hz” 24 Figura 13 “Filtrada pasa-banda a 1.000-2.000 Hz” 25 Figura 14 “Filtrado rechazo de banda a 1.000-2.000 Hz” 25 Figura 15 “Curvas de respuesta de frecuencia de los cuatro
filtros básicos” 26 Figura 16 “ecualizador grafico” 27 Figura 17 “diagrama de filtro de banda angosta” 28 Figura 18 “cortes de frecuencia” 28 Figura 19 “ubicación central de controles del ecualizador y 29
su respuesta en frecuencia” Figura 20 “ubicación acentuada en 1k de controles del ecualizador 29 y su respuesta en frecuencia” Figura 21 “ubicación atenuada en 1k de controles del ecualizador y 29 su respuesta en frecuencia” Figura 22 “ubicación con ecualización determinada y 30 su respuesta en frecuencia” Figura 23 “control de tono” 32 Figura 24 “diagrama de bloque” 34 Figura 25 “Relación Señal a Ruido (S/N)” 36 Figura 26 “grafica de una resistencia” 39 Figura 27 “Circuito integrado” 40 Figura 28 “diagrama de un circuito sumador” 41 Figura 29 “diagrama de un circuito restador” 41 Figura 30 “diagrama de un circuito seguidor” 42 Figura 31 “figura de un circuito inversor” 42 Figura 32 “diagrama del lm 833” 46 Figura 33 “respuesta del THD del lm 833” 46 Figura 34 “diagrama del TL 084” 47 Figura 35 “respuesta del THD del TL 084” 47 Figura 36 “diagrama del NE 5532” 48
Figura 37 “respuesta del THD del NE 5532” 48 Figura 38 “diagrama del TL 072” 49 Figura 39 “respuesta del THD del TL 072” 49 Figura 40 “esquemático del filtro pasa-bajos” 50 Figura 41 “datos de THD simulados del filtro pasa-bajos” 51 Figura 42 “imagen del circuito montado del filtro pasa-bajos” 51 Figura 43 “imagen de la medición del circuito del filtro pasa bajos” 52 Figura 44 “respuesta del circuito montado del filtro pasa-bajos” 53 Figura 45 “simulación del pasa-alto” 53 Figura 46 “datos de la simulación” 54 Figura 47 “imagen de la medición del circuito” 54 Figura 48 “imagen del circuito montado” 55 Figura 49 “respuesta del circuito montado” 56 Figura 50 “simulación del pasa-banda” 56 Figura 51 “datos de la simulación” 57 Figura 52 “imagen de la medición del circuito” 57 Figura 53 “imagen del circuito montado” 58 Figura 54 “respuesta del circuito montado” 59 Figura 55 “simulación del circuito” 59 Figura 56 “datos de la simulación” 60 Figura 57 “imagen del circuito montado” 60 Figura 58 “datos de la medición” 61 Figura 59 “datos de la medición” 62 Figura 58 “imagen de la simulación” 62 Figura 60 “imagen de la simulación” 63 Figura 61 “imagen de la medición” 64 Figura 62 “imagen de la medición” 65 Figura 63 “imagen de la simulación” 65 Figura 64 “datos de la simulación” 66 Figura 65 “imagen de la medición” 66 Figura 66 “imagen de la medición” 67 Figura 67 “imagen de la medición” 68 Figura 68 “diagrama de bloque del ecualizador gráfico activo” 68 Figura 69 “imagen de la simulación” 69 Figura 70 “datos de la simulación” 69 Figura 71 “imagen del circuito montado” 70 Figura 72 “datos del circuito montado” 70 Figura 73 “datos del circuito montado” 71 Figura 74 “imagen de la simulación” 72 Figura 75 “datos de la simulación” 72 Figura 76 “datos del circuito montado” 73 Figura 77 “imagen del circuito montado” 73 Figura 78 “diagrama de bloque de procesador de rango dinámico” 74 Figura 79 “imagen del circuito simulado” 75 Figura 80 “datos de la simulación” 76 Figura 81 “datos de la simulación” 76 Figura 82 “imagen de la medición” 77
Figura 83 “imagen de la medición” 77 Figura 84 “imagen de la medición” 78 Figura 85 “diagrama esquemático de crossover de 2 vías de stereo” 79 Figura 86 “figura de circuito montado” 80 Figura 87 “figura de circuito montado” 81 Figura 88 “datos de la simulación” 81 Figura 89 “imagen de la medición” 82 Figura 90 “imagen de la simulación” 82 Figura 91 “datos de la simulación” 83 Figura 92 “imagen de la medición” 83 Figura 93 “imagen de la medición” 84 Figura 94 “imagen de la medición” 84 Figura 99 “diagrama de bloque del ecualizador gráfico activo” 91 Figura 100 “diagrama de bloque del ecualizador gráfico activo” 93
LISTA DE TABLAS
Tabla 01 “Frecuencias estándar utilizadas en 31 Ecualizadores de bandas de octava” Tabla 02 “Tabla de ecualización por instrumentación” 32 Tabla 03 “Tabla de ecualización de 50Hz hasta 1.5khz” 33 Tabla 04 “Tabla de ecualización de 3khz hasta 15khz” 33 Tabla 05 “Norma DIN 45500” 38 Tabla 06 “Código de colores de las resistencia” 39 Tabla 07 “Respuesta del circuito montado del filtro pasa-bajos” 52 Tabla 08 “Respuesta del circuito montado” 55 Tabla 09 “Respuesta del circuito montado” 58 Tabla 11 “Datos del circuito montado” 64 Tabla 13 “Datos del circuito montado” 71 Tabla 16 “Análisis de los operacionales” 85
INTRODUCCIÓN
Dentro del diseño de los equipos de audio mas utilizados, se pueden conseguir etapas comunes entre ellos, de las cuales se pueden destacar las etapas Preamplificadora, Amplificadora, Sumadora y de Filtrado. Estas etapas son comunes por ser esenciales durante el procesamiento de la señal de audio, donde la preamplificadora ajusta el nivel de la señal de entrada que requiere el equipo para su correcto funcionamiento; la amplificadora eleva la potencia de la señal al nivel adecuado para el correcto funcionamiento de los transductores de salida; la etapa sumadora reúne y agrupa las diferentes señales que se dan dentro de los equipos para crear una nueva, resultado de la unión de las anteriores; por ultimo la etapa de filtrado modifica las señales entrantes para que sea lo mas clara posible o para que se ajuste a los requerimientos del operario de los equipos en cuanto a su forma. De las cuatro deducidas, para este proyecto se escogió la etapa de filtrado, la cual se consigue en amplificadores de potencia, consolas, ecualizadores, crossover y compresores de entre los equipos mas utilizados. Los motivos por los cuales se escoge esta etapa además de ser encontrada en la mayoría de los equipos, como ya se dijo, es por ser básica al momento de conseguir la mayor calidad y el mayor rendimiento de la señal de audio procesada. Todos los componentes electrónicos de sonido poseen una curva de respuesta de frecuencia característica, aunque en la mayoría de estos (micrófonos, amplificadores, conversores A/D y D/A, altavoces, etc.), lo ideal sería que esta fuese plana (una recta horizontal) entre los 20 y los 20.000 Hz, ya que toda desviación acarrea una modificación artificial del timbre o el color del sonido; La realidad es que existe la correspondiente desviación. Es por ello que se crean las etapas de filtrado, donde se busca corregir estas desviaciones, buscando que en la salida la señal resultante sea lo mas horizontal posible. Existen equipos especializados en la modificación de las señales y que permiten ver como es la modificación correspondiente, ecualizadores tanto gráficos como parametricos, son equipos de audio diseñados para estas funciones, donde por medio de filtros ajustados a bandas especificas se modifican frecuencias consideradas criticas y se ajusta la señal a gusto del operario de los equipos, otros equipos destinados a esta función son los compresores, limitadores y crossovert, que recortan, dividen, aumentan o atenúan la señal a través de filtros para también modificarlas a gusto del operario de los equipos. A continuación se hará una explicación de los principales filtros que se consiguen en equipos de audio y su diseño, definiendo su funcionalidad e incluyendo los diagramas de cada uno de ellos.
Se espera que con la ayuda de los estándares de calidad dados por las normas de calidad que rigen el diseño de equipos de audio de alta fidelidad, se consigan diseños que este acorde con las últimas tecnologías y que pueda entrar a competir en un mercado que evoluciona diariamente, y que a su vez sean útiles a personal técnico y/o estudiantes que realicen proyectos en los que puedan intervenir estos circuitos.
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 ANTECEDENTES.
A nivel institucional se tiene registro de proyectos que dirigidos al diseño y construcción de equipos de audio como amplificadores, filtros ecualizadores y mesas de mezclas, y en Colombia en general se sabe de la existencia de empresas dedicadas a la construcción de equipos similares a nivel semi industrial, pero al indagar con comerciantes y constructores, no se ha conseguido registro alguno de proyectos dedicados al estudio de los diseños que constituyen las bases de construcción de estos equipos. Esto se da por los siguientes factores:
• Los constructores prefieren copiar diseños de otras marcas, buscando viabilidad en sus construcciones.
• Los diseños nacionales por lo general no cumplen con las normas de
calidad que los constructores exigen para llevarlos a cavo. • Los costos de los diseños nacionales no se ajustan a los presupuestos
con lo que cuentan las empresas dedicadas a la construcción de equipos de audio en el país.
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.
Debido al poco desarrollo tecnológico en el campo del audio que se da en Colombia, se ha fortalecido el mercado de la importación de equipos diseñados para el manejo del audio, llevando consigo el desvanecimiento de las pocas empresas nacionales, por ello entidades e instituciones como las educativas se ven en la necesidad de fomentar el desarrollo nacional en estas áreas, sabiendo que con ello se abren posibilidades a su vez a los ingenieros del país. Una de las falencias que llevan a esta problemática es precisamente la falta de diseños propios que sean competitivos para los posibles constructores, lo cual les genere confianza en el potencial de los ingenieros de sonido en el país. Por lo anterior nuestro problema es ¿Cuales son los análisis adecuados de los diseño de las etapas de filtrado en equipos de audio de alta fidelidad?
1.3 JUSTIFICACIÓN.
El avance tecnológico en la producción de equipos de audio en Colombia es reciente, debido a esto los comerciantes de equipos se ven obligados a copiar los diseños originalmente creados por otras marcas y/o a importar equipos completos, esto se refleja en la poca atención que prestan a los ingenieros, en este caso de sonido y electrónicos, del país. A pesar que muchas de las partes que se utilizan en la construcción de sistemas de sonido son de fabricación colombiana, no lo es el equipo en su totalidad, como por ejemplo los dispositivos de efectos o los integrados especiales para audio y los ingenieros se ven obligados a laborar en el área de ensamblaje de dichos diseños. Consecuentemente nace la necesidad de crear diseños, seleccionar buenos componentes y utilizarlos adecuadamente, para la producción de equipos de sonido en Colombia. Amplificadores, ecualizadores, compresores y mesas de mezcla, dentro del diseño llevan ideas muy relacionadas entre si, exploradas por el campo de la electroacústica. Explorando posibles soluciones y considerando los posibles aportes investigativos y científicos que se deben dar por los ingenieros del país, nace este proyecto en donde la búsqueda es a nivel institucional, para un desarrollo tecnológico; gestionado desde la universidad, para el beneficio de la misma y en miras de satisfacer el mercado nacional dando una mejor proyección en el medio empresarial, así como una mejor imagen social.
1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN.
1.4.1 OBJETIVO GENERAL. Realizar un Compendio de los circuitos mas utilizados en las etapa de filtrado en equipos de audio de alta fidelidad.
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
• Constatar las normas que rijan los parámetros para los equipos de audio de alta fidelidad y el diseño de los mismos.
• Analizar los diferentes circuitos de filtrado que deben estar contenidos dentro del compendio
• Determinar los parámetros reales de los circuitos por mediciones. • Determinar las características, aplicaciones y ventajas de cada circuito del
compendio.
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO.
1.5.1 Alcances.
El proyecto se ha considerado como macro proyecto el cual tiene como propósito:
Proporcionar un material teórico científico, que contenga los principales circuitos utilizados en las etapas de filtrados de los equipos de audio de alta fidelidad
Determinar y aclarar las normas que rigen circuitos de audio de alta fidelidad.
Marcar un camino que sirva como referencia a los estudiantes de ingeniería de sonido, acerca de equipos de alta fidelidad.
1.5.2 Limitaciones. Adquisición de componentes de calidad que permitan la aplicación de las pautas determinadas por el proyecto.
2. MARCO DE REFERENCIA. 2.1 MARCO CONCEPTUAL. Señal de audio. “Una señal de audio es una señal electrónica que es una representación eléctrica exacta de una señal sonora. Normalmente está acotada al rango de frecuencias audibles por los seres humanos que está entre los 20 y los 20 000 Hz, aproximadamente (el equivalente, casi exacto a 10 octavas)”.1 Dado que el sonido es una onda de presión se requiere un transductor de presión (un micrófono) que convierte las ondas de presión de aire (ondas sonoras) en señales eléctricas (señales analógicas). La conversión contraria se realiza mediante un altavoz, también llamado altoparlante en algunos países latinoamericanos, que convierte las señales eléctricas en ondas de presión de aire. Un solo micrófono puede captar adecuadamente todo el rango audible de frecuencias, en cambio para reproducir fidedignamente ese mismo rango de frecuencias suelen requerirse dos altavoces (de agudos y graves) o más. “Una señal de audio se puede caracterizar, someramente, por su dinámica (valor de pico, rango dinámico, potencia, relación señal-ruido) o por su espectro de potencia (ancho de banda, frecuencia fundamental, armónicos, distorsión armónica, etc.)”.2 Así, por ejemplo, una señal que represente voz humana (señal vocal) no suele tener información relevante más allá de los 10 kHz, y de hecho en telefonía fija se toman sólo los primeros 4 kHz. Con 2 kHz basta para que la voz sea comprensible, pero no para reconocer al hablante. Audio digital. Es la codificación de la señal eléctrica anteriormente mencionada: consiste en una secuencia de números binarios y se obtiene del muestreo y cuantificación de la señal eléctrica (que en este tema se llama señal analógica, para contraponerla a la señal digital) posteriormente se puede codificar o comprimir, dando lugar a formatos más compactos (compresión de audio). “El muestreo (sampleo) consiste en tomar el valor de la señal eléctrica a intervalos regulares de tiempo (tasa de muestreo o Sample rate). Para audio de
1 es.wikipedia.org/wiki/Audio
2 es.wikipedia.org/wiki/Audio
alta calidad suele bastar con tasas de 40-44 kHz, con 32 kHz se tendría un ancho de banda similar al de la radio FM o una cinta de casete. Para reproducir un determinado intervalo de frecuencias se necesita una tasa de muestreo de poco más del doble. Por ejemplo en los CDS, que reproducen hasta 20 kHz, emplean una tasa de muestreo de 44,1 kHz”.3 Electroacústica.
“La electroacústica es la parte de la acústica que se ocupa del estudio, análisis y diseño de dispositivos que convierten energía eléctrica en acústica y viceversa, así como de sus componentes asociados. Entre estos se encuentran los micrófonos, acelerómetros, altavoces, excitadores de compresión, auriculares, audífonos, calibradores acústicos y vibradores”.4 Los micrófonos y altavoces son sus máximos representantes. Estos son denominados genéricamente transductores: dispositivos que transforman sonido en electricidad y vice-versa. Esta conversión de entes de naturaleza completamente distinta, se realiza acudiendo a principios electromecánicos y electromagnéticos. Los elementos de procesamiento de audio son dispositivos que alteran o modifican de alguna forma características el sonido, éste está representado por una variable eléctrica. Las características que modifican son de índole variada como: amplitud, rango dinámico, respuesta en frecuencia, respuesta en el tiempo, timbre, etc. El procesamiento se lleva a cabo de manera electrónica, utilizando la tecnología de semiconductores y la tecnología digital. Procesadores de rango dinámico. “El rango dinámico de un fragmento sonoro viene dado por la diferencia (en dB) entre la intensidad más fuerte y la más débil. Los efectos incluidos en este apartado, operan directamente sobre la amplitud de las muestras, modificando de diversos modos el rango dinámico de un determinado fragmento. Los más importantes son los compresores, los expansores, los limitadores y las puertas de ruido”.5 Una buena forma de caracterizar estos procesos, es a través de su función de transferencia, que establece una correspondencia entre las amplitudes de entrada y las amplitudes de salida. En la figura 01, se muestran varias funciones de este tipo, junto con los efectos que producen en un fragmento sonoro. La función 01 es una recta con una inclinación de 45o, lo que significa que, en este
3 espanol.answers.yahoo.com/question/index
4 es.wikipedia.org/wiki/Electroacústica
5 www.ccapitalia.net/reso/articulos/audiodigital/06/avanzados_audiodigital.htm
caso, no se produce ninguna modificación del rango dinámico (a cualquier valor de amplitud de entrada, le corresponde el mismo valor en la salida).
Figura 01 Funciones de transferencia de procesado de rango dinámico. En la segunda columna se muestra el efecto
producido sobre un mismo sonido.
Compresores y limitadores.
La finalidad del compresor es reducir el nivel de las señales con demasiado volumen. Normalmente podríamos hablar de varias razones principales para comprimir, estas son:
• Controlar la energía de una señal.
“El oído humano detecta los cambios de energía de las señales. Podemos expresar la energía de una señal de forma matemática como su valor RMS (es decir, el valor medio). El oído humano es muy sensible a las variaciones de energía, así que la compresión debe ser suave y sutil para que no resulte evidente al oído. Una compresión abrupta y excesiva puede usarse para lograr efectos especiales, aunque esto es más propio de aplicaciones de grabación que de sonido en directo.
Este tipo de compresión es utilizada, por ejemplo, para mantener la señal de un cantante en unos niveles relativamente constantes en todo momento, ya grite o susurre, se acerque o aleje del micrófono.
El siguiente gráfico nos muestra los niveles de una señal comprimida y sin comprimir para diversas relaciones de compresión, desde menos compresión hasta compresión máxima (limitación). Las relaciones son 3:1, 1.5:1 e infinito: 1 (nótese que se tarda un tiempo en llegar al nivel de umbral)”. 6
Figura 2 “niveles de compresión A”
En cierta forma la relación de compresión y el nivel umbral actúan conjuntamente, ya que tanto se aumenta la compresión aumentando la relación como disminuyendo el umbral.
• Controlar el nivel de pico de una señal.
“A menudo los equipos están limitados por su capacidad de soportar picos de señal. Los amplificadores en diferentes puntos del mezclador pueden saturar. El amplificador de potencia puede saturar. Los altavoces pueden correr el riesgo de dañarse por excesiva excursión. En estos casos realmente lo que importa controlar es el nivel de pico de las señales, de forma que el procesado necesario tiende más hacia la limitación”.7
Figura 3 “niveles de compresión B”
En el gráfico siguiente se muestra cómo varía el nivel (en dBs) de una señal al comprimirse con un umbral más alto o más bajo. En el primer ejemplo, el umbral más alto deja pasar el tercer pico prácticamente sin alteración alguna.
6 gaussian.trota-mundos.com/blog/?
7 www.doctorproaudio.com/doctor/temas/dinamica_compres.htm
Figura 4 “variación de nivel al comprimir”
• Reducir el margen dinámico de una señal.
Si se atenúa los picos de señal, se esta reduciendo su margen dinámico. Puesto que muchos equipos están limitados por los picos (amplificadores de potencia, grabadores), ello permite subir el nivel RMS de la señal.
Algunos compresores cuentan con la capacidad de decidir si comprime en base a los niveles instantáneos (de pico) o medios (RMS, lo más habitual) de la señal detectada. La forma de detectar el RMS puede también variar: los compresores de más calidad detectan el RMS real, mientras que los de gama más baja lo aproximan.
La compresión es una labor difícil que puede necesitar características muy diferentes en función del tipo de señal. Por ello son necesarios numerosos controles. El gráfico muestra un compresor con los más comunes.
Figura 5 “controles comunes en compresores”
En general la música grabada comercialmente está ya comprimida, por lo que no suele ser necesario comprimirla más. Tampoco suele ser habitual en refuerzo de sonido utilizar la compresión de forma creativa para sacar efectos, puesto que los músicos suelen ser responsables de su sonido a través de unidades de efecto o amplificadores de instrumento. Hay que tener en cuenta también los efectos de una excesiva compresión, como son incrementar la energía que le llega a amplificadores y altavoces, y potencialmente aumentar las posibilidades de acople (feedback) al generarse un efecto de sostenimiento.
Su uso es muy frecuente en la grabación de partes vocales, ya que en muchos casos, la señal emitida por la voz y recogida por un micrófono, presenta mínimos muy débiles que se confundirían con el ruido de fondo. Con una compresión más
exagerada se consigue un efecto intimista, ya que se acentúan los sonidos de la respiración y de los movimientos bucales (lengua, saliva, etc.). Este efecto también se utiliza mucho en las guitarras eléctricas, creando el típico sonido de guitarra heavy. Los limitadores son un caso extremo de compresores, que limitan la amplitud máxima posible a un valor umbral. Suelen utilizarse en grabaciones de conciertos para evitar que se pueda producir saturación. Su función de transferencia presenta pendientes horizontales en los extremos. Expansores. “Un expansor es el opuesto de un compresor. Acentúa los cambios, disminuyendo los niveles débiles, y aumentando los fuertes. Se utiliza frecuentemente en combinación con puertas de ruido, y para realzar grabaciones antiguas que presentan un rango dinámico estrecho”.8 Crossover
El crossover es un componente que permite dividir de forma rígida una señal original, en varias sub señales, que son a su vez fragmentos completos de la señal original, entregando cada una de estas sub señales a una salida independiente. Como resultado se consiguen fragmentos manejables de la señal que pueden ser ajustados a las condiciones del transductor de salida, buscando optimizar su rendimiento, y que al ser ubicadas en los transductores adecuados, nos reproduce la señal original con mayor efectividad, que si fuese reproducida toda por un solo transductor.9
Figura 6 “división de frecuencias a causa del proceso del crossover”
8 www.ccapitalia.net/reso/articulos/audiodigital/06/avanzados_audiodigital.htm
9 www.todoarquitectura.com/crawler/foros/9966.htm
A continuación se muestra el diagrama de bloque general de un crossover en el cual se muestran todas las sesiones que este sistema debe llevar
Figura 7 “diagrama de bloque del crossover”
Las contestaciones de frecuencia de cada sección se muestran debajo, nota que la caída del crossover está en -6dB, y no en -3dB. Esto permite que el rendimiento sumado de este filtro sea llano, sin ninguna cresta o zambullidas, y ninguna inversión de la fase. Se puede lograr que un crossover sub divida una señal, en cuantas uno requiera, pero vale la pena decir que entre mas sub dividas la señal, mayor número de transductores se deben utilizar, lo que implica el uso de mayor potencia, y montajes mas complicados de ajustar. Por lo anterior las combinaciones de crossover mas frecuentes son las siguientes. Filtros.
Un filtro es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una señal eléctrica que pasa a través de él, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase.
• Filtros habituales:
Filtro de Butterworth: con una banda de paso suave y un corte agudo
Filtro de Tschebyschef: con un corte agudo pero con una banda de paso con ondulaciones
Filtros elípticos o de Cauer: que consiguen una zona de transición más abrupta que los anteriores a costa de oscilaciones en todas sus bandas
Filtro de Bessel: que, en el caso de ser analógico, aseguran una variación de fase constante
Figura 8 “grafica del comportamiento de los filtros habituales de 1 orden”
Un factor a considerar en los filtros es el orden, el orden de un filtro describe el grado de aceptación o rechazo de frecuencias por arriba o por debajo, de la respectiva frecuencia de corte. Un filtro de primer orden, cuya frecuencia de corte sea igual a (F) presentará una atenuación de 6dB a la primera octava (2F), 12dB a la segunda octava (4F), 18dB a la tercera octava (8F) y así sucesivamente. Uno de segundo orden tendría el doble de pendiente (representado en escala logarítmica).
Esto se relaciona con los polos y ceros: los polos hacen que la pendiente suba con 20dB y los ceros que baje, de esta forma los polos y ceros pueden compensar su efecto.
Figura 9 “grafica del comportamiento de los filtros habituales de diferentes orden”
Para realizar filtros analógicos de órdenes más altos se suele realizar una conexión en serie de filtros de 1º o 2º orden debido a que a mayor orden el filtro se hace más complejo. Sin embargo en el caso de filtros digitales es habitual obtener órdenes superiores a 100.
• Tipos de filtro
Atendiendo a sus componentes constitutivos, naturaleza de las señales que tratan, respuesta en frecuencia y método de diseño los filtros se clasifican en los distintos grupos que a continuación se indica.
Según respuesta frecuencia o básicos
Un filtro se caracteriza por su curva de respuesta de frecuencia, que indica la forma en que las diferentes frecuencias en la entrada se atenúan o amplifican. Todos los componentes electrónicos de sonido poseen una curva de respuesta de frecuencia particular, aunque en la mayoría de aparatos (micrófonos, amplificadores, conversores A/D y D/A, altavoces, etc.), lo ideal sería que esta curva fuese plana (una recta horizontal) entre los 20 y los 20.000 Hz, ya que toda desviación acarrea una modificación artificial del timbre o el color del sonido. Atendiendo a sus componentes constitutivos, naturaleza de las señales que tratan, respuesta en frecuencia y método de diseño los filtros se clasifican en los distintos grupos.10 Para un mayor entendimiento del como afecta cada uno de estos filtros se muestra como estos actúan sobre una señal original (ver figura 10) en particular, mostrando gráficamente los cambios.
Figura 10 “Sonido original”
Filtro paso bajo: Es aquel que permite el paso de las frecuencias por debajo de un determinado valor, denominado frecuencia de corte. En un filtro ideal
esta frecuencia debería suponer una discontinuidad en la curva de respuesta, de forma que toda frecuencia por encima de este valor se atenuará totalmente y toda frecuencia por debajo se dejará intacta como se ve en la figura 11. En la práctica, esto no es posible y todos los filtros reales presentan una pendiente en la zona cercana a la frecuencia de corte, cuanto más inclinada sea esta pendiente de atenuación, más preciso será el filtro.
10
www.ispmusica.com/articulo.asp?
Figura 11 “Filtrado pasa-bajo a 1.500 Hz”
Filtro pasó alto: Es el que permite el paso de frecuencias desde una frecuencia de corte determinada hacia arriba, sin que exista un límite superior especificado. Presentan ceros a bajas frecuencias y polos a altas frecuencias.
Figura 12 “Filtrado pasa-alto a 1.500 Hz”
Filtro pasó banda: Son aquellos que permiten el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior.
Este filtro deja pasar una banda de frecuencias en particular, eliminando el resto de la señal. Se define a partir de la frecuencia central o de resonancia y el ancho de banda. En la figura 13 se aprecia como discrimina una banda en particular de todo el espectro de frecuencias que muestra la señal.
Figura 13 “Filtrada pasa-banda a 1.000-2.000 Hz”
Filtro elimina banda: Es el que dificulta el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior.
Actúa de forma inversa al de pasa-banda, ya que elimina la banda de frecuencia seleccionada y deja el resto intacto como se ve en la figura 14. Al igual el pasa banda, se caracteriza por la frecuencia de resonancia y el ancho de banda.
Figura 14 “Filtrado rechazo de banda a 1.000-2.000 Hz”
Existen otros dos tipos de filtro basicos que son menos comunes y utilizados, pero que es conveniente mencionar.
Filtro multibanda: Es que presenta varios rangos de frecuencias en los cuales hay un comportamiento diferente
Filtro variable: Es aquel que puede cambiar sus márgenes de frecuencia
Comparación de los tipos de filtros
En la figura 15, se esquematizan las curvas de respuesta de frecuencia de los cuatro filtros básicos, de esta forma es mas fácil diferenciar sus filtrajes particulares, y permite visualizar posibles utilidades. Si se analiza se pueden definir varias particularidades como la obvia similitud que se da entre el filtro rechaza banda y la unión del pasa-bajo y el pasa-alto, siendo el rechaza banda una útil solución a lo que era en su momento la unión de los dos circuitos, y mostrándonos que es posible sacar nuevas variables de la combinación entre ellos, como se evidenciara mas adelante cuando se analicen procesadores de señal en los cuales se usan variaciones de estos filtros con un fin determinado.
Figura 15 “Curvas de respuesta de frecuencia de los cuatro filtros básicos”
Filtros activos y pasivos
Filtro pasivo: Es el constituido únicamente por componentes pasivos como condensadores, bobinas y resistencias.
Filtros activos: Es aquel que puede presentar ganancia en toda o parte de la señal de salida respecto a la de entrada. En su implementación se combinan elementos activos y pasivos. Siendo frecuente el uso de amplificadores operacionales, que permite obtener resonancia y un elevado factor Q sin el empleo de bobinas.
Filtros analógicos o digitales
Atendiendo a la naturaleza de las señales tratadas los filtros pueden ser:
Filtro analógico: Diseñado para el tratamiento de señales analógicas
Filtro digital: Diseñado para el tratamiento de señales digitales.
Ecualizadores.
Es un dispositivo que modifica el contenido en frecuencias de la señal que procesa (por ejemplo una canción). Es decir, cambia las amplitudes de sus coeficientes de Furrier lo que se traduce en diferentes volúmenes para cada frecuencia.
De un modo doméstico generalmente se usa para reforzar ciertas bandas de frecuencias, ya sea para compensar la respuesta del equipo de audio (amplificador + parlantes) o para ajustar el resultado a gustos personales.
Este aparato consta de varios potenciómetros, cada uno de ellos asociado a una banda de frecuencia, que permiten amplificar o atenuar estos componentes frecuenciales. Cuantas más bandas tenga el ecualizador, más preciso será el control sobre el espectro armónico y más radicalmente se podrá modificar el timbre de los sonidos procesados.
• Tipos de ecualizadores.
Grafico
Un ecualizador grafico tiene diversos números de filtros pasa banda que separan al espectro de audio en igual número de octavas individuales. El espectro de audio es de 20Hz a 22Khz. Al incrementar o disminuir las diferentes octavas de frecuencia se pueden crear efectos sonoros espaciales para que el sonido se escuche lo mas claro posible o por ejemplo para que se enfatice el sonido de algún instrumento.
Figura 16 “ecualizador grafico”
Los circuitos ecualizadores de octava tienen frecuencias de resonancia en rangos aproximados a 32Hz, 64Hz, 128Hz, 256Hz, 512Hz, 1024Hz, 2048Hz, 4096Hz, 8192Hz, 16384Hz. El factor de calidad se escoge para que tenga valores de entre 1.4 y 2%. Por lo que para la construcción del ecualizador se requieren filtros de banda angosta. Estos filtros se construyen con un circuito integrado dos capacitares y tres resistores como se ve en la siguiente figura:
Figura 17 “diagrama de filtro de banda angosta”
Para definir la frecuencia de resonancia, la frecuencia baja y la alta. Se utilizan las siguientes fórmulas para definir los elementos del circuito:
La forma como se visualizan los cortes de frecuencias se ven claro en la figura siguiente:
Figura 18 “cortes de frecuencia”
En la figura 19a se muestra el aspecto que presentan los controles de un ecualizador de bandas de octava cuando están todos en la posición central. La respuesta en frecuencia resulta en ese caso plana en toda la banda de audiofrecuencias, como se indica en la figura 19b. Las caídas a uno y otro lado de dicha banda son las normales en todo equipo de audio, colocadas ex profeso para reducir el ruido fuera de la banda de interés (ya que si bien se trata de un ruido inaudible, consume potencia y resta rango dinámico a la señal útil).
Figura 19 “ubicación central de controles del ecualizador y su respuesta en frecuencia”
Si se eleva una de las bandas hasta el valor máximo de 12 dB (figura 20a), el punto central de dicha banda se enfatizará en 12 dB, pero el resto de la banda lo hará en menor cuantía. Debido a que los filtros no son ideales, fuera de la banda habrá cierta ganancia residual que se atenúa rápidamente al alejarse de la banda (figura 20b).
Figura 20 “ubicación acentuada en 1k de controles del ecualizador y su respuesta en frecuencia”
Si, en cambio, se lleva una banda al valor mínimo de -12 dB (figura 21a), el punto central de dicha banda quedará atenuado en 12 dB. El resto de la banda se atenuará menos, y debido a la no idealidad habrá cierta atenuación residual aún fuera de la banda (figura 21b).
Figura 21 “ubicación atenuada en 1k de controles del ecualizador y su respuesta en frecuencia”
En la figura 22a se muestra una ecualización más general, y en la figura 22b la correspondiente respuesta en frecuencia. Se observa que la disposición de los potenciómetros deslizantes es una analogía gráfica bastante representativa de dicha respuesta en frecuencia.
Figura 22 “ubicación con ecualización determinada y su respuesta en frecuencia”
Ésta es la razón por la que estos ecualizadores se denominan ecualizadores gráficos, destacando la similitud entre la figura resultante de la ecualización y la
respuesta en frecuencia. En algunos ecualizadores de bajo costo los potenciómetros son rotativos, perdiéndose esta característica. Ahora, los ecualizadores generalmente se dividen por octava, siendo las mas utilizadas las de 2/3, 1/2 y 1/3 de octava, para cada caso existe un estándar de frecuencias a utilizar las cuales se ven en la tabla 01. Estas frecuencias normalizadas corresponden a las tres décadas del rango audible para ecualizadores de distintas resoluciones, y se puede apreciar que las décadas son exactas tanto como las octavas, pero aun así permite hacer aproximaciones.
Tabla 01 “frecuencias estándar utilizadas en ecualizadores de bandas de octava”
Los ecualizadores gráficos responden en general a una estructura circuital característica, cuya base es el circuito de la figura 17. Dicho circuito permite un ajuste continuo entre un valor máximo de ganancia y un valor máximo de atenuación.
Parametrico
Otro tipo de ecualizadores son los paramétricos, que presentan menos bandas (típicamente dos o tres), pero con frecuencias de corte configurables.
Es una variante del control de tonos pero difiere de este por permitir realizar ajustes en las frecuencias de los rangos de bandas ajustados, de tal forma que hace de este más funcional en cuanto a la capacidad de ecualización. En algunos se configura para que ajuste el rango de frecuencias denominada medias, pero se consiguen configuraciones que dan esta posibilidad adicional para las bandas
graves, altas e incluso para las tres bandas o mas en que se sub-divida el ecualizador.
Control de tonos
El ecualizador más sencillo es el clásico control de tono, que permite controlar, según convenga, dos o tres grandes bandas fijas de frecuencia, denominadas genéricamente graves, medios y agudos. Es también conocido como corrector de tonalidad.
Figura 23 “control de tono”
Tablas de ecualización
Sabiendo que la finalidad de los filtros de audio es amoldar la señal a las necesidades del operario, en cuanto a su estructura armónica, su rango de frecuencia y su claridad, es conveniente saber cual es la mejor manera de de hacer rendir estos sistemas. Es por esto que se han realizado cantidad de estudios sobre el contenido armónico y las frecuencias críticas de la mayoría de instrumentos musicales, así como de los registros vocales, entregando tablas que facilitan la identificación de las frecuencias a moldear, dentro de las finitas posibles situaciones que se pueden presentar, al utilizar estos equipos. A continuación se describen algunas tablas que muestran para las principales frecuencias, y que afecta si son manipuladas, así como la correcta forma de modificarlas para obtener cualidades de cada registro, dentro de los mas utilizados
Tabla 02 “tabla de ecualización por instrumentación”
Tabla 03 “tabla de ecualización de 50Hz hasta 1.5KHz”
Tabla 04 “tabla de ecualización de 3KHz hasta 15KHz”
Diagrama de bloques.
Describe los elementos de un sistema destacando sus principales partes y funciones incluye símbolos electrónicos y especifica el orden en el cual se harán las conexiones de los procesos involucrados.
Figura 24 “diagrama de bloque”
En la figura 24 se ve un diagrama de bloque de un reproductor de CD, en el cual se aprecia como es la correcta elaboración de estos diagramas, con buen orden, y la simplicidad que estos diagramas deben tener.
Parámetros de medición en audio.
• Distorsión
Este término tiene connotaciones peyorativas ya que normalmente define la perdida o la degradación inevitable en una señal, ocasionada por los diferentes dispositivos o procesos (micrófono, grabación, amplificador, altavoces) a los que se ve sometida. Sin embargo, todos los efectos descritos anteriormente son, en realidad, casos particulares de distorsión, que, por su uso frecuente, reciben un nombre propio
• Decibelio (dB)
Unidad de fuerza relativa del sonido. Un decibelio es 20 veces el logaritmo del cociente entre la presión acústica a medir y una presión acústica de referencia. Abreviatura dB. Expresa relaciones utilizando escalas logarítmicas y se emplea para expresar magnitudes vinculadas a la percepción humana auditiva o visual.
Se pueden asociar muchos atributos diferentes al punto de referencia denominado 0 dB - por ejemplo un nivel estándar de sonido o potencia - y obtener medidas relativas a esa referencia. Muchos niveles de funcionamiento se expresan en dB - por ejemplo la relación señal/ruido (S/N). 11
Las relaciones en dB se definen según la expresión: 20 log10 (Nivel 1/Nivel2) donde los niveles 1 y 2 pueden ser audio, vídeo o cualquier otro nivel de voltaje apropiado.
• Relación señal a ruido (S/N)
La relación entre el ruido y la información útil de la señal, que se expresa en dB. Factor fundamental que controla el índice y la calidad de la transmisión de información son el ancho de banda B y la potencia S de la señal.
El ancho de banda de un canal es el rango de frecuencias que éste puede transmitir con razonable fidelidad; por ejemplo, si un canal puede transmitir una señal cuyos componentes de frecuencia ocupan un rango de 1,000 hasta un máximo de 5,000 Hz (5 kHz) el ancho de banda será de 4 kHz.
Para comprender el papel de B, se considera la posibilidad de aumentar la velocidad de transmisión de la información mediante la compresión en el tiempo de la señal. Si una señal se comprime en el tiempo un factor de dos, se podrá transmitir en la mitad del tiempo, y la velocidad de transmisión se duplica, sin embargo, la compresión por un factor de dos hace que la señal "oscile" dos veces más rápido, lo que implica que las frecuencias de sus componentes se dupliquen.
11
platea.pntic.mec.es/~lmarti2/glosari1.htm
Para transmitir sin distorsión esta señal comprimida, el ancho de banda del canal debe duplicarse, de esta forma, el índice de transmisión de la información es directamente proporcional a B, con más generalidad si un canal de ancho de banda B puede transmitir N pulsos por segundo, entonces, para transmitir KN pulsos por segundo se necesita un canal de ancho de banda KB. Para reiterar, el número de pulsos/segundo que pueden transmitirse a través de un canal es directamente proporcional a su ancho de banda B.
La potencia S de la señal desempeña un papel dual en la transmisión de información. Primero, S esta relacionada con la calidad de la transmisión. Al incrementarse S, la potencia de la señal, se reduce el efecto del ruido de canal, y la información se recibe con mayor exactitud, o con menos incertidumbre. Una mayor relación de señal a ruido S/N permite también la transmisión a través de una distancia mayor. En cualquier caso, una cierta S/N mínima es necesaria para la comunicación. 12
Figura 25 “Relación Señal a Ruido (S/N)”
• Distorsión armónica
Distorsión debida a las características de no linealidad de un elemento de un sistema de transmisión, y que se traduce en la aparición de componentes parásitos de frecuencias armónicas, de la corriente senoidal que se ha de transmitir.13
La distorsión de una forma de onda debido al agregado indeseado de frecuencias armónicas, típicamente causada por una respuesta no lineal de un paso de transmisión o amplificación.
• Hertz (Hz)
Unidad de frecuencia equivalente a número de ciclos por segundo. Nombre dado en honor al investigador alemán Heinrich Hertz (1857 – 1894), quién investigó la
12
chrnoosvaldo.tripod.com 13
www.euromaya.com/glosario/D_GLOSARIO.htm
naturaleza de las ondas electromagnéticas, también llamadas a veces ondas Hertzianas.
• Fidelidad
El grado de perfección con el cual un equipo electrónico reproduce el sonido.
• Resonancia
fenómeno que se produce en un circuito en el que existen elementos reactivos (bobinas y condensadores) cuando es recorrido por una corriente alterna de una frecuencia tal que hace que la reactancia se anule, en caso de estar ambos en serie o se haga máxima si están en paralelo.. Alta fidelidad/High fidelity. Es la técnica de grabación, retransmisión y reproducción de sonidos que mejor reproduce las características del sonido original. Para conseguir una reproducción de alta fidelidad, el sonido debe estar libre de distorsiones e incluir toda la gama de frecuencias que percibe el oído humano.14 El término más conocido en audio es HiFi. Todos sabemos que estas siglas representan High Fidelity (Alta fidelidad), término con el cual se designa a todos los equipos de audio que sigan ciertas normas preestablecidas, como la norma DIN 45500. La calidad de un sistema de grabación y reproducción de alta fidelidad se mide a partir de la capacidad de éste de reproducir la señal sonora de manera fiel a la realidad, es decir, con el máximo parecido respecto a la señal original, eso significa conservar la naturaleza y la perfecta inteligibilidad de la voz o las propiedades tímbricas de los distintos instrumentos. Características de un equipo de alta fidelidad.
Entre las características más importantes que ha de tener un sistema para ser considerado de alta fidelidad, hay que destacar tanto la respuesta en frecuencia, que ha se ser uniforme y amplia en el campo de las frecuencias audibles, como la ausencia de distorsión de señal, que se evidencia cuando se introduce algún componente que no estaba presente en la señal original y produce una especie de ruido de fondo.
14
www.hostear.com/google/enciclopedia-virtual-informatica/alta-fidelidad.es-la-técnica-de-grabación.
2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO.
Existe una norma que estandariza los parámetros de calidad para equipos de alta fidelidad en el mundo, se le denomina DIN 45500. Es un sistema de normalización especialmente concebido para conseguir la unificación de tolerancias, tamaños, calidades, etc., de los elementos empleados y producidos en la industria. En la siguiente figura (ver tabla 05) se puede ver un cuadro que describe todos los parámetros que la norma exige, tanto para amplificadores de audio, procesadores de audio y mesas de mezcla, como para receptores de FM; el cuadro para su mayor comprensión esta seccionado en características y un rango de valores nominales.
Tabla 05 “Norma DIN 45500”
La falta de cualquiera de los datos consignados impide que estos equipos sean considerados de alta fidelidad HiFi
Para este proyecto es esencial el uso de esta norma como juzgamiento de calidad en cuanto a los parámetros de los diseños, ya que el estar dentro de los parámetros que esta norma dicta, garantiza que los diseños sean competitivos dentro del mercado, y aceptables para los potenciales usuarios de los diseños consignados dentro de este proyecto. 2.3 MARCO TEÓRICO.
Resistencias.
Las resistencias se utilizan para limitar las corrientes que circulan en los circuitos electrónicos. Normalmente se elaboran de carbón y su precio es muy bajo. El valor de las resistencias se indica por medio de tres bandas de color.
Figura 26 “grafica de una resistencia”
Estas bandas tienen cada una denominación numérica que permite saber el valor de oposición de la resistencia
Tabla 06 “código de colores de las resistencia”
Amplificador operacional. Es un circuito integrado que contiene un amplificador de alta ganancia de tensión utilizado para frecuencias de cero a un poco más de 2 MHz en modelos normales. Los modelos especiales pueden trabajar en el orden de los GHz.
Figura 27 “Circuito integrado”
El primer A.O. (Amplificador operacional) data de los años 1960, era el Fairchild UA-709 que más tarde sería sustituido por el popular 741 fabricado por numerosas empresas y basado en tecnología bipolar Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre. El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.
Aplicaciones.
• Calculadoras analógicas • Filtros • Preamplificadores y buffers de audio y video • Reguladores • Conversores • Evitar el efecto de carga • Adaptadores de niveles (por ejemplo CMOS y TTL)
Configuraciones.
• Sumador.
Figura 28 “diagrama de un circuito sumador”
La salida está invertida Para resistencias independientes R1, R2,... Rn, que son las que están ubicadas en paralelo a la entrada del operacional.
La expresión se simplifica mucho si se usan resistencias del mismo valor Impedancias de entrada: Zn = Rn
• Restador
Figura 29 “diagrama de un circuito restador”
Para resistencias independientes R1, R2, R3, R4:
Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales
La impedancia diferencial entre dos entradas es Zin = R1 + R2
• Seguidor
Figura 30 “diagrama de un circuito seguidor”
Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias
(conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa) Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual:
Vout = Vin
Zin = ∞
• Inversor
La configuración más sencilla es la inversora. Dada una señal analógica (por ejemplo de audio) el amplificador inversor constituye el modo más simple de amplificar o atenuar la señal (por ejemplo modificar el volumen de la señal).
Figura 31 “figura de un circuito inversor”
Condiciones de un buen sistema de alta fidelidad. Lo cierto es que un buen sistema de alta fidelidad crea las condiciones potenciales para una reproducción del sonido satisfactoria. De todas formas no es conveniente exagerar respecto a los resultados en torno a la perfección de cada componente del equipo, ya que siempre pueden existir nuevos elementos que intervengan de manera determinante. Estos elementos de los que habla el autor convierten en mediocre la reproducción efectuada con el equipo técnicamente más sofisticado y costoso. Finalmente la fidelidad está condicionada por las características ambientales donde tiene lugar la audición. Una casa de dimensiones normales equipada con muebles y otros objetos garantizan una audición suficientemente recogida capaz de absorber una buena parte de las distintas reflexiones del sonido. Electrónica digital.
La electrónica digital es una parte de la electrónica que se encarga del estudio de sistemas electrónicos en los cuales la información está codificada en dos únicos estados.
A dichos estados se les puede llamar "verdadero" o "falso", o más comúnmente 1 y 0. Electrónicamente se les asigna a cada uno un voltaje o rango de voltaje determinado, a los que se les denomina niveles lógicos, típicos en toda señal digital.15
Se diferencia de la electrónica analógica en que, para la electrónica digital un valor de voltaje codifica uno de estos dos estados, mientras que para la electrónica analógica hay una infinidad de estados de información que codificar según el valor del voltaje.
Son circuitos electrónicos que llevan a cabo las operaciones necesarias para obtener las decisiones lógicas.
15
es.wikipedia.org/wiki/Electrónica_digital
METODOLOGÍA
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN.
El enfoque de este proyecto es el empírico analítico, este facilita la experimentación de los componentes utilizados en los diseños, y permite dar resultados empíricos a partir del análisis teórico. Se aclara que el enfoque empírico analítico al destacar el interés técnico del proyecto, en el cual se analiza e interpretan diseños orientados a objetos materiales.
3.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN.
La línea de investigación de este proyecto es la ingeniería de sonido, en la cual el diseño de sistemas de sonido permite por medio de la electroacústica, que es la parte de la acústica que se ocupa del estudio, análisis, diseño de dispositivos que convierten energía eléctrica “señal de audio” en acústica y viceversa, esto se hace claro al decir que dentro del diseño de las etapas de filtrado de equipos de audio de alta fidelidad la electrónica hace parte fundamental, tanto en sus bases teóricas como en sus bases físicas, fortalecidas por la fuerte interpretación electroacústica que se debe dar de la norma que rige este proyecto, para ser claros en los resultados.
3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN.
• software de Simulación electrónica. • Software para diseño de diagramas de bloques. • Mediciones En Laboratorio De Electrónica (Osciloscopio, Generadores,
Multimetros, fuentes). NOTA: El software utilizado en este proyecto es freeware.
3.4 POBLACIÓN Y MUESTRA.
La población a la cual va dirigido este proyecto es básicamente todas las empresas que construyen equipos de audio en Colombia, así como estudiantes electrónica y/o sonido que deseen desarrollar proyectos de similar característica, que requieran bloques listos analizados para este fin.
3.5 HIPÓTESIS.
Los circuitos de audio se diseñan a partir de etapas ya existentes, si se logra reunir una gran cantidad de circuitos básicos, se podrá realizar el desarrollo de proyectos mas complejos. Se empezara averiguando cuales son los circuitos mas utilizados para después montarlos en software de simulación, la siguiente etapa será montarlos físicamente para comprobar su funcionamiento. Con todos estos datos se realizara un documento donde recopilare todos los resultados y apreciaciones sobre los circuitos, así darle al estudiante de ingeniería una guía para resolver sus proyectos mas complejos 3.6 VARIABLES. 3.6.1 VARIABLES INDEPENDIENTES.
• Obtener en concordancia con la norma DIN 45500 los diferentes
componentes electrónicos de la mesa. • Contar con equipos en estado adecuado para las diferentes mediciones en
los laboratorios. • Adquisición de componentes ideales.
3.6.2 VARIABLES DEPENDIENTES.
• Parámetros de HIFI. • El cumplimiento de la norma. • Mejoramiento de algunas partes análogas a digitales. • Adquirir teoría suficiente para el soporte del proyecto. • Magnitud y Ganancia. • Respuesta en frecuencia. • Frecuencias de corte. • Usabilidad.
4. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS.
ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES. A continuación se realizara un estudio de cuatro amplificadores operacionales, con diferentes tipos de prestaciones, con el fin de definir cuales de estos AO son los que presenta mejor rendimiento en aplicaciones de audio. Los amplificadores operacionales a analizar son los siguientes:
Lm833
Este dispositivo es un amplificador de propósito general bastante conocido y de uso muy extendido. Sus parámetros son bastante regulares, no teniendo ninguno que sea el mejor respecto a los de los demás, pero en conjunto presenta una alta impedancia de entrada, pequeños offset (de corriente y de voltaje) en la entrada y buenos parámetros. En la siguiente grafica se ve la configuración interna del operacional, donde se aprecia que esta conformado por dos amplificadores.
Figura 32 “diagrama del lm 833”
La figura siguiente muestra la forma como este AO se comporta a nivel de distorsión total, de acuerdo con el rango de frecuencia del mismo.
Figura 33 “respuesta del THD del lm 833”
Tl 084
Este amplificador tiene unos valores para la corriente y el voltaje de offset de entrada muy bajos, así como su corriente de polarización y un CMRR más elevado. Sin embargo, la impedancia de entrada de este dispositivo es inferior a la que presentan los demás. En la figura siguiente se ve la forma como esta configurado este operacional de gran tamaño y versatilidad.
Figura 34 “diagrama del TL 084”
La figura siguiente muestra la forma como se comporta el AO con respecto a su THD y el rango de frecuencia del mismo.
Figura 35 “respuesta del THD del TL 084”
NE 5532
Este dispositivo está diseñado a partir de dos amplificadores operacionales con alta ganancia que se colocan de manera opuesta para presentar compensación en los parámetros. También está pensado para que pueda operar en un rango amplio de voltajes de alimentación. Posee el bandwith (ancho de banda) que esta comprendido entre 10Hz y 20 KHz.
Figura 36 “diagrama del NE 5532”
La siguiente grafica muestra el nivel de distorsión harmónica total de este operacional:
Figura 37 “respuesta del tHD del NE 5532”
Tl 072
El TL 072 es un operacional de bajo ruido, especial para el diseño de filtros de todo tipo, y aplicaciones en sonido el brinda gran rendimiento en bajas frecuencias, posee una configuración interna de muy Fácil entendimiento.
Figura 38 “diagrama del TL 072”
En la figura siguiente se ve como se comporta este operacional, con respecto al rango de frecuencia del mismo.
Figura 39 “respuesta del THD del TL 072”
CIRCUITOS A ANALIZAR FILTROS.
• Filtro pasa-bajo.
Análisis por PC
Simulando el diseño en workbeinch, se pudo constatar el funcionamiento del mismo, así como la forma como se configura el circuito aplicando para este el amplificador operacional NE 5532.
VCC
15V VCC
15VR8
20k
R9
20k
R1
40k
C3
0.2uF
U3A
NE5532P
3
2
4
8
1
C4
0.05uF
U4B
NE5532P
5
6
4
8
7
R2
20k
R3
20k
C1
0.1uF
XFG1
XDA1
THD0
6
0
0
VCC
5
2
4
3
0
10
VCC
XSC1
A B
G
T
7
8
0
Figura 40 “esquemático del filtro pasa-bajos”
Resultados del análisis simulado: Por medio de la simulación, también, se pudo constatar que cumple con las condiciones de THD exigidas por la norma DIN 45500, donde su nivel fue 0.000%
Figura 41 “datos de THD simulados del filtro pasa-bajos”
Análisis practico:
Se realizo el montaje del circuito como se ve el las fotos siguientes, donde se observa el circuito en el protoboard, y la forma como se comporta en el osciloscopio digital.
Figura 42 “imagen del circuito montado del filtro pasa-bajos”
Figura 43 “imagen de la medición del circuito del filtro pasa bajos”
Resultados del análisis practico:
Los resultados medidos con los equipos de laboratorio, brindaron los datos contenidos en la siguiente tabla, en la cual se ven las frecuencias en que se realizaron las mediciones, el valor del voltaje pico a pico de entrada y el valor del voltaje pico a pico de salida, de la siguiente forma:
Respuesta del filtro pasa bajos
DATO FRECUENCIA Vpp out Vpp in
1 0 2,1 2,16
2 10 2,1 2,16
3 20 2,1 2,16
4 30 2,1 2,16
5 40 1,6 2,16
6 50 1,4 2,16
7 60 1,2 2,16
8 70 1 2,16
9 80 0,78 2,16
10 90 0,56 2,16
11 100 0,4 2,16
12 120 0,32 2,16
13 140 0,24 2,16
14 160 0,24 2,16
15 180 0,16 2,16
Tabla 07 “respuesta del circuito montado del filtro pasa-bajos”
Figura 44 “respuesta del circuito montado del filtro pasa-bajos, en escala lineal”
Dando la siguiente grafica, donde se puede ver que su comportamiento es de acuerdo con las características de un filtro pasa-bajos
• Filtro pasa-alto.
Análisis por PC:
VCC
15V VCC
15V
R820k
R1
5k
R2
20k
C2
0.2uF
C1
0.2uF
U3B
NE5532P
5
6
4
8
7
R310k
R4
10k
C3
0.2uF
XFG1
XDA1
THD
0
0
VCC
5
0
VCC
0
4
0
6
U1B
NE5532P
5
6
4
8
7
1
3
2
XSC1
A B
G
T
7
8
0
Figura 45 “simulación del pasa-alto”
Resultados del análisis simulado: A través de la simulación fue posible nuevamente confirmar que el filtro esta dentro de los valores establecidos por la norma DIN 45500
Figura 46 “datos de la simulación”
Por medio de la simulación, también, se pudo constatar que cumple con las condiciones de THD exigidas por la norma DIN 45500, donde su nivel fue 0.000% Análisis practico: Por medio del montaje en protoboard se confirmo que el funcionamiento del diseño, con los componentes seleccionados, como se ve en las siguientes figuras, en las cuales se ve, el comportamiento en el osciloscopio, y el circuito montado.
Figura 47 “imagen de la medición del circuito”
Figura 48 “imagen del circuito montado”
Resultados del análisis practico:
De acuerdo con los datos obtenidos en la practica, el comportamiento del circuito esta de acuerdo con las teoría de funcionamiento del filtro.
Respuesta del filtro pasa altos
DATO FRECUENCIA Vpp out Vpp in
1 10 0,04 2,16
2 20 0,16 2,16
3 30 0,44 2,16
4 40 0,96 2,16
5 80 1,35 2,16
6 100 1,52 2,16
7 140 1,68 2,16
8 160 1,76 2,16
9 200 1,8 2,16
10 300 1,8 2,16
11 400 1,88 2,16
12 460 1,88 2,16
13 500 1,92 2,16
14 800 1,96 2,16
15 1.000 2 2,16
16 2.000 2,04 2,16
Tabla 08 “respuesta del circuito montado”
Figura 49 “respuesta del circuito montado, en escala lineal”
• Filtro pasa-banda.
Análisis por PC:
VCC
15V VCC
15VR8
7.5k
R9
7.5k
C3
0.01uF
U3A
NE5532P
3
2
4
8
1
C4
0.05uF
U4B
NE5532P
5
6
4
8
7
R2
15k
R37.5k
C1
0.05uF
XFG1
XDA1
THD0
0
VCC
4
3
00
VCC
C2
0.05uF
2 1
0
5
XSC1
A B
G
T
7
8
0
Figura 50 “simulación del pasa-banda”
Resultados del análisis simulado:
Arrojando en su simulación el siguiente valor de THD, que confirme que esta dentro de los parámetros de la norma, validándolo como una muy buena opción.
Figura 51 “datos de la simulación”
Análisis practico: Por medio del montaje en protoboard se verifica el funcionamiento del diseño, con los componentes seleccionados, observando en las figuras, el comportamiento en el osciloscopio, y el circuito montado.
Figura 52 “imagen de la medición del circuito”
Figura 53 “imagen del circuito montado”
Resultados del análisis practico:
respuesta del filtro pasa-banda
FRECUENCIA Vpp out Vpp in
30 0,11 2,16
75 0,188 2,16
100 0,26 2,16
175 0,34 2,16
225 0,85 2,16
300 1 2,16
500 1,3 2,16
750 1,3 2,16
1000 1,77 2,16
2000 2,4 2,16
3000 1,78 2,16
4000 0,92 2,16
5000 0,608 2,16
6000 0,416 2,16
7000 0,304 2,16
8000 0,24 2,16
9000 0,2 2,16
10000 0,164 2,16
11000 0,11 2,16
Tabla09 “respuesta del circuito montado”
Figura 54 “respuesta del circuito montado, en escala lineal”
• filtro de rechazo de banda.
Análisis por PC:
XFG1XDA1
THD
U4A
NE5532IP
3
2
4
8
1
VCC
5V
R9
10k
R10
10k
C5
0.1uF
C6
0.1uF
R1110k
C70.1uF
XSC1
Tektronix
1 2 3 4 T
G
P
R4
Key = C
1k
50%
Figura 55 “simulación del circuito”
Resultados del análisis simulado:
Por medio de la simulación se comprobó que el diseño cumpla con las características de la norma DIN.
Figura 56 “datos de la simulación”
Análisis practico: En la práctica, atreves del montaje en protoboard, se confirmo el funcionamiento del circuito.
Figura 57 “imagen del circuito montado”
Figura 58 “datos de la medición”
Resultados del análisis practico:
respuesta del filtro rechaza-banda
FRECUENCIA Vpp out Vpp in
30 2,4 2,16
75 2,4 2,16
100 2,4 2,16
175 2,2 2,16
225 2,2 2,16
300 2,2 2,16
500 2 2,16
750 1,8 2,16
1000 0,8 2,16
2000 0,2 2,16
3000 0,8 2,16
4000 1,8 2,16
5000 2 2,16
6000 2,2 2,16
7000 2,2 2,16
8000 2,2 2,16
9000 2,4 2,16
10000 2,4 2,16
11000 2,4 2,16
Tabla09 “respuesta del circuito montado”
Figura 59 “datos de la medición, escala lineal”
ECUALIZADOR DE AUDIO.
• Control de tonos
Análisis por PC:
R11
Key = D
50k 100%
R4100k
0
0
U1A
NE5532P
3
2
4
8
1
1
R1
22k
R222k
C310uF
C1
100pF
VCC
15VVCC
0
2
4
0
R3
Key = D
20k 100%
R51.5k
3
0
C210nF
R6
10k
R7
2.2k
5
6
R8
Key = D
100k
100%
R9Key = D
10k
100%
7
C456nF
8
9
C556nF
U2A
NE5532P
3
2
4
8
1
VCC
15V
0
VCC
11
R10
2.2k
12
0
C610nF
R12
10k
13
10
R132.2k
C7
10nF
15
R1410k
R154.7k
14
0
0
XFG1
0
XDA1
THD
XSC1
A B
G
T
17
16
0
Figura 58 “imagen de la simulación”
Resultados del análisis simulado: En la simulación se corroboro el correcto funcionamiento del diseño. y su cumplimiento de la norma
Figura 60 “imagen de la simulación”
Análisis practico:
Ya en la practica por medio del osciloscopio, se palpo que el diseño cumple con las condiciones propias del control de tono, atenuando o amplificando en las frecuencias seleccionadas, dando una primera utilidad practica a los filtros básicos, en otra se sus variantes.
Figura 61 “imagen de la medición”
Resultados del análisis practico:
Control de tonos
FRECUENCIA Vpp out Vpp in
500 110 mv 2.160 v
75,7 188 mv 2.160 v
100,7 260mv 2.160 v
180 672 mv 2.160 v
225 960 mv 2.160 v
400 1.460v 2.160 v
5200 1.95v 2.160 v
750 2.140v 2.160 v
1.000 2.240v 2.160 v
2.000 2.4v 2.160 v
3.000 1.78v 2.160 v
4.000 920 mv 2.160 v
5.000 608 mv 2.160 v
6.000 416 mv 2.160 v
7.000 304 mv 2.160 v
8.000 240 mv 2.160 v
9.000 200 mv 2.160 v
10.000 164 mv 2.160 v
11.000 110 mv 2.160 v tabla 11 “datos del circuito montado”
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
FRECUENCIA
Vpp out
Vpp in
Figura 62 “imagen de la medición”
• Ecualizador Parametrico o semi-paramétrico
Análisis por PC:
En la figura siguiente se ve el diagrama del circuito utilizado, en el cual se aprecian los potenciómetros que regulan la intensidad para cada banda, los cuales son fácilmente identificables como (R2, R3, R4) y el potenciómetro que ajusta la frecuencia central en la pasa banda (R11).
XFG1
R1
2.7k
R2
Key = A
1k 50%
R3
Key = B
1k 50%
C122uF
R4
Key = C
1k 50%
R5470
C222uF
4
5
6
C3
22uF
7
0
U2A
TL072CD
3
2
4
8
1
U2B
TL072CD
5
6
4
8
7
C4
68uF
R656k
8
0
R7
470 10
R8
2.7k
C5
10uF
R9
470 12
13
R10
56k
9
R11
Key = D
1k 50%
14
0
VCC
5VVCC
0
VCC
5V
0
XDA1
THD
10
U3A
NE5532IP
3
2
4
8
1
0
VCC
3
2
XSC1
A B
G
T
1
11 0
Figura 63 “imagen de la simulación”
Resultados del análisis simulado:
El nivel de distorsión armónica total (THD) que arroja en la simulación esta configuración es como se ve en la figura 64, prácticamente nula, lo cual demuestra estar dentro de los para metros requeridos por la norma de alta fidelidad.
Figura 64 “datos de la simulación”
Análisis practico:
En la practica mostro un buen comportamiento de sus partes, y la funcionalidad de acuerdo con las características del ecualizador.
Figura 65 “imagen de la medición”
Figura 66 “imagen de la medición”
Resultados del análisis practico:
La siguiente grafica muestra el comportamiento del circuito configurado con los potenciómetros en forma al azar
parametrico
FRECUENCIA Vpp out Vpp in
30 110 mv 2.160 v
75,7 188 mv 2.160 v
100,7 260mv 2.160 v
175 672 mv 2.160 v
225 960 mv 2.160 v
300 1.460v 2.160 v
500 1.95v 2.160 v
750 2.140v 2.160 v
1.000 2.240v 2.160 v
2.000 2.4v 2.160 v
3.000 1.78v 2.160 v
4.000 920 mv 2.160 v
5.000 608 mv 2.160 v
6.000 416 mv 2.160 v
7.000 304 mv 2.160 v
8.000 240 mv 2.160 v
9.000 200 mv 2.160 v
10.000 164 mv 2.160 v
11.000 110 mv 2.160 v
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Vpp out
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Vpp out
Vpp in
Figura 67 “imagen de la medición”
• Ecualizador grafico activo
Análisis por PC:
Figura 68 “diagrama de bloque del ecualizador gráfico activo”
La forma general como que da el filtros es la que se ve el la figura siguiente, la cual se ajusto para la primera banda de frecuencia mostrada en la figura anterior, la cual es de 97.427.
VCC
12V
0
VCC
U1A
TL072ACD
3
2
4
8
1
R8
20k
R110k
R2
40k
C1100nF
C2
100nF
0
1
0
3
XFG1
0
XDA1
THD
R6Key = D
10k
50%
2 0
XSC1
A B
G
T
4
5
0
Figura 69 “imagen de la simulación”
Resultados del análisis simulado:
En la grafica siguiente se ven los valores de THD arrojados por la simulación, siguiendo con la tónica de cero distorsiones, por las características de los componentes
Figura 70 “datos de la simulación”
Análisis practico:
Figura 71 “imagen del circuito montado”
Figura 72 “datos del circuito montado”
Para esto se analizo el circuito por medio de las ecuaciones pertinentes, y que para el caso, se creyó conveniente mostrar el análisis para todas las frecuencias que se plantean en la figura XX, arrojando los siguientes datos:
Resultados del análisis practico:
La figura siguiente indica la manera como se comporta este ecualizador, ajustado a 97.427 Hz, corroborando una amplificación en ese rango de frecuencia
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Vpp outVpp in
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Vpp out
Vpp in
Figura 73 “datos del circuito montado”
grafico activo
FRECUENCIA Vpp out Vpp in
10 1,3 2,16
10 1,6 2,16
40 1,7 2,16
60 1,8 2,16
80 1,9 2,16
97,427 2 2,16
125 2,1 2,16
300 1,6 2,16
400 1,3 2,16
tabla 13 “datos del circuito montado”
• Ecualizador grafico pasivo
Análisis por PC:
R7
Key = D
50k
50%
R1015k
R1470
C1
22nF
C2
220nF
1
R218k
3 R3
Key = D
50k
50%
C947nF
C34.7nF
4
5
R422k
C4
22nF
6 R5
Key = D
50k
50%
C547nF
C64.7nF
R622k
C7
22nF
12
11
10
R8
Key = D
50k
50%
C847nF
C104.7nF
R922k
C11
22nF
15
14
13
R11
Key = D
50k
50%
C1247nF
C134.7nF
17
16
R12
Key = D
10k
50%
9
R1356
2
XFG1XDA1
THD
18 19 20
XSC1
A B C D
G
T
80
7
0
Figura 74 “imagen de la simulación”
Como se ve en el diagrama consta de cinco potenciómetros que comandan la tonalidad del sonido mientras que el sexto se encarga de regular el volumen sonoro.
De izquierda a derecha las bandas ecualizadas son 60Hz, 240Hz, 1KHz, 4KHz y 16KHz. Luego sigue el control de volumen.
Dado que no emplea componentes activos este sistema no requiere de alimentación alguna. Recordar que en caso de montar un sistema estéreo o multicanal deberá armar un ecualizador como este por cada vía.
Resultados del análisis simulado:
Figura 75 “datos de la simulación”
Análisis practico:
Gracias al análisis practico se pudo verificar el comportamiento, frecuencia, amplificando y atenuando, de acuerdo con la ubicación del los potenciómetros.
Figura 76 “datos del circuito montado”
Figura 77 “imagen del circuito montado”
PROCESADORES DE RANGO DINÁMICO
Compresores
Limitadores
Estudio
Si se analiza la grafica siguiente, la cual muestra el diagrama de bloque de un
procesador de audio, se pueden ver etapas que difieren en gran parte de lo que
uno pensaría encontrar en estos diseños, y que dificultan sobre manera la
elaboración del mismo, saliéndose de las manos de un ingeniero de sonido, y
entrando directamente en el campo de los ingenieros electrónicos y de sistemas.
Estas etapas son el control dinámico de procesamiento, el delay y el control de
amplitud de voltaje, los cuales son piezas programadas para cumplir funciones
especificas como las del control dinámico de procesamiento, el cual cumples las
funciones de thresolh, ataque, hold, relasse, y demás partes que se consideren
necesarias para el ajuste de la señal, de acuerdo con la función buscada, luego el
delay, en el cual se debe programar el tiempo de retardo y demás cualidades
propias de los delay.
Figura 78 “diagrama de bloque de procesador de rango dinámico”
CROSSOVER
• Dos vías
Análisis por PC:
C1
47nF
C2
10nF R4
11k R21
51k
XFG1
0
1
0
R1051k
C3
10nF
2
R151k
R210k
U1A
NE5532P
3
2
4
8
1
0
VCC
5VVCC
U2B
NE5532P
5
6
4
8
7
5
0
0
R3
10k
0
VCC
5VVCC
4
C4
1uF
6
C5
47nF
C6
10nF
C7
10nF
R810k
U3B
NE5532P
5
6
4
8
7
R9
10k
VCC
5V
C8
1uF
34
VCC
0
0
C947nF C10
10nF
C1147nF
9
0
33
0
32
35
25
0
U4B
NE5532P
5
6
4
8
7
R11
Key = D
100k
50%
10
R551k
8
0
R6
100k
7
U5B
NE5532P
5
6
4
8
7
R7
Key = D
100k
50%
R1251k
R13
100k
37
0
36
11
XDA1
THD
XDA2
THD
VCC
5VVCC
VCC
5VVCC
0
0
XSC1
A B C D
G
T
3
13
12
0
Figura 79 “imagen del circuito simulado”
En este diseño se nota la existencia de un potenciómetro de 100 ohm en cada salida, el cual regula la intensidad de cada salida, lo cual es muy útil en la búsqueda del balance adecuado en la señal resultante, al sumar estás después de pasar por los transductores de salida. Al simular, y buscando comprobar los parámetros de THD de la norma, es conveniente realizar la comprobación en cada salida, de forma individual, en donde ambas deben dar valores exactamente similares. Resultados del análisis simulado: Por medio de la simulación se pudo constar, que aun en circuitos que son de mayor complejidad el nivel de distorsión es nulo dando confianza en la correcta selección de los componentes.
Figura 80 “datos de la simulación”
Análisis practico: Ya en la practica se valida lo mostrado por las simulaciones, mostrado un rizado nulo en el osciloscopio, además de un comportamiento acorde con los requerimientos de diseño.
Figura 81 “datos de la simulación”
Figura 82 “imagen de la medición”
Resultados del análisis practico:
Tomando los datos de los montajes, se hizo mas claro el comportamiento del crossover, donde se tuvo que analizar cada salida de forma independiente.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Vpp outVpp in
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Vpp out
Vpp in
Figura 83 “imagen de la medición”
salida altas
FRECUENCIA Vpp out Vpp in
3000 1,3 2,16
4000 1,6 2,16
5000 1,7 2,16
6000 1,8 2,16
7000 1,9 2,16
8000 2 2,16
9000 2,1 2,16
10000 2,1 2,16
11000 2,1 2,16
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Vpp outVpp in
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Vpp out
Vpp in
Figura 84 “imagen de la medición”
salida bajas
FRECUENCIA Vpp out Vpp in
22 2,2 2,16
35 2,2 2,16
75 2,2 2,16
125 2,1 2,16
250 2,0 2,16
500 1,8 2,16
750 1,7 2,16
1000 1,6 2,16
2000 1,3 2,16
Figura 85 “diagrama esquemático de crossover de 2 vías de stereo”
El cual además de no ser menos tedioso y llevar parecida cantidad de componentes, cadece del regulador de intensidad para cada salida.
• Tres vías
Análisis por PC:
U1A
NE5532IP
3
2
4
8
1U1B
NE5532IP
5
6
4
8
7
R1
1k
C1
3.3nF
C2
3.3nF
2C3
3.3nF
C4
3.3nF
R2
1k
4
R3
100
6
U2A
NE5532IP
3
2
4
8
1
R7
11k
3
R8
11k
C5
6.6nF
8
R422k
1
0
R922k
5
0
0
VCC
5VVCC
U3A
NE5532IP
3
2
4
8
1
R5
11k
R6
11k
C6
6.6nF
0
16
9
C73.3nF
7
0
C83.3nF
15
0
U4A
NE5532IP
3
2
4
8
1U4B
NE5532IP
5
6
4
8
7
R10
1k
C9
3.3nF
C10
3.3nF
C11
3.3nF
C12
3.3nF
R11
1k
R12
100
U5A
NE5532IP
3
2
4
8
1
R13
11k
R14
11k
C13
6.6nF
R1522k R16
22k
VCC
5V
U6A
NE5532IP
3
2
4
8
1
R17
11k
R18
11k
C14
6.6nF
C153.3nF
C163.3nF
0
28
0
2721
26
VCC
0
0
24
0
23
22
18
20
1917
R19
100
25
14
VCC
5VVCC
VCC
5VVCC
U6B
NE5532IP
5
6
4
8
7
0
R20
2.2k
10
R21100k
11
0
C17
3.3nF
12
XFG1
XDA1
THD
XDA2
THD
XDA3
THD
0
XSC1
A B C D
G
T
13
29
30
31
0
Figura 86 “figura de circuito montado”
Resultados del análisis simulado: Al igual que el de dos vías, mostró un comportamiento acorde con su diseño, considerando que es una variación mínima de aquel, en la cual se adapto una etapa más.
Figura 87 “figura de circuito montado”
Figura 88 “datos de la simulación”
Análisis practico: En la practica se pudo ver que cumple con las condiciones de su diseño, mostrando las variaciones en los rangos de las salidas, sin rizado alguno, lo cual es un gran logro en un circuito de tal tamaño.
Figura 89 “imagen de la medición”
FILTRO PASA-BAJOS PARA SUB-WOOFER ACTIVO
Análisis por PC:
U1A
TL074ACD
3
2
11
4
1
U2B
TL074ACD
5
6
11
4
7U3C
TL074ACD
10
9
11
4
8
U4D
TL074ACD
12
13
11
4
14
VCC
12VVCC
VCC
12VVCC
VCC
12VVCC VCC
12VVCC
0 0
0
0
R447k
R147k
0
R2
10k
R3
10k
2
1
0 R547k
0
6
R6Key = D
50k
50%
5
R7
18k
R8
39k
R9
18k
7
C2 1uF
8
C1
33nF
C3
33nF
R1039k
R1139k
R12
39k
9 1110
C4
470nF
130
14
0
U5A
NE5532P
3
2
4
8
1
VCC
12V
0
VCC
R13
27k
R14
27k
12
C582nF
0 C647nF 0
15
R15
27k
C715nF
C83.9nF 0
16
0
C9
330nF
18
XFG1
3
XDA1
THD
XSC1
A B
G
T
17
0
Figura 90 “imagen de la simulación”
El esta compuesto por una red sumadora la cual combina las señales de audio provenientes de los canales izquierdo y derecho. Luego, un amplificador de ganancia regulable permite ajustar la cantidad de amplificación extra que se le dará a la señal resultante. Seguido una red de RC combinada efectúa el filtrado, dejando pasar solo las frecuencias predefinidas. Con las tres resistencias de 27K
(marcadas con asteriscos entre paréntesis) se obtiene un filtro que corta en los 60Hz. Sustituyendo estas resistencias por otras de 22K el corte se efectuará en los 75Hz. En cambio, si las reemplazamos por resistencias de 18K el punto será en los 100Hz. Resistencias de 15K establecen la frecuencia en 125Hz y por último, con 12K se obtiene un filtro que corte en 150Hz. Siempre el mismo valor para las tres resistencias. El último amplificador, medio NE5532, se comporta como buffer de salida.
Resultados del análisis simulado:
Este circuito mostró comportamientos muy similares al filtro pasa-bajo ya analizados, variando la capacidad de regular el nivel de intensidad de la señal, y con mayores niveles de protección del mismo.
Figura 91 “datos de la simulación”
Análisis practico:
Figura 92 “imagen de la medición”
Figura 93 “imagen de la medición”
Resultados del análisis practico:
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Serie2
Serie1
Figura 94 “imagen de la medición”
COMPENDIO DE FILTROS
Se ha diseñado un compendio explicativo, en el cual va descrito cada uno de los filtros y las aplicaciones descritas en este proyecto. La finalidad de este compendio, es permitir el acceso rápido y directo del lector, al mundo de los filtros de audio de alta fidelidad. Su diseño esta orientado a ir paso a paso, desde los filtros básico, hasta sus aplicaciones más comunes, dando en cada una de ellas, un diagrama esquemático del circuito, pautas de diseño, y sus utilidades mas practicas.
5. DESARROLLO INGENIERIL
ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES.
En la busqueda del mejoramiento de loS diseños conciderados en este proyecto, surgio la nececidad de realizar un estudio sobre algunos de los amplificadores operacionales que mejor se acoplan, y que mejor rendimiento presentan, dentro de los circuitos analizados.
Los amplificadores operacionales seleccionados fueron el TL 072, NE 5532, LM 833 y TL 084, por presntar, las mejores condiciones dentro de los que se conciguen en el pais, y por ser de facil mente adadtables en los diseños, señalados.
En la siguiente tabla se ve un paralelo entre los operacionales seleccionados, de acuerdo con los requerimientos tecnicos de la norma DIN 45500, arrojando los siguientes datos.
ANÁLISIS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES UTILIZADOS EL ESTE PROYECTO
ESPECIFICACIONES
THD (Distorsión) Rango de Frecuencia SN (Señal/Ruido)
Norma DIN 45500 1% 40 a 16.000 Hertz o mejor 50 dB o mejor
TL 072 0,003% 10 a 25.000 Hertz 120 dB
NE 5532 0,002% 10 a 20.000 Hertz 120 dB
LM 833 0,002% 20 a 20.000 Hertz 110 dB
TL 084 0,003% 10 a 10.000 Hertz 100 dB Tabla 16 “análisis de los operacionales”
Permitiendo concluir que los operacionales que mejor cumplen las especificaciones son los NE 5532 y TL 072, por poseer el mejor rango de frecuencia, la mejor relación señal ruido y estar muy por debajo de los niveles de THD que exige la norma DIN, aun por estar el TL 072 por debajo del LM 833 pero superándolo en los otros factores.
CIRCUITOS A ANALIZAR
Después de realizar un estudio de los filtros básicos más relevantes, y sus aplicaciones mas practicas, se opto por los siguientes diseños por permitir entender de forma mas clara el funcionamientos, las virtudes y la forma como se conforman, buscando aprovechar el mayor rendimiento de ellos.
Los diseños a analizar son los siguientes:
FILTROS. Los filtro que se consideran en este proyecto son los llamados filtros básicos, por ser las bases de todas las aplicaciones en las etapas de filtrado. Estos filtros son:
• Filtro pasa-bajo.
La configuración de este filtro es la Butterworth de 60 DB/década, dividida en 40 DB/década y 20 DB/década, conectados en cascada. La ganancia total del filtro es la del primer filtro multiplicado por la del segundo filtro. Análisis teórico:
Para diseñar un filtro de estas características, se debe tener en cuenta lo siguiente:
Se debe definir la frecuencia de corte
Se debe definir C1 de un valor entre 0.001*10-6 y 0.1 *10-6
De acuerdo con el valor de C1, C2 y C3 quedan bajo la siguiente condición:
C2 = 2*C1 C3 = (1/2)*C1
R2, R8 y R9 son del mismo valor, que para el caso es R
R1 = Rf1 = 2*R R3 = Rf2 = R
Resultados del THD práctico:
El THD se mide por medio de la siguiente formula:
Forma monotonal
Forma bitonal
Donde se toman en cuenta la frecuencia y la amplitud, tomados en las mediciones practicas, arrojando un valor porcentual.
Para el análisis de los filtros señalados en este proyecto se uso la forma monotonal, brindando un nivel de distorsión de 0.003%, corroborando los datos dados por la simulación por un pequeño margen de error.
• Filtro pasa-alto.
Al igual que el filtro pasa bajas, aquí se conecta en cascada un filtro de 40DB/década con uno de 20 DB/década, con un diseño butterworth, por medio del simulador workbench. Análisis teórico:
Para el diseño de este filtro, los pasos a seguir son los siguientes:
Se debe definir la frecuencia de corte
C1, C2 y C3 deben tener un valor entre 100*10-9 y 0.1 *10-6 siendo denominado como C.
De acuerdo con el valor de R1, R3 y R8 quedan bajo la siguiente condición:
R8 = 2*R3 R1 = (1/2)*R3
Y por ultimo: R2 = R8 R4 = R3
Resultados del THD práctico:
De igual forma como se prosiguió en el pasa-bajo para el cálculo del THD se mide por medio de la siguiente formula de forma monotonal, arrojando un nivel de distorsión de 0.004%, verificando los datos dados por la simulación por un
pequeño margen de error.
• Filtro pasa-banda.
En el diseño de este filtro, se opto por un modelo básico de banda ancha, el cual conecta en cascada un filtro pasa bajas con otro pasa alta, siendo ambos del tipo activo.
A la hora del diseño es importante cuidar que las frecuencias de los filtros no se traslapen, y que ambas tengan la misma ganancia de paso.
En este caso, la frecuencia inferior esta dada por el filtro pasa bajas, y la superior por el filtro pasa altas.
En la figura siguiente se aprecia un filtro con las características ya mencionadas, ajustados para un rango de frecuencia comprendido entre 300 Hz y 3000 Hz.
El calculo de los componentes, es el mismo aplicado para los filtros que lo conforman, tomando solo una de las etapas en cada uno de ellos, y permitiendo
ajustar la caída de dB/decada, con la selección de las etapas de acuerdo con los requerimientos del diseñador.
La forma como se describe la fusión de los circuitos esta mejor relacionada con la siguiente grafica:
Resultados del THD práctico:
Utilizando la formula de forma monotonal, se consiguió un nivel de distorsión de 0.003%.
• Filtro de rechazo de banda.
Corresponde a un filtro activo de rechazo de banda, el cual está formado por dos secciones en T, diseñado a una frecuencia central de 60 Hz, con una atenuación de 40 dB/década
Análisis teórico:
• El cálculo de los elementos para el filtro, se basa en la ecuación: • Fc=1/2πRC • Donde Fc es la frecuencia central, R resistencia y C capacitancia. • Directamente este filtro es el antónimo de un pasa-banda. • Se podría diseñar uno con la ayuda de un filtro pasa-bajo en cascada
con un filtro pasa-alto, similar al pasa-banda, a los analizados previamente.
Resultados del THD práctico:
Por medio de la formula de forma monotonal, el nivel de distorsión calculado fue de 0.005%.
ECUALIZADOR DE AUDIO. Un ecualizador permite aumentar o reducir la ganancia selectivamente en dos, tres o más frecuencias para corregir deficiencias en la respuesta frecuencial de un sistema (generalmente electroacústico) o el balance tonal de una fuente. Es posible, así, resaltar frecuencias originalmente débiles, o atenuar otras de nivel excesivo.
• Control de tonos
Tiene dos potenciómetros que permiten ajustar la presencia de graves y agudos en una señal de audio. El potenciómetro de 50K (R11) a la entrada establece el nivel de entrada o sensibilidad del sistema. El preset de 20K debe situarse al centro de su cursor. Si se presentasen distorsión o deformaciones se debe disminuir éste hasta lograr una reproducción fiel. El potenciómetro de 100K ajusta la cantidad de graves, mientras que el de 10K hace lo mismo con los agudos.
Resultados del THD práctico:
Tomando en cuenta la frecuencia y la amplitud, obtenidos en las mediciones practicas, arrojando un valor porcentual, el nivel de distorsión arrojado por la formula monotonal es de 0.003%.
• Ecualizador Paramétrico o semi-paramétrico
El ecualizador que aquí se muestra, tiene una configuración parametrica de tres bandas (bajo, medio y alto) o (pasa bajo, pasa banda y pasa alto) en el cual, el pasa banda, posee una frecuencia central variable.
Resultados del THD práctico:
La formula de forma monotonal señalada a continuación, permitió deducir el nivel de distorsión armónica total del circuito, el cual es de 0.005%.
• Ecualizador grafico activo
Para el diseño de este ecualizador decidimos Utilizar filtros pasa banda "angosta" activos, pues son los que mejor se adecuan y nos permiten solucionar de mejor forma los problemas que se presenten, utilizando el siguiente esquema general:
Figura 99 “diagrama de bloque del ecualizador gráfico activo”
Tanto en la entrada como el la salida el ecualizador tiene un sumador o mezclador de audio, para garantizar la entrada y la salida de una única señal compuesta. También cada banda cuenta con un seguidor de voltaje cuya función principal es la de aislar en cierto modo la señal de entrada de la señal de salida. Análisis teórico:
B = (0.1591)/(RC); B = Fc/Q Primero R= 20K C= 100n FC= 97.427 Hz Rf= 10K B= 79.55 Hz
Segundo R= 20K C= 22n FC= 442.85 Hz Rf= 10K B= 361.590 Hz
Tercero R= 10K C= 10n FC= 1590.99 Hz Rf= 10K B= 1591 Hz
Cuarto R= 2K C= 10n FC= 7954.9 Hz Rf= 2K B= 7955 Hz
Quinto R= 1K C= 10n FC= 15909.902 Hz Rf= 10K B= 15910Hz
Resultados del THD práctico:
Para el cálculo del THD se utilizo nuevamente la formula de forma monotonal:
Dándonos un valor porcentual, y brindando un nivel de distorsión de 0.002%.
• Ecualizador grafico pasivo
Se trata de un ecualizador que, en lugar de operar sobre señales de baja magnitud, lo hace sobre vías de audio amplificadas.
Resultados del THD práctico:
La formula monotonal en este caso, brindo un dato que es de relevancia, puesto que por constitución, los circuitos pasivos, brindan niveles de THD muy bajos, gracias a la no presencia de los circuitos integrados, que para este caso es de aproximadamente 0.001%.
PROCESADORES DE RANGO DINÁMICO
En teoría, es valido decir que los Compresores, Limitadores y demás como
Expansores y Gates, son derivaciones de los filtros básicos, y como tal su
construcción, esta directamente relacionada con ello, pero después de analizar la
estructura básica de estos, nos encontramos con diversos factores que hacen
reflexionar sobre su relación con estos, considerando la búsqueda de alta
fidelidad.
Figura 100 “diagrama de bloque del ecualizador gráfico activo”
Pero a su vez, este diagrama de bloques revela la presencia de dos filtros básicos: filtro pasa-bajos y filtro pasa-altos, ubicados justo antes del control dinámico de procesamiento, dándonos a entender que definitivamente es una función mas, derivada de los filtros básicos, y por consideración ya ha sido analizada en la sección de filtros. CROSSOVER
Como se dijo, el crossover es un componente que permite dividir de forma rígida una señal original, en varias sub señales, que son a su vez fragmentos completos de la señal original, entregando cada una de estas sub señales a una salida independiente. Estos componentes se pueden dividir en grupos de sub divisiones a gusto, mejor de acuerdo con las necesidades de cada sistema, pero los más conocidos son:
• Dos vías
Como hace suponer, este crossover divide la señal original en dos partes, cada una de las cuales con un rango particular de frecuencias, que de ser fusionadas darían la señal original.
Resultados del THD práctico:
Ya en el cálculo teórico del THD discrepo un poco de la simulación, arrojando un valor de 0.01%, pero todavía esta muy por dentro de los parámetros de la norma DIN 45500.
• Tres vías
El proceso es idéntico al de dos vías pero en este se sub divide en tres
En el diseño de un crossover como este se emplean cantidad de filtros de todos los tipos analizados previamente, a los cuales se les ajusta la frecuencia para que una suceda a la del siguiente filtro.
Para este caso, el ajuste de las frecuencias se dio de la siguiente manera:
El Paso alto - como mostrado, la frecuencia es aprox. 3100Hz
El Paso de la venda - como mostrado, las frecuencias usadas están el paso alto en 310Hz y el paso bajo a las 3100Hz
El Paso bajo – como mostrado, la frecuencia es aprox. 310Hz
En este caso el conseguir el siguiente valor de THD, es un logro que demuestra, que incluso en diseños tan complejos, es posible estar dentro de la norma.
Resultados del THD práctico:
De igual forma este circuito mostró tendencia a mayores niveles de distorsión, donde alcanzo un 0.02% de THD, lo cual es comprensible por la cantidad de componentes, pero hay que considerar que el montaje se realizo en protoboard, el cual presenta pocas garantías en cuanto a aislamiento de distorsión.
FILTRO PASA-BAJOS PARA SUB-WOOFER ACTIVO
Este sistema es ideal para reforzar los sonidos de baja frecuencia en nuestro equipo de audio o conjunto de televisión de calidad.
Es una muestra de las funciones que pueden tener los filtros si se usan de forma imaginativa y con fines prácticos, este ejemplo permite además ver los filtros trabando de cierta forma como amplificadores sobre la señal
Resultados del THD práctico:
Como dato curioso este fue el diseño que mostró los más bajos niveles de THD, con 0.001%, esto es debido a que es un diseño destinado a soportar grandes partencias, sin distorsionar la calidad de la señal, mostrando en su diseño la robustez que un filtro de este tipo debe llevar.
ANÁLISIS DEL DESARROLLO De acuerdo con el problema planteado, el cual es: ¿Cuales son los análisis adecuados de los diseño de las etapas de filtrado en equipos de audio de alta fidelidad?, en la busque de soluciones, se presentaron diversos problemas, que, los cuales para su correcta solución, necesitaron del ingenio, y de todos los conocimientos en electrónica y electroacústica, que fueron adquiridos durante el proceso de formación como ingeniero de sonido. Estos problemas fueron causas directas de las condiciones del proyecto, donde el principal fue como acondicionar los diseños seleccionados, para que cumplieran con los parámetros establecidos por la norma de alta fidelidad DIN 45500. Esto se dio por diversos factores que serán descritos a continuación:
• Debido a que los diseños que se consiguen, vienen ajustados para que cumplan la función para los cuales fueron hechos, no teniendo en cuenta la calidad de estas funciones, se debió acondicionarlos, variando sus componentes, por otros de mejor respuesta, buscando que los diseños originales, se ajusten a los requerimientos de la norma ya dicha.
• En la búsqueda de mejor respuesta de calidad de los diseños, se debió
cambiar los componentes originales, y para ello se debió realizar un estudio de estos nuevos componentes, y luego ver la forma correcta de hacer que calcen dentro del diseño original, sin alterar su funcionalidad.
Este estudio conllevo al análisis teórico y practico de componentes como AMPLIFICADORE OPERACIONALES, los cuales se presentan en multitud de formas y con un sin fin de parámetros, que varían de un amplificador operacional a otro, de acuerdo a la función para los cuales fueron creados, en el casos de los especializados, y de la concordancia de sus valores, en el caso de los genéricos, teniendo que definir cuales de ellos, cumplen con los requerimiento de los diseños y de la norma DIN 45500.
• Otro factor que se considera externo, es la asequibilidad de los componentes dentro del mercado nacional, ya que existen, por ejemplo, amplificadores operacionales de insuperable rendimiento en sonido y sus aplicaciones como los INA, pero que no solo son imposible de conseguir, sino que además son muy difícil de importar, por la escasez de distribuidores, lo cual obligó a trabajar, finalmente, con los que se consiguen a nivel local, llevándonos a forzar el estudio de estos operacionales, para confirmar cual de ellos era el adecuado para cada diseño, pero dando la satisfacción de saber que es posible, mejorar los diseños seleccionados diseños a niveles, muy por encima de los que nos pide la norma de alta fidelidad DIN4 5500 .
• La falta de calidad de los componentes que se consiguen en el país, así
como la poca concordancia entre, los datos de los tadasheep, y las condiciones reales de los amplificadores operacionales, a causa de provenir de lotes defectuosos, o de procedencia de índole ilegal, obligo a analizar cada amplificador operacional por separado, seleccionando solo los mejores, en los lugares mas reconocidos, evitando así, trabajos innecesarios, que desvíen el interés real del proyecto.
Por otra parte, se encontraron inconvenientes a nivel de desarrollo, como las fallas en las simulaciones, lo que obligo a probar en diversos software, buscando la existencia de los componentes en sus librerías, motivo que llevo a tener que diseñar varios de ellos dentro de las posibilidades del los software, para poder seguir adelante con las simulaciones, y en algunos casos a actualizar los equipos donde se trabajaron los mismos, por presentar insuficiencia de capaciada, para manejar las simulaciones. Por ultimo se encontraron complicaciones en los montajes de prueba, donde la incorrecta interpretación de los diseños, las fallas en la realización de los montajes debido a la presión por cumplir con los tiempos, y factores como componentes dañados, llevaron a múltiples revisiones de los montajes, antes de lograr un montaje exitoso que permitiera el funcionamiento adecuado de los circuitos. Por otra parte, fue necesario ir definiendo metodologías de trabajo, las cuales se fueron mejorando a través de la practica de las mismas, para realizar las mediciones de los requerimientos de la norma, dentro de las cuales, se vio en la
necesidad de indagar, que procesos de medición, y/o calculo eran los adecuados para este tipo de proyecto, arrojando multitud de técnicas de recolección de datos y de análisis de los mismos, pero donde solo una de las metodologías sirve de forma adecuada y eficaz dentro de nuestras pretensiones, por lo que toco, realizar pruebas de descarte de métodos, basados en una fuerte documentación de cada una de ellas. Para finalizar el mas grande problema fue la escogencia de los diseños, donde se opto por estudiar primero que todo, los filtros básicos, buscando los mas completos y que permitieran entender, a través de ellos los demás de sus tipo, para posteriormente, analizar y seleccionar las principales aplicaciones de cada uno de ellos, así como las de funciones entre ellos, demostrándonos que todos los diseños que llevan como finalidad, la modelación de la señal sonora, necesita contener dentro de ella uno o mas filtros básicos de diferentes tipos.
6. CONCLUSIONES
A través del desarrollo de este proyecto lo más importante es el profundo conocimiento adquirido sobre todo lo concerniente a los filtros de audio y sus variantes. Se entregar un compendio que cumple con las necesidades de gran número de ingenieros de sonido, que dedican sus esfuerzos al campo de la electroacústica y específicamente al análisis de equipo de audio con aspiraciones a alta fidelidad, superando en los diseños analizados por gran margen los requisitos establecidos por la norma DIN 45500 que rige a los equipos de audio de alta fidelidad. Debido al análisis de este proyecto, se confirma que por medio de los cuatro filtros básicos es posible llegar al diseño de cualquier variante que contenga etapas de filtrado, como fue demostrado en el análisis y diseño de diversos tipos de ecualizadores, crossovers, en la base central del diseño de procesadores de rango dinámico como compresores, expansores, limitadores y gates, así como definir los alcances que como ingeniero de sonido puede tener en el diseño de este tipo de dispositivos. Dentro del diseño de circuitos que cumplan con las normas de alta fidelidad y la construcción de los mismos, la correcta escogencia de los componentes así como el correcto montaje de los mismos, es la base que garantiza el éxito en el funcionamiento de los diseños, en el cual los amplificadores operacionales ofrecen diversas opciones y cualidades que deben ser analizadas, permitiendo estas reducir en gran medida los niveles de THD del diseño, así como el ahorro de espacio lo cual limita la interferencia o intermodulación de la señal, factor que permite reducir el nivel de señal/ruido. La norma DIN 45500 permite un nivel de THD (distorsión armónica total), el cual debe ser inferior al 1%, debido al correcto estudio de los diseños y como ya se dijo la correcta selección de los componentes se ha conseguido en las simulaciones que este nivel sea completamente nulo y en las mediciones un máximo de 0.003%, lo cual es producto de factores como el protoboard y defectos de fabricación en los componentes que llegan al país. Con respecto al ancho de banda la norma DIN nos exige un rango mínimo que está entre 40 Hz y 16 Khz, pero que debido a las cualidades de los componentes en las mediciones nos arrojaron rangos que estuvieron entre 20 Hz y 20 Khz, considerando que la función de los filtros es delimitar estos rangos a las conveniencias del diseñador. Definitivamente, para uno como ingeniero de sonido es vital, en el desarrollo de proyectos de esta índole, contar con la orientación de ingenieros electrónicos, capacitados en el desarrollo de componentes de audio.
7. RECOMENDACIONES
A través del progreso del proyecto, se pudieron identificar factores que de ser tenidos en cuenta antes de la elaboración de los procesos, hubiesen permitido un adelanto mas significativo en cada una de las etapas. A causa de estos análisis, surgen una variedad de recomendaciones que para aquel que este interesado en el diseño de circuitos de todo tipo, le permitirán asegurar los funcionamientos de los mismos. Como primera recomendación, se aconseja siempre buscar los diseños menos complejos, puesto que estos conllevan menor cantidad de componentes, ,lo cual se refleja en análisis menos extensos, niveles de calidad mas asequibles, montajes de menor envergadura, y mayor practicidad en los enlaces con otros diseños. Pero es necesario aclarar que el buscar diseños menos complejos, no implicar sacrificar la funcionalidad del circuito que se pretenda elaborar. Otra recomendación es realizar un análisis de los componentes, en el caso de los circuitos integrados, confirmando que cumplan con los requerimientos del diseño, evitando de esa forma, enredos que impidan el entendimiento del diseño, así como verificar la existencia de los mismos en el mercado, anticipándose a frustraciones por diseños elaborados con componentes inasequibles. La siguiente recomendación es previo a la adquicision de los componentes, simular el circuito con alguno de los múltiples sofwares que se consiguen de simulación de circuitos electrónicos, ya que esta etapa, nos confirma que el diseño, cumple con las funciones para la cual, valga la redundancia, fue diseñado, y mostrándonos algunos parámetros de calidad, que varían de acuerdo al programa a utilizar. Antes del montaje definitivo que implique el uso de baquelas, se recomienda realizar puedas de funcionamiento en protoboard, confirmando los datos arrojados por las simulaciones, evitando frustraciones, por mal funcionamiento del circuito, además de prever, las falencias del mismo. En la elaboración de los circuitos impresos, se recomienda, calcular los polígonos de tierra, así como los conductos de señal, dando la suficiente separación entre uno y otro. Antes de elaborara cualquier proyecto de índole institucional se recomienda, investigar las normas que rijas el mismo, ya que además de evitar problemas de índole legal, marcan pautas de diseño, que brindan una meta clara a llegar con el proyecto.
BIBLIOGRAFÍA
15. ANGEL ZETINA. Electronic basica. Editorial limusa. Grupo Noriega
editors. México 1.995 16. CHRISTIAN ZINGALES. Electronic. Giunti gruppo editorial. Firence,
francia 2002 17. chrnoosvaldo.tripod.com
18. DAVID E. JOHNSON, JOHN HILBURN, JHONNY JOHNSON. Análisis básico de circuitos electrónicos, cuarta edición, prentice hall Hispanoamérica USA 1.991.
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30. www.ispmusica.com/articulo.asp 31. www.todoarquitectura.com/crawler/foros/9966.htm
ANEXOS
Norma DIN 45500
Tl 084
TL O72
Ne 5532
Lm833
ANALISIS DE LAS ETAPAS DE FILTRADO EN EQUIPOS DE AUDIO DE ALTA
FIDELIDAD
Universidad de San Buenaventura Carlos David Cortes Peralta
Ingeniería De Sonido
COMPENDIO DE FILTROS DE AUDIO DE ALTA FIDELIDAD
INTRODUCCIÓN
Dentro del diseño de los equipos de audio mas utilizados, se pueden conseguir etapas comunes entre ellos, de las cuales se pueden destacar las etapas Preamplificadora, Amplificadora, Sumadora y de Filtrado.
Estas etapas son comunes por ser esenciales durante el procesamiento de la señal de audio, donde la preamplificadora ajusta el nivel de la señal de entrada que requiere el equipo para su correcto funcionamiento; la amplificadora eleva la potencia de la señal al nivel adecuado para el correcto funcionamiento de los transductores de salida; la etapa sumadora reúne y agrupa las diferentes señales que se dan dentro de los equipos para crear una nueva, resultado de la unión de las anteriores; por ultimo la etapa de filtrado modifica las señales entrantes para que sea lo mas clara posible o para que se ajuste a los requerimientos del operario de los equipos en cuanto a su forma.
Los componentes electrónicos en sonido poseen una curva de respuesta de frecuencia característica, aunque en la mayoría de estos (micrófonos, amplificadores, conversores A/D y D/A, altavoces, etc.) lo ideal sería que ésta fuese plana (una recta horizontal) entre los 20 y los 20.000 Hz, ya que toda desviación acarrea una modificación artificial del timbre o el color del sonido; la realidad es que existe la correspondiente desviación. Es por ello que se crean las etapas de filtrado, donde se busca corregir estas desviaciones, logrando que en la salida la señal resultante sea lo mas horizontal posible.
Existen equipos especializados en la modificación de las señales que permiten ver como es la alteración correspondiente; ecualizadores tanto gráficos como parametricos, son equipos de audio diseñados para estas funciones, donde por medio de filtros ajustados a bandas especificas se modifican frecuencias consideradas criticas y se ajusta la señal a gusto del operario de los equipos. Otros equipos destinados a esta función son los compresores, limitadores y crossovers, que recortan, dividen, aumentan o atenúan la señal a través de filtros para también modificarlas a gusto del operario de los equipos.
A continuación se hará una explicación de los principales filtros que se consiguen en equipos de audio y su diseño, definiendo su funcionalidad e incluyendo los diagramas de cada uno de ellos.
Se espera que con la ayuda de los estándares de calidad dados por las normas que rigen los parámetros en equipos de audio de alta fidelidad, se consigan diseños que estén acordes con las últimas tecnologías y que puedan entrar a competir en un mercado que evoluciona diariamente y que a su vez sean útiles a personal técnico y/o estudiantes que realicen proyectos en los que puedan intervenir estos circuitos.
PARÁMETROS DE DISEÑO
La realización de este compendio busca que los diseños analizados en él, no solo cumplan con la función para las cuales fueron concebidos, sino que sean lo más prácticos y menos complejos posibles. Es por ello que se analizaron múltiples diseños de un mismo tipo, considerando su complejidad, adaptabilidad, grado de dificultad en el montaje, rendimiento de éste y todos los factores posibles que hacen de un diseño superior a otro, pensado en quien los utilice ya que la mayoría de los casos se busca la sencillez.
Para el análisis de los diseños se debió considerar las normas que rigen los parámetros de alta fidelidad, donde la DIN 45500 es la que mejor se ajusta a los requerimientos de los filtros; esta norma enfatiza condiciones como el THD “Distorsión Armónica Total”, el SN “Relación Señal Ruido” y el rango de frecuencia. Los valores exigidos por esta norma son:
THD: 1%
RANGO DE FRECUENCIA: 40 a 16.000 Hertz o mejor
SN: 50 dB o mejor
Los cuales se corroboran en la siguiente tabla:
Tabla 01 “parámetros de norma DIN 45500 para equipos de audio de alta fidelidad”
De acuerdo con lo anterior se realiza un estudio de los filtros básicos y sus principales aplicaciones, los componentes de los mismos y la forma correcta de medirlos según sea el caso, aclarando que las mediciones mencionadas a continuación fueron utilizadas algunas y las otras enunciadas, dejando abierta la posibilidad a aquel que decida realizar alguno de los diseños contenidos.
AMPLIFICADORES OPERACIONALES
En los diseños de circuitos activos, el principal componente a analizar es el amplificador operacional “AO”; existen multitud de AO en el mercado con tantas cualidades como se alcanza a imaginar, esto obliga a realizar un estudio de los más utilizados en aplicaciones de audio, arrojando variedad de operacionales de excelente rendimiento y después de considerar cuales serian los más adecuados, se opto por los TL 072 y NE 5532.
A continuación se realiza un análisis de los amplificadores operacionales que fueron utilizados en los diseños de los filtros que aparecen en este compendio, arrojando los siguientes datos de acuerdo con los requerimientos exigidos por la norma DIN 45500 para equipos de audio de alta fidelidad.
Tabla 02 “Comparativa entre amplificadores operacionales y norma DIN 45500”
ANÁLISIS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES UTILIZADOS EL ESTE PROYECTO
ESPECIFICACIONES
THD (Distorsión) Rango de Frecuencia SN (Señal/Ruido)
Norma DIN 45500 1% 40 a 16.000 Hertz o mejor 50 dB o mejor
TL 072 0,003% 10 a 25.000 Hertz 120 dB
NE 5532 0,002% 10 a 20.000 Hertz 120 dB
Tl 072
El TL 072 es un operacional de bajo ruido, especial para el diseño de filtros de todo tipo, y aplicaciones en sonido el brinda gran rendimiento en bajas frecuencias, posee una configuración interna de muy Fácil entendimiento.
En la figura siguiente se puede ver que brinda dos operacionales dentro de la pastilla, lo cual permite montajes sencillos de los diseños creados.
Figura 01 “Configuración del operacional TL 072”
A continuacion se ven los datos de distorcion que brinda este operacional, dandonos confianza en estar dentro de los parametros establecidos por la norma, ademas de una grafica que muestra como se comporta esta distorcion de acuerdo con la frecuencia seleccionada, mostrandonos, que en los casos mas extremos no se sale de los parametros requeridos.
Tabla 03 “Parámetro de THD del amplificador operacional TL 072”
Figura 02 “Nivel de THD del amplificador operacional TL 072”
NE 5532
Al igual que el TL 072, este operacional es de excelente calidad en aplicaciones de audio, superándolo en cuanto al THD, pero con un menor rango de frecuencia, sin estar por fuera de la norma.
La configuración interna es idéntica a la del TL, lo cual permita con el mismo diseño, usar ambas pastillas.
Figura 03 “Configuración del operacional NE 5532”
Pero sin descuidar que cada pastilla posee sus propias características, lo que obliga a analizar el diseño de acuerdo con los requerimientos.
La figura siguiente muestra el comportamiento de amplificador operacional con respecto al THD contra el rango de frecuencia.
Figura 04 “Nivel de THD del amplificador operacional NE 5532”
MÉTODOS DE MEDICIÓN
Para la medición de los circuitos se consideraron varias técnicas, las cuales difieren las unas de
las otras tanto por su complejidad como por su efectividad.
A nivel de simulaciones, por medio del software utilizado se pudo no solo comprobar el correcto
funcionamiento de los diseños, si no que teóricamente cumplen con los parámetros de la norma
DIN 45500. Se recomienda el software MULTISIM 8 WORKBEANCH el cual además de ser de
muy fácil manejo, posee la aplicación XDA 1 que permite ver tanto el THD como el SN del
circuito simulado, como se ve en la figura siguiente.
Figura 05 “analizador de THD y SN de MULTISIM 8”
Ya en las mediciones de los montajes se analizaron varios métodos que permiten ver tanto el
rango de frecuencia como el THD.
Corroboración visual
Por medio de un osciloscopio se puede a simple vista ver el rizado de la señal, mejor aun si el
osciloscopio es digital, así como el rango de frecuencia realizando un barrido de frecuencia en el
generador.
Es útil siempre que no se requiera un gran análisis del diseño o no se pretenda utilizarlo para
fines profesionales.
Cálculo teórico
Con la ayuda del osciloscopio y el generador, se realiza un barrido de frecuencias, y se toma nota
de los voltajes pico a pico de cada frecuencia a la entrada y la salida. Con los datos obtenidos,
por medio de las formulas adecuadas se puede calcular el THD y el rango de frecuencia del
circuito, tomando el valor de SN del operacional utilizado.
Dentro de las formulas que se consiguen se destacan la monotonal y la bitonal.
• Forma monotonal
Se realiza con la ayuda del osciloscopio restando la señal de entrada y la señal de salida, y si el
resultado es una línea recta o cero significa que no hay distorsión, o utilizándolos valores del
voltaje pico a pico para definir la amplitud de la onda y con los valores obtenidos aplicando la
siguiente ecuación de la figura 06 que sirve para el calculo del THD expresado el un valor
porcentual.
Figura 06 “formula monotonal para calculo del THD”
Donde F es la frecuencia y A la amplitud de la frecuencia a la salida
• Forma bitonal
Es similar al anterior, pero se le inyecta en la entrada dos señales, cada una con una frecuencia
distinta, no se aplican mas frecuencias por no ser normalizado debido a la complejidad del
ensayo y la compleja variación en el tiempo, en caso tal el análisis se realiza por medio de la
formula de la figura 07 en la cual se aprecia como se calcula la amplitud respecto a las
frecuencias.
Figura 07 “formula bitonal para calculo del THD”
Analizador de espectro
Con la ayuda de un software especializado, como el ESPECTRAL LAB, se le inyecta una señal a
la entrada del circuito, y la salida se conecta a la entrada del computador para que este realice el
análisis en tiempo real de la señal y así obtener un resultado, que podría ser considerado como
muy exacto.
En este caso se podría inyectar señal de audio, permitiendo probar la capacidad real de los
componentes bajo presión fuerte, pero exigiría un computador de gran capacidad.
Analizadores especializados
Este método es el mas exacto, se realiza con dispositivos de medición especializados, de gran
precisión, en los cuales, ellos generan una señal que se inyecta en el circuito, y que luego por la
salida del mismo realimenta el dispositivo, comparando internamente en tiempo real las dos
señales en todo el espectro de frecuencia.
Algunos de ellos, como el TEF, permiten realizar la medición con señal de audio, pero desmejora
la calidad de la medición y hace del proceso algo engorroso de realizar.
NOTA:
La mayoría de estos dispositivos, además de su elevado valor, requieren de personal calificado
para su uso pero presentan un nivel de eficacia total.
FILTROS
Existen diversos tipos de filtros considerados como básicos que además de ser los mas comunes,
presentan variaciones de los mismos que dan variedad de resultados, de acuerdo a la caída de
decibeles por década y la forma como se presenta esta caída.
Se realiza un análisis de los tres más utilizados y se pudo concluir que los denominados
BUTTERWORTH son los que presentan el mejor comportamiento, atenuando la señal de forma
más natural, como se puede ver en la figura siguiente, aclarando que son filtros de segundo
orden.
Figura 08 “comparación de los tres filtros mas comunes”
Estos filtros se diferencian por la forma como se distribuyen sus componetes y procesan la señal,
ademas permiten ajustar su caida de decibel por decada entre 20, 40 y 60 decibeles, de acuerdo
con las necesidades de diseño.
Para este compendio en particular, se realizo el analicis de los filtros BUTTERWORTH de
60dB/década, en una de sus configuraciones más simples, permitiendo de esta forma analizar
intrínsecamente los de 20 y 40 Db, que están contenidos en cascada en cada uno de ellos.
Filtro pasa-bajo
Figura 09 “diagrama esquemático del filtro pasa-bajo de 60 dB/década”
VCC
15V VCC
15VR8
20k
R9
20k
R1
40k
C3
0.2uF
U3A
NE5532P
3
2
4
8
1
C4
0.05uF
U4B
NE5532P
5
6
4
8
7
R2
20k
R3
20k
C1
0.1uF
XFG1
XDA1
THD0
6
0
0
VCC
5
2
4
3
0
10
VCC
XSC1
A B
G
T
7
8
0
Figura 10 “nivel de THD del filtro pasa-bajo”
Diseño: De banda ancha, compuesto por un pasa-bajos de 40dB/década en cascada con un pasa bajo de 20 dB/década, las cuales pueden ser utilizadas de forma independiente. Se debe definir la frecuencia de corte
Wo = 1/(RC) = 2πƒc
Donde Wo es la frecuencia de corte en radianes, ƒc es la frecuencia de corte en Hertz, R esta expresada en ohm y C en farads. Permitiendo obtener la siguiente ecuación:
R = 1/(WoC) = 1/(2πƒcC)
Se debe definir C1 de un valor entre 0.001*10-6 y 0.1 *10-6
De acuerdo con el valor de C1, C2 y C3 quedan bajo la siguiente condición:
C2 = 2*C1 C3 = (1/2)*C1
R2, R8 y R9 son del mismo valor, que para el caso es R
R1 = Rƒ1 = 2*R y R3 = Rƒ2 = R
Utilidades: Como crossover en cabinas destinadas como bajos o sub-woofer, donde permite optimizar la respuesta en frecuencia del transductor, además de protegerlo contra picos de potencia en frecuencias para las cuales este no sea diseñado.
Filtro pasa-altas
Figura 11 “diagrama esquemático del filtro pasa-altas de 60 dB/década”
VCC
15V VCC
15V
R820k
R1
5k
R2
20k
C2
0.2uF
C1
0.2uF
U3B
NE5532P
5
6
4
8
7
R310k
R4
10k
C3
0.2uF
XFG1
XDA1
THD
0
0
VCC
5
0
VCC
0
4
0
6
U1B
NE5532P
5
6
4
8
7
1
3
2
XSC1
A B
G
T
7
8
0
Figura 12 “nivel de THD del filtro pasa-altas”
Diseño: De banda ancha, compuesto por un pasa-alto de 40dB/década en cascada con un pasa-alto de 20 dB/década, las cuales pueden ser usadas de forma independiente. Se debe definir la frecuencia de corte
Wo = (1/RC) = 2πƒc
Donde Wo es la frecuencia de corte en radianes, ƒc es la frecuencia de corte en Hertz, R esta expresada en ohm y C en farads. Permitiendo obtener la siguiente ecuación:
R = 1/(WoC) = 1/(2πƒcC)
C1, C2 y C3 deben tener un valor entre 100*10-9 y 0.1 *10-6 siendo denominado como C.
Calcule R3 por medio de la ecuación:
R3 = 1/(WoC)
Defina R8 =2*R3 y R1 = (1/2)R3
Rƒ1 = R8 y Rƒ1 = R3
Utilidades: Al igual que el pasa-bajos, puede se utilizado como crossover en transductores de salida, pero a diferenciando las cualidades de este por ser del tipo driver, los cuales se desempeñan en muy altas frecuencias, y son muy sensibles ante la presencia de las bajas frecuencias, que siempre terminan por estallar la bobinas del transductor.
Filtro pasa-banda
Figura 13 “diagrama esquemático del filtro pasa-banda de 60 dB/década”
VCC
15V VCC
15VR8
7.5k
R9
7.5k
C3
0.01uF
U3A
NE5532P
3
2
4
8
1
C4
0.05uF
U4B
NE5532P
5
6
4
8
7
R2
15k
R37.5k
C1
0.05uF
XFG1
XDA1
THD0
0
VCC
4
3
00
VCC
C2
0.05uF
2 1
0
5
XSC1
A B
G
T
7
8
0
Figura 14 “nivel de THD del filtro pasa-banda”
Diseño: De banda ancha, compuesto por un pasa-bajo de 40dB/década en cascada con un pasa-alto de 40 dB/década, las cuales pueden ser utilizadas de forma independiente, o remplazándolas por las etapas de menor caída por década, utilizadas en los filtros anteriores. Se debe definir la frecuencia de corte Wo = (1/RC) = 2πƒc
Donde Wo es la frecuencia de corte en radianes, ƒc es la frecuencia de corte en Hertz, R esta expresada en ohm y C en farads. Permitiendo obtener la siguiente ecuación: R = 1/(WoC) = 1/(2πƒcC)
R9 = R8 = R3 = R y R3 = 2*R
C1, C2 y C4 deben tener un valor entre 100*10-9 y 0.1 *10-6 siendo denominado como C, C3 ≠ C, con valor cercano a C.
Utilidades: Este filtro es de los mas utilizados, ya que interviene en casi todos los procesadores de audio, teniendo particular utilización el los ecualizadores, donde la unión de estos en paralelo, posteriormente unidos por un sumador o mezclador, permiten variar las cualidades de la señal a gusto.
Filtro rechaza-banda.
Figura 15 “diagrama esquemático del filtro rechaza-banda de 60 dB/década”
XFG1XDA1
THD
U4A
NE5532IP
3
2
4
8
1
VCC
5V
R9
10k
R10
10k
C5
0.1uF
C6
0.1uF
R1110k
C70.1uF
XSC1
Tektronix
1 2 3 4 T
G
P
R4
Key = C
1k
50%
Figura 16 “nivel de THD del filtro rechaza-banda”
Corresponde a un filtro activo de rechazo de banda, el cual está formado por dos secciones en T, diseñado a una frecuencia central de 60 Hz, con una atenuación de 40 dB/década
El cálculo de los elementos para el filtro, se basa en la ecuación:
Fc=1/2πRC
Donde Fc es la frecuencia central, R resistencia y C capacitancia.
Directamente este filtro es el antónimo de un pasa-banda.
Se podría diseñar uno con la ayuda de un filtro pasa-bajo en cascada con un filtro pasa-alto, similar al pasa-banda, a los analizados previamente.
Utilidades:
A diferencia del pasa-banda, este no es muy utilizado, pero tiene una función especial en compontes como feedback eliminator, limitadores y compresores, donde en algunos ingeniosos diseños, da un excelente resultado.
ECUALIZADORES DE AUDIO
Control de tonos
Figura 17 “diagrama esquemático de un control de tonos”
R11
Key = D
50k 100%
R4100k
0
0
U1A
NE5532P
3
2
4
8
1
1
R1
22k
R222k
C310uF
C1
100pF
VCC
15VVCC
0
2
4
0
R3
Key = D
20k 100%
R51.5k
3
0
C210nF
R6
10k
R7
2.2k
5
6
R8
Key = D
100k
100%
R9Key = D
10k
100%
7
C456nF
8
9
C556nF
U2A
NE5532P
3
2
4
8
1
VCC
15V
0
VCC
11
R10
2.2k
12
0
C610nF
R12
10k
13
10
R132.2k
C7
10nF
15
R1410k
R154.7k
14
0
0
XFG1
0
XDA1
THD
XSC1
A B
G
T
17
16
0
Diseño:
Este control se basa en un diseño compuesto por dos potenciómetros que permiten graduar la presencia de graves y agudos en la señal original, estos potenciómetros son R8 Y R9, donde R8 de 100K ajusta los graves, y R9 de 10K ajusta los agudos.
Otro potenciómetro a considerar es R3 de 20K, el cual permite ajustar el nivel de la señal, y en caso de presentarse alguna distorsión, este es el que se debe graduar para conseguir el sonido más fiel posible. Y por ultimo R11 de 50K, que esta ubicado a la entrada del circuito y es el que establece en nivel de entrada o sensibilidad del sistema.
Utilidades:
Siendo un tipo de ecualizador, su principal utilidad esta a la hora de ajustar la calidad de sistemas de refuerzo sonoro, tales como equipos reproductores y amplificaciones, pero por la sencillez de su diseño y el poco rango de ajuste que presenta, es poco factible que sea utilizado en grandes equipo, pero si es de mucha ayuda en pequeños equipos caseros, que presenten deficiencias de graves y/o agudos.
Ecualizador Parametrico o semi-paramétrico.
Figura 18 “diagrama esquemático de un ecualizador parametrico”
XFG1
R1
2.7k
R2
Key = A
1k 50%
R3
Key = B
1k 50%
C122uF
R4
Key = C
1k 50%
R5470
C222uF
4
5
6
C3
22uF
7
0
U2A
TL072CD
3
2
4
8
1
U2B
TL072CD
5
6
4
8
7
C4
68uF
R656k
8
0
R7
470 10
R8
2.7k
C5
10uF
R9
470 12
13
R10
56k
9
R11
Key = D
1k 50%
14
0
VCC
5VVCC
0
VCC
5V
0
XDA1
THD
10
U3A
NE5532IP
3
2
4
8
1
0
VCC
3
2
XSC1
A B
G
T
1
11 0
Figura 19 “THD del ecualizador parametrico”
Diseño:
Este ecualizador es una evolución del control de tonos, aplicando el mismo principio de funcionamiento, su principal diferencia radica en que permite ajustar la señal en tres rangos distintos de frecuencias (graves, medios y agudos), por medio de tres potenciómetros fácilmente identificables que son R2, R3 y R4. Otra cualidad que diferencia este diseño, es la presencia de un control que permite ajustar la frecuencia central en el pasa-banda, encargado del rango medio de frecuencias por medio del potenciómetro R11 de 20K, y que para aquella persona que quiera
hacer uso de este diseño, con un poco de análisis, podrá fácilmente utilizar un potenciómetro similar en el pasa-altos, para ajustar su frecuencia centra.
Vale la pena aclarar que en el pasa-alto lo que determina la frecuencia final es la característica del driver.
Utilidades:
Las utilidades son las mismas señaladas en el control de tonos, pero siendo este diseño mas completo, puede ser utilizado a nivel más profesional, y es el favorito en las mesas de mezcla utilizadas por los DJ.
Ecualizador gráfico activo
Figura 20 “diagrama esquemático de un ecualizador grafico activo”
VCC
12V
0
VCC
U1A
TL072ACD
3
2
4
8
1
R8
20k
R110k
R2
40k
C1100nF
C2
100nF
0
1
0
3
XFG1
0
XDA1
THD
R6Key = D
10k
50%
2 0
XSC1
A B
G
T
4
5
0
Figura 21 “THD del ecualizador grafico activo”
Diseño:
El diseño mostrado aquí es el de una etapa dentro de un ecualizador activo, donde se ajusta la frecuencia central a modificar, y calza dentro del siguiente diseño general:
Figura 22 “diagrama de bloque del ecualizador grafico activo”
Donde el diagrama mostrado es el correspondiente al filtro pasa-banda 1, y se ajusta a la frecuencia central de 97.427 Hz, por medio de la siguiente ecuación:
Fc = (0.1125/RC)*RAIZ (1+(R/Rf))
Ajustando:
B = (0.1591)/(RC); B = Fc/Q R= 20K C= 100n FC= 97.427 Hz Rf= 10K B= 79.55 Hz
Se puede ver la presencia en el diseño general de un potenciómetro de 10k ohm, que cumple la función de variar la intensidad de la frecuencia centrada, siendo este el que permite deformar la señal original de acuerdo a una grafica, que se define tanto por el gusto del operador, como por las condiciones del recinto, y que al culminar es fácilmente identificable. Tanto en la entrada como el la salida el ecualizador tiene un sumador o mezclador de audio, para garantizar la entrada y la salida de una única señal compuesta. También cada banda cuenta con un seguidor de voltaje cuya función principal es la de aislar en cierto modo la señal de entrada de la señal de salida.
Vale la pena aclarar, que el diseño es el de un filtro pasa-banda, que a diferencia del mostrado es de banda angosta, brindándonos otra opción más de los tipos de filtro que pueden ser utilizados, y por ultimo es necesario decir que el número de etapas o bandas, varía de acuerdo con los requerimientos del diseñador final.
Utilidades:
Esta otra posibilidad de ecualizador, es mucho más avanzada, y por ende es de mayor envergadura en cuanto posibilidades de uso, se puede comenzar por decir que cumple con las funciones dadas para los anteriores, y se suman otras como el uso a nivel profesional, donde permite realizar ajustes de señal de audio en entornos como, estudios de todo tipo,
amplificaciones, en sala y tarima, en sistemas de refuerzo sonoro en sitios cerrados como abiertos, convirtiéndose en el componente mas completo de todos los analizados.
Ecualizador grafico pasivo
Figura 23 “diagrama esquemático de un ecualizador grafico pasivo”
R7
Key = D
50k
50%
R1015k
R1470
C1
22nF
C2
220nF
1
R218k
3 R3
Key = D
50k
50%
C947nF
C34.7nF
4
5
R422k
C4
22nF
6 R5
Key = D
50k
50%
C547nF
C64.7nF
R622k
C7
22nF
12
11
10
R8
Key = D
50k
50%
C847nF
C104.7nF
R922k
C11
22nF
15
14
13
R11
Key = D
50k
50%
C1247nF
C134.7nF
17
16
R12
Key = D
10k
50%
9
R1356
2
XFG1XDA1
THD
18 19 20
XSC1
A B C D
G
T
80
7
0
Figura 24 “THD del ecualizador grafico pasivo”
Diseño:
Se trata de un ecualizador que, en lugar de operar sobre señales de baja magnitud, lo hace sobre vías de audio amplificadas.
Como se ve en el diagrama consta de cinco potenciómetros que comandan la tonalidad del sonido mientras que el sexto se encarga de regular el volumen sonoro.
De izquierda a derecha las bandas ecualizadas son 60Hz, 240Hz, 1KHz, 4KHz y 16KHz. Luego sigue el control de volumen.
Dado que no emplea componentes activos este sistema no requiere de alimentación alguna. Recordar que en caso de montar un sistema estéreo o multicanal deberá armar un ecualizador como este por cada vía.
Utilidades:
Es una variante del activo, el cual se utiliza en funciones similares, pero que generen menor sensibilidad por parte del sistema, y es muy común encontrarlo dentro de equipos de casa.
PROCEADORES DE RANGO DINAMICO
Compresores
La figura siguiente muestra la forma básica de procesamiento de un compresor de audio.
Figura 25 “figura de ajuste de un compresor”
Limitadores
La figura siguiente muestra la forma básica de procesamiento de un limitador de audio.
Figura 26 “figura de ajuste de un limitador”
Estudio
En teoría, es valido decir que los Compresores, Limitadores y demás como Expansores y Gates,
son derivaciones de los filtros básicos, y como tal su construcción, esta directamente relacionada
con ello, pero después de analizar la estructura básica de estos, nos encontramos con diversos
factores que hacen reflexionar sobre su relación con estos, considerando la búsqueda de alta
fidelidad.
Si se analiza la grafica siguiente, la cual muestra el diagrama de bloque de un procesador de
audio, se pueden ver etapas que difieren en gran parte de lo que uno pensaría encontrar en estos
diseños, y que dificultan sobre manera la elaboración del mismo, saliéndose de las manos de un
ingeniero de sonido, y entrando directamente en el campo de los ingenieros electrónicos y de
sistemas.
Estas etapas son el control dinámico de procesamiento, el delay y el control de amplitud de
voltaje, los cuales son piezas programadas para cumplir funciones especificas como las del
control dinámico de procesamiento, el cual cumples las funciones de thresolh, ataque, hold,
relasse, y demás partes que se consideren necesarias para el ajuste de la señal, de acuerdo con
la función buscada, luego el delay, en el cual se debe programar el tiempo de retardo y demás
cualidades propias de los delay.
Figura 27 “diagrama de bloque de un procesador de rango dinámico”
Pero a su vez, este diagrama de bloques revela la presencia de dos filtros básicos: filtro pasa-bajos y filtro pasa-altos, ubicados justo antes del control dinámico de procesamiento, dándonos a entender que definitivamente es una función mas, derivada de los filtros básicos, y por consideración ya ha sido analizada en la sección de filtros.
CROSSOVER
Dos vías
Figura 28 “diagrama esquemático de un crossover de dos vias”
C1
47nF
C2
10nF R4
11k R21
51k
XFG1
0
1
0
R1051k
C3
10nF
2
R151k
R210k
U1A
NE5532P
3
2
4
8
1
0
VCC
5VVCC
U2B
NE5532P
5
6
4
8
7
5
0
0
R3
10k
0
VCC
5VVCC
4
C4
1uF
6
C5
47nF
C6
10nF
C7
10nF
R810k
U3B
NE5532P
5
6
4
8
7
R9
10k
VCC
5V
C8
1uF
34
VCC
0
0
C947nF C10
10nF
C1147nF
9
0
33
0
32
35
25
0
U4B
NE5532P
5
6
4
8
7
R11
Key = D
100k
50%
10
R551k
8
0
R6
100k
7
U5B
NE5532P
5
6
4
8
7
R7
Key = D
100k
50%
R1251k
R13
100k
37
0
36
11
XDA1
THD
XDA2
THD
VCC
5VVCC
VCC
5VVCC
0
0
XSC1
A B C D
G
T
3
13
12
0
Figura 29 “THD del crossover de dos vias”
Diseño:
Este divide la señal original en dos partes, con un rango particular de frecuencias, que de ser fusionadas darían la señal original.
En este diseño se nota la existencia de un potenciómetro de 100 ohm en cada salida, el cual regula la intensidad de cada salida, lo cual es muy útil en la búsqueda del balance adecuado en la señal resultante, al sumar estás después de pasar por los transductores de salida.
Utilidades:
Este componte es muy utilizado a nivel profesional en sistemas de refuerzo sonoro y amplificaciones, por permitir conseguir la máxima calidad de sonido por medio de la optimización de cada transductor por separado, motivo por el cual esta siendo llevado al uso comercial, incluyéndolo en equipos de audio caseros de alta gama.
Otra utilidad es muy similar a la de los filtros pasa-bajos y pasa-altos, dentro de cabinas bi-amplificadas, permitiendo realizar la separación de las vías después de la amplificación, para protección de los transductores, pero siendo menos practico en cuanto a la capacidad de manipulación de los rangos de frecuencias.
Tres vías
Figura 30 “diagrama esquemático de un crossover de tres vías”
U1A
NE5532IP
3
2
4
8
1U1B
NE5532IP
5
6
4
8
7
R1
1k
C1
3.3nF
C2
3.3nF
2C3
3.3nF
C4
3.3nF
R2
1k
4
R3
100
6
U2A
NE5532IP
3
2
4
8
1
R7
11k
3
R8
11k
C5
6.6nF
8
R422k
1
0
R922k
5
0
0
VCC
5VVCC
U3A
NE5532IP
3
2
4
8
1
R5
11k
R6
11k
C6
6.6nF
0
16
9
C73.3nF
7
0
C83.3nF
15
0
U4A
NE5532IP
3
2
4
8
1U4B
NE5532IP
5
6
4
8
7
R10
1k
C9
3.3nF
C10
3.3nF
C11
3.3nF
C12
3.3nF
R11
1k
R12
100
U5A
NE5532IP
3
2
4
8
1
R13
11k
R14
11k
C13
6.6nF
R1522k R16
22k
VCC
5V
U6A
NE5532IP
3
2
4
8
1
R17
11k
R18
11k
C14
6.6nF
C153.3nF
C163.3nF
0
28
0
2721
26
VCC
0
0
24
0
23
22
18
20
1917
R19
100
25
14
VCC
5VVCC
VCC
5VVCC
U6B
NE5532IP
5
6
4
8
7
0
R20
2.2k
10
R21100k
11
0
C17
3.3nF
12
XFG1
XDA1
THD
XDA2
THD
XDA3
THD
0
XSC1
A B C D
G
T
13
29
30
31
0
Diseño:
El proceso es idéntico al de dos vías pero en este se sub divide en tres, vale la pena decir que los rangos de frecuencias que sub-dividen la señal no son rígidos, sino que por el contrario son moldeables, ajustándose a las condiciones del transductor y no viceversa, dando esta cualidad el valor de un sistema de estas características.
En el diseño de un crossover como este se emplean cantidad de filtros de todos los tipos analizados previamente, a los cuales se les ajusta la frecuencia para que una suceda a la del siguiente filtro.
Para este caso, el ajuste de las frecuencias se dio de la siguiente manera:
El Paso alto - como mostrado, la frecuencia es aprox. 3100Hz.
El Paso de la venda - como mostrado, las frecuencias usadas están el paso alto en 310Hz y el paso bajo a las 3100Hz.
El Paso bajo – como mostrado, la frecuencia es aprox. 310Hz.
En este diseño se puede apreciar la importancia del correcto entendimiento de los filtros básicos, donde combinaciones de este brinda la posibilidad de crear el procesador de audio que uno desee.
Figura 31 “THD del crossover de tres vías”
Utilidades:
Las utilidades de este componente son las mismas que las que se pueden dar al de dos vías, pero llevadas a un nivel mas profesional, y es el ideal para funciones de crossover activo.
FILTRO PASA BAJO-PARA SUB-WOOFER ACTIVO
Figura 32 “diagrama esquemático de un filtro pasa bajo para sub-woofer activo”
U1A
TL074ACD
3
2
11
4
1
U2B
TL074ACD
5
6
11
4
7U3C
TL074ACD
10
9
11
4
8
U4D
TL074ACD
12
13
11
4
14
VCC
12VVCC
VCC
12VVCC
VCC
12VVCC VCC
12VVCC
0 0
0
0
R447k
R147k
0
R2
10k
R3
10k
2
1
0 R547k
0
6
R6Key = D
50k
50%
5
R7
18k
R8
39k
R9
18k
7
C2 1uF
8
C1
33nF
C3
33nF
R1039k
R1139k
R12
39k
9 1110
C4
470nF
130
14
0
U5A
NE5532P
3
2
4
8
1
VCC
12V
0
VCC
R13
27k
R14
27k
12
C582nF
0 C647nF 0
15
R15
27k
C715nF
C83.9nF 0
16
0
C9
330nF
18
XFG1
3
XDA1
THD
XSC1
A B
G
T
17
0
Figura 33 “THD del filtro”
Diseño:
Está compuesto por una red sumadora la cual combina las señales de audio provenientes de los canales izquierdo y derecho, luego un amplificador de ganancia regulable permite ajustar la cantidad de amplificación extra que se le dará a la señal resultante. Seguido una red de RC combinada efectúa el filtrado, dejando pasar solo las frecuencias predefinidas. Con las tres resistencias de 27K se obtiene un filtro que corta en los 60Hz. Sustituyendo estas resistencias por otras de 22K el corte se efectuará en los 75Hz. En cambio, si
las reemplazamos por resistencias de 18K el punto será en los 100Hz. Resistencias de 15K establecen la frecuencia en 125Hz y por último, con 12K se obtiene un filtro que corte en 150Hz. Siempre el mismo valor para las tres resistencias. Utilidades:
Este sistema es ideal para reforzar los sonidos de baja frecuencia en nuestro equipo de audio o conjunto de televisión de calidad.
Es una muestra de las funciones que pueden tener los filtros si se usan de forma imaginativa y con fines prácticos, este ejemplo permite además ver los filtros trabando de cierta forma como amplificadores sobre la señal.
RECOMENDACIONES
A través del progreso del compendio, se pudo identificar factores que, de ser tenidos en cuenta antes de la elaboración de los procesos, hubiesen permitido un adelanto más significativo en cada una de las etapas. A causa de estos análisis, surgen una variedad de recomendaciones, que para aquel que este interesado en el diseño de circuitos de todo tipo, le permitan asegurar los funcionamientos de los mismos. Como primera recomendación, se aconseja siempre buscar los diseños menos complejos, puesto que estos conllevan menor cantidad de componentes, lo cual se refleja en análisis menos extensos, niveles de calidad mas asequibles, montajes de menor envergadura y mayor practicidad en los enlaces con otros diseños. Pero es necesario aclarar que el buscar diseños menos complejos, no implica sacrificar la funcionalidad del circuito que se pretenda elaborar. Otra recomendación es realizar un análisis de los componentes, en el caso de los circuitos integrados, confirmando que cumplan con los requerimientos del diseño, evitando de esa forma, enredos que impidan el entendimiento del diseño, así como verificar la existencia de los mismos en el mercado, anticipándose a frustraciones por diseños elaborados con componentes inasequibles. La siguiente recomendación es importante, ya que previo a la adquisición de los componentes, se debe simular el circuito con alguno de los múltiples software que se consiguen de simulación de circuitos electrónicos, porque esta etapa confirma que el diseño cumple con las funciones para la cual, valga la redundancia, fue diseñado y mostrándonos algunos parámetros de calidad que varían de acuerdo al programa a utilizar. Antes del montaje definitivo que implique el uso de vaquelas, se recomienda realizar pruebas de funcionamiento en protoboard, confirmando los datos arrojados por las simulaciones, evitando frustraciones por mal funcionamiento del circuito. En la elaboración de los circuitos impresos se recomienda calcular los polígonos de tierra, así como los conductos de señal, dando la suficiente separación entre uno y otro. Antes de elaborar cualquier proyecto de índole institucional se recomienda investigar las normas que rigen el mismo, ya que además de evitar problemas de índole legal, marcan pautas de diseño que brindan una meta clara a llegar con el proyecto.
BIBLIOGRAFÍA
32. ANGEL ZETINA. Electronic basica. Editorial limusa. Grupo Noriega editors. México 1.995
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circuitos electrónicos, cuarta edición, prentice hall Hispanoamérica USA 1.991.
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ANÁLISIS DE LAS ETAPAS DE FILTRADO EN EQUIPOS DE AUDIO DE ALTA FIDELIDAD
INTRODUCCIÓN
Los componentes electrónicos en sonido poseen una respuesta en frecuencia característica, aunque en la mayoría de estos (micrófonos, amplificadores, altavoces, etc.) lo ideal sería que ésta fuese plana (una recta horizontal) entre los 20 y los 20.000 Hz, ya que toda desviación acarrea una modificación artificial del timbre o el color del sonido; la realidad es que existe la correspondiente desviación; es por ello que se crean las etapas de filtrado, donde se busca corregir estas desviaciones, logrando que en la salida la señal resultante sea lo mas horizontal posible.
Existen equipos especializados en la modificación de las señales que permiten ver la alteración correspondiente; procesadores de rango dinámico y ecualizadores, son equipos de audio diseñados para estas funciones, donde por medio de filtros ajustados a bandas específicas se modifican frecuencias consideradas críticas y se ajusta la señal.
A continuación se dará una explicación de los principales filtros que se consiguen en equipos de audio, esperando que con la ayuda de los estándares dados por las normas que rigen los parámetros en equipos de audio de alta fidelidad, se entregue al final diseños que estén acordes con las ultimas tecnologías y las pretensiones tanto de personal especializado como estudiantes que realicen proyectos en los que puedan intervenir estos circuitos.
La realización de este compendio busca que los diseños analizados en él, no solo cumplan con la función para las cuales fueron concebidos, sino que sean lo más prácticos y menos complejos posibles. Es por ello que se analizaron múltiples diseños de un mismo tipo, considerando su complejidad, adaptabilidad, grado de dificultad en el montaje, rendimiento y todos los factores posibles que hacen de un diseño superior a otro.
METODOLOGÍA
El enfoque de este proyecto es el empírico analítico, este facilita la experimentación de los componentes utilizados en los diseños, y permite dar resultados empíricos a partir del análisis teórico. Se aclara que el enfoque es empírico analítico al destacar el interés técnico del proyecto, en el cual se analiza e interpretan diseños orientados a objetos materiales.
La línea de investigación de este proyecto es la ingeniería de sonido, en la cual el diseño de sistemas de sonido permite por medio de la electroacústica, que es la parte de la acústica que se ocupa del estudio, análisis, diseño de dispositivos que convierten energía eléctrica “señal de audio” en acústica y viceversa, esto se hace claro al decir que dentro del diseño de las etapas de filtrado de equipos de audio de alta fidelidad la electrónica hace parte fundamental, tanto en sus bases teóricas como en sus bases físicas, fortalecidas por la fuerte interpretación electroacústica que se debe dar de la norma que rige este proyecto, para ser claros en los resultados.
Técnicas de recolección de información:
Software de Simulación electrónica.
Software para diseño de diagramas de bloques.
Mediciones En Laboratorio De Electrónica (Osciloscopio, Generadores, Multimetros, fuentes).
Nota:
El software utilizado en este proyecto es freeware y las técnicas de recolección de datos son los descritos para cumplir con la norma DIN 45500.
DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS Y MÉTODOS DE CÁLCULO
La realización de este proyecto busca que los diseños analizados en él, no solo cumplan con la función para las cuales fueron concebidos, sino que sean lo más prácticos y menos complejos posibles. Es por ello que se analizaron múltiples diseños de un mismo tipo, considerando su complejidad, adaptabilidad, grado de dificultad en el montaje, rendimiento de éste y todos los factores posibles que hacen de un diseño superior a otro, pensado en quien los utilice ya que la mayoría de los casos se busca la sencillez.
Para el análisis de los diseños se debió considerar las normas que rigen los parámetros de alta fidelidad, donde la DIN 45500 es la que mejor se ajusta a los requerimientos de los filtros; esta norma enfatiza condiciones como el THD “Distorsión Armónica Total”, el SN “Relación Señal Ruido” y el rango de frecuencia. Los valores exigidos por esta norma son:
THD: 1%
RANGO DE FRECUENCIA: 40 a 16.000 Hertz o mejor
SN: 50 dB o mejor
Los cuales se corroboran en la siguiente tabla:
Tabla 01 “parámetros de norma DIN 45500 para equipos de audio de alta fidelidad”
De acuerdo con lo anterior se realiza un estudio de los filtros básicos y sus principales aplicaciones, los componentes de los mismos y la forma correcta de medirlos según sea el caso, aclarando que las mediciones mencionadas a continuación fueron utilizadas algunas y las otras enunciadas, dejando abierta la posibilidad a aquel que decida realizar alguno de los diseños contenidos.
Para la medición de los circuitos se consideraron varias técnicas, las cuales difieren las unas de las otras tanto por su complejidad como por su efectividad.
A nivel de simulaciones, por medio del software utilizado se pudo no solo comprobar el correcto funcionamiento de los diseños, si no que teóricamente cumplen con los parámetros de la norma DIN 45500. Se recomienda el software MULTISIM 8 WORKBEANCH el cual además de ser de muy fácil manejo, posee la aplicación XDA 1 que permite ver tanto el THD como el SN del circuito simulado, como se ve en la figura siguiente.
Figura 01 “analizador de THD y SN de MULTISIM 8”
Ya en las mediciones de los montajes se analizaron varios métodos que permiten ver tanto el rango de frecuencia como el THD.
Corroboración visual
Por medio de un osciloscopio se puede a simple vista ver el rizado de la señal, mejor aun si el osciloscopio es digital, así como el rango de frecuencia realizando un barrido de frecuencia en el generador.
Es útil siempre que no se requiera un gran análisis del diseño o no se pretenda utilizarlo para fines profesionales.
Cálculo teórico
Forma monotonal: Se realiza con la ayuda del osciloscopio restando la señal de entrada y la señal de salida, y si el resultado es una línea recta o cero significa que no hay distorsión, o utilizándolos valores del voltaje pico a pico para definir la amplitud de la onda y con los valores obtenidos aplicando la siguiente ecuación de la figura 02 que sirve para el calculo del THD expresado el un valor porcentual.
Figura 02 “formula monotonal para calculo del THD”
RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
Amplificadores operacionales
En los diseños de circuitos activos, el principal componente a analizar es el amplificador operacional “AO”; existen multitud de AO en el mercado con tantas cualidades como se alcanza a imaginar, esto obliga a realizar un estudio de los más utilizados en aplicaciones de audio, arrojando variedad de operacionales de excelente rendimiento y después de considerar cuales serian los más adecuados, se opto por los TL 072 y NE 5532.
A continuación se realiza un análisis de los amplificadores operacionales que fueron utilizados en los diseños de los filtros que aparecen en este compendio, arrojando los siguientes datos de acuerdo con los requerimientos exigidos por la norma DIN 45500 para equipos de audio de alta fidelidad.
Tabla 02 “Comparativa entre amplificadores operacionales y norma DIN 45500”
ANÁLISIS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES UTILIZADOS EL ESTE PROYECTO
ESPECIFICACIONES
THD (Distorsión) Rango de Frecuencia SN (Señal/Ruido)
Norma DIN 45500 1% 40 a 16.000 Hertz o mejor 50 dB o mejor
TL 072 0,003% 10 a 25.000 Hertz 120 dB
NE 5532 0,002% 10 a 20.000 Hertz 120 dB
Filtros
Existen diversos tipos de filtros considerados como básicos que además de ser los mas comunes, presentan variaciones de los mismos que dan variedad de resultados, de acuerdo a la caída de decibeles por década y la forma como se presenta esta caída.
Se realiza un análisis de los tres más utilizados y se pudo concluir que los denominados BUTTERWORTH son los que presentan el mejor comportamiento, atenuando la señal de forma más natural, como se puede ver en la figura siguiente, aclarando que son filtros de segundo orden.
Figura 03 “comparación de los tres filtros mas comunes”
Estos filtros se diferencian por la forma como se distribuyen sus componentes y procesan la señal, ademas permiten ajustar su caida de decibel por decada entre 20, 40 y 60 decibeles, de acuerdo con las necesidades de diseño.
Para este compendio en particular, se realizo el analicis de los filtros BUTTERWORTH de 60dB/década, en una de sus configuraciones más simples, permitiendo de esta forma analizar intrínsecamente los de 20 y 40 Db, que están contenidos en cascada en cada uno de ellos.
Filtro pasa-bajo
Figura 04 “diagrama esquemático del filtro pasa-bajo de 60 dB/década”
VCC
15V VCC
15VR8
20k
R9
20k
R1
40k
C3
0.2uF
U3A
NE5532P
3
2
4
8
1
C4
0.05uF
U4B
NE5532P
5
6
4
8
7
R2
20k
R3
20k
C1
0.1uF
XFG1
XDA1
THD0
6
0
0
VCC
5
2
4
3
0
10
VCC
XSC1
A B
G
T
7
8
0
Diseño: De banda ancha, compuesto por un pasa-bajos de 40dB/década en cascada con un pasa bajo de 20 dB/década, las cuales pueden ser utilizadas de forma independiente.
Se debe definir la frecuencia de corte
Wo = 1/(RC) = 2πƒc
Donde Wo es la frecuencia de corte en radianes, ƒc es la frecuencia de corte en Hertz, R esta expresada en ohm y C en farads.
Permitiendo obtener la siguiente ecuación:
R = 1/(WoC) = 1/(2πƒcC)
Se debe definir C1 de un valor entre 0.001*10-6 y 0.1 *10-6
De acuerdo con el valor de C1, C2 y C3 quedan bajo la siguiente condición:
C2 = 2*C1 C3 = (1/2)*C1
R2, R8 y R9 son del mismo valor, que para el caso es R
R1 = Rƒ1 = 2*R y R3 = Rƒ2 = R
Tiene utilidades como crossover en cabinas destinadas como bajos o sub-woofer, donde permite optimizar la respuesta en frecuencia del transductor, además de protegerlo contra picos de potencia en frecuencias para las cuales este no sea diseñado.
Filtro pasa-altas
Figura 05 “diagrama esquemático del filtro pasa-altas de 60 dB/década”
VCC
15V VCC
15V
R820k
R1
5k
R2
20k
C2
0.2uF
C1
0.2uF
U3B
NE5532P
5
6
4
8
7
R310k
R4
10k
C3
0.2uF
XFG1
XDA1
THD
0
0
VCC
5
0
VCC
0
4
0
6
U1B
NE5532P
5
6
4
8
7
1
3
2
XSC1
A B
G
T
7
8
0
Figura 06 “nivel de THD del filtro pasa-altas”
Diseño: De banda ancha, compuesto por un pasa-alto de 40dB/década en cascada con un pasa-alto de 20 dB/década, las cuales pueden ser usadas de forma independiente.
Se debe definir la frecuencia de corte
Wo = (1/RC) = 2πƒc
Donde Wo es la frecuencia de corte en radianes, ƒc es la frecuencia de corte en Hertz, R esta expresada en ohm y C en farads.
Permitiendo obtener la siguiente ecuación:
R = 1/(WoC) = 1/(2πƒcC)
C1, C2 y C3 deben tener un valor entre 100*10-9 y 0.1 *10-6 siendo denominado como C.
Calcule R3 por medio de la ecuación:
R3 = 1/(WoC)
Defina R8 =2*R3 y R1 = (1/2)R3
Rƒ1 = R8 y Rƒ1 = R3
Tiene utilidades al igual que el pasa-bajos, puede se utilizado como crossover en transductores de salida, pero a diferenciando las cualidades de este por ser del tipo driver, los cuales se desempeñan en muy altas frecuencias, y son muy sensibles ante la presencia de las bajas frecuencias, que siempre terminan por estallar la bobinas del transductor.
Filtro pasa-banda
Figura 07 “diagrama esquemático del filtro pasa-banda de 60 dB/década”
VCC
15V VCC
15VR8
7.5k
R9
7.5k
C3
0.01uF
U3A
NE5532P
3
2
4
8
1
C4
0.05uF
U4B
NE5532P
5
6
4
8
7
R2
15k
R37.5k
C1
0.05uF
XFG1
XDA1
THD0
0
VCC
4
3
00
VCC
C2
0.05uF
2 1
0
5
XSC1
A B
G
T
7
8
0
Diseño: De banda ancha, compuesto por un pasa-bajo de 40dB/década en cascada con un pasa-alto de 40 dB/década, las cuales pueden ser utilizadas de forma independiente, o remplazándolas por las etapas de menor caída por década, utilizadas en los filtros anteriores.
Se debe definir la frecuencia de corte
Wo = (1/RC) = 2πƒc
Donde Wo es la frecuencia de corte en radianes, ƒc es la frecuencia de corte en Hertz, R esta expresada en ohm y C en farads.
Permitiendo obtener la siguiente ecuación:
R = 1/(WoC) = 1/(2πƒcC)
R9 = R8 = R3 = R y R3 = 2*R
C1, C2 y C4 deben tener un valor entre 100*10-9 y 0.1 *10-6 siendo denominado como C, C3 ≠ C, con valor cercano a C.
Este filtro es de los mas utilizados, ya que interviene en casi todos los procesadores de audio, teniendo particular utilización el los ecualizadores, donde la unión de estos en paralelo, posteriormente unidos por un sumador o mezclador, permiten variar las cualidades de la señal a gusto.
Filtro rechaza-banda.
Figura 08 “diagrama esquemático del filtro rechaza-banda de 60 dB/década”
XFG1XDA1
THD
U4A
NE5532IP
3
2
4
8
1
VCC
5V
R9
10k
R10
10k
C5
0.1uF
C6
0.1uF
R1110k
C70.1uF
XSC1
Tektronix
1 2 3 4 T
G
P
R4
Key = C
1k
50%
Figura 09 “nivel de THD del filtro rechaza-banda”
Corresponde a un filtro activo de rechazo de banda, el cual está formado por dos secciones en T, diseñado a una frecuencia central de 60 Hz, con una atenuación de 40 dB/década
El cálculo de los elementos para el filtro, se basa en la ecuación:
Fc=1/2πRC
Donde Fc es la frecuencia central, R resistencia y C capacitancia.
Directamente este filtro es el antónimo de un pasa-banda.
Se podría diseñar uno con la ayuda de un filtro pasa-bajo en cascada con un filtro pasa-alto, similar al pasa-banda, a los analizados previamente.
A diferencia del pasa-banda, este no es muy utilizado, pero tiene una función especial en compontes como feedback eliminator, limitadores y compresores, donde en algunos ingeniosos diseños, da un excelente resultado.
Ecualizadores de audio
Control de tonos
Figura 10 “diagrama esquemático de un control de tonos”
R11
Key = D
50k 100%
R4100k
0
0
U1A
NE5532P
3
2
4
8
1
1
R1
22k
R222k
C310uF
C1
100pF
VCC
15VVCC
0
2
4
0
R3
Key = D
20k 100%
R51.5k
3
0
C210nF
R6
10k
R7
2.2k
5
6
R8
Key = D
100k
100%
R9Key = D
10k
100%
7
C456nF
8
9
C556nF
U2A
NE5532P
3
2
4
8
1
VCC
15V
0
VCC
11
R10
2.2k
12
0
C610nF
R12
10k
13
10
R132.2k
C7
10nF
15
R1410k
R154.7k
14
0
0
XFG1
0
XDA1
THD
XSC1
A B
G
T
17
16
0
Este control se basa en un diseño compuesto por dos potenciómetros que permiten graduar la presencia de graves y agudos en la señal original, estos potenciómetros son R8 Y R9, donde R8 de 100K ajusta los graves, y R9 de 10K ajusta los agudos.
Otro potenciómetro a considerar es R3 de 20K, el cual permite ajustar el nivel de la señal, y en caso de presentarse alguna distorsión, este es el que se debe graduar para conseguir el sonido más fiel posible. Y por ultimo R11 de 50K, que esta ubicado a la entrada del circuito y es el que establece en nivel de entrada o sensibilidad del sistema.
Siendo un tipo de ecualizador, su principal utilidad esta a la hora de ajustar la calidad de sistemas de refuerzo sonoro, tales como equipos reproductores y amplificaciones, pero por la sencillez de su diseño y el poco rango de ajuste que presenta, es poco factible que sea utilizado en grandes equipo, pero si es de mucha ayuda en pequeños equipos caseros, que presenten deficiencias de graves y/o agudos.
Ecualizador Paramétrico o semi-paramétrico.
Figura 11 “diagrama esquemático de un ecualizador paramétrico”
XFG1
R1
2.7k
R2
Key = A
1k 50%
R3
Key = B
1k 50%
C122uF
R4
Key = C
1k 50%
R5470
C222uF
4
5
6
C3
22uF
7
0
U2A
TL072CD
3
2
4
8
1
U2B
TL072CD
5
6
4
8
7
C4
68uF
R656k
8
0
R7
470 10
R8
2.7k
C5
10uF
R9
470 12
13
R10
56k
9
R11
Key = D
1k 50%
14
0
VCC
5VVCC
0
VCC
5V
0
XDA1
THD
10
U3A
NE5532IP
3
2
4
8
1
0
VCC
3
2
XSC1
A B
G
T
1
11 0
Este ecualizador es una evolución del control de tonos, aplicando el mismo principio de funcionamiento, su principal diferencia radica en que permite ajustar la señal en tres rangos distintos de frecuencias (graves, medios y agudos), por medio de tres potenciómetros fácilmente identificables que son R2, R3 y R4. Otra cualidad que diferencia este diseño, es la presencia de un control que permite ajustar la frecuencia central en el pasa-banda, encargado del rango medio de frecuencias por medio del potenciómetro R11 de 20K, y que para aquella persona que quiera hacer uso de este diseño, con un poco de análisis, podrá fácilmente utilizar un potenciómetro similar en el pasa-altos, para ajustar su frecuencia centra.
Las utilidades son las mismas señaladas en el control de tonos, pero siendo este diseño mas completo, puede ser utilizado a nivel más profesional, y es el favorito en las mesas de mezcla utilizadas por los DJ.
Ecualizador gráfico activo
Figura 12 “diagrama esquemático de un ecualizador grafico activo”
VCC
12V
0
VCC
U1A
TL072ACD
3
2
4
8
1
R8
20k
R110k
R2
40k
C1100nF
C2
100nF
0
1
0
3
XFG1
0
XDA1
THD
R6Key = D
10k
50%
2 0
XSC1
A B
G
T
4
5
0
El diseño mostrado aquí es el de una etapa dentro de un ecualizador activo, donde se ajusta la frecuencia central a modificar, y calza dentro del siguiente diseño general:
Figura 13 “diagrama de bloque del ecualizador grafico activo”
Donde el diagrama mostrado es el correspondiente al filtro pasa-banda 1, y se ajusta a la frecuencia central de 97.427 Hz, por medio de la siguiente ecuación:
Fc = (0.1125/RC)*RAIZ (1+(R/Rf))
Ajustando:
B = (0.1591)/(RC); B = Fc/Q
R= 20K
C= 100n FC= 97.427 Hz
Rf= 10K B= 79.55 Hz
Se puede ver la presencia en el diseño general de un potenciómetro de 10k ohm, que cumple la función de variar la intensidad de la frecuencia centrada, siendo este el que permite deformar la señal original de acuerdo a una grafica, que se define tanto por el gusto del operador, como por las condiciones del recinto, y que al culminar es fácilmente identificable.
Tanto en la entrada como el la salida el ecualizador tiene un sumador o mezclador de audio, para garantizar la entrada y la salida de una única señal compuesta.
También cada banda cuenta con un seguidor de voltaje cuya función principal es la de aislar en cierto modo la señal de entrada de la señal de salida.
Vale la pena aclarar, que el diseño es el de un filtro pasa-banda, que a diferencia del mostrado es de banda angosta, brindándonos otra opción más de los tipos de filtro que pueden ser utilizados, y por ultimo es necesario decir que el número de etapas o bandas, varía de acuerdo con los requerimientos del diseñador final.
Esta otra posibilidad de ecualizador, es mucho más avanzada, y por ende es de mayor envergadura en cuanto posibilidades de uso, se puede comenzar por decir que cumple con las funciones dadas para los anteriores, y se suman otras como el uso a nivel profesional, donde permite realizar ajustes de señal de audio en entornos como, estudios de todo tipo, amplificaciones, en sala y tarima, en sistemas de refuerzo sonoro en sitios cerrados como abiertos, convirtiéndose en el componente mas completo de todos los analizados.
Ecualizador grafico pasivo
Figura 14 “diagrama esquemático de un ecualizador grafico pasivo”
R7
Key = D
50k
50%
R1015k
R1470
C1
22nF
C2
220nF
1
R218k
3 R3
Key = D
50k
50%
C947nF
C34.7nF
4
5
R422k
C4
22nF
6 R5
Key = D
50k
50%
C547nF
C64.7nF
R622k
C7
22nF
12
11
10
R8
Key = D
50k
50%
C847nF
C104.7nF
R922k
C11
22nF
15
14
13
R11
Key = D
50k
50%
C1247nF
C134.7nF
17
16
R12
Key = D
10k
50%
9
R1356
2
XFG1XDA1
THD
18 19 20
XSC1
A B C D
G
T
80
7
0
Se trata de un ecualizador que, en lugar de operar sobre señales de baja magnitud, lo hace sobre vías de audio amplificadas.
Como se ve en el diagrama consta de cinco potenciómetros que comandan la tonalidad del sonido mientras que el sexto se encarga de regular el volumen sonoro.
De izquierda a derecha las bandas ecualizadas son 60Hz, 240Hz, 1KHz, 4KHz y 16KHz. Luego sigue el control de volumen.
Dado que no emplea componentes activos este sistema no requiere de alimentación alguna. Recordar que en caso de montar un sistema estéreo o multicanal deberá armar un ecualizador como este por cada vía.
Es una variante del activo, el cual se utiliza en funciones similares, pero que generen menor sensibilidad por parte del sistema, y es muy común encontrarlo dentro de equipos de casa.
Procesadores de rango dinámico
Compresores y Limitadores
La figura siguiente muestra la forma básica de procesamiento de un compresor y un limitador de audio.
Figura 15 “figura de ajuste de un compresor”
Figura 16 “figura de ajuste de un limitador”
Si se analiza la grafica siguiente, la cual muestra el diagrama de bloque de un procesador de audio, se pueden ver etapas que difieren en gran parte de lo que uno pensaría encontrar en estos diseños, y que dificultan sobre manera
la elaboración del mismo, saliéndose de las manos de un ingeniero de sonido, y entrando directamente en el campo de los ingenieros electrónicos y de sistemas.
Figura 17 “diagrama de bloque de un procesador de rango dinámico”
Pero a su vez, este diagrama de bloques revela la presencia de dos filtros básicos: filtro pasa-bajos y filtro pasa-altos, ubicados justo antes del control dinámico de procesamiento, dándonos a entender que definitivamente es una función mas, derivada de los filtros básicos, y por consideración ya ha sido analizada en la sección de filtros.
Crossover
Dos vías
Figura 18 “diagrama esquemático de un crossover de dos vías”
C1
47nF
C2
10nF R4
11k R21
51k
XFG1
0
1
0
R1051k
C3
10nF
2
R151k
R210k
U1A
NE5532P
3
2
4
8
1
0
VCC
5VVCC
U2B
NE5532P
5
6
4
8
7
5
0
0
R3
10k
0
VCC
5VVCC
4
C4
1uF
6
C5
47nF
C6
10nF
C7
10nF
R810k
U3B
NE5532P
5
6
4
8
7
R9
10k
VCC
5V
C8
1uF
34
VCC
0
0
C947nF C10
10nF
C1147nF
9
0
33
0
32
35
25
0
U4B
NE5532P
5
6
4
8
7
R11
Key = D
100k
50%
10
R551k
8
0
R6
100k
7
U5B
NE5532P
5
6
4
8
7
R7
Key = D
100k
50%
R1251k
R13
100k
37
0
36
11
XDA1
THD
XDA2
THD
VCC
5VVCC
VCC
5VVCC
0
0
XSC1
A B C D
G
T
3
13
12
0
Este divide la señal original en dos partes, con un rango particular de frecuencias, que de ser fusionadas darían la señal original.
En este diseño se nota la existencia de un potenciómetro de 100 ohm en cada salida, el cual regula la intensidad de cada salida, lo cual es muy útil en la búsqueda del balance adecuado en la señal resultante, al sumar estás después de pasar por los transductores de salida.
Este componte es muy utilizado a nivel profesional en sistemas de refuerzo sonoro y amplificaciones, por permitir conseguir la máxima calidad de sonido por medio de la optimización de cada transductor por separado, motivo por el cual esta siendo llevado al uso comercial, incluyéndolo en equipos de audio caseros de alta gama.
Filtro pasa bajo-para sub-woofer activo
Figura 19 “diagrama esquemático de un filtro pasa bajo para sub-woofer activo”
U1A
TL074ACD
3
2
11
4
1
U2B
TL074ACD
5
6
11
4
7U3C
TL074ACD
10
9
11
4
8
U4D
TL074ACD
12
13
11
4
14
VCC
12VVCC
VCC
12VVCC
VCC
12VVCC VCC
12VVCC
0 0
0
0
R447k
R147k
0
R2
10k
R3
10k
2
1
0 R547k
0
6
R6Key = D
50k
50%
5
R7
18k
R8
39k
R9
18k
7
C2 1uF
8
C1
33nF
C3
33nF
R1039k
R1139k
R12
39k
9 1110
C4
470nF
130
14
0
U5A
NE5532P
3
2
4
8
1
VCC
12V
0
VCC
R13
27k
R14
27k
12
C582nF
0 C647nF 0
15
R15
27k
C715nF
C83.9nF 0
16
0
C9
330nF
18
XFG1
3
XDA1
THD
XSC1
A B
G
T
17
0
Está compuesto por una red sumadora la cual combina las señales de audio provenientes de los canales izquierdo y derecho, luego un amplificador de ganancia regulable permite ajustar la cantidad de amplificación extra que se le dará a la señal resultante.
Seguido una red de RC combinada efectúa el filtrado, dejando pasar solo las frecuencias predefinidas. Con las tres resistencias de 27K se obtiene un filtro que corta en los 60Hz. Sustituyendo estas resistencias por otras de 22K el corte se efectuará en los 75Hz. En cambio, si las reemplazamos por resistencias de 18K el punto será en los 100Hz. Resistencias de 15K establecen la frecuencia en 125Hz y por último, con 12K se obtiene un filtro que corte en 150Hz. Siempre el mismo valor para las tres resistencias.
Este sistema es ideal para reforzar los sonidos de baja frecuencia en nuestro equipo de audio o conjunto de televisión de calidad.
Es una muestra de las funciones que pueden tener los filtros si se usan de forma imaginativa y con fines prácticos, este ejemplo permite además ver los filtros trabando de cierta forma como amplificadores sobre la señal.
CONCLUSIONES
A través del desarrollo de este proyecto lo más importante es el profundo conocimiento adquirido sobre todo lo concerniente a los filtros de audio y sus variantes.
Se entregar un compendio que cumple con las necesidades de gran número de ingenieros de sonido, que dedican sus esfuerzos al campo de la electroacústica y específicamente al análisis de equipo de audio con aspiraciones a alta fidelidad, superando en los diseños analizados por gran margen los requisitos establecidos por la norma DIN 45500 que rige a los equipos de audio de alta fidelidad.
Debido al análisis de este proyecto, se confirma que por medio de los cuatro filtros básicos es posible llegar al diseño de cualquier variante que contenga etapas de filtrado, como fue demostrado en el análisis y diseño de diversos tipos de ecualizadores, crossovers, en la base central del diseño de procesadores de rango dinámico como compresores, expansores, limitadores y gates, así como definir los alcances que como ingeniero de sonido puede tener en el diseño de este tipo de dispositivos.
Dentro del diseño de circuitos que cumplan con las normas de alta fidelidad y la construcción de los mismos, la correcta escogencia de los componentes así como el correcto montaje de los mismos, es la base que garantiza el éxito en el funcionamiento de los diseños, en el cual los amplificadores operacionales ofrecen diversas opciones y cualidades que deben ser analizadas, permitiendo estas reducir en gran medida los niveles de THD del diseño, así como el ahorro de espacio lo cual limita la interferencia o intermodulación de la señal, factor que permite reducir el nivel de señal/ruido.
La norma DIN 45500 permite un nivel de THD (distorsión armónica total), el cual debe ser inferior al 1%, debido al correcto estudio de los diseños y como ya se dijo la correcta selección de los componentes se ha conseguido en las simulaciones que este nivel sea completamente nulo y en las mediciones un máximo de 0.003%, lo cual es producto de factores como el protoboard y defectos de fabricación en los componentes que llegan al país.
Con respecto al ancho de banda la norma DIN nos exige un rango mínimo que está entre 40 Hz y 16 Khz, pero que debido a las cualidades de los componentes en las mediciones nos arrojaron rangos que estuvieron entre 20 Hz y 20 Khz, considerando que la función de los filtros es delimitar estos rangos a las conveniencias del diseñador.
Definitivamente, para uno como ingeniero de sonido es vital, en el desarrollo de proyectos de esta índole, contar con la orientación de ingenieros electrónicos, capacitados en el desarrollo de componentes de audio.
BIBLIOGRAFÍA
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50. CHRISTIAN ZINGALES. Electronic. Giunti gruppo editorial. Firence, francia 2002 51. chrnoosvaldo.tripod.com 52. DAVID E. JOHNSON, JOHN HILBURN, JHONNY JOHNSON. Análisis básico de
circuitos electrónicos, cuarta edición, prentice hall Hispanoamérica USA 1.991. 53. DAVIS, Gary y jones, Ralph. The sound reinforcement handbook. Second
edition. Yamaha. Hal leonard corporation.usa.1990 54. es.wikipedia.org/wiki/Audio 55. es.wikipedia.org/wiki/Electroacústica 56. es.wikip.org/wiki/Electrónica_edia 57. espanol.answers.yahoo.com/question/index 58. gaussian.trota-mundos.com/blog/ 59. platea.pntic.mec.es/~lmarti2/glosari1.htm 60. www.ccapitalia.net/reso/articulos/audiodigital/06/avanzados_audiodigital 61. www.doctorproaudio.com/doctor/temas/dinamica_compres.htm 62. www.euromaya.com/glosario/D_GLOSARIO.htm 63. www.hostear.com/google/enciclopedia-virtual-informatica 64. www.ispmusica.com/articulo.asp 65. www.todoarquitectura.com/crawler/foros/9966.htm
RESUMEN PARA LA REVISTA INGENIUN
Todos los componentes electrónicos de sonido poseen una curva de respuesta
de frecuencia característica, aunque en la mayoría de estos (micrófonos,
amplificadores, conversores A/D y D/A, altavoces, etc.), lo ideal sería que esta
fuese plana (una recta horizontal) entre los 20 y los 20.000 Hz, ya que toda
desviación acarrea una modificación artificial del timbre o el color del sonido; La
realidad es que existe la correspondiente desviación. Es por ello que se crean las
etapas de filtrado, donde se busca corregir estas desviaciones, buscando que en
la salida la señal resultante sea lo mas horizontal posible.
Existen equipos especializados en la modificación de las señales y que permiten
ver como es la modificación correspondiente, ecualizadores tanto gráficos como
parametricos, son equipos de audio diseñados para estas funciones, donde por
medio de filtros ajustados a bandas especificas se modifican frecuencias
consideradas criticas y se ajusta la señal a gusto del operario de los equipos,
otros equipos destinados a esta función son los compresores, limitadores y
crossover, que recortan, dividen, aumentan o atenúan la señal a través de filtros
para también modificarlas a gusto del operario de los equipos.
![· 3 Dziaž Ill.] Dozór eolo iczn nad racami wiertnic mi ... l.ccc Lp. Podsžawa 5 2-01 d 20202-02 999 11162 39811 Opis Roboty ziemne wykon.koparkarni](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/5b83da0e7f8b9a47588e08d4/-3-dziaz-ill-dozor-eolo-iczn-nad-racami-wiertnic-mi-lccc-lp-podszawa.jpg)
![>> Año VI · Número 130 · Primera quincena de junio de 2014 · Número 130 < ae [J.H.] La Consejería de Educación, Cultu - ra y Deporte de la Junta de Andalucía ha](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/5e7d33373e80b240464a493b/-ao-vi-nmero-130-primera-quincena-de-junio-de-2014-nmero-130-.jpg)
