2015年2月10日火曜日

Low Pass Filterの実験をしてみた

フィルターの設計はよくわからないので やりなおしのための実用アナログ回路設計: オームの法則からアンプ/フィルタの作り方まで (トランジスタ技術SPECIAL) を参考にしました

48kHzのサンプリングレートなので24kHzで十分減衰するLPFを設計する必要があるが
まじめにやると高次のフィルターになってめんどくさそうなので
CR1段とOPAMPを使った2次のLPFで考えてみた

入力インピーダンスが低すぎると前段のDACに影響が出そうなので
「やり直しのための実用アナログ回路設計」を参考にしてとりあえずRを10kΩでシミュレーションした

CR1段


カットオフ周波数 = 1 / ( 2 * π * C * R)

なのでだいたい15kHz

24kHzのところでは大体-5.2dBになっている

VCVS(サレンキー)


カットオフ周波数 = 1 / ( 2 * π * C1 * C2 * R1 * R2)

なのでこれもだいたい15kHz

24kHzのところでは大体-10.0dB

多重帰還


カットオフ周波数はVCVSと同じだが
24kHzのところで大体-13.5dBとVCVSより減衰している

→これはまだ回路を組んで実験していないので気が向いたらやります

ブレッドボードで試作して実験


CR1段

CRフィルターだけだと出力インピーダンスが高すぎるので(ギター用のDIとかに入れるなら大丈夫だと思うが)
LM358でボルテージフォロワーを作って入れてみた


オペアンプの電源は自作の可変安定化電源(http://dad8893.blogspot.jp/search/label/%E9%9B%BB%E6%BA%90)を使った(^q^/


オーディオインターフェイス経由でWaveSpectraで取り込んで
フィルターのありなしを比較してみた

Filterあり


THD 0.11914%
THD+N 0.85926%

Filterなし
THD 0.10906%
THD+N 2.79640%

THD+Nで見ると歪とノイズは減ってるみたいだが

いつも計測値がふらついてだいたいでしか比較できないのでWeveSpectraのFFTももう少しちゃんと使えるようになりたいです

OWONのFFTの使い方はいまだよくわからないし(@@;

歪率はオシロでとった生データをExcelで分析したほうがいいのかもしれないな

VCVS


これも自作の可変安定化電源でOPAMPの電源を給電してみたが
GNDがずれてしまった(^q^;


上がDACからの出力、下がフィルターをかけた出力

DACからの出力がGNDを中心にした正負のサイン波ではなくてGNDからVCCの振幅のサイン波なので
フィルター用のOPAMPを両電源で使うとだめらしい

なのでPSoC 4 Pioneer Kitの3.3V出力を抵抗でVCC-GNDを分割して1/2 * VCCの仮想GNDを作ってみた




LM358の上側でひっかかってしまった(^q^;;;;

DACの出力が3.3VでLM358の電源電圧も3.3Vなのでこれはしかたがない

なのでPSoC 4 Pionner Kitの5V出力からLM358に給電して



GJ(^q^/

WeveSpectraでFFTしてみたが


THD 0.12471%
THD+N 0.65465%

キャプっただけだとCR1段とVCVSの2次LPFでどれだ差があるかわからないな(@@

オシロスコープの帯域制限

オシロで測定するとノイズが多いみたいなのでに20MHzの帯域制限というのがあるので使ってみた

VCVS


上がDACからの出力、下がVCVS2次フィルターを通したあと

これでいいのかどうかわからないが…
上のDACからの出力は20MHzの帯域制限かけてなかったかもしれない(^q^;;;

両方とも帯域制限をかけなかった時の波形はこうだった


まあ、なんか多少きれいになったかなというレベルでいいか

ただのLPFは切り上げて
外付けのDAC&OPAMPではなくPSoC 4内蔵のDAC&OPAMPでやるとか
ずっと保留しているフィードバックありのFilterもそろそろ再チャレンジしたくなってきました


<2015.02.12追記>
WeveSpectraとWeveGeneでVCVSの周波数特性をとってみた

DACはつながず±2Vの両電源で測定

ループバック(オーディオインターフェイスのOUTとINを直結)


VCVS



減衰はきちんとされているようだ。

計算上のカットオフ周波数は15,915Hzなのでこのあたりで-3dB減衰するはずだが
15,000Hz近辺では、LoopBackで-1.5dB程度
これは測定環境もともとの減衰なので
VCVSのグラフの読み取り値の大体-7dBから引くと-5.5dBぐらいになる

う~ん、計算値と合わないな(^q^;

ま、いいか

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