En el tutorial anterior, aprendimos cómo diseñar un crossover de audio usando filtros de audio de paso alto y paso bajo. A continuación, diseñemos un ecualizador de audio.
La ecualización es el proceso de ajustar los elementos de frecuencia del sonido. Un ecualizador (EQ) es un filtro de audio que aísla ciertos componentes de frecuencia de una señal de audio aumentándolos o disminuyéndolos.
Los ecualizadores se utilizan ampliamente en sistemas de audio, incluso durante la grabación o con amplificadores y mezcladores. Por lo general, se utilizan para corregir o ajustar la respuesta de parlantes, amplificadores, micrófonos o incluso la acústica de una habitación. Son la base del sistema de audio de cualquier DJ.
Un ecualizador de audio de tres bandas.
En un sistema de ecualización, las señales de audio se dividen en diferentes bandas de frecuencia. Estas bandas ofrecen un mayor control sobre los rangos de frecuencia y cada una tiene un control deslizante independiente que controla la ganancia de la señal de audio entrante. Luego, un verano actual relaciona las bandas de frecuencia con el rango de audio actualizado.
Hay dos tipos de ecualizadores:
1. Ecualizador paramétrico: normalmente se utiliza en estudios de mezcla y grabación, ya que estos ecualizadores ofrecen más precisión. Permiten al usuario controlar el ancho de banda (también conocido como Q o cociente de desplazamiento), la frecuencia central y los niveles de frecuencia (la ganancia) a través de diferentes perillas.
Un ecualizador de audio paramétrico.
2. Ecualizador gráfico: tiene un ancho de banda y una frecuencia central fijos, pero la ganancia de una banda de frecuencia se puede ajustar mediante diferentes controles deslizantes. Cuanto mayor sea el número de controles deslizantes en este ecualizador, mayor será el control sobre una gama más amplia de frecuencias.
Un ecualizador de audio gráfico.
Los ecualizadores se pueden diseñar utilizando filtros de audio o chips integrados (como un LA-3600, que es un ecualizador IC de cinco bandas).
Para este proyecto, diseñaremos un circuito ecualizador gráfico de tres bandas utilizando filtros de audio. Por lo tanto, contará con circuitos de filtro de paso bajo, paso alto y paso de banda para separar las frecuencias bajas, altas y medias de la señal de audio. Los circuitos serán filtros activos utilizando un amplificador operacional (amplificadores operacionales).
La ganancia para cada rango de frecuencia se regulará a través de resistencias variables, conectadas a la entrada de los circuitos de filtrado. Los diferentes componentes de frecuencia se combinarán en la etapa de salida de los filtros y se conectarán a un circuito amplificador de potencia basado en LM386. El circuito amplificador aumentará la señal de audio combinada y la dirigirá a un altavoz.
Para probar adecuadamente este ecualizador, analizaremos la curva de respuesta de frecuencia de los filtros de audio. La curva se dibujará trazando los niveles de voltaje de la señal de audio frente a las frecuencias. Se utilizará un generador de funciones como fuente de entrada para producir ondas sinusoidales a diferentes frecuencias.
Usaremos algunos términos comunes asociados con amplificadores de audio o filtros de audio, como ganancia, frecuencia de corte, ancho de banda y factor de calidad. Cubrimos algunos de ellos en el tutorial anterior: Comprensión de los filtros .
Componentes necesarios
Diagrama de bloques
Conexiones de circuito
Nuestro ecualizador está diseñado para utilizar tres filtros de audio:
- Un filtro de paso alto para separar elementos de alta frecuencia.
- Un filtro de paso de banda para separar elementos de frecuencia media.
- Un filtro de paso bajo para separar elementos de baja frecuencia.
La ganancia para las diferentes bandas de frecuencia se controla mediante resistencias variables, conectadas a la entrada del filtro. Posteriormente, las bandas de frecuencia se combinan en una señal de audio y se pasan a un amplificador de potencia y un altavoz.
El circuito del ecualizador se construye ensamblando los siguientes componentes...
Una fuente de alimentación : se utiliza una fuente de alimentación dual para alimentar los circuitos del filtro, utilizando dos baterías de 9 V. Dado que se necesita una fuente de CC para polarizar los amplificadores operacionales, las baterías proporcionan los voltajes negativo y positivo.
Los voltajes de suministro positivos y negativos de estas baterías se suministran a los amplificadores operacionales utilizados en todos los filtros.
- Para voltaje negativo, el cátodo de una de las baterías está conectado al pin de alimentación negativo del amplificador operacional y el ánodo de la batería está conectado a tierra común.
- Para voltaje positivo, el ánodo de la otra batería está conectado al pin de alimentación positivo del amplificador operacional y el cátodo de la batería está conectado a tierra común.
Un diagrama de circuito de la fuente de alimentación dual para los filtros activos de paso alto y de paso bajo.
Fuente de audio - La entrada de audio la proporciona un teléfono inteligente mediante un conector de 3,5 mm. El tomacorriente debe tener tres cables: uno para tierra, uno para el canal izquierdo y un tercero para el canal derecho. Los cables que se conectan a los canales se utilizan para los sistemas estéreo.
En este sistema, la señal de audio de ambos canales se transmite con una diferencia de fase de 180 grados. Las señales de audio desfasadas se combinan para producir una señal de audio libre de ruido , lo que se denomina sistema de audio balanceado.
En nuestro circuito, sin embargo, sólo uno de los canales se utiliza como fuente de audio. El cable de tierra del conector está conectado a tierra común. Por lo tanto, este sistema de audio estará desequilibrado y la fuente de audio se conectará como fuente única o canal mono.
Un conector de audio de 3,5 mm.
La señal de audio pasa a través del condensador. Su impedancia es inversamente proporcional a la frecuencia y la capacitancia; por lo tanto, cuanto menor es la frecuencia, mayor es la impedancia y viceversa.
Por lo tanto, el elemento de alta frecuencia de la señal de audio tendrá menos impedancia y pasará fácilmente a través del condensador hacia la entrada no inversora del amplificador. El elemento de baja frecuencia de la señal contendrá un mayor nivel de impedancia. Es anulado por la resistencia conectada a tierra.
La impedancia del condensador se puede determinar mediante esta ecuación:
(Impedancia), Xc= 1/ (2π*f*C)
El filtro de paso alto está diseñado utilizando un condensador de 100 nF (“C1” en el diagrama del circuito) y una resistencia de 3,2 kiloohmios (“R2”). Usando estos valores para el capacitor y la resistencia, la frecuencia de corte del filtro se puede calcular de la siguiente manera:
FH= 1/ (2πR2C1)
FH= 1/ (2π*3,2k*100n)
FH= 500 Hz (aprox.)
La red RC forma un filtro pasivo de paso alto. A través de esta red, la señal de audio filtrada, que ahora transporta sólo señales de alta frecuencia, pasa al pin no inversor del amplificador operacional.
Un diagrama de circuito de un amplificador operacional LM741 en un filtro de paso alto activo.
Para este proyecto, utilizamos el amplificador operacional IC LM741. El LM741 es un amplificador operacional de uso general con una impedancia de entrada baja (en megaohmios), en comparación con un amplificador operacional FET, que tiene una impedancia de entrada alta (en gigaohmios).
El circuito integrado LM741.
Lo ideal es que la impedancia de salida del 741 sea cero, pero normalmente ronda los 75 ohmios. La corriente de alimentación máxima del 741 IC es de aproximadamente 2,8 mA, con una tensión de alimentación de hasta +/- 18 V.
El IC tiene la siguiente configuración de pines...
El IC tiene este diagrama de pines:
El IC tiene protección contra sobrecarga de entrada y salida y tiene bloqueo cero cuando se excede el rango del modo común. El IC puede recibir una tensión de alimentación positiva o negativa de hasta 22 V y una tensión de señal de entrada (amplitud) de hasta 15 V. Generalmente, se debe suministrar una tensión positiva o negativa de al menos 10 V.
El diagrama del circuito interno de un amplificador operacional IC LM741.
El LM741 se puede configurar como amplificador de bucle abierto o cerrado y como amplificador inversor o no inversor.
En este circuito, se utilizó IC LM741 como amplificador no inversor. La señal de entrada del filtro pasivo de paso alto está conectada al pin de entrada no inversor del IC (pin 3). Una resistencia de 22 kiloohmios (“R5” en el diagrama del circuito) está conectada entre los pines 6 y 2 del IC, lo que proporciona retroalimentación negativa. El pin inversor (pin 2) está conectado a tierra a través de una resistencia de 2,2 kiloohmios (“R3”).
La ganancia del amplificador está definida por estas resistencias y se puede calcular de la siguiente manera:
Ganancia = (R5/R3)
= 22/2,2 kiloohmios
= 10
Como resultado, el elemento de alta frecuencia de la señal de audio se amplifica 10 veces en comparación con la señal de audio de entrada. La salida del amplificador operacional se toma del pin 6 del IC, que está conectado a uno de los cables del altavoz.
Filtro de paso bajo : se conecta un filtro de paso bajo activo de primer orden al circuito. Para este filtro, la entrada de audio se pasa al pin no inversor del amplificador operacional a través de una red RC. La señal de audio pasa a través de la resistencia, que tiene una respuesta independiente de la frecuencia. Los elementos de alta frecuencia de la señal de audio se derivan a través de un condensador a tierra.
La impedancia del condensador es inversamente proporcional a la frecuencia y su capacitancia; por lo tanto, cuanto menor es la frecuencia, mayor es la impedancia y viceversa. Por lo tanto, los elementos de alta frecuencia de la señal de audio experimentan menos impedancia y se derivan fácilmente a través del condensador a tierra. Los elementos de baja frecuencia de la señal de audio experimentan más impedancia y no pueden pasar por alto el condensador.
La impedancia de un capacitor se puede dar con esta ecuación:
(Impedancia), Xc= 1/ (2π*f*C)
El filtro de paso bajo está diseñado utilizando un condensador de 100 nF (“C2” en el diagrama del circuito) y una resistencia de 3,2 kiloohmios (“R1”). Dados estos valores de condensador y resistencia, la frecuencia de corte del filtro se puede calcular de la siguiente manera:
FH= 1/ (2πR2C1)
FH= 1/ (2π*3,2k*100n)
FH= 500 Hz (aprox.)
La red RC forma un filtro pasivo de paso bajo. A través de la red, la señal de audio filtrada, que ahora transporta sólo elementos de baja frecuencia, pasa al pin no inversor del amplificador operacional.
Un diagrama de circuito de un amplificador operacional 741 utilizado con un filtro de paso bajo activo.
En este circuito de filtro de paso bajo, el IC LM741 se utiliza como amplificador no inversor. La señal de entrada del filtro está conectada al pin de entrada no inversor del IC (pin 3).
Como no hay circuito de retroalimentación, la ganancia de OPAM será la unidad. Sin embargo, hay una resistencia variable (“RV1” en el diagrama del circuito), que está conectada a la entrada del filtro de paso bajo. Al ajustar esta resistencia variable, el nivel de voltaje de la señal de audio de entrada aumenta o disminuye.
El elemento de baja frecuencia de la señal de audio será proporcional al nivel de voltaje de la señal de entrada ya que la ganancia del amplificador operacional es la unidad. Como tal, la ganancia o intensidad de la banda de baja frecuencia se puede ajustar utilizando la resistencia variable RV1, que normalmente está montada en una perilla del ecualizador.
La salida del amplificador operacional se toma del pin 6 del IC, que está conectado a la entrada del amplificador de potencia.
Filtro de paso de banda: se conecta un filtro de paso de banda activo de segundo orden al circuito. Está diseñado con una frecuencia central de 1 kHz y un ancho de banda de 1,5 kHz.
Un filtro de paso de banda consta de un filtro de paso alto conectado en serie con un filtro de paso bajo. Observación:
- La frecuencia de corte de paso alto es la frecuencia de corte más baja del filtro de paso de banda.
- La frecuencia de corte de paso bajo es la frecuencia de corte más alta del filtro de paso de banda.
- Sólo las frecuencias entre las dos frecuencias de corte, paso alto y paso bajo, pueden pasar a través de la salida.
Este filtro de paso de banda tiene un rango de frecuencia entre 500 Hz y 1,5 kHz.
Como se ve en el diagrama del circuito, un filtro de paso bajo con una resistencia de 1,5 K ohmios (“R2”) y un condensador de 100 nF (“C3”) están conectados en serie con el filtro de paso alto. Utiliza un condensador de 100 nF (“C2”) y una resistencia de 3K ohmios (“R3”).
IC LM741 se utiliza para el amplificador operacional como amplificador no inversor. La señal de entrada del filtro de paso de banda pasivo se aplica al pin de entrada no inversor del IC (pin 3).
Un diagrama de circuito del filtro de paso de banda activo basado en amplificador operacional 741, con una función de volumen ajustable.
Este es el segundo orden llamado filtro de paso de banda clave. Solo pasa la frecuencia que está en su rango de frecuencia de corte.
El filtro de paso de banda tiene dos frecuencias de corte: la frecuencia de corte inferior y la superior. La frecuencia central y el ancho de banda proporcionan estas dos bandas de frecuencia como se muestra en la siguiente curva...
Un gráfico que muestra una curva de frecuencia típica de un filtro de paso de banda.
En este circuito, la capacitancia de los condensadores "C2" y "C3" es la misma. La resistencia de "R2" también es igual a la retroalimentación de la resistencia "R4".
La frecuencia central (fc) de este filtro de paso de banda se puede calcular de la siguiente manera:
Fc= 1/ (2πRC)
Fc = 1/ (2π*1,5k*100n)
Fc=1kHz (aprox.)
La red de resistencias (“R6” y “R7”) es responsable de la ganancia del amplificador. Para la configuración del amplificador no inversor, la ganancia se puede calcular usando esta ecuación:
GRAMO = (1+R7/R6)
GRAMO = (1 + 1k/1k) = 2
El factor de calidad para esta configuración se calcula de la siguiente manera:
Q =1/(3-G)
Entonces Q = 1
El ancho de banda de este filtro de paso de banda se puede calcular de la siguiente manera:
Ancho de banda = fc/Q
Entonces ancho de banda = 1,5 kHz
En el gráfico de la curva de frecuencia se puede observar que las frecuencias de corte superior e inferior de este filtro son:
- Frecuencia de corte inferior, fL = 500 Hz
- Frecuencia de corte superior, fH = 1,5 kHz
La frecuencia (entre 500 Hz y 1,5 kHz) pasa a través del filtro de paso de banda con una ganancia de voltaje de dos. Hay una resistencia variable (“RV2”), que está conectada a la entrada del filtro de paso de banda. Al ajustar esta resistencia variable, el nivel de voltaje de la señal de audio de entrada aumenta o disminuye.
El componente de frecuencia media de la señal de audio será el doble del nivel de voltaje de la señal de entrada ya que la ganancia del amplificador operacional es dos. Como tal, la ganancia o fuerza de la banda de frecuencia media se amplificará al doble y se podrá ajustar utilizando la resistencia variable “RV2”.
Esta resistencia variable normalmente se monta en una perilla ecualizadora. La salida del amplificador operacional se toma del pin 6 del IC, que está conectado a la entrada del amplificador de potencia.
Amplificador de potencia : IC LM386 se utiliza como amplificador de potencia de verano y no como inversor en este circuito. Summer es responsable de agregar la señal de entrada y proporcionar la salida.
Las tres bandas de frecuencia se combinan y amplifican mediante el 386 IC. Tiene una ganancia interna de 26 dB cuando los pines 1 y 5 se dejan abiertos, lo que significa que la señal de entrada se amplifica en un factor de 20.
El CI LM-386.
Altavoz – Un altavoz con una potencia de 10 vatios y una impedancia de 8 ohmios se utiliza como carga en la salida del amplificador.
El altavoz está conectado al pin 5 del IC, que es el pin de salida del LM386. El cable de tierra del altavoz está conectado a tierra común. Una red RC incluye una resistencia de 10 ohmios (“R8” en el diagrama del circuito) y un condensador de 100 nF (“C6”), que se conecta antes del altavoz.
Esto se llama la "red Zobel". Garantiza que la impedancia del altavoz proporcione una resistencia constante al amplificador después de la salida. Esto estabiliza la frecuencia y las oscilaciones en la salida.
Si se intercambiaran el condensador “C6” C6 y la resistencia “R1”, ya no formaría una red Zobel, pero la impedancia de salida seguiría siendo constante.
El pin 7 del LM386, que es el "pin del terminal de derivación", está conectado a tierra con un condensador ("C5"), lo cual es importante para mejorar la estabilidad de la salida del amplificador.
Se deben tomar las siguientes precauciones al ensamblar este circuito:
1. Utilice únicamente altavoces equivalentes a la salida del amplificador o de alta potencia.
2. Evite saturar la señal de salida ya que esto podría dañar los altavoces.
3. Coloque siempre los componentes lo más cerca posible entre sí para reducir el ruido en el circuito.
4. IC 386 comienza a calentarse cuando proporciona alta potencia, por lo que se recomienda aplicar primero pasta térmica a su superficie, lo que también aumentará su vida útil.
5. La placa de pruebas produce mucho ruido y componentes sueltos , por lo que se recomienda realizar este circuito en PCB para obtener un ruido claro y sin distorsión.
Un prototipo de ecualizador de audio de tres bandas.
Cómo funciona el circuito
La señal de audio se obtiene desde un teléfono inteligente conectado mediante un conector de 3,5 mm a un solo canal. Esta señal pasa a través de circuitos de filtro de paso bajo, paso alto y paso de banda, cada uno con resistencias variables en su entrada. Las resistencias ajustan los niveles de la señal de entrada y los filtros ajustan la ganancia para cada banda de frecuencia en consecuencia.
Por ejemplo, el filtro de paso alto separa los elementos de alta frecuencia (por encima de 1,5 kHz) y los entrega al amplificador de potencia con ganancia unitaria. El filtro de paso bajo separa los elementos de baja frecuencia (por debajo de 500 Hz) y los entrega al amplificador de potencia con ganancia unitaria. El filtro de paso de banda separa los elementos de frecuencia media (de 500 Hz a 1,5 kHz) y los pasa al amplificador de potencia con una ganancia de voltaje de dos.
Luego, todos los elementos de frecuencia se combinan en la entrada del LM386 y se amplifican en 20 debido a la ganancia establecida programada del IC de 26 dB. La salida del amplificador de potencia se dirige a un altavoz para regenerar el sonido.
Al ajustar la resistencia variable en la entrada de los circuitos de filtro, se puede cambiar la ganancia de las tres bandas de frecuencia. Esto se puede utilizar para reducir el ruido o crear efectos de sonido especiales a partir del audio original.
Un prototipo de filtro activo de paso alto, paso de banda y paso bajo.
Probando el circuito
El ecualizador se puede probar examinando el rendimiento de los circuitos de filtro utilizando el generador de funciones como fuente de entrada. Genera una onda sinusoidal de amplitud constante y frecuencia variable.
Debido a que una señal de audio es esencialmente una onda sinusoidal, se puede usar un generador de funciones en lugar de un micrófono u otro tipo de fuente de audio.
Nota: Un altavoz no se utiliza como carga porque es resistivo e inductivo. A diferentes frecuencias, su inductancia cambia, lo que a su vez cambia la impedancia (la combinación “R” y “L”). Por lo tanto, utilizar un altavoz como carga en la salida del amplificador puede dar resultados falsos o no estándar.
En su lugar, utilizaremos una carga ficticia puramente resistiva. Dado que la resistencia no cambia con la frecuencia, se puede considerar una carga confiable independientemente de la frecuencia de la señal de audio de entrada.
La amplitud pico a pico de la señal del generador de funciones debe establecerse en 100 mV, con una carga resistiva de 10 ohmios conectada a la salida (en lugar de los altavoces). La frecuencia de corte del filtro de paso alto debe ser de 1,59 kHz y la del filtro de paso bajo debe ser de 500 Hz. La frecuencia central del filtro de paso de banda debe ser de 1 kHz, con un ancho de banda entre 500 Hz y 1,5. kHz. La ganancia de la señal del amplificador de potencia debe ser 20 (26 dB).
Según nuestras pruebas, se observaron las siguientes respuestas de frecuencia de los filtros de paso alto, paso de banda y paso bajo:
Esta tabla se utiliza para trazar la curva de frecuencia de los tres filtros. La curva de frecuencia del filtro de paso bajo fue:
La respuesta de frecuencia de un filtro de paso bajo de audio.
La respuesta de frecuencia de un filtro de audio de paso de banda.
La respuesta de frecuencia de un filtro de paso alto de audio.
La curva de frecuencia para los filtros alto, bajo y de paso de banda se puede trazar con mayor precisión tomando lecturas del nivel de voltaje para una mayor cantidad de frecuencias.
En este tutorial, diseñamos un ecualizador gráfico de audio de tres bandas que le permite realzar o cambiar señales de audio en frecuencias altas (por encima de 1,5 kHz), bajas (por debajo de 500 Hz) y medias (de 500 Hz a 1,5 kHz). ).
La potencia de salida de este ecualizador es de 700 mW y la ganancia de voltaje es de 26 dB. Este circuito ecualizador se puede utilizar en sistemas de DJ y para mezclar bandas sonoras.
En el próximo tutorial, aprenderemos cómo diseñar un mezclador de audio.