Rejaensound...

ถ้าจะพูดถึงเครื่องเสียงแล้ว ส่วนที่อยู่ระหว่างปรีแอมป์กับเพาร์เวอร์แอมป์ ก็คงจะเป็นครอสโอเวอร์ ซึ่งจะเป็นส่วนช่วยให้เสียงที่ได้ออกมานั้น มีการตอบสนองตรงกับความถี่ที่ควรจะเป็น โดยในบทความนี้จะได้กล่าวถึงวิธีการออกแบบวงจร Active Crossover (LPF) …

ถ้าจะพูดถึงระบบเสียงที่ดี ที่ได้ออกมาจากเครื่องเล่นหรือเครื่องเสียงนั้น คงจะมีส่วนที่จะต้องพิจารณาหรือนำมาวิเคราะห์อยู่หลายส่วนด้วยกัน ที่จะบอกได้ว่าเครื่องเสียงที่ได้ฟังอยู่นั้นมีคุณภาพของเสียงที่ให้ผลตอบ สนองในทุกๆ ความถี่ของเสียงที่ได้ฟัง ซึ่งจะมีอยู่ส่วนหนึ่งที่เป็นตัวที่จะทำให้เสียงที่ได้จากเครื่องเสียงนั้น มีการตอบสนองทางความถี่ที่ดีมากกว่าเดิม โดยในการใช้งานนั้นเราจะเรียกส่วนนี้ว่าวงจรครอสโอเวอร์ (Crossover) ซึ่งจะมีการเชื่อมต่อวงจรนี้อยู่ระหว่าง ปรีแอมป์กับเพาร์เวอร์แอมป์ โดยวงจรครอสโอเว่อร์จะเป็นวงจรที่จะให้ผลตอบสนองทางความถี่เสียงที่ออกมาตาม ย่านความถี่ที่วงจรนั้นจะสามารถตอบสนองได้ กล่าวคือ ถ้าเป็นวงจร ครอสโอเวอร์แบบกรองความถี่สูงผ่าน ก็จะตอบสนองที่ความถี่สูงได้ดี หรือถ้าเป็นเสียงก็คือเสียงแหลมนั้นเอง ถ้าเป็นวงจรครอสโอเวอร์แบบกรองแถบความถี่ผ่าน ก็จะตอบสนองที่ความถี่กลางได้ดี หรือถ้าเป็นเสียงก็คือเสียงกลางนั้นเอง และถ้าเป็นวงจรครอสโอเวอร์แบบกรองความถี่ต่ำผ่าน ก็จะตอบสนองที่ความถี่ต่ำได้ดี หรือถ้าเป็นเสียงก็คือเสียงต่ำนั้นเอง

โดยในการสร้างวงจรครอสโอเวอร์นั้นสามารถที่จะสร้างได้ 2 แบบ ด้วยกันคือ วงจรครอสโอเวอร์ที่สร้างจากอุปกรณ์ R , L , C ที่เราเรียกว่าพาสซีฟครอสโอเวอร์ และอีกแบบหนึ่งก็คือวงจรครอสโอเวอร์ที่สร้างจากอุปกรณ์ R , L , C , IC หรือใช้ออปแอมป์ ที่เราเรียกว่าแอ็คทีฟครอสโอเวอร์ นั้นเองครับ
ซึ่งใน บทความนี้จะขอกล่าวถึงการออกแบบวงจรแอ็คทีฟครอสโอเวอร์ แบบกรองความถี่ต่ำผ่าน (LPF) เพื่อเป็นแนวทางสำหรับผู้ที่สนใจเครื่องเสียงว่าจะต้องมีการวิเคราะห์อย่าง ไรบ้างและต้องพิจารณาในเรื่องใด จึงจะทำให้วงจรครอสโอเวอร์ที่จะออกแบบนั้น ให้ผลตอบสนองทางความถี่ตรงตามที่ต้องการให้มากที่สุด

มาเริ่มต้นการออกแบบวงจรกันเลยนะครับ… ในบทความนี้ได้เลือกใช้ออปแอมป์เบอร์ เดิมครับ คือ เบอร์ TL084 เพื่อใช้ในการออกแบบและนำมาสร้างเป็นวงจรแอ็คทีฟครอสโอเวอร์ แบบกรองความถี่ต่ำผ่าน (LPF) โดยจะแยกการทดสอบวงจรที่ได้ออกแบบเป็นส่วนต่างๆ ดังโครงสร้างของวงจรที่ได้ตามแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 โครงสร้างของวงจรแอ็คทีฟครอสโอเวอร์ แบบกรองความถี่ต่ำผ่าน (LPF)

จากโครงสร้างของวงจรแอ็คทีฟครอสโอเวอร์ แบบกรองความถี่ต่ำ ที่แสดงในรูปที่ 1 นั้นก็คงจะทำให้ผู้ที่จะทำการออกแบบสามารถที่จะเห็นถึงภาพรวมที่จะนำมาใช้ งานได้ แต่เพียงเท่านี้ก็ยังไม่สามารถที่จะนำไปออกแบบได้ ดังนั้นเราจึงจำเป็นที่จะต้องมาทำการวิเคราะห์ ทดสอบ ในแต่ละส่วนกันอย่างละเอียดว่าจะมีวิธีการอย่างไรถึงจะทำให้วงจรที่เราออก แบบนี้ทำงานได้ดีที่สุด มาเริ่มการออกแบบวงจรแอ็คทีฟครอสโอเวอร์ แบบกรองความถี่ต่ำผ่าน (LPF) ในส่วนแรกกันเลยนะครับ …
จากในตอนต้นวงจร ที่ได้ออกแบบนี้จะใช้ออปแอมป์เบอร์ TL084 โดยภายในตัวออปแอมป์ที่นำมาใช้สร้างวงจรจริงนั้นจะประกอบด้วยออปแอมป์จำนวน 4 ตัวบรรจุอยู่ภายใน ไอซี 1 ตัว ซึ่งก็สามารถที่จะนำมาสร้างเป็นโมเดลเพื่อใช้ในการออกแบบวงจรก่อนที่จะนำไป สร้างเป็นวงจรจริงหรือพัฒนาต่อไป แสดงดังรูปที่ 2 สาเหตุที่ทำก็เพื่อที่จะใช้ทดสอบผลของวงจรที่เราได้ออกแบบนั้น ว่าวงจรที่ออกแบบจะให้ผลตรงตามที่เราต้องการหรือเปล่านั้นเองครับ

รูปที่ 2 โครงสร้างโมเดลและลักษณะของออปแอมป์ เบอร์ TL084 ที่นำมาใช้งาน

ถ้าผู้อ่านท่านใดสนใจที่จะสร้างโมเดลเพื่อใช้ในการทดสอบวงจรที่ออกแบบก็ทำได้นะครับซึ่งได้กล่าวไว้ในฉบับที่ผ่านมาครับ
แต่ สำหรับการนำออปแอมป์ เบอร์ TL084 มาประยุกต์ใช้งานในการออกแบบวงจร แอ็คทีฟครอสโอเวอร์ แบบกรองความถี่ต่ำนั้น ทางผู้เขียนจะขอกล่าวต่อจากบทความฉบับที่ผ่านมา ก่อนที่จะขอกล่าวถึงวงจรที่เหลือต่อไป โดยในการออกแบบวงจรจะมีวิธีการออกแบบ ดังที่ได้แสดงดังในรูปที่ 1 ซึ่งในแต่ละส่วนของการออกแบบและทดสอบวงจรนั้นจะเป็นอย่างไร มาดูกันเลยนะครับว่าจะมีวิธีการย่างไร………

- วงจรอินพุท (Filter & Voltage Follower buffer) ที่ออกแบบ
วงจรอินพุทที่ออกแบบมีลักษณะแสดงดังรูปที่ 3 โดยในที่นี้นั้นใช้ R , C และออปแอมป์เบอร์ TL084 มาสร้างวงจรในส่วนนี้

รูปที่ 3 วงจรอินพุท (Filter & Voltage Follower buffer) ที่ออกแบบ

จากรูปวงจรดังแสดงในรูปที่ 3 นั้นจะเห็นว่าเป็นวงจรอินพุท (Filter & Voltage Follower buffer) ที่ใช้งานกันโดยทั่วไป โดยมีวงจรที่มีลักษณะการทำงานเป็นวงจรกรองความถี่และวงจรบัฟเฟอร์อยู่ภายใน ชุดเดียวกัน โดยจะเป็นตัวทำให้สัญญาณที่ป้อนเข้ามาทางด้านอินพุทมีขนาดแรงดันและความถี่ ที่ไม่เปลี่ยนแปลงไปจากสัญญาณเดิมที่ป้อนเข้ามานั้นเอง ตามที่ได้ทำการทดสอบและที่ได้ออกแบบไว้จะใช้งานได้ดีในความถี่ที่ต้องการ โดยค่าของอุปกรณ์ที่ได้จากการคำนวณและออกแบบในส่วนนี้นั้นได้ผ่านการทดสอบจน ได้ค่าตามที่ได้นำมาแสดงไว้ในรูปที่ 4

รูปที่ 4 วงจรอินพุท (Filter & Voltage Follower buffer) ที่ได้ทดสอบ

ในรูปที่ 4 จะเป็นการทดสอบวงจรในโปรแกรม PSpice ก่อนที่จะนำไปสร้างเป็นวงจรจริงต่อไป เพื่อที่จะเป็นการตรวจสอบดูว่าวงจรที่ได้ออกแบบนั้นให้ผลตรงตามที่เราต้อง การหรือไม โดยในส่วนนี้เราต้องการที่จะเช็คดูว่าเมื่อทำการป้อนความถี่ค่าๆ หนึ่งเข้าไปแล้วนั้นจะมีผลตอบสนองทางด้านเอาต์พุทเป็นอย่างไร โดยสิ่งที่เราต้องการก็คือสัญญาณทางด้านอินพุทและสัญญาณทางด้านเอาต์พุทจะ ต้องเหมือนกันครับ มาทดลองกันดูนะครับ ดังแสดงในรูปที่ 5 และในรูปที่ 6 โดยจากการทดสอบจะเห็นได้ว่าวงจรที่ออกแบบมานั้นทำงานได้ดีครับ ซึ่งสัญญาณทางด้านอินพุทและสัญญาณทางด้านเอาต์พุทมีลักษณะที่เหมือนกัน ก็แสดงว่าไม่มีการผิดเพี้ยนในรูปแบบของสัญญาณและทางความถี่

รูปที่ 5 ผลการทดสอบวงจรอินพุท (Filter & Voltage Follower buffer)
แบบโดเมนทางเวลา ( Time Domain )

รูปที่ 6 ผลการทดสอบวงจรอินพุท (Filter & Voltage Follower buffer)
แบบโดเมนทางความถี่ ( Frequency Domain )

- วงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (LPF ) ที่ออกแบบ

วงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน(LPF) ที่ออกแบบมีลักษณะแสดงดังรูปที่ 7 และรูปที่ 8 โดยในส่วนนี้จะใช้วงจร 2 ชุดมาทำการต่อกัน โดยวงจรชุดแรกนั้นจะออกแบบให้มีความถี่ตัด เท่ากับ ส่วนวงจรชุดที่สองนั้นจะออกแบบให้มีความถี่ตัด เท่ากับ ซึ่งอุปกรณ์ที่ใช้ก็คือ R , C และออปแอมป์เบอร์ TL084 มาสร้างวงจรในส่วนนี้

ในรูปที่ 9 แสดงกราฟผลตอบสนองของวงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (LPF) ที่ต้องการออกแบบ โดยจะเห็นว่าเราต้องการให้มีค่าความถี่ตัด อยู่สองค่าความถี่ด้วยกันคือและโดยจะทำการออกแบบวงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (LPF) ที่มี ก่อน ดังนี้ ซึ่งในการคำนวณหาค่าของอุปกรณ์ต่างๆ ก็สามารถกระทำได้โดยในการออกแบบวงจรทั่วไปจะทำการกำหนดค่าของตัวเก็บประจุ (C) ซึ่งในส่วนนี้จะเลือกใช้ค่าเท่ากับ 2.2 หรือ 0.0022 แล้วทำการคำนวณหาค่าตัวต้านทาน (R) ดังสมการที่ 1 ต่อไปนี้

จากนั้นจะเป็นการออกแบบวงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (LPF) ที่มี โดยในการออกแบบวงจรส่วนนี้จะทำการกำหนดค่าของตัวเก็บประจุ (C) ซึ่งในส่วนนี้จะเลือกใช้ค่าเท่ากับ 47หรือ 0.047แล้วทำการคำนวณหาค่าตัวต้านทาน (R) ดังสมการที่ 2 ต่อไปนี้

โดยในการออกแบบนี้จะขอเลือกใช้ C = 0.047

ซึ่งจากการคำนวณที่ผ่านมาก็จะได้ค่าของอุปกรณ์ต่างๆ ที่จะนำมาใช้งาน ดังนั้นขั้นตอนต่อไปจะเป็นการนำผลที่ได้นี้ไปทำการทดสอบความถูกต้องของวงจร ที่ได้ออกแบบด้วยโปรแกรม PSpice โดยได้ผลการทดสอบวงจรที่ออกแบบดังแสดงในรูปที่ 10

รูปที่ 10 ผลการทดสอบวงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (LPF) ที่ออกแบบ

โดยมีค่า และ

- วงจรปรับแรงดัน (Amplitude gain) ที่ออกแบบ
วงจรปรับแรงดันที่ออกแบบมีลักษณะแสดงดังรูปที่ 13 โดยในที่นี้นั้นใช้ R และออปแอมป์เบอร์ TL084 มาสร้างวงจรในส่วนนี้ 

โดยจากการทดสอบจะเห็นได้ว่าวงจรที่ออกแบบมานั้นทำงานได้ดีเช่นกันครับ ซึ่งมีอัตราการขยายสัญญาณทางด้านเอาต์พุทเป็นไปตามที่ต้อง ดังแสดงในรูปที่ 13 และรูปที่ 14 

 

และเมื่อได้ทำการออกแบบวงจรต่างๆ จนครบทุกวงจรแล้ว ก็จะเป็นการนำวงจรที่ได้ออกแบบทั้งหมดนั้นมาทำการต่อร่วมกันดังที่ได้แสดง ไว้ในรูปที่ 15 แต่นี้เป็นเพียงส่วนหนึ่งของวงจรแอ็คทีฟครอสโอเวอร์ เท่านั้นนะครับ เพราะยังเหลือวงจรที่เราจะต้องมาทำการออกแบบกันอีก 1 แบบนะครับ…
เป็นอย่างไรกันบ้างครับ พอจะรู้จักหลักการการออกแบบวงจรแอ็คทีฟครอสโอเวอร์ แบบกรองความถี่ต่ำผ่าน (LPF) โดยจะมีการตอบสนองที่ความถี่ต่ำได้ดี หรือจะเรียกว่าเสียงต่ำนั้นเองครับ โดยในบทความนี้เขียนขึ้นมาเพื่อที่จะแสดงให้เห็นถึงหลักการในการออกแบบและ เป็นแนวทางในการสร้างวงจรที่มีความซับซ้อนต่อไป ซึ่งเรายังที่จะสามารถทำการทดสอบการทำงานของวงจรได้เป็นส่วนๆ ก่อนที่จะนำวงจรที่ได้ออกแบบแล้วมาต่อรวมกัน และนำไปสร้างเพื่อใช้งานจริงต่อไปครับ…