本发明涉及音响系统技术领域，特别是涉及一种分频器电路及分频器。
背景技术：
由几个不同有效工作频率范围扬声器组合成的音响，一般都要用到分频器。其中，分频器的形式有无源与有源两种，即无源分频与有源分频。其中，通过分频器可将一路音源信号分频为两路或多路输出信号，并根据输出信号传输至对应的音频功率放大器，经功率放大后，驱动扬声器发声。
传统衡量全频域扬声器系统的性能的方式，主要是衡量全频段扬声器系统中不同频段的声音的幅频特性，并根据幅频特性考量音响的音质。因此，传统的基于分频网络设计的全频域扬声器系统，主要注重幅频特性的设计，追求全频范围幅频特征的平坦，着重避免幅频响应不平坦造成的失真。
然而，由于任何单一的扬声器都不可能完美的将声音的各个频段完整的重放出来，而传统的全频段扬声器系统设计中缺乏不同有效工作频率范围单元的相频特性的设计考量，造成不同有效工作频率范围单元的输出信号相位差较大，影响全频域扬声器系统输出信号的幅频特性以及各次谐波的相位特性，影响全频段扬声器系统的输出声音的音质。
技术实现要素：
基于此，有必要针对传统的音响系统设计中缺乏不同有效工作频率范围单元的相频特性的设计考量的缺陷，提供一种分频器电路及分频器。
本发明实施例所提供的技术方案如下：
一种分频器电路，包括第一滤波器单元和第二滤波器单元；
第一滤波器单元的输入端与第二滤波器单元的输入端均用于输入同一路音源信号；
第一滤波器单元的输出端用于连接高音扬声器单元的音频功率放大器的输入端，经功率放大后驱动高音扬声器单元；
所述第二滤波器单元的输出端用于连接低音扬声器单元的音频功率放大器的输入端，经功率放大后驱动低音扬声器单元；
其中，第一滤波器单元的输出信号与所述第二滤波器单元的输出信号之间的相位差小于等于预设相位差。
在一可选实施方式中，第一滤波器单元包括第一高通滤波器和第二高通滤波器；
第一高通滤波器的输出端连接第二高通滤波器的输入端；其中，第一高通滤波器的输入端为第一滤波器单元的输入端，第二高通滤波器的输出端为第一滤波器单元的输出端。
在一可选实施方式中，第二滤波器单元包括第一低通滤波器和第二低通滤波器；
第一低通滤波器的输出端连接第二低通滤波器的输入端；其中，第一低通滤波器的输入端为第二滤波器单元的输入端，第二低通滤波器的输出端为第二滤波器单元的输出端。
在一可选实施方式中，第一高通滤波器、第二高通滤波器、第一低通滤波器和第二低通滤波器均为林柯维兹-瑞利滤波器。
在一可选实施方式中，第一高通滤波器和第二高通滤波器均包括运算放大器、反馈电阻、滤波、滤波电阻、第一滤波电容和第二滤波电容；
第一去耦电容的一端为第一高通滤波器和第二高通滤波器的输入端，另一端连接第二去耦电容的一端，第二去耦电容的另一端连接运算放大器的同相输入端；
运算放大器的同相输入端通过滤波、滤波电阻接地；
运算放大器的输出端连接运算放大器的反相输入端；
运算放大器的输出端与反相输入端均通过反馈电阻连接第一滤波电容的另一端；
运算放大器的输出端为第一高通滤波器和第二高通滤波器的输出端。
在一可选实施方式中，第一低通滤波器和第二低通滤波器均包括运算放大器、反馈电容、滤波电容、第一滤波电阻和第二滤波电阻；
第一滤波电阻的一端为第一低通滤波器和第二低通滤波器的输入端，另一端连接第二滤波电阻的一端，第二滤波电阻的另一端连接运算放大器的同相输入端；
运算放大器的同相输入端通过滤波电容接地；
运算放大器的输出端连接运算放大器的反相输入端；
运算放大器的输出端与反相输入端均通过反馈电容连接第一滤波电阻的另一端；
运算放大器的输出端为第一低通滤波器和第二低通滤波器的输出端。
在一可选实施方式中，还包括第三高通滤波器；
第三高通滤波器的输出端分别连接第一滤波器单元的输入端与第二滤波器单元的输入端；
第三高通滤波器的输入端用于输入音源信号。第三高通滤波器的作用是用于滤除输入所述音源信号的次低频信号。
在一可选实施方式中，还包括频率响应均衡电路；
频率响应均衡电路的输出端连接第三高通滤波器的输入端；
均衡电路的输入端用于输入音源信号。
本发明实施例所提供的分频器电路，在对应的音频功率放大器配合下。可在两个扬声器单元(一个高音单元与一个低音单元)组合成的接近全频域扬声器系统中，提供一个相对平坦的幅度响应，并在有效放声频率范围内，将第一滤波器单元和第二滤波器单元的相位差能控制在预设相位差范围内。基于此，使高、低音扬声器单元发声相位差趋于零，使高、低音单元声音融合为一个声源，提高全频域扬声器系统的声音音质水平。
本发明实施例还提供一种分频器，包括分频器外壳，以及设置在分频器外壳内的分频器电路。
本发明实施例所提供的分频器，内置的分频器电路可在两个扬声器单元组合成的全频域扬声器系统中，提供一个相对平坦的幅度响应，并在有效放声频率范围内，将第一滤波器单元和第二滤波器单元的相位差能控制在预设相位差范围内。基于此，使高、低音扬声器单元声音相位差趋于零，使高、低音单元声音融合为一个声源，提高全频域扬声器系统的声音音质水平。
本发明实施例还提供一种两分频音响系统，包括高音扬声器单元、对应高音扬声器单元的音频功率放大器、低音扬声器单元、对应的低音扬声器单元的音频功率放大器以及分频器电路；
第一滤波器单元的输出端用于连接高音扬声器单元的音频功率放大器的输入端，经功率放大后驱动高音扬声器单元；
第二滤波器单元的输出端用于连接低音扬声器单元的音频功率放大器的输入端，经功率放大后驱动低音扬声器单元；
本发明实施例所提供的两分频音响系统，通过将音源信号传输至分频器电路，内置的分频器电路将音源信号处理为两路输出信号，并经对应的音频功率放大器进行功率放大后驱动分别驱动高音扬声器单元和低音扬声器单元，将高音扬声器单元和低音扬声器单元的声音的相位差控制在预设相位差范围内。基于此，使高、低音扬声器单元声音相位差趋于零、使高、低音单元声音融合为一个声源，提高两分频音响系统的声音音质水平。
附图说明
图1为实施例一分频器电路的模块连接示意图；
图2为实施例二的分频器电路模块连接示意图；
图3为第一高通滤波器或第二高通滤波器的电路结构示意图；
图4为第一滤波器单元的内部电路结构示意图；
图5为第一低通滤波器或第二低通滤波器的电路结构示意图；
图6为第二滤波器单元的内部电路结构示意图；
图7为分频器电路图；
图8为基于具体电路的相位差曲线图；
图9为一可选实施方式的分频器电路模块连接示意图；
图10为另一可选实施方式的分频器电路模块连接示意图；
图11为一具体应用例的分频器电路图；
图12为实施例四的分频器结构示意图；
图13为实施例五的两分频音响系统模块示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
图1为实施例一分频器电路的模块连接示意图，如图1所示，分频器电路包括第一滤波器单元100和第二滤波器单元101；
第一滤波器单元100的输入端Vi(h)与第二滤波器单元101的输入端Vi(l)均用于输入同一路音源信号Vi；
第一滤波器单元100与第二滤波器单元101在接入音源信号Vi后，第一滤波器单元100与第二滤波器单元101分别独立对音源信号Vi进行滤波。其中，第一滤波器单元100用于分离出音源信号Vi中的高音频段，第二滤波器单元101用于分离出音源信号Vi中的低音频段。
第一滤波器单元100的输出端Vo(h)用于连接高音扬声器单元的音频功率放大器得输入端，经功率放大后驱动高音扬声器单元，实现将第一滤波器单元100的输出信号传输至高音扬声器单元；
其中，第一滤波器单元100的输出信号为音源信号Vi的高音频段的，高音扬声器单元为用于对应播放音源信号Vi中的高音频段的扬声器。
第二滤波器单元101的输出端Vo(l)用于连接低音扬声器单元的音频功率放大器得输入端，经功率放大后驱动高音扬声器单元，实现将第二滤波器单元101的输出信号传输至低音扬声器单元；
其中，第二滤波器单元101的输出信号为音源信号Vi中的低音部分，低音扬声器单元为对应播放音源信号Vi中的低音频段的扬声器。
其中，第一滤波器单元100的输出信号与第二滤波器单元101的输出信号的相位差小于等于预设相位差。
其中，预设相位差为小于45度，优选为小于15度。
实施例一所提供的分频器电路，可在两个扬声器单元组合成的接近全频域扬声器系统中，提供一个相对平坦的幅度响应，并在有效放声频率范围内，将第一滤波器单元100和第二滤波器单元101的相位差能控制在预设相位差范围内。基于此，使高、低音扬声器单元声音相位差趋于零、使高、低音单元声音融合为一个声源，提高全频域扬声器系统的声音音质水平。
实施例二
图2为实施例二的分频器电路模块连接示意图，如图2所示，第一滤波器单元100包括第一高通滤波器1000和第二高通滤波器1001；
第一高通滤波器1000的输出端Vo1连接第二高通滤波器1001的输入端Vi2；其中，第一高通滤波器1000的输入端Vi1为第一滤波器单元100的输入端Vi(h)，第二高通滤波器1001的输出端Vo2为第一滤波器单元100的输出端Vo(h)。
其中，第一高通滤波器1000与第二高通滤波器1001均为高通有源滤波器，且第一高通滤波器1000与第二高通滤波器1001的分频点相同。可选地，高通有源滤波器为-12dB/oct的Linkwitz-Riley林柯维兹-瑞利滤波器、Bessel贝塞尔滤波器、Butterworth巴特沃斯滤波器，两个-12dB/oct滤波器串联组成一个-24dB/oct滤波器。
如图2所示，第二滤波器单元101包括第一低通滤波器1010和第二低通滤波器1011；
第一低通滤波器1010的输出端Vo3连接第二低通滤波器1011的输入端Vi4；其中，第一低通滤波器1010的输入端Vi3为第二滤波器单元101的输入端Vi(l)，第二低通滤波器1011的输出端Vo4为第二滤波器单元101的输出端Vo(l)。
其中，第一低通滤波器1010与第二低通滤波器1011均为低通有源滤波器，且第一低通滤波器1010与第二低通滤波器1011的分频点相同。可选地，低通有源滤波器为-12dB/oct的Linkwitz-Riley林柯维兹-瑞利滤波器、Bessel贝塞尔滤波器、Butterworth巴特沃斯滤波器，两个-12dB/oct滤波器串联组成一个-24dB/oct滤波器。
在一可选实施方式中，第一高通滤波器1000、第二高通滤波器1001、第一低通滤波器1010和第二低通滤波器1011的分频点相同，且均为-12dB/oct的Linkwitz-Riley林柯维兹-瑞利滤波器、Bessel贝塞尔滤波器、Butterworth巴特沃斯滤波器，以使第一滤波器单元100与第二滤波器单元101间获得最好的隔离，并在获得最大程度的平坦的幅频响应的情况下实现相位融合，同时基于对扬声器单元的不敏感，使第一滤波器单元100的输出信号与第二滤波器单元101的输出信号的相位差趋于零和线性，使高音扬声器单元的声音与低音扬声器单元的声音融为一个声源。
在一可选实施方式中，第一高通滤波器1000、第二高通滤波器1001、第一低通滤波器1010和第二低通滤波器1011均为-12dB/oct的Linkwitz-Riley林柯维兹-瑞利滤波器、Bessel贝塞尔滤波器、Butterworth巴特沃斯滤波器。以一个-12dB/oct的林柯维兹-瑞利高通与低通滤波器(高音单元要反接)，或者一个-24dB/oct的林柯维兹-瑞利高通与低通滤波器之间都能获得的相位差都接近零。实际应用时，可根据高音扬声器单元或低音扬声器单元的频响特性选择不同衰减斜率的滤波器。其中，在选用-12dB/oct的滤波器时，高音扬声器单元需要反接，以获得趋于零的相位差。
实施例三
图3为第一高通滤波器或第二高通滤波器的电路结构示意图，如图3所示，第一高通滤波器1000和第二高通滤波器1001均包括运算放大器Uh、反馈电阻Rf、滤波、滤波电阻Rgnd、第一滤波电容CP1和第二滤波电容CP2；
第一滤波电容CP1的一端为第一高通滤波器1000和第二高通滤波器的1001输入端(Vi1和Vi2)，另一端连接第二滤波电容CP2的一端，第二滤波电容CP2的另一端连接运算放大器Uh的同相输入端；
运算放大器Uh的同相输入端通过偏置、滤波电阻Rgnd接地；
运算放大器Uh的输出端连接运算放大器Uh的反相输入端；
运算放大器Uh的输出端与反相输入端均通过反馈电阻Rf连接第一滤波电容CP1的另一端；
运算放大器Uh的输出端为第一高通滤波器1000和第二高通滤波器的输出端1001(Vo1和Vo2)。
图4为第一滤波器单元的内部电路结构示意图，如图4所示，第一高通滤波器1000中运算放大器Uh的输出端连接第二高通滤波器1001中第一滤波电容的一端，使第一高通滤波器1000和第二高通滤波器1001互相串联。
图5为第一低通滤波器或第二低通滤波器的电路结构示意图，如图5所示，第一低通滤波器1010和第二低通滤波器1011均包括运算放大器Ul、反馈电容Cf、滤波电容Cgnd、第一滤波电阻RP1和第二滤波电阻RP2；
第一滤波电阻RP1的一端为第一低通滤波器和第二低通滤波器的输入端(Vi3和Vi4)，另一端连接第二滤波电阻RP2的一端，第二滤波电阻RP2的另一端连接运算放大器Ul的同相输入端；
运算放大器Ul的同相输入端通过滤波电容Cgnd接地；
运算放大器Ul的输出端连接运算放大器Ul的反相输入端；
运算放大器Ul的输出端与反相输入端均通过反馈电容Cf连接第一滤波电阻RP1的另一端；
运算放大器Ul的输出端为第一低通滤波器1010和第二低通滤波器1011的输出端(Vo3和Vo4)。
图6为第二滤波器单元的内部电路结构示意图，如图6所示，第一低通滤波器1010中运算放大器Ul的输出端连接第二低通滤波器1011中第一滤波电阻RP1的一端，使第一低通滤波器1010和第二低通滤波器1011互相串联。
实施例三的技术方案，提供了第一高通滤波器、第二高通滤波器、第一低通滤波器和第二低通滤波器的具体电路。基于该电路，可有效降低第一滤波器单元100的输出信号和第二滤波器单元101的输出信号的相位差，提高高、低音扬声器单元的整体音质。
图7为分频器电路图，如图7所示，图7所提供的具体电路基于如实施三中图3所示的第一滤波器单元的内部电路结构示意图和图6所示的第二滤波器单元的内部电路结构示意图，并进行具体的器件参数选定。其中，图7中具体器件优选选定如下：
运算放大器Uh和运算放大器Ul可以选用UPC4558一类的通用运算放大器；反馈电阻Rf选用阻值为2.558kΩ的电阻；滤波电阻Rgnd选用阻值为5.114kΩ的电阻；第一去耦电容CP1和第二去耦电容CP2均选用电容值为22nF的电容；反馈电容Cf选用电容值为56.26nF的电容；滤波电容Cgnd选用电容值为28.13nF的电容；第一滤波电阻RP1和第二滤波电阻RP2均选用阻值为2kΩ的电阻。其中，运算放大器Uh和运算放大器Ul的正电源端连接正15V电源，负电源端连接负15V电源。
需要说明的是，上述器件的选定为基于图7电路和器件搭配的一个选值，而非唯一选值，作为一个例子，基于图7电路和器件搭配的一个选值，能实现最优的相位差特性。实际使用中的器件基于上述选值的浮动选定，仍在本发明实施例的保护范围中。
图8为基于具体电路的相位差曲线图，其中，曲线图的横坐标为频率/Hz，纵坐标为相位差/度。在基于图7所示具体电路和上述具体器件选型的电路下，第一滤波器单元100的输出信号与第二滤波器单元101的输出信号的相位差如图8所示，在频率500Hz至8kHz的大致范围内，相位差趋于零。其中，图8所示的相位差与频率的对应关系见下表1(相位曲线测试数据表)：
表1相位曲线测试数据表
通过上表可看出，左通道对应第一滤波单元100的输出信号相位，右通道对应第二滤波单元101的输出信号相位，相位差为第一滤波单元100的输出信号与第二滤波单元101的输出信号的相位差，单位/度。在500Hz至8kHz的范围内，相位差不超过15度。传统的两分频分频器，相位差基本都大于45度。在实际测试中，发明人在做出的40份分频器电路样品上分别进行测试，在500Hz至8kHz的范围内，测试得出的相位差均不超过15度，部分样品的相位差小于10度，个别样品的相位差小于5度。限于篇幅，在此不一一列举。可见，本发明实施例所提供的分频器电路可有效降低相位差。
图9为一可选实施方式的分频器电路模块连接示意图，如图9所示，分频器电路还包括第三高通滤波器201；
第三高通滤波器201的输出端分别连接第一滤波器单元100的输入端Vi(h)与第二滤波器单元101的输入端Vi(l)；
第三高通滤波器的输入端用于输入音源信号，并用于滤除所述音源信号中的次低频信号。
本可选实施方式的分频器电路，通过第三高通滤波器201降低音源信号中的干扰，帮助进一步降低第一滤波器单元100的输出信号与第二滤波器单元101的输出信号的相位差。
图10为另一可选实施方式的分频器电路模块连接示意图，如图10所示，分频器电路还包括频率响应均衡电路301；
其中，频率响应均衡电路301可选用均衡器。
频率响应均衡电路301的输出端连接第三高通滤波器201的输入端；
频率响应均衡电路301的输入端用于输入音源信号。
本可选实施方式的分频器电路，通过频率响应均衡电路301补偿和修饰音源信号，帮助进一步降低第一滤波器单元100的输出信号与第二滤波器单元101的输出信号的相位差。
图11为一具体应用例的分频器电路图，如图11所示，第三高通滤波器201包括运算放大器U1、前置电阻R1、滤波电阻R2和滤波电容C1。运算放大器U1的输出端连接其反相输入端，并分别连接第一滤波器单元100的输入端Vi(h)和第二滤波器单元的输入端Vi(l)；运算放大器U1的同相输入端依次通过滤波电阻R2和滤波电容C1接地，并通过前置电阻R1连接频率响应均衡电路301的输出端。
在具体器件选型中，运算放大器U1可选用UPC4558一类的通用运算放大器，前置电阻R1选用阻值为47kΩ的电阻，滤波电阻选用阻值为30kΩ的电阻，滤波电容选用电容值为27nF的电容。上述器件的选定为基于图7电路和器件搭配的理想选值，以实现最优的相位差特性。实际使用中器件基于上述选值的浮动选定，仍在本发明实施例的保护范围中。
频率响应均衡电路301包括运算放大器U2、滤波电阻R3、反馈电阻R4、第一滤波电容C2和第二滤波电容C3。第一去滤波容C2的一端用于接入音源信号，另一端连接第二滤波电容C3的一端，第二滤波电容的另一端连接运算放大器U2的同相输入端；运算放大器U2的同相输入端通过滤波电阻R3接地；运算放大器U2的输出端连接运算放大器U2的反相输入端；运算放大器U2的输出端与反相输入端均通过反馈电阻R4连接第一滤波电容C2的另一端；运算放大器U2的输出端为频率响应均衡电路的输出端。
在具体器件选型中，运算放大器U2可选用UPC4558一类的通用运算放大器，滤波电阻R3选用阻值为51kΩ的电阻，反馈电阻选用阻值为27kΩ的电阻，第一滤波电容C2和第二滤波电容C3选用电容值为220nF的电容。上述器件的选定为基于图7电路和器件搭配的理想选值，以实现最优的相位差特性。实际使用中器件基于上述选值的浮动选定，仍在本发明实施例的保护范围中。
实施例四
图12为实施例四的分频器结构示意图，如图12所示，包括分频器外壳400，以及设置在分频器外壳内的如实施例一至三的分频器电路401。
实施例四所提供分频器，内置的分频器电路401可在两个扬声器单元组合成的接近全频域扬声器系统中，提供一个相对平坦的幅度响应，并在有效放声频率范围内，将第一滤波器单元和第二滤波器单元的相位差能控制在预设相位差范围内。基于此，使高、低音扬声器单元声音相位差趋于零、线性，使高、低音单元声音融合为一个声源，提高全频域扬声器系统的声音音质水平。
实施例五
图13为实施例五的两分频音响系统模块示意图，如图13所示，包括高音扬声器单元501、低音扬声器单元502以及分频器电路503、对应的高音扬声器单元的音频功率放大器504和对应的低音扬声器单元的音频功率放大器505；
第一滤波器单元100的输出端Vo(h)用于连接音频功率放大器504，通过音频功率放大器504将第一滤波器单元100的输出信号经功率放大后传输至高音扬声器单元501；
第二滤波器单元101的输出端Vo(l)用于连接音频功率放大器505，通过音频功率放大器505将第二滤波器单元101的输出信号经功率放大后传输至低音扬声器单元502。
实施例五所提供的两分频音响系统，通过将音源信号传输至分频器电路503，内置的分频器电路将音源信号处理为两路输出信号，并通过音频功率放大电路分别驱动高音扬声器单元501和低音扬声器单元502，将高音扬声器单元501和低音扬声器单元502的声音的相位差控制在预设相位差范围内。基于此，使高、低音扬声器单元声音相位差趋于零、线性，使高、低音单元声音融合为一个声源，提高两分频音响系统的声音音质水平。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。