Bachelor's Thesis

Active loudspeaker crossover for home cinema system with 5.1 configuration

Final Thesis 14.61 MB Appendix 9.89 MB

Author of thesis: Martin Dzuruš

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Roman Šotner, Ph.D.

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the design and realization of an active audio crossover for home theater systems with the possibility of electronic control of its parameters. The introduction summarizes the theoretical foundations in the field of audio spectrum division, its reproduction, and describes suitable approximation functions of frequency filters for use in audio technology. The main part of the thesis is dedicated to the description of known biquadratic structures using various types of operational amplifiers, from which OTA-C structures utilizing operational transconductance amplifiers (OTA) are selected for the realization.

Based on the theoretical analysis, a specific circuit design of the prototype is proposed, including the selection of components and the development of a software solution for the control microcontroller. The correctness of the proposed solution is verified through simulation techniques and subsequently validated by experimental measurements on the fabricated hardware prototype. In the conclusion of the thesis, an evaluation and comparison of the measured results with simulations is presented, along with a discussion of possible improvements.

Keywords:

Active filter, Linkwitz-Riley, Butterworth, OTA, OTA-C, Audio spectrum, Electronic control

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentuje výsledky a postupy řešení své závěrečné práce. Následně odpovídá na dotazy vedoucího a oponenta práce a na dotazy členů zkušební komise.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Electronics and Communication Technologies (BPC-ECT)

Composition of Committee

prof. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Martin Štumpf, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Martin Pospíšil, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Pavel Fiala, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Papica (člen)

Úkolem studenta Martina Dzuruše bylo prostudovat doporučené návrhy aktivních filtrů pro reproduktorové výhybky vhodné pro systém domácího kina. Dále navrhnout koncept nastavitelné třípásmové aktivní výhybky, která by umožňovala dálkové nastavení parametrů (zesílení, dělící kmitočty, strmosti filtrů apod.). Součástí zadání byl návrh a simulace aktivní reproduktorové výhybky s vhodnou aproximací. Zadání bakalářské práce pak požadovalo realizaci funkčního prototypu, experimentální ověření činnosti, naměření technických parametrů a kompletní technickou dokumentaci realizace návrhu.

Mohu konstatovat, že předložená bakalářská práce obsahuje požadovaný návrh vhodných filtrů pro aktivní třípásmovou výhybku s nastavitelnými mezními kmitočty a strmostí filtrů. Koncept obsahuje kombinaci filtrů 2. a 4. řádu s Linkwitz-Rileyho aproximací a s obvody LM13700 i mikroprocesorové řízení pomocí mikrokontroléru STM32F4 a D/A převodníku MCP4728. Pro ověření simulací a funkčnosti návrhu byl vyrobený experimentální školní prototyp, který student samostatně osadil součástkami a oživil v laboratoři Audio elektroniky. Experimentální měření potvrdilo plnou funkčnost návrhu a realizovaný funkční prototyp byl předveden formou ukázky. Navrženou výhybku lze bez problému rozšířit a využít i pro plnou konfiguraci domácího kina, která nebyl z důvodu replikace všech obvodů do realizace po dohodě s vedoucím práce zahrnuta. Po formální i grafické stránce je bakalářská práce na velmi dobré úrovni a její rozsah je nadstandardní.

Závěrem shrnuji, že zadání bakalářské práce bylo ve všech bodech splněno. Student pracoval samostatně, kdy na pravidelných konzultacích prezentoval postupně dosažené výsledky. Bakalářskou práci Martina Dzuruše doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení A/91 bod. Points proposed by supervisor: 91

Grade proposed by supervisor: A

Práce studenta Martina Dzuruše popisuje návrh aktivní reproduktorové výhybky využívající moderní elektronicky řiditelné součástky (operační transkonduktanční zesilovače). Kromě toho je výhybka konfigurována dálkově, tj. bylo nutné připravit i koncept dálkového řízení a naprogramovat ovládání a komunikaci obslužného mikroprocesoru a digitálně analogového převodníku ovládajícího řízené prvky analogové části (to bych zohlednil i v blokovém schématu na obr. 2.1). Na bakalářskou práci je textová část poměrně rozsáhlá (>120 stran). Úvod popisuje základní seznámení s audio problematikou, reprodukcí zvuku a souvisejícími náležitostmi. OZ je specifický typ VCVS (extrémní parametry), ale asi bych toto označení z názvu kapitoly neuváděl. Vztah (2.7) je jen mírnou modifikací vztahu (2.4), kdy je nutné oddělit velikosti obou C filtrační topologie. Darlingtonův stupeň v LM13700 slouží především za účelem impedančního oddělení (levná varianta s DC offsetem). Simulované výsledky vykazují poměrně dobré chování (Tab. 3.1). Podobně bych očekával zápis porovnání s měřenými údaji. Výsledky experimentů vykazují poměrně vysokou shodu s výsledky simulací a předpokladů, návrh je tedy velmi přesný. Nejsou uvedeny detaily testu s výsledky na obr. 3.13 (jak je nastaven budící signál?). Analýza zkreslení je uvedena až v přílohách (vzorovém protokolu) stejně jako některé detaily a typy použitých přístrojů. To by se asi hodilo uvést v hlavní části textu. SW řešení (kód) pro řídící část by bylo vhodné taktéž prezentovat, alespoň v přílohách. Šumové parametry v kapitole 5.8 by bylo vhodné více rozebrat.

Celá práce vykazuje poměrně zdařilou formální stánku a velmi kvalitní ilustrace. Je zde pouze několik formálních nedostatků. Cívka má v česky psané dokumentaci svůj vžitý symbol. Obr. 1.3 byl přebrán ve velmi špatné kvalitě (špatná čitelnost). Některé pojmy možná obsahují překlep (kanoická - kanonická). Pod nadpisem kapitoly není vhodné začínat tabulkou nebo obrázkem (např. Tab. 3.1), ale pasáží textu. Je třeba dodržovat pořadí odkazů na obrázky v textu (např. obr. 3.14 uveden před obr. 3.13, atd.). Označení řídích proudů OTA by mělo být jednotné (používáno Iout, IABC, Iset). Vyrobené zařízení shledávám jako velmi zdařilé a navrhuji hodnocení B/88b. Topics for thesis defence:
  1. Využije U/I převodník (obr. 2.5) plný rozsah provozního proudu OTA či to není potřeba (klíčová je linearita řízení)? Zdůvodněte potřebu R z gate na +Ucc a vysvětlete činnost obvodu.
  2. Proč jsou použity sledovače dva v kaskádě za sebou či dodatečný na výstup „outLP_2n“ na obr. 3.6(a)? Nehledě na navýšení spotřeby a složitosti to může zhoršit šumové poměry
  3. Proč není frekvenční rozsah kmitočtové charakteristiky v obr. 3.7 širší (třeba 10 Hz – 1 MHz) stejně jako rozsah svislé osy dB? Takto je viditelný rozsah jen něco přes 40 dB (100x), což je u běžných filtrů poměrně málo. Podobně v kapitole 5.2. Nevnáší zde přepínací relé pracovních kondenzátorů (obr. 3.5) další parazitní problémy?
  4. Jaká úroveň vstupního napětí odpovídá -7 dBm? Jakých úrovní dosahuje rozkmit šumu bez přítomnosti signálu a jaký SNR je zhruba dosažen?
Points proposed by reviewer: 88

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová