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聲頻濾波器專稿:
主動式聲頻濾波器

No.39   1996 Apr.   p33~35,   by 林茂榮 / BV5OC



    在老式接收機中,最叫人頭痛的,大概是選擇性不好這個問題,尤其是在 CW 訊號方面,就算是加了選用的石英晶體濾波器,有時也是一樣很糟,鄰頻的干擾電台根本無法去除。當然可以買更好的中頻濾波器,來解決這干擾問題,可是這類商品濾波器,不是難找,就是貴得嚇人。


暫態特性

    針對 CW 訊號用濾波器,必須要能夠滿足下述條件:平坦的帶通特性、窄的頻寬、陡峭的帶通曲線。為了滿足上述特性,濾波器就必須串連幾級,才能有高 Q 值。不幸的是,窄頻的濾波器若是逐級串接,就會有振鈴現象,聲音會有一片嗡聲,這樣就根本無法抄收 CW 訊號。

    在未進入主題之前,我們先來看看什麼是振鈴現象,如何解決這問題。從系統的暫態特性,可以測量到系統突變時的穩定性,在暫態特性測量當中,通常是從 DC 逐漸變化到正弦波,圖 1(a) 是輸入訊號,而產生圖 1(b) 的結果就是所謂的振鈴現象。

    圖 1(a) 就是單階訊號,而所謂的低通濾波器的暫態響應就如圖 1(b) 所示。從圖中觀看可以知道,訊號經過低通濾波器之後,一定會有失真。因為就算是完美的低通濾波器,也有所謂線性相位、小型的振鈴現象、及過激現象等。

    上升時間 Tr 是因為線路的有限頻寬所引起的,通常它是指從開始時到穩定過程中的 10% 到 90% 這一段時間。在此,上升時間對我們並不重要,它大約是 0.35/ 頻寬,而過激的百分比 Pt 與振幅大小及最終的穩定值有關。穩態 Ts 值是指達到穩定狀態的特定百分比 (通常是 2 或 5) 所需的時間。如圖 1(b) 所示,在 Ts 內擺動,呈對數的阻尼振盪,稱為振鈴現象。

    而對帶通濾波器的評估,通常是加一載波訊號而不是單階訊號,這載波訊號可以是這帶通濾波器中央頻率的一個片段脈衝 (BURST)。這種測試對於 CW 訊號而言,非常接近,圖 2 就是一理想帶通濾波器的載波單階響應。

    這理想的帶通濾波器,與低通濾波器一樣,也會有振盪的傾向。低通濾波器的暫態響應同樣適用於帶通濾波器。對於濾波器而言,要通過如 CW 一樣的脈衝訊號,過激與振鈴現象都是無法避免的。

Fig 01
圖 1:(a) 是單階訊號,(b) 所示為低通波波器的暫態響應。

Fig 02
圖 2:理想帶通波波器的電波單階響應。



如何挑選濾波器暫態響應

    了解濾波器的暫態響應之後,我們如何挑選合適的濾波器暫態響應呢?要選擇理想的暫態響應與選擇選擇性,對濾波器而言是同等的重要。對於暫態響應而言,最典型的有「巴特渥士」 (BUTTERWORTH)、「契比金夫」 (CHEBYCHEV)、及「貝梭」 (BESSEL) 三類濾波器。

    巴特威士濾波器的 Q 值適中,帶通濾波的曲線頂部平坦,但是相位與頻率的關係曲線沒有線性,所以一般說來,它的暫態響應算是普通。契比企夫濾波器的 Q 值高,帶通濾波的曲線很陡,而頂部有駝峰,相位與頻率的關係曲線也不是線性,所以暫態響應很糟。貝梭濾波器的相位與頻率的關係曲線呈線性,帶通的曲線也很平滑,所以貝梭濾波器的暫態響應極佳,雖有延遲,但是不失真。貝梭濾波器的唯一缺點是它的選擇性差,這可以從遲鈍的帶通曲線看出來。

    看來這些濾波器對 CW 訊號,各有所失,不能滿足需要。而若是能融合貝梭濾波器與契比金夫濾波器,則既可以得到理想的選擇性,又有好的暫態響應。可以取得相位與頻率的線性關係曲線,又有平滑的帶通曲線,使得訊號可以有最低的失真,及最好的選擇性。

    本文要討論的這麼一只濾波器,如圖 3 所示,是 6dB 的暫態濾波器。也就是這濾波器的 6dB 頻寬高斯響應與貝梭濾波器類似,這 6dB 頻寬內的暫態響應非常好,而離開這 6dB 範圍之後,曲線特性也能與巴特威士濾波器爭長短。

Fig 03
圖 3:6dB 的暫態波波器完整線路圖。濾波器的 6dB 頻寬高斯響應興貝梭濾波器類似。



濾波器的設計與製作

    這裡之所以選用主動式濾波器而不選用被動式,是因為工作頻率落在聲頻範圍,使用被動式的話,電感勢必很大,要在 10 毫亨之譜,這麼大的繞線電感,阻抗也會很大,而電感的阻抗一大,電感的 Q 值就會下降,如此一來,濾波器的訊號損失會很大。除此之外,因為電感大,此濾波器的體積也會很大。

    採用主動式濾波器,可以改用電容,線路體積就會很小。大多數電容在聲頻範圍的 Q 值可以很高,所以訊號損失低,加上主動式濾波器以運算放大器為中心,所以不只可以有很大的增益,同時也有很好的隔離效果 (高輸入阻抗,低輸出阻抗)。

    此濾波器是以多回饋線路組成的帶通型式,多回饋帶通濾波器 (MFBP: Multi-Feedback Band-Pass Filter) 的優點是,線路簡單零件少,對零件的誤差要求不嚴格。假設一般收發機對 CW 訊號的中央頻率要求是 700Hz 的話,那麼此濾波器的特性應該是:

中央頻率:Fo = 700Hz
帶通 Q = 5
帶通頻寬 = 140Hz
濾波器級數 = 4


製作此濾波器

    此濾波器製作起來很迷你,線路板只有 5 x 5cm 大小。運算放大器 IC 採用 TL082,每枚有兩只運算放大器,所以須要兩枚 IC。電容採用 0.1uF 陶質電容,這種電容對溫度很敏感,但是溫度變動不大的情況下,應無大礙。若要對溫度有更好的耐性,電容要改採 NPO 電容,像是聚乙烯電容等。但是這類電容的體積比較大,所以計算線路零件時,應以 0.01uF 電容去使線路常態化。

    每級濾波器都是獨立的,可以互不相干。圖 4 列有各零件的計算式與基本的公式。可以利用附表的資料求得其他組合的零件值。附表是以中央頻率為 700Hz 及單位增益來計算的。可以得到不同中央頻率與頻寬及增益,但本文不討論。

Fig 04
圖 4:各零件的計算式與基本的公式,可以利用表 1 的資料求得其他組合的零件值。表 1 是以中央頻率為 700Hz 及單位增益來計算的。

  第一級 第二級 第三級 第四級
增益 1.1185 1.1852 2.6719 2.6719
中央頻率 665.579 738.620 600.233 816.349
Q 質 6.305 6.305 8.205 8.205
表 1:依照一般低通濾波器的設計資料,可以得到帶通極位置,再經由低通與帶通的轉換,而得到正確的帶通極位置。利用這些資料就足以算出各級所需的零件值。

    圖 4 所用的電容,應先測量選擇,使它們的誤差在幾個百分比以內。濾波器主線路內的電阻,是採用四分之一或八分之一瓦的金屬薄膜型。要找對中央頻率,可以調整 R2。其他偏壓線路或電源線路使用的電阻,採用碳膜電阻就可以了。


調整濾波器

    每一級的共振頻率都不一定,所以每級都要各別的調整。訊號產生器接濾波器輸入端,輸出端以示波器監看,輸入振幅 1 到 2V 就夠了,參看附表資料,把訊號產生器調到每一級的中央頻率上,然後調整 R2 使振幅最大。逐級調整且反復調整,直到濾波器的表現到你認為滿意為止,此時輸出的振幅應與輸入的振幅相當接近。測量出的特性規格:

中央頻率:710Hz
3dB 頻寬:140Hz
增益:0.95dB
衰減:45dBc,在 450Hz 及 1050Hz
線性:+13.8V 供電時,輸入 3.5V rms 以內


裝在 TS-520 上使用

    此濾波器裝在 TS-520 上使用,以改善該接收機的 CW 接收性能。此濾波器就裝在此接收機母板上的混頻器線路上方。圖 5 中加裝的繼電器,可以讓此濾波器切入及切出。為了可以從 TS-520 面板上操作這濾波器,就把該接收機上的 FIXED CH. 鈕線用來控制這濾波器。圖 5 的 R1 及 R2,是用來把圖 3 的 C10 放電,如果沒有這電阻的話,開關板動時,會有「破」聲。

Fig 05
圖 5:此濾波器裝在 TS-520 上使用,以改善該接收機的 CW 接收性能,其中加裝的繼電器,可以讓此波波器切入及切出。



結論

    有了此 CW 濾波器之後,TS-520 的 CW 訊號轉來更舒服。TS-520 上雖有石英晶體濾波器,但是它的帶阻特性很差,加了此聲頻濾波器之後,可以很明顯地去除干擾,而且聽不到有振鈴現象的跡像聲。 END



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