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聲頻濾波器專稿:
頻寬連續可調的聲頻濾波器

No.39   1996 Apr.   p41~43,   by 林茂榮 / BV5OC



    十幾年前,在台灣寶島根本無法私人使用像樣一點的無線電收發機,直到近幾年業餘無線電開放了,但是有關無線電設備的市場並不發達。我第一次使用聲頻濾波器,已是十幾年前的事了,當時我使用了一部很流行的低功率收發報機,接收機部份是採用直接轉換式原理,由於直接轉換式接收機沒有中頻,因此主要的頻寬決定權,就在聲頻線路,我發現在「寬」頻之下,性能糟透了,那真的是「寬頻」,許多訊號糾纏在一起,切換到「窄」頻下工作,情況雖然有改善,不過還是與令人滿意的目標,還有一大段距離。

    當時因為運算放大器 IC 已經開始普遍起來,因此也帶動了聲頻濾波器的流行,以往被動式的濾波器線路,雖然使用上令人滿意,但是設計與製作卻是曠日廢時,因此自製之風也就流行不起來。而有了運算放大器 IC 之後就不一樣了,經過了規劃與試驗,我最後也完成了一部由五級構成的低通聲頻濾波器,它的單音程衰減是 60dB (當頻率增倍時,抑制量是 60dB,例如低通濾波器的截止頻率是 2.4KHz,那麼這濾波器在 4.8KHz 處的衰減量是 60dB,這是用來表示濾波器陡峭特性的方法之一),這一聲頻濾波器完成後,用在直接轉換式接 收機上,接收莫爾斯碼訊號的效果非常棒。

    過去幾年當中,我也製作過許多件聲頻濾波器,也都是以運算放大器 IC 為主的線路,但是不久前,這情況有了變化,不只市場陸陸續續地出現聲頻濾波器模組,在聲頻濾波器元件上,也出現了開關式電容聲頻濾波器 IC,所謂開關式電容濾波器,就是利用可做開關動作的脈衝,來控制一只取樣電容的取樣,脈衝開關頻率高,就可以讓高頻率的成份通過,脈衝開關頻率降下來,通過訊號的高頻率成份就會被阻隔下來。


一般說明

    馬克 (Maxim) 公司推出了一序列的開關式電容聲頻濾波器 IC,這些濾波器的陡峭特性,甚至達到每音程 96dB,其中最有用的特性,就是這類 IC 的截止頻率連續可調,因此你就可以利用這些 IC 組成頻寬連續可調的聲頻濾波器。我利用這些 IC 就設計過 -3dB 頻寬,可以在 450Hz-2700H,之間調整的,前者用在莫爾斯碼通訊,後者適用於單邊帶通訊。這樣的聲頻濾波器,調整的只是一只可變電阻,這在以前使用運算放大器 IC 時,真是不敢想像。

    馬克公司的開關式電容 IC,是以功能齊全的姿態出現的,整個這一序列的家族,包括有貝梭 (BESSEL)、巴特渥士 (BUTTERWORTH)、愛力特 (ELLIPTIC) 式低通濾波器,我相信不論是哪一類的濾波器,都應該會有很好的特性。但是考慮到逐級串接時,如果特性曲線平坦,那將會更方便,所以我選用了巴特渥士式低通濾波器。其中就排斥特性,考慮雜訊及失真等特性,以 MAX291 及 MAX295 為佳,這兩類 IC 的價格是相同的,但是 MAX295 的失真特性比較好,所以我選上它。

    這類 IC 在實際應用上也很簡單,如果只要 48dB 的陡峭率,那麼一級就夠了。如果不打算改變濾波器的頻寬,那麼使用這枚 IC 時,就只要± 5 伏特的電源,加上一枚電容就可以了。這電容可以讓 IC 內的振盪線路產生所需要的脈衝,而脈衝的頻率就由這只電容所決定,剩下來的就只有接上訊號輸入線及訊號輸出線。如果不方便使用雙電源的話,也可以改用單電源。

    MAX295 的供電被限制在± 5 伏特,或者是 +10 伏特,因為這枚 IC 的額定最大電壓是± 12 伏特,所以如果使用一般的± 12 伏特電源的話,會冒很大的險。


線路說明

    參看圖 1,訊號由接收機過來,先經過一簡單的 RC 高通濾波器,這是第一道把 300Hz 以下的訊號過濾;按著訊號往 U1,U1 輸出之後,還是有一簡單的 RC 高通濾波器,這是第二道把 300Hz 以下的訊號濾除;緊接著訊號進入 U2,U2 輸出後,也有 RC 高通濾波器,但這不再是 RC 被動式濾波器,而是以運算放大器為主的 RC 主動式高通濾波器,總共有兩級,這兩級的高通濾波器的截止頻率都是 300HZ。

Fig 01
圖 1:開關式電容聲頻濾波器線路圖。

Fig 02
圖 2:脈衝頻率與聲頻濾波器的特性曲線關係。

    也許有人會懷疑,串接的濾波器該不該使用 C12 及 C17 的去耦合電容,其實我手頭並沒有足夠的資料,來論斷這是不是需要,但是以我製作主動式聲頻濾波器的經驗,串接的聲頻濾波器,如果各級之間沒有做好去耦合的隔離,整個聲頻濾波器的排斥特性會變差,這就好比製作射頻濾波器時,各級之間的隔離一樣重要。所以我認為,要有絕佳的聲頻濾波器,各級的隔離絕不可少 (一般多單位的運算放大器 IC,如 1458 內有兩只運算放大器,因為電源並未分開,所以無法利用供應電源的線路做每級間的隔離),以 220uF 電容而言,在 250Hz 時,約有 2.9 歐姆的容抗。

    開關式電容 IC 內的脈衝訊號,如果隔離不夠,只要訊號大過 5 毫伏,就會出現在輸出線路上,因此在這枚 IC 內也附有一運算放大器,可以用它來隔離脈衝訊號,這是一只低通濾波器,由 C7、C8、R7、R8、及 R9 組成,它的截止頻率是 3.4KHz。

    為了要達到頻寬連續可調的目的,控制開關式電容截止頻率的脈衝就必須由外部供應。脈衝產生器選用 555 IC (U5),讓它成為不穩定多諧振盪器,振盪頻率可以由 R20 調整。開關式電容 IC MAX295 的截止頻率是脈衝頻率的 1/50,圖 1 線路所示,振盪頻率範圍是 37KHz-180KHz 之間,這相當於能讓開關式電容 IC 的截止頻率落在 740Hz~3600Hz 之間。

    555 IC 的振盪頻率有個公式可算,但要供電電壓在 12 伏特時才準確,因此我做了幾個實驗,以便決定 555 IC 的振盪頻率。而大多數廉價的可變電阻,端電阻 (最低和最高) 都不大一樣,我買到的 2K 歐姆可變電阻,最高只有 1.8K 歐姆,線路上產生的脈衝頻率可能因此有些不同。

    我原本就打算以± 5 伏特雙電源來供電,負電源的耗電流量只有 25 毫安培。當然這線路也能改為單電源供電,參看圖 1 內的線路,利用兩只稽納二極體堆疊起來,可以得到虛接地,這樣就可以利用 12 伏特供電。如果以單電源供電,記得要注意接地問題,因為這裡的接地是虛接地,所以不要和其他線路的接地相通,也就是說這聲頻濾波器的接地必須浮接。而訊號的輸出輸入的接地線是與 +12 伏特的接地相通的。


製作

    我試作時是使用一般的點狀萬用版,線路板的佈線並沒有嚴格的要求,完成之後,利用金屬殼包裝;前面提過,因為這線路也有虛性接地的問題,如果採用單電源的話,一定要記得接地是浮接的,不能與其他設備的接地相通。


使用

    S1 關掉後,電源就被切斷,耳機就直通接收機的輸出。S1 打開之後,電源切入,耳機被接到濾波器的輸出,因為這聲頻濾波器沒有增益,所以訊號輸出與輸入的位準相當,使用這聲頻濾波器時,不論是切入或是切出,都不用去調整接收機的音量。


總結

    完成後的實用經驗,對這聲頻濾波器的表現很滿意。當你把接收機的頻寬擺在最大位置,而且調到最熱鬧的地方,插入這部聲頻濾波器時,只要轉動「頻寬」調整鈕,可以很明顯地感覺到吵雜的干擾訊號消失了。因為這聲頻濾波器的陡峭率很好,每音程有 96dB,只要稍微動一下「頻寬」鈕,那惱人的雜訊就立刻消失。從使用的感覺上說,這聲頻濾波器的表現,並不輸給一般的中頻濾波器。

    由於這聲頻濾波器線路中散落有幾個去低頻的高通濾波器,低頻的一些特異聲音也很明顯地少了很多,因為天電干擾產生的爆米花聲,也去除了不少。當你把這聲頻濾波器的頻寬設在最大時,你可以發現原本背景雜訊產生的音調會稍微提高,這就表示,當這頻率上有訊號時,會有更低的背景雜訊。 END



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