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聲頻濾波器專稿:
超級聲頻濾波器

No.39   1996 Apr.   p44~46,   by 林茂榮 / BV5OC



    最近在無線電雜誌廣告上出現了許多數位式聲頻濾波器,我已經注視很久;不僅如此,最近上市的新機種無線電收發機,也都配備了數位式聲頻濾波器。雖然得科技如此進步,能夠造福群眾,應值得高興才對,但我的理想是希望能有很好的產品,這產品可以由製造商供應,也可以自行利用零件裝組,或者是在故障及必要時,可以自己修理改造。數位訊號處理 (DSP) 當然可以有效改善接收機的聲音品質,但是我想沒有多少人可以像是使用運算放大器一樣地使用 DSP 晶片來自製濾波器。

    總之,姑且不問性能如何,利用 LM324 的聲頻濾波器線路,是比使用 DSP 更能符合我的理想。


聲頻濾波器尚未蓋棺論定

    為什麼 CW 聲頻濾波器的種類很多但最後總是給人留下亂七八糟的印象呢?因而難免有人說,CW 聲頻濾波器實際上無濟於事;但也有人主張不同看法,認為 CW 聲頻濾波器不應那麼快就蓋棺論定。無論如何,對自製愛好者而言,自己動手製作 CW 聲頻濾波器,總比製作石英晶體濾波器更有把握,更容易找到零件。

    有個例子,就是直接轉換式接收機,QRP 愛好者,因為它的結構簡單、花費便宜、及容易自製,所以總是從直接轉換式接收機下手,練習自製接收機,可是直接轉換式接收機根本無法分開上邊帶與下邊帶訊號,所以容易有大量干擾的侵襲。這種情況,唯一可以改善的是靠性能很棒的 CW 聲頻濾波器。

    直接轉換式接收機加裝了合宜的聲頻帶通濾波器之後,使接收機的整體性能向前跨了一大步,因為排除了常受干擾的窘況,也就是提高了選擇性,這就使直接轉換式接收機進步到堪用的程度。

    早期許多收發機並沒有配備精良的中頻濾波器,因為這種石英晶體濾波器的成本很昂貴,就像至今依然也還是有許多收發機,把這類濾波器列為選購品,而不是標準配備。更糟糕的是,有些收發機的濾波器不是頻寬太大,容易有干擾,就是頻寬太窄而有振鈴現象,在這種情況下,也許可以試試聲頻濾波器。


CW 聲頻濾波器的設計

    目前可以找到的大多數 CW 濾波器線路,都是很簡單的設計,只使用一或兩只運算放大器組成。這些線路的頻寬若是窄到與中頻石英晶體濾波器一樣,則都會有振鈴 (RING) 現象,這會使 CW 聲音聽來很邋遢、不乾不淨、使聲音拉長,如此一來, CW 的長短音 (滴答聲) 就不容易辨別。所以若要有一理想的 CW 聲頻濾波器,除了要求有窄頻寬之外,也要能降低振鈴現象。

    開始要設計最好的 CW 濾波器之前,得先弄懂要有那些帶通濾波器的特性。當我涉足 CW 帶通濾波器時,許多線路只不過是電阻 (R) 與電容 (C) 的組合。我們要知道,CW 濾波器的振鈴現象並不是因為振幅的響應所形成的,而是濾波器線路內的相位變化導致的。要濾波器線路沒有振鈴現象,就要濾波器的帶通頻率內,頻率與相位的關係呈一常數的直線關係。這濾波器最重要的頻率與相位關係,稱之為群延遲 (GROUP DELAY)。

    很多設計 CW 濾波器者,只關心振幅的響應而忽略了群延遲,使得最後濾波器線路出現了像教堂鐘聲般的效應。我發現布林吉戈夫 (BLNCHIKOFF) 所發展出的帶通濾波器線路,就有很好的群延遲曲線,既不會過激 (OVERSHOOT) 也沒有嚴重的振鈴現象。


合理的頻寬

    除了沒有振鈴現象,群延遲很平坦外,也要有夠大的頻寬才能正常收聽 CW 訊號。雖然理論上速度 20wpm 的 CW 訊號訊息集中在 25Hz 頻寬內,但在實務上,這頻寬太窄了,使聲音聽來模糊不清,就像使用 500Hz 頻寬去聽單邊帶訊號一樣;而頻寬太大當然容易受干擾。在這兩因素考慮下,這裡的帶通濾波器選用 200Hz 頻寬。


從被動式濾波器下手

    圖 1 是這樣一只聲頻濾波器的拓樸 (TOPOLOGY) 線路,它是被動式線路,頻寬 200Hz,中央頻率 700Hz。我稍微修飾了原來線路,加用了一中央頻率為 1600Hz 的波陷 (NOTCH) 濾波器,但這並不影響振鈴現象的特性,它可使高音調的干擾訊號更徹底的隔離,但保持原來的群延遲曲線。

Fig 01
圖 1:CW 聲頻濾波器的被動式線路,根據此線路而發展出主動式線路。

    圖 2 是利用 Pspice 分析此濾波器的特性曲線,分析式參看表 1,它的中央頻率是 700Hz, -3dB 頻寬約 200Hz,與設計相符合。圖 3 是頻率與相位的關係曲線,在 200Hz 的帶通頻寬內幾乎是一很好的線性關係。

Fig 02
圖 2:圖 1 經由 Pspice 分析,驗證了它的性能。
Fig 03
圖 3:帶通波波器的頻率與相位關係曲線。


          passive filter analyzer
          .OPTIONS NOPAGE NOECHO
          VIN 1 0 AC 10
          R1 1 2 1K
          L1 2 10 32.1M
          R10 10 0 0.1
          C1 2 3 1.52U
          L2 3 0 5.8M
          L3 2 4 .245
          L4 4 0 .147
          C2 4 0 .576U
          L5 4 5 .837
          C3 5 6 .0814U
          C4 6 0 .174U
          L6 6 7 .189
          R2 7 0 1K
          .AC LIN 500 200H 1.2KH
          .PROBE
          .END
表 1:圖 1 的 Pspice 分析式

    實際的 CW 帶通濾波器線路如圖 4 所示。你看到的是一些運算放大器線路,但實際上這些線路都可以看成是以運算放大器來模擬電感與電容,因此不像設計其他主動帶通濾波器一樣,這裡只要利用被動式濾波器線路,然後把大的電感、電容,利用運算放大器線路來模擬,帶入線路內就可以了。

Fig 04
圖 4:由圖 1 的拓樸線路發展出的線路,以運算放大器模擬電感及電容元件。

    線路圖看來或許稍嫌複雜些,但是只要好好規畫線路板,約數公分大小的線路板就可以擠下所有零件而裝在收發機內,不然也可以另裝外殼。製作此濾波器的線路板如圖 5 所示,圖 6 是零件安置圖。這裡總共使用了 12 只運算放大器,因為每枚 IC 含有 4 只運算放大器,所以用了三顆 IC。但是不管用了多少枚 IC,這線路總還符合低功率的原則,因為這濾波器線路耗電流只有約 10 毫安培左右。

Fig 05
圖 5:供製作圖 4 線路使用的線路板。(請另存新檔,再以 300 dpi 列印。)

Fig 06
圖 6:同 5 的零件擺放示意圖。

    設計時,使用了 12V 電源,9V 也可以動作,此線路因為善用線路技巧,所以不需要雙電源供電,我們利用分壓器提供運算放大器輸入偏壓。此濾波器線路使用 1% 誤差的電阻,所有的 0.022uF 電容也都是 1% 誤差,其餘所有的零件最好能保持 5% 精確度。

    我使用一個繼電器線路來選擇這線路的切入與切出,因為當接收單邊帶訊號時,這濾波器要退出,否則聲音無法聽懂。要是使用其他方法,繼電器線路可以去掉。濾波器最好接在聲頻第一級與第二級之間,訊號線最好採用隔離線,以防止干擾。


結語

    在實際操作上,此濾波器的表現很讓人吃驚。這濾波器沒有多樣的花招,但是在很吵雜的波段內拾取訊號,這濾波器一切入,除了想要的訊號外,幾乎沒有其他明顯的雜音,第一次的經驗好像是變魔術般。心喜之餘,我打開其他裝有石英晶體濾波器的收發機,如 IC-735,兩者相互比較,很難分出好壞。不過因為此濾波器沒有振鈴現象,所以聽來比使用其他濾波器的聲音更乾淨些。

    但願這濾波器能讓你體驗出,除了加裝中頻石英晶體濾波器外,聲頻濾波器也值得一試。 END



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