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聲頻濾波器專稿:
通訊用聲頻處理線路

No.39   1996 Apr.   p47~51,   by 林茂榮 / BV5OC



    你也許會想過要改善一下那擺在牆角老舊接收機的聲音,它既稱不上古董,而在訊號好的季節,靈敏度雖不足,也還算可以勉強撐一下場面,因為頻寬比較寬,在沒有干擾的情況下,有時還會有驚人的高傳真效果。而許多宣稱高科技結晶產物的接收機,實際買回來後卻發現它只是一個過渡時期所開發出來的產品,或者是激烈競爭下,犧牲品質的陽春產品,一切好的功能盡在 OPTIONS 之中。

    因此,自製一個品質精良的聲頻處理線路,應用在老舊接收機上,以改善聲音品質,依然有很大的迴旋空間。甚至,它也可以成為你自製接收機計畫裡,做為聲頻線路的部份。


設計觀念

    這裡所採用的策略是,打算在原聲頻的線路結構下,串連一些聲頻處理線路,以便改善接收機的聲音品質。我設計的初衷是有些過高期許,因為要拿這聲頻處理線路來改善接收長波廣播的聲音。我特別偏愛一部老式真空管超外差接收機,它的聲音很好,但卻有很重的超外差叫聲,這聲音很惱人。同時,我也喜愛自製接收機,最近更又有許多機會,試製長波接收機,除了積極找最好的射頻線路外,也努力蒐集一些簡易的聲頻線路,希望這聲頻處理線路能擔負起如此重責大任。


多功能的聲頻處理線路

    此聲頻處理線路的第一級是可調式帶通濾波器,它不只可以調整頻帶寬度,更可以改變帶通的中央頻率。

    這個線路是以 Jefferson Hall 及 Alvin Connelly 在 RF 雜誌 1992 年 12 月所發表的文章為基礎,那線路非常棒,看過之後,我便試製一番,效果非常滿意。不過使用了一陣子之後,發現雖經帶通濾波器,訊號中有時依然會有一些連續音調的載波存在,所以我想加用一帶陷濾波器 (Notch Filter) 來加以去除,這線路則是採用 Randy Seden 設計的現成線路。

    如此一來,帶通濾波器加上帶陷濾波器之後,對於接收機發出的超外差叫聲的情況就有很大的改善,但是碰到訊號很微弱時,卻又引發一些其他問題。因此這線路打算就再串下去。

    現在是針對微弱訊號這問題,尤其是針對 CW 訊號,我加了一個再生式的頻率可調放大器,也就是俗稱的 Q 倍增器,Q 便可以調整。雖然 Q 倍增器已是一種老舊的技藝,但這類線路在最新近的通訊接收機內,我都還沒看到過。它的特點是,除了線路簡單外,由於它的 Q 值可調,也就意謂著更有希望把雜訊除去,而只放大想要的訊號。當 Q 值調高,在旁的雜訊可以被壓制下來,如此一來,就可以提高訊號 / 雜訊比了。

    最後要加上去的一個線路,我把它叫做數位器 (Digitizer) 線路,這名稱未免冠冕堂皇了些,實際上,它只是一個比較器線路,主要是用來消除 CW 訊號的背景雜音。這數位器線路把 CW 訊號拿來和一參考電壓比較,然後輸出一方形波。而線路若只是這樣的話,有時雜訊也會偶而達到觸發點,因此再添加一個比較器,這就形成一道窗口 (Window),以辨識比較強的 CW 訊號,而不會讓更弱的 CW 背景雜訊通過。

    為了使聲音更軟化,有一濾波器,讓它只抽取方波中的弦波成份,這樣放大的聲音會更自然些。聲頻放大線路到處都是,可以隨意選用,我個人是比較喜歡選用 A 類放大器,雖然耗電量大,但聲音失真低,尤其是低音聽來很飽滿的感覺,真好。

    上面談了那麼多,我們先就線路來整理一下,線路參看圖 1,零件則列在表 1。整個線路若以性能區分,包括有:可變中央頻率帶通濾波器,後接帶陷濾波器,再緊隨一 Q 倍增器,又有如開窗口的數位器,及 5 瓦的聲頻放大器。這樣的聲頻處理線路,直可讓你性能平平的接收機發揮出驚人的效果。


線路簡介

    帶通濾波器:線路中雖出現很多 IC 及零件,但這都很簡單,別嚇著了。我們就從左上角一路看下來。

    聲頻輸入之後,C1 是耦合電容,用來去除直流成份;而 R1 是用來設定第一級線路的整體放大倍數。如果輸入訊號位準極低,可以降低 R1 值,讓放大倍數加大;U1a、b、c、 d 其實是一只含四單元的運算放大器 IC。帶通濾波器的中央頻率是由併連的雙可變電阻 R7 來調整,R6 用來調整到 U1a 的整體回饋,因而可以調整帶通濾波器的頻寬;線路頂頭部份就是這帶通濾波器。

    帶陷沉波器:接下來是帶陷濾波器線路,它就在 U1 的下方;U2a、c 是 180 度的相位移網路,它可由 R13a 及 b 來調整頻率。串連兩個帶陷濾波器,才能使帶陷特性深且陡。加法運算放大器 U2b 及 U2d,可以產生節點,也就是經位移 180 度的訊號與原來線路相加,使輸出互相抵消。U2 也是含四單元的運算放大器 IC。帶陷濾波器的輸出送給 R24,它是 Q 倍增器的前置放大器,這整個 Q 倍增器線路集中在右邊。

    Q 倍增器:U3a、b 組成低雜訊的運算放大器線路,從中可以看出前頭的 U3a 回饋給 U3b,然後再回到 U3a。 C10、R27、C9、R25 及 R26 可以用來控制濾波器的頻率反應。標有 Q 的可變電阻,是用來調整 Q 倍增器的,它要與 R24 一起使用。如果線路振盪的話,旋轉 R28,直到振盪停止為止。

    此濾波器的頻寬很大,足以應付任何的 CW 訊號。通常聲頻訊號從 U3a 取出,到 SW1 去,SW1 通常保持在 OFF 狀態,所以此訊號一般接到聲頻放大器 U5 去。如果需要數位器線路處理的話,訊號就被送到比較器 U4a、b 去。它與 U3 同樣是低雜訊運算放大器。可變電阻 R29 是比較器的觸發點調整,用來調整 U4a 比較器,衝過觸發位準的訊號,U4a 會輸出頻率相同的方波。

    開窗口的數位器:訊號太弱時,一些雜訊可能會衝過比較器的觸發點,產生一些類似突波的雜訊。這些出現在 U4a 輸出點的雜訊,振幅通常比真正的訊號小。為了消彌這種現象,就再加一只比較器。由 U4a 取出的方波,可以由 R31 調整成最大,也就是 R31 可以調整到避免較小振幅的雜訊觸發成方波。U4b 輸出是由通過低通濾波器的訊號觸發成的方波。R23、R33、C13、C14、及 C15 組成了低通濾波器,以去除方波內的高頻成份,它可以使訊號更細膩,同時也把振幅壓低,更適合供給聲頻放大器線路使用。

    聲頻放大器先是由運算放大器組成的 AB 類前置放大,在去推動 Q1 及 Q2 組成的聲頻功率放大器。

    聲頻放大器:聲頻放大器線路的偏壓由 IC 本身供應,也因為這樣,不論大小音量,都能保證有很好的音質。音量由 R35 調整,聲頻放大器增益由 R40 調整。通常推動 4 或 8 歐姆的喇叭是不成問題的。C18 可以消減高頻成份,使超過 2.5KHz 的成份受衰減。R43、R44、及 R45 是用來設定 Q1 及 Q2 的偏壓及增益。而 R42 既是偏壓,也是供給 U5 的電源。


線路製作細節

    使用如圖 2 所示的雙面板來焊製,會非常方便,不過要特別注意,它並無穿孔,所以要兩面的零件接腳都要焊接才行。

    為了要縮小空間,R26 及 R29 是放在焊接面的 SW1 旁;而 R24 一定要先焊,再焊接 R26。同樣地,焊接 S1 之前,R31 要先焊上。R35 焊接之前, R30 也要先焊上。而 Q1 及 Q2 之間夾著 5 瓦的散熱片,為了散熱效率,電晶體最好能加螺絲固定在散熱片上。

    線路板上,許多電阻是直立而不是橫放的。線路板零件示意圖上,標著正方型而不是長方型,就是垂直放的電阻。要記得雙面的零件腳都要焊。接喇叭、電源、及聲頻訊號輸入的接腳,都標示在零件示意圖上。線路圖上所有標示著 C 的,只是一個偏壓參考點,實際焊製時,並無 C 點。


操作

    接妥訊號輸入及電源。打開電源,電壓最好不要低於 12V,最高可以到 18V,在這範圍之內的電壓越高,高音量的失真情況越不會出現。把所有旋鈕都轉到逆時針方向底處。

    壓下 S1,讓訊號不經過數位器。在線路上的控制鈕由左而右是帶通濾波器的中央頻率、帶通濾波器的頻寬、帶陷濾波器、Q 倍增器、數位器窗口、及音量。

    另外,線路板底端的控制鈕有:Q 倍增器的頻率、數位取樣閥值、數位器旁通開關。要好好利用這個線路的優點,你必須花些時間探索如何操作這些旋鈕。

    首先從 Q 倍增器及數位器開始,要記得操作 Q 倍增器時,必須先調對中央頻率,Q 值調的越高,中央頻率就要更準確。在 CW 訊號時,使用 Q 倍增器常會碰到一個問題,那就是 CW 的聲音被拉長了,很像虛幻的聲音。數位器能治癒這個問題,讓訊號通過數位器,觸發閥值調過後,拉長的聲音會消失,仔細調整窗口,可以讓 CW 聲音恢復原來的真實聲。

    正常操作時,建議先利用帶陷濾波器把不要的連續音調先行消去,然後再用帶通濾波器。在 SSB 單邊帶話務時,使用 Q 倍增器有時也可以改善聲音品質,但是若接收機音量調的太大,Q 倍增器往往就不容易抓到想要的訊號。

    參看圖 3,當所有調鈕都在最大值位置時,本線路的反應曲線對 CW 訊號而言,中央頻率是低了些,不過這樣的曲線倒是很適合 CW 訊號。把中央頻率調鈕往下調 (50K 調到 10K),Q 倍增器也調了一下,反應曲線如圖 4 所示,這是一般 CW 訊號的典型濾波器特性。如果你的接收機穩定度夠,可以再調高濾波器的 Q 值,結果如圖 5 所示,這極適合在吵雜的訊號堆中過濾出想要的訊號。這些曲線都是由 PSpice 分析出來的,不包括聲頻放大器,及數位窗口線路,本聲音濾波處理線路的 PSpice 分析式如表 2。

Fig 03
圖 3:旋鈕放在盡頭時,此線路的最低中央頻率約 300Hz 左右。

Fig 04
圖 4:稍為調動一下旋鈕,像這樣就極適合用來找 CW 訊號。
Fig 05
圖 5:吵雜的環境極適合的設定例子,這可以調整 Q 倍增器的 Q 鈕 (R28)。



結論

    聲音處理線路設計好的話,的確可以改善接收的聲音品質。這對於熱愛電子,尤其是對通訊接收機特別有興趣的朋友,不妨花幾個週末,享受製作的樂趣。現在自製接收機已經不像以前那麼複雜了,例如 NE602 等 IC 的出現,使自製接收機變得極簡易。當製作接收機時,這線路融入你的接收機,也該是很理想才對。 END

圖 1:聲音處理線路的完整線路圖。

圖 2:(a):線路板的焊接面。(b):線路板的零件面。(c):零件擺放示意圖。(請以 300 dpi 列印)

  Part List
Part# Description
C1,C17 4.7 uF electrolytic
C11,C19 100 uF/16 VDC electrolytic
C12 2200uF/16VDC
C13,C14,C15,C16,C20 0.1 uF/50 VDC disc
C18 27 pF/50 VDC disc
C2,C3 0.01 uF/50 VDC poly.
C4,C5,C6,C7,C9,C10 0.0047 uF/50 VDC poly.
C8 0.047 uF/50 VDC poly.
D1 1N914 diode
Q1 TIP32B PNP power transistor
Q1,Q2 H/S 5 watt heat sink
Q2 TIP31B NPN power transistor
R1 33k ohm resistor 1/4 watt
R10,R17 316k ohm resistor 1/4 watt, 1%
R11,R19 634k resistor 1/4 watt, 1%
R12,R18 274 ohm 1/4 watt, metal film, 1%
R2,R3,R46,R14,R15,R16,R20,R21,R22 100k ohm resistor 1/4 watt, 1%
R24 50k ohm potentiometer
R26 100k ohm 25-turn potentiometer
R28 10k PC mount trim pot.
R29,R31,R35 10k ohm potentiometer linear
R36,R37,R40 22k ohm resistor 1/4 watt
R38,R39,R43,R44,R45 1k ohm resistor 1/4 watt
R4,R30 10k ohm resistor 1/4 watt
R41,R42 470 ohm resistors 1/4 watt
R5,R8,R25,R27,R32,R33.R34 6.8k resistors 1/4 watt, 1%
R6 500k ohm potentiometer, linear taper
R7,R13 50k ohm dual potentiometer, audio taper
R9,R23 4.3k ohm resistor 1/4 watt
S1 DPDT switch PC mount
S1B Knob tor S1
U1,U2 TL074 low noise quad op amps
U3,U4 TL072/LF353N Op amp
U5 LM301AN op amp
表 1:圖 1 使用的零件表列。

   AUDIO FILTER FOR COMMUNICATION
   .OPTIONS NOPAGE NOECHO
   VIN 1 0 AC 0.1
   VCC 200 0 DC 12V
   VCC- 0 199 DC 12V
   *BAND PASS FILTER
   C1    1 2 4.7U
   HI    2 3 33K
   R2    3 55 100K
   R3    3 4 100K
   R5    4 5 6.8K
   R7    5 6 50K
   C2    6 7 0.01 U
   R77   7 8 50K
   R8    8 9 6,8K
   C3    9 10 0.01U
   R46   10 3 100K
   R6    7 11 500K
   R9    11 12 4.3K
   R4    12 55 10K
   X11   77 3 200 199 4 TL072
   X12   77 6 200 199 7 TL072
   X13   77 9 200 199 10 TL072
   X14   77 12 200 199 55 TL072
   *Q MUUPLIER
   R24   24 25 50K
   C8    25 0 0.047U
   R25   25 26 6.8K
   R26   26 27 100K
   C9    27 29 0.0047U
   R27   29 100 6.8K
   C10   100 30 0.0047
   R28   30 77 10K
   X30   25 100 200 199 100 TL072
   X31   30 29 200 199 27 TL072

   *NOTCH  FILTER
   R10   55 13 316K
   R12   13 14 274K
   R13   14 77 50K
   C4    13 16 0.0047U
   C5    13 15 0.0047U
   R11   15 16 634K
   R14   16 17 100K
   R15   55 17 100K
   R16   17 18 100K
   R17   18 19 316K
   R18   19 20 274K
   R73   20 77 50K
   C7    19 20 0.0047U
   R19   20 21 634K
   C6    19 21 0.0047U
   R20   21 22 100K
   R21   22 18 100K
   R22   22 23 100K
   R23   23 24 4.3K
   X21   77 15 200 199 16 TL072
   X22   77 17 200 199 18 TL072
   X23   77 20 200 199 21 TL072
   X24   77 22 200 199 23 TL072
   .AC LIN  300 100  15K
   .PROBE V(100)
   *--------------------------
   *connections:  non-inverting input
   *              | inverting input
   *              | | positive power supply
   *              | | | negative power supply
   *              | | | | output
   *              | | | | |
   .subckt TL072  1 2 3 4 5
   *

    c1     11 12 2.412E-12
    c2    6 7 18.00E-12
    css    10 99 5.400E-12
    dc    5 53 dx
    de    54 5 dx
    dlp    90 91 dx
    dln    92 90 dx
    dp    4 3 dx
    egnd  99 0 poly(2) (3,0) (4,0) 0 .5 .5
    fb     7 99 poly(5) vb vc ve vlp vln 0 3.467E6 -3E6 3E6 3E6 -3E6
    ga    6 0 11 12 339.3E-6
    gem   0 6 10 99 17.01E-9
    iss    10 4 dc 234.0E-6
    hlim   90 0 vlim 1K
    j1     11 2 10 jx
    j2     12 1 10 jx
    j
    r2     6 9 100.0E3
    rd1    3 11 2.947E3
    rd2    3 12 2.947E3
    ro1    8 5 50
    ro2    7 99 170
    rp     3 4 20.00E3
    rss 10 99 854.7E3
    vb    9 0 dc 0
    vc    3 53 de 1.500
    ve    54 4 dc 1.500
    vlim   7 8 dc 0
    vlp    91 0 dc 50
    vln    0 92 dc 50
    .model dx D(ls=800.0E-18 Rs=1)
    .model jx NJF(ls=2.500E-12 Beta=984.2E-6 Vto=-1)
    .ends
    .END
表 2:圖 1 的 PSpice 分析式。



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