Notch-фильтр

Фильтрация сигналов звуковых частот широко используется радиолюбителями. Это связано с тем, что не всегда имеется возможность обрабатывать принимаемый сигнал по промежуточной частоте радиочастотного тракта приемника. Наиболее часто применяемые пассивные RC-фильтры обладают существенными недостатками. Их работа приводит к появлению спектра шумов на выходе приемника непривычного для слуха человека. Длительное пользование таким фильтром может привести к физическому и психическому истощению оператора.

Заметную роль в обработке сигналов по низкой частоте играют активные фильтры, т.е. устройства, выполненные на активных элементах – транзисторах, микросхемах, лампах. Способ реализации достаточно прост и доступен каждому.

Вариант изготовления НЧ-фильтра с функцией «Notch» предложил Paul Carr (N4PC), который был подробно им описан в [1]. По словам N4PC, его НЧ-фильтр имеет характеристику, близкую к характеристике кварцевого фильтра, что полностью исключает недостатки, присущие обычным пассивным RC-фильтрам. Характеристика и полоса пропускания фильтра показаны на графиках (Рис.1), а также в [1], [2] и [3].

Рис.1

Иногда активный НЧ-фильтр включают между предварительным и оконечным каскадами встроенного в приемник УНЧ.

Однако следует отметить, что в этом случае у недостаточно раскаченного входным сигналом НЧ-фильтра будет нарушен такой важный параметр, как отношение сигнал-шум. Это приведет к неудовлетворительной его работе, а именно, к сопровождению приема дополнительными шумами. Вследствие этого, N4PC НЧ-фильтр подключают непосредственно к выходу УНЧ приемника. Таким образом, конструкция представляет собой выносное добавочное устройство.

Более 10 лет тому назад автором этих строк был изготовлен N4PC НЧ-фильтр, а затем описан со ссылкой на его автора в [2]. При повторении конструкции были выполнены все требования по изготовлению устройства, изложенные автором в оригинале статьи, включая применение тех типов микросхем, резисторов, конденсаторов, которые предлагались в первоначальной статье. Правильно собранное устройство сразу начало работать и не требовало каких-либо сложных настроек. Достаточно было лишь его правильно спаять. Благодаря N4PC НЧ-фильтру в течение многих лет работа в эфире приносила огромное удовольствие. Не без его помощи было сработано огромное количество интересных DX-связей.

Однако, время внесло свои коррективы.

Позже, изготовив еще одно устройство - активный низкочастотный CW/Notch-фильтр, описанный Борисом, RW3AY (Tks Sir!), в брошюре «Радио-Дизайн» [4], и, получив достаточно высокие результаты работы схемы, появилось огромное желание объединить эти две конструкции вместе. Отдавая должное применяемым на входе конструкции N4PC переключаемым активным НЧ фильтрам с различной полосой пропускания, выходная часть устройства – Notch-фильтр, в схеме N4PC оказался менее эффективным в работе, чем Notch-фильтр из «Радио-Дизайна» (РД).

Так появился модернизированный вариант N4PC НЧ-фильтра (Рис.2), который имеет рабочее название «Notch-фильтр» и содержит на входе переключаемые активные НЧ-фильтры с различной полосой пропускания конструкции N4PC и CW/Notch-фильтр, взятый из РД.

На выходе Notch-фильтра применяется дополнительный УНЧ, который может быть изготовлен и по другой схеме. Но он должен иметь достаточно большое усиление, минимум искажений и минимум шума на выходе. Выходное сопротивление УНЧ должно соответствовать сопротивлению применяемого громкоговорителя Гр-1. Низкоомные головные телефоны сопротивлением 8…300 Ом во избежание перекачки и для устранения искажений подключают к выходу УНЧ через резистор сопротивлением 270 Ом. Выходная мощность УНЧ должна быть достаточной для прослушивания особо слабых сигналов из эфира и может составлять – 2...3 Вт.

От качества работы УНЧ напрямую зависит конечная оценка работы Notch-фильтра.

 Устройство прошло длительные испытания и в модернизированном виде (Фото 1) находится в работе в течение последних 6 лет.

Надписи на передней панели устройства

AF Notch Filter (Audio Frequency Notch Filter) – Низкочастотный режекторный фильтр;

BP (BYPASS) – Обход;

CW-W (CW Wide) – CW-широкая полоса;

CW-N (CW Narrow) – CW-узкая полоса;

SSB-W (SSB Wide) – SSB-широкая полоса;

SSB- N (SSB Narrow) – SSB-узкая полоса;

Notch – Режекция (переключатель S2 – режим работы устройства);

CW – Узкополосный телеграфный фильтр (переключатель S2 – режим работы устройства);

Vol (Volume) – Громкость;

Notch – Режекция (потенциометр R46/R56 – «Режекция»);

ON – Включено;

OFF – Выключено.

Режимы «Обход»

Обход-1 – исключение из работы активных входных фильтров;

Обход-2 – исключение из работы CW/Notch-фильтра;

Обход-3 – исключение из работы УНЧ.

Режим «Обход-3» наступает автоматически после выключения Notch-фильтра с помощью переключателя S4, т.е. при снятии напряжения питания с реле К1, К2. Если учесть, что режимы «Обход-1» и «Обход-2» при этом уже выполнены, то на громкоговоритель поступит НЧ сигнал непосредственно с выхода УНЧ приемника. И, наоборот, при подаче напряжения питания с помощью переключателя S4, устройство начинает работать. С помощью переключателей S1, S2 и S3 включают необходимые каскады Notch-фильтра в работу.

Резисторы и конденсаторы, используемые в частотозадающих цепях Notch-фильтра, имеют разброс 5% от указанных на схеме номиналов. При некотором дефиците таких элементов их можно легко отобрать с помощью цифрового прибора из определенного количества деталей, имеющих разброс 10%, которые легко доставаемы. Все резисторы, примененные в данной конструкции – ОМЛТ. Их мощность, кроме тех, которые указаны на схеме – 0,125…0,25 Вт. В частотозадающих НЧ-цепях для достижения высокой добротности крайне необходимо применять неполярные пленочные конденсаторы. Их применение – закон в аудиотехнике. Это относится и к обычным микрофонным усилителям, эквалайзерам, НЧ-трактам магнитофонов, и другой НЧ-технике, где на первом месте стоит реализация расчетных параметров и качество работы готового изделия в целом.

Во входных переключаемых активных фильтрах N4PC применяются пленочные конденсаторы следующих типов:

POLYSTYRENE – 100 пФ, 220 пФ, 680 пФ, 3900 пФ;

MYLAR – 0,01 мкф.

Эти, зарубежного производства, конденсаторы не являются дефицитом. На радиорынках их гораздо легче найти, чем наши пленочные. Согласно отечественному каталогу «Конденсаторы» к пленочным и металлопленочным конденсаторам относятся конденсаторы серии: ПО, ПОВ, МПО, МПГ-Ц, МПГО, МПГ-П, К70-6, К71-4, К71-5, К71-6, К71-7, ФГТ-И, К72П-6, К73П-2, К73П-3, К73П-4, К73-9, К73-11. Надо отметить, что не все из перечисленных марок конденсаторов применимы в конструкции Notch-фильтра. Критерий применения один – наличие необходимого номинала у этих конденсаторов и подходящие для печатного монтажа их размеры. Хорошо подходят конденсаторы К70-6 (полистирольные открытые) или К71-6 (полистирольные с фольговыми обкладкам), поскольку они имеют необходимые номиналы – 100 пФ, 220 пФ, 680 пФ, 3900 пФ, 0,01 мк, а их размеры оптимальны для печатного монтажа.

В качестве конденсаторов С43, С44 – 0,022 мк применены конденсаторы типа К71-7 (полистирольные с металлизированными обкладками), а в качестве C46 – 2,2 мк применен неполярный пленочный конденсатор с импортного телефонного аппарата.

Что касается керамических конденсаторов, как всегда, они установлены как блокировочные, а также идущие с шин питания на землю. Например, 0,01 мк – C10, С20, С30, С40, а также 0,1 мк – С45.

Дроссель 2,5 мГн на входе устройства – любого типа. Его развязка на шасси устройства также выполнена с помощью керамических конденсаторов – 0,01 мк. Дроссель может быть самодельный, выполненный на ферритовом кольце или заводской.

Вид конструкции Notch-фильтра изнутри и расположение элементов показаны на Фото 2.

Операционные усилители устанавливают в панельки. Желательно применять те ОУ, которые показаны на схеме, а именно, TL084C, имеющие полевые транзисторы на входе. Не исключено применение отечественного аналога К1401УД4 при условии выполнения заявленного в справочниках качества его изготовления.

В данной конструкции желательно отказаться от применения таких операционных усилителей, как LM324, К1401УД2 и других, параметры которых хуже, чем у TL084C. К сожалению, часто замена более простыми и дешевыми аналогами микросхем приводит к снижению качества работы устройства.

Каскад на микросхеме DA5 представляет собой селективный фильтр для улучшения приема телеграфных сигналов (режим «CW») или режекторный фильтр с переменной частотой режекции для подавления (ослабления) мешающих узкополосных сигналов при работе в SSB. Выбор режима «Notch/CW» осуществляется сдвоенным переключателем S2. С помощью сдвоенного переменного резистора R46 и R56 – 100 к устанавливают значение центральной частоты селекции или режекции.

Важный вопрос – сопротивление секций потенциометра R46/R56 должны быть одинаковыми! Надпись на корпусе еще не говорит, что это действительно так. При покупке следует пользоваться тестером для того, чтобы убедиться в этом.Этот переменный резистор должен иметь логарифмическую характеристику. О чем свидетельствует на его корпусе обозначение в виде русской буквы «Б». При покупке импортного экземпляра резистора следует быть предельно внимательным. Некоторые фирмы-производители в Англии, Японии и, не исключено, что, возможно, и в некоторых других странах, выпускают потенциометры, где линейная характеристика обозначается буквой В (Английская буква «B» – Bravo), а логарифмическая – А (Alfa), т.е. иначе, чем у нас. Однако, это касается только некоторых производителей. Иногда в импортном варианте на корпусе переменного резистора, имеющего логарифмическую характеристику, встречается обозначение «LOG». При покупке также рекомендуется пользоваться тестером для определения его функциональной характеристики.

В первоначальном варианте схемы, опубликованной в РД [4], номиналы конденсаторов С43 и С44 (в РД они обозначены как С3 и С4) были 0,047 мк. Эти, а также другие номиналы частотозадающих цепей Notch-фильтра (на рис.2 это – R46/R56, R54, R47, R57, C43, C44) определяют изменение центральной частоты в диапазоне приблизительно 500…2500 Гц. Такой диапазон перестройки фильтра был заявлен в РД [4], где также приведены формулы расчета нижней и верхней границ перестройки (правильность формул в РД вызывает некоторое сомнение).

Однако, спустя время, Олег, RA3ABG (позывной по состоянию на 1996 г.), предложил применить вместо конденсаторов 0,047 мк другие – 0,022 мк [5]. При такой замене конденсаторов, но сохранении остальных номиналов частотозадающих цепей, диапазон перестройки фильтра, по словам RA3ABG, составил 100…3600 Гц. Следует отметить, что после замены конденсаторов С43, С44 на 0,022 мк, удобочитаемость принимаемых из эфира сигналов стала гораздо выше. В данной конструкции применены именно такие конденсаторы.

С переходом из режима выделения частоты (CW) в режим подавления (Notch) центральная частота не меняется. Резистором R52 (Q) можно в небольших пределах изменять добротность фильтра.

Несмотря на то, что каскады устройства выполнены на активных элементах, имеет место затухание полезного сигнала, что приводит к неполной раскачке УНЧ на микросхеме LM380N. Результат – недостаточная выходная мощность УНЧ, нет наполняемости НЧ-сигнала, наличие шумов в канале фильтра, отсутствие ожидаемого результата работы устройства. Для устранения этой проблемы был изготовлен предварительный каскад усиления на полевом транзисторе MPF102 (КП303Б).

Микросхема LM380 запаивается непосредственно в печатную плату. Для обеспечения ее правильного температурного режима между корпусными выводами микросхемы запаивают небольшой отрезок медной шины 2х10 мм.

Изготовление и настройка Notch-фильтра осуществляются поэтапно. Например, изготавливают только входной фильтр – “CW-узкая полоса”. На выходе, плюсом к схеме фильтра, устанавливают электролитический конденсатор – 16 мк, к которому подключают головные телефоны. Если последние являются низкоомными, то их подключение к плате фильтра производят через резистор 150 Ом.

Затем подают питание и сигнал с выхода УНЧ приемника. Убедившись, что проверяемый фильтр работоспособен, приступают к настройке следующего каскада устройства. Таким способом настраивают входные фильтры, затем другие каскады, включая УНЧ. После полной сборки проверяют работу Notch-фильтра в целом.

Применяемый для эксперимента на станции базовый приемник UA1FA вместе с Notch-фильтром образовали улучшенный вариант приемного устройства. Получено подтверждение, что Notch-фильтр действительно защищает оператора от помех мешающих телеграфных станций и помех типа «несущая» в телефонном режиме. Менее необходимым он оказался при работе с радиоприемником Р-399А, т.к. последний является приемником достаточно высокого класса, который имеет два кварцевых фильтра в ПЧ-1 и переключаемые электромеханические фильтры в ПЧ-2. Практически пустой затеей оказалось применение Notch-фильтра в составе РПУ Р-160П. Причин несколько. Во-первых, благодаря встроенному в приемник блоку УРЧ – Б2-32 обеспечивается высокая степень селективности приемника. Во-вторых, в SSB тракте, во всех трех ПЧ приемника применяются кварцевые фильтры, что является положительным фактором. В CW тракте приемника Р-160П в ПЧ-1 и ПЧ-2 применяются кварцевые фильтры, а в ПЧ-3 – переключаемые ЭМФ – 1,2 кГц и 0,3 кГц. Специальное перекоммутирование блока Б5-72, входящего в состав приемника Р-160П, позволило путем нажатия одной кнопки включать в работу перед кварцевым фильтром 128 кГц (шириной 3,1 кГц) в 3-й ПЧ приемника дополнительные электромеханические фильтры с полосами 2,25 кГц, 1,1 кГц, 0,6 кГц и 0,3 кГц. При таких технических условиях необходимость применения Notch-фильтра с приемником Р-160П практически отсутствует. Тем не менее, вопрос остается открытым.

По мнению автора, все же не исключено применение той части схемы, которая была опубликована в [4]. Обязательно следует установить разделительный конденсатор 2,2 мк (С46 на рис.2), который в оригинале статьи в РД отсутствует. В противном случае, микросхема может выйти из строя, особенно, когда выход этого каскада сразу нагружают на низкоомные головные телефоны.

Всякое устройство имеет свои положительные и отрицательные стороны. О положительных сторонах Notch-фильтра и обработке сигналов по НЧ уже говорилось. К недостаткам можно отнести то, что иногда мощная помеха попадает в полосу пропускания фильтра основной селекции приемника, перегружает УПЧ, и фильтрация по НЧ уже не дает результата. Тем не менее, это момент, который имеет место быть далеко не всегда. Использование Notch-фильтра позволяет в значительной степени избавиться от сплеттеров мощных станций, работающих на близлежащих частотах, улучшить качество связи, что является положительным фактором.

Скачать схему Notch-фильтра в формате spl

Игорь Подгорный, EW1MM.
2006г.
ew1mm@mail.ru

Литература

1. P.Carr, N4PC. How to build the «Synthetic» crystal filter, CQ, Aplil 1990, p.18.

2. И.Подгорный, EW1MM. N4PC низкочастотный фильтр, Радиолюбитель. КВ и УКВ, N2, 1996.

3. http://ra3ggi.qrz.ru/UZLY/960229.htm

4. Активный низкочастотный CW/Notch-фильтр. Радио-Дизайн, N1, 1993.

5. RA3ABG. Активный CW/Notch-фильтр. Радио-Дизайн, N4, 1996.