DX-filter
DX-ers hebben vaak te kampen met moeilijke omstandigheden bij het uitoefenen van hun hobby. Wanneer na lang wachten eindelijk een verafgelegen stafion zacht en krakend uit de luidspreker klinkt, zul je juist de pech hebben dat een sterke telex of morse begint te ratelen, of dat een nabijgelegen station 'doorspefert :' De verstaanbaarheid bij dergelijke kondities kan sterk worden verbeterd door dit universele audio-filter; een soort zeef voor storende signalen. We hebben dan de beschikking over een bandfilter met verschuifbare flanken in laag en hoog en, last but not least, twee effektieve bandsperfilters die ongewenste fluitjes te lijf gaan.
Beluisteraars van de kortegolfbanden kunnen op heel wat verschillende gebieden aan hun trekken komen. Je hebt er omroepstations, diensten (utility) en voor de zendamateur zijn er meerdere amateurbanden. Voor velen is het een echte sport om net die stations te beluisteren die niet tot de kategorie "algemeen" behoren. Meestal zijn dit verafgelegen zenders die vaak met lage vermogens werken en dan ook nog op de meest onmogelijke tijden van de dag uitzenden (de dagindeling volgens de Europese tijdrekening, wel te verstaan). Zoiets noemt men DX-en, afgeleid van Distance X; de afstand is onbekend. De waarde die men hecht aan een bepaalde DX-verbinding hangt natuurlijk af van de "moeilijkheidsgraad" van een station. Tegenwoordig is de kortegolfband op zijn zachtst gezegd "goed gevuld". Veel frekwenties worden door verschillende stations tegelijk gebruikt, elk station natuurlijk voor zijn eigen gebied of streek. De kunst van het DX en bestaat nu uit het "opvissen" van de gewenste zender uit een brij van sterke stations vlakbij of op de gewenste frekwentie.
Nu is de bovenstaande beschrijving wel wat extreem. De frekwenties hoeven niet altijd zo druk bezet te zijn en de selektiviteit van de ontvanger helpt natuurlijk ook een handje mee. Goede kortegolfontvangers beschikken over een aantal hulpmiddelen zoals bandbreedte-keuze, verschuiving van de MF-doorlaatband (pass-band-tuning) en een bandsperfilter (notch) voor onderdrukking van een bepaalde frekwentie binnen de doorlaat-band. Al deze "features" dragen bij aan de ontvangkwaliteit, maar niet elke ontvanger is hiermee van huis uit al uitgerust. Meestal is er alleen maar een beperkte keuze in bandbreedte, waarbij de bandbreedte ook nog te groot is voor DX toepassingen of de flanksteilheid en demping buiten de doorlaatband onvoldoende is. Door de nauwe kanaalbreedte die men op de kortegolf hanteert (5 kHz) kunnen al snel draaggolfinterferentiepiepjes en zijbandstoring optreden.
Nu is een modifikatie van zo'n fabrieksapparaat niet de meest aantrekkelijke manier om de selektiviteit op te vijzelen. Op audio-nivo valt echter ook nog wel wat bij te werken. Hier is een eventuele ingreep minder kritisch dan bij het HF- of MF deel van de ontvanger. Ons DX-filter poetst het signaal dan ook op buiten de ontvanger, na de audio-uitgang. In figuur 1 zien we, wat de bedoeling is. Een afstembaar laagdoorlaaten hoogdoorlaatfilter vormen samen een bandfilter met zeer steile flanken. De bandbreedte kan naar believen worden ingesteld tussen breed (3,5 kHz) en smal (400 Hz), waarbij de gehele doorlaatband bovendien kan worden verschoven. Ook binnen de doorlaat kan men nog ingrijpen. Twee inschakel-bare notch-filters zorgen voor een effektieve onderdrukking van hinderlijke fluittonen (bijv draaggolfinterferenties maar ook telex- of morsesignalen). Voor elke ontvangsituatie kunnen we dus de optimale audiodoorlaatband bepalen.
We moeten hierbij wel in het achterhoofd houden dat de audiokwaliteit weliswaar kan worden verbeterd, maar dat de hoofdmoot van de selektiviteit toch in het HF- en MF deel moet zitten. De automatische sterkteregeling is bijvoorbeeld in het MF-gedeelte werkzaam, zodat een sterk morsestation weliswaar uit het audiosignaal kan worden verwijderd, maar dat de AGC (automatic gain control) lustig op de maat van de morsetekens staat te "blazen"! Dit even terzijde...
Synchroon afstembare filters
In deze schakeling maken we gebruik van aktieve filters die bestaan uit een opamp (als spanningsvolger) en enkele weerstanden en kondensatoren. De kantelfrekwentie moet kontinu gevarieerd kunnen worden d.w.z. het moet mogelijk zijn om alle weerstandswaardes of alle kapaciteitswaardes tegelijkertijd te veranderen. In het geval "weerstanden" komen we beslist niet verder dan een dubbele potmeter, terwijl een draaikondensator van bijvoorbeeld 8 × 500 pF al even onbereikbaar is. Toch hebben we voor steile flanken een hoge filterorde nodig, wat neerkomt op een zeer strenge tolerantie-eis bij de afstemming.
Figuur 1. Door middel van een aantal afstem-bare filters krijgen we een zeer variabele audio-doorlaatband. Met een notch-filter kunnen piepfes binnen de doorlaatband weggefilterd worden.
Voor een feilloze synchronisatie van de afstemming maken we dankbaar gebruik van een speciale methode: de pulsbreedte-geschakelde weerstand. Deze nogal vreemd aandoende term laat zich verklaren aan de hand van figuur 2. De elektronische schakelaar sluit de weerstand R periodiek kort. De herhalingsfrekwentie is konstant, maar de duty-cycle van het schakelsignaal kan worden veranderd. De effektieve weerstand van het geheel is dan:
waarbij t de "0" -tijd is en T de periodetijd van het schakelsignaal. Van de schakelfrekwentie hebben we geen last zolang deze maar ver genoeg boven het doorlaatgebied van het filter ligt.
Figuur 2. De grondslag voor de regelbare filters: een pulsbreedtegestuurde weerstand.
Het blokschema
Het in figuur 3 afgebeelde blokschema is al iets meer gedetailleerd. In totaal zien we drie laagdoorlaatfilters (LPF), twee hoogdoorlaatfilters (HPF) en twee afzonderlijk afstembare bandsperfilters. De LPF- en HPF-filtersekties zijn elk vierde orde Butterworth-filters. Dit betekent een frekwentie-afval van 24 dB/oktaaf. Rekenkundig komen we dan uit op een afval van 48 dB/oktaaf in het laag en 72 dB in het hoog. Door invloeden van toleranties e.d. valt de 72-dB-helling in de praktijk wat minder steil uit, maar een respektabele 60 dB zit er nog wel in.
Figuur 3. Het blokschema van het DX-filter bestaat uit een ketting van synchroon afgestemde laagdoorlaat-, hoogdoorlaat- en notch-filters.
In figuur 4 zien we de basisschakeling van elke filtersektie. De laagdoorlaat- en hoogdoorlaat-sekties zijn Sallen and Key-filters die een Butterworth-verloop geven (vlakke doorlaatband). Het notch-filter is opgebouwd rond een dubbel-T-netwerk. Dit netwerk kan met een schakelaar overbrugd worden. Het geheel werkt dan als een gewone buffer. Het afstemprincipe is echter voor alle filters hetzelfde: geschakelde weerstanden.
Figuur 4. Zo ziet een afzonderlijke filterbouwsteen er uit.
Het schema
Op het eerste gezicht zou je haast zeggen dat het schema (figuur 5) alleen maar weerstanden en kondensatoren bevat met hier en daar een IC'tje. Inderdaad, uitgaande van de beide blokschematische voorstellingen in figuur 3 en 4 kunnen we het schema zonder problemen stap voor stap invullen. Met behulp van Pl kan de versterking van IC1 ingesteld worden tussen 1 en 51 maal. Zodoende kan het ingangssignaal (bije van de recorduitgang van de ontvanger) optimaal worden aangepast aan de. rest van de schakeling. Dan komen achtereenvolgens een laagdoorlaatsektie (A1/A2), een hoogdoorlaatsektie (A3/A4), twee notches (A5 en A6) en wederom een laagdoorlaat-, een hoogdoorlaat- en een laagdoorlaat-sektie (resp. A7/A8, A9/A10 en A11/A12). Geheel links zien we de gezamenlijke schakelsignalen voor de laagdoorlaatsekties, de hoogdoorlaatsekties en de beide notches. Zoals eerder gezegd bepaalt de pulsbreedte van de schakelsignalen de afstemming van de filters. In deel twee van het schema zien we de oorsprong van de schakelspanningen LPF, HPF, NOTCH1 en NOTCH2. IC13 is geschakeld als astabiele multivibrator. Normaliter zit tussen pen 7 van dit IC en de plus een weerstand. In plaats daarvan gebruiken we een stroombron, waardoor de timing-kondensator C47 lineair opgeladen wordt. Op pen 2 van IC13 staat een zaagtandspanning van ca. 40 kHz.
Figuur 5a. Het schema van het DX-filter is nogal "gevuld".
Figuur 5b.
Deze spanning staat eveneens op de ingangen van de komparators A13... A16. Door de triggerspanning op de andere komparator-ingangen te veranderen, kunnen we de duty-cycle van het (blokvormige) uitgangssignaal wijzigen. Deze triggerdrempel kan met behulp van de potmeters P8 (LPF), P11 (HPF), P14 (NOTCH1) en P17 (NOTCH2) kontinu gevarieerd worden. De instelpotmeters aar weerszijden van de afstempotmeters bepalen het afstembereik van de filters. Verder zijn er dan nog de schakelaars S1 en S2. Hiermee worden de notches in- en uitgeschakeld (schakelaar gesloten = notch uit). De notch zelf kan enigszins worden beïnvloed door de instelling van de netwerken P2/R21/C16 en P3/R37/C21.
Opbouw afregeling en gebruik
Een blik op de koper-layout en komponentenopdruk van de print voor het DX-filter (figuur 6) laat zien dat er heel wat gesoldeerd moet worden. De print biedt de mogelijkheid om het filterdeel en het pulsbreedtedeel apart uit te voeren. In dat geval moet men de print eerst op de stippellijn doorzagen. Bij de opbouw kan men het beste beginnen met de diverse draadbruggen. Wat betreft de weerstanden en kondensatoren doet men er goed aan om te kiezen voor kwaliteitsspul. Voor de kondensatoren MKM-typen en voor de weerstanden liefst metaalfilm-typen. Dit laatste is trouwens niet direkt een "must": metaalfilmweerstanden zijn nogal kostbaar en met gewone weerstanden gaat het natuurlijk ook redelijk goed. LI, L2 en L3 zijn ontstoorspoeltjes. Elk spoeltje bestaat uit 6 windingen koperlakdraad met een doorsnede van 0,25 mm, gewikkeld op een ferrietkraaltje van 3 × 3 mm. De aansluitingen +8 V, -8 V, nul, 1, 2, 3 en 4 van de pulsbreedteprint worden met de overeenkomstige aansluitingen op de filterprint verbonden. De verbindingen met de afstempotmeters kunnen het beste zo worden uitgevoerd dat, als de loper geheel linksom gedraaid is, deze naar de "a" -kant van de potmeter wijst. Rechtsom draaien van de knoppen komt dan overeen met een stijging in frekwentie. Dit is makkelijk in het gebruik, wanneer men met een schaalverdeling o.i.d. werkt.
Figuur 6a. De koper-layout van de schakeling.
Figuur 6b. De komponentenopstelling van de schakeling.
| R1 | 220 k |
| R2 | 10 k |
| R3,R5,R7,R9,R40,R41,R43,R46,R55,R57,R59,R61,R63,R64 | 3k3 |
| R4,R6,R8,R10,R39,R42,R44,R45,R56,R58,R60,R62 | 150 k |
| R11,R47 | 39 k |
| R12,R48 | 680 Ω |
| R13,R49 | 5k6 |
| R14,R50 | 270 k |
| R15,R51 | 120 k |
| R16,R17,R52,R53 | 2k2 |
| R18,R27,R28,R37,R38,R54 | 100 k |
| R19,R21,R25,R26,R29,R31,R35,R36 | 27 k |
| R20,R22,R23,R24,R30,R32,R33,R34 | 1M5 |
| R65 | 4k7 |
| R66 | 47 Ω |
| R67 | 12 k |
| P1 | 500 k instel |
| P2,P3 | 1 M instel |
| P4,P5 | 10 k instel |
| P6 | 10 k log |
| P7,P9,P10,P12,P13,P15,P16,P18 | 25 k instel |
| P8,P11,P14,P17 | 10 k lineair |
| C1 | 47 n |
| C2 | 220 p |
| C3,C46 | 470 n |
| C4,C22,C30 | 27 n |
| C5,C23,C31 | 4n7 |
| C6,C24,C32,C49-C52 | 10 n |
| C7,C25,C33 | 8n2 |
| C8...C11,C26...C29 | 15 n |
| C12...C15,C17...C20 | 2n2 |
| C34,C35,C47 | 1 n |
| C36...C39 | 10 µ/16 V |
| C40...C45,C48,C53,C54 | 100 n |
| C16,C21 | 100-p-trimmer |
| T1 | BC557B |
| D1 | LED |
| IC1 | LF356 |
| IC2,IC3,IC4,IC12 | TL084 |
| IC5-IC11 | 4066B |
| IC13 | 7555 |
| L1,L2,L3 | 6 wnd. CuL 0 0,25 mm op ferrietkraal ca. 3 × 3 mm |
| S1,S2 | enkelpolige schakelaar |
| EPS 86001 |
De schakelaars S1 en S2 worden aangesloten tussen de desbetreffende aansluitpunten op de filterprint en de Maansluiting. Over blijven dan nog de in- en uitgangen. Naast een gewone uitgang (A) is er ook nog voorzien in een aparte uitgang voor een bandrecorder of een telex/morsedekoder. De ingang en de uitgangen zijn trouwens de enige verbindingen die afgeschermd moeten worden. De andere verbindingen kunnen met flat-cable of soepel snoer worden uitgevoerd. De voeding voor de schakeling, plus en min 8 V, kan volgens de in figuur 7a voorgestelde schakeling gebouwd worden. Op het eerste gezicht lijkt de voeding tamelijk ruim gedimensioneerd, maar als we naast het filter ook nog een audio-eindversterker willen inbouwen, dan is een iets te zware voeding eerder broodnodig dan overbodig. Wie zich in dit tijdperk van geïntegreerde schakelingen nog wil wagen aan een diskreet opgebouwde audio-amp, kan de in figuur 7b afgebeelde schakeling nabouwen (een IC mag natuurlijk ook). De ingang van de eindversterker wordt aangesloten op de loper van P6.
Figuur 7a. Een voorbeeld van een voedingsschakeling voor een symmetrische voedingsspanning van + en -8 V.
Figuur 7b. Haast klassiek is deze opzet voor een audioversterker met symmetrische voedingsspanning.
Tot zover het opbouw- en in-bouwwerk. Nu is het afregelen aan de beurt. We gaan uit van de situatie: P1/P2/P3 in de middenstand, P7/P9/P10/P12/P13/ P15/P16/P18 geheel rechtsom (minimale weerstand) en de beide notchfilters uit. Allereerst gaan we het regelbereik van de potmeters P8, P11, P14 en P17 instellen. Aan de uitgang van A13 meten we met een oscilloskoop de blokspanning. P8 wordt geheel linksom gedraaid (loper naar "a"). De uitgangsspanning is dan konstant laag (ongeveer -7 V). P7 wordt nu zodanig ingesteld dat er net smalle positieve puisjes verschijnen. Daarna wordt P8 geheel rechtsom gedraaid. De uitgangsspanning is dan konstant hoog. P9 wordt nu zo ingesteld dat er juist nog smalle negatieve pulsjes te zien zijn. Deze procedure wordt nog een keertje herhaald en dan staat P8 "in range". Deze handeling wordt ook nog eens uitgevoerd voor de resterende drie potmeters. De afregeling volgens bovenstaand recept geeft een maximaal afstembereik voor de filters (hoog-kantelpunt tot max. 3,5 kHz, notches tot max. 2,5 kHz). Wie dit wat ruim vindt, mag de instelpots rustig "krapper" instellen.
Afhankelijk van het door de ontvanger afgegeven signaal kan P1 naar believen ingesteld worden. Wel even uitkijken dat het signaal intern niet tegen de voedingsspanning vastloopt! Resten ons nog twee instelpunten per notchfilter. De potmeters voor laag en hoog worden in de stand "breed" gezet, d.w.z. het hoogdoorlaatfilter zo laag mogelijk en het laagdoorlaatfilter zo hoog mogelijk. Aan de ingang bieden we een frekwentie van ca. 1 kHz aan (eventueel een interferentiefluitje uit de ontvanger). Na het inschakelen van een notch-filter wordt allereerst afgestemd op minimale output. De trimmer en de instelpot worden ingesteld op een zo klein mogelijk uitgangssignaal. Daarna wordt hetzelfde gedaan voor het andere notch-filter.
De afregelklus is nu geklaard. Hoe we in de praktijk moeten werken met het DX-filter, is in feite moeilijk uit te leggen. Met het draaien aan de knoppen leert men nu eenmaal het meest. Op de foto's van figuur 8, 9 en 10 kunnen we u een aantal typische instellingen laten zien. Opmerkelijk zijn de resultaten in figuur 11 en 12! Wie goed kijkt, ziet dat de instellingen dezelfde zijn als in resp. figuur 8 en 10, maar dat de flanken steiler zijn en de notches dieper. We hebben hier gebruik gemaakt van een voor de hand liggende toepassing van de filter-unit, nl. het achter elkaar schakelen van twee filter-printen! Daar de afstemming voor beide printen synchroon moet verlopen, worden de pulsbreedte-signalen van een-en-dezelfde stuurprint afgetakt. In theorie verdubbelt dan de (toch al aanzienlijke) steilheid nog eens!
Figuur 8. Door het laagdoorlaatflter in de hoogste stand te zetten en het hoogdoorlaatfilter in de laagste stand, is de doorlaatband op zijn breedst.
Figuur 9. Hier worden de kartelpunten van de filters zo dicht mogelijk bij elkaar gelegd. De doorlaatband is dan zeer smal. De flanksteilheld in het hoog is extra verbeterd door plaatsing van een notch "aan de voet".
Figuur 10. Binnen de door-laatband worden twee frekwenties verzwakt (bijv. een telex-station).
Figuur 11. Zo steil wordt het filter wanneer men twee printen in serie schakelt (vergelijk met figuur 8).
Figuur 12. Ook de notches worden dieper bij twee achter elkaar geschakelde filters (vergelijk met figuur 10).
In figuur 13 zien we het impuls-gedrag van het filter als het ingesteld staat zoals in figuur 8. Het uitgangssignaal verloopt eerst sterk piekvormig en dempt daarna relatief lang uit. In figuur 14 staat nogmaals een impulsfoto, maar dan met beide notches ingeschakeld binnen de doorlaatband (situatie in figuur 10). Een groot verschil, nietwaar! De sterke pieken in het begin zijn "gladgestreken" en de totale duur van het uitgangssignaal is korter. Het zal duidelijk zijn dat dit laatste een stuk aangenamer zal klinken dan dat van figuur 13. Het gehoor is nu eenmaal extra gevoelig voor pulsvormige geluiden. Bij extreem sterke puls-storing ("woodpecker"!) kan men dus door plaatsing van de notches in de doorlaatband de verstaanbaarheid van het gewenste signaal aanzienlijk verbeteren.
Figuur 13. Het uitgangssignaal (boven) ten gevolge van een naaldvormig ingangssignaal aan de ingang (onder) in de stand "breed"
Figuur 14. Dezelfde situatie als in figuur 13, maar dan met beide notches ingeschakeld. Let op de relatief korte uitsterftijd en het ontbreken van steile pieken in het uitganssignaal. Ideaal bij pulsstoring.