Op zoek naar een filterschakelingetje voor mijn 80m CW-transceiver die momenteel in de maak is, liep ik bij het doorworstelen van een aantal oude Ham Radio Magazines (tnx Mans!) tegen een leuk ontwerpje van een instelbaar CW-filter aan.
Het ontwerp maakt gebruik van twee oude bekenden: de 741 op-amp die bijna iedereen nog wel ergens in zijn junkbox heeft, en de LM339, een quad op-amp die Conrad voor €0,15 levert. Dat levert het volgende schema op:
De 741 in de eerste trap is geschakeld als dubbel teruggekoppelde banddoorlaat versterker met een Q van 10 en een versterking van 4.1 Normaal gesproken heb je een meertraps filter nodig, waarbij elke trap beperkt is tot een Q van 4 of 5 om ringing te beperken. (Ringing is het uitslingeren van het filter nadat je er een puls op zet, als gevolg van de hoge Q). Hier kan echter een hogere Q toegepast worden omdat er maar één trap gebruikt wordt. Het resultaat is een scherpere, verbeterde shape factor. R1 is een variabele weerstand voor het instellen van de centrale frequentie van het filter, welke je meestal instelt op de offset die je voor CW ontvangst gebruikt (meestal ergens in het gebied van 700 tot 800-Hz). Als je het filter altijd met dezelfde ontvanger of transceiver gebruikt, kan je van R1 een instelpot maken die in het kastje gebouwd wordt zodat je weer een extra bedieningsorgaan uitspaart.
De tweede trap is een comparator waarvan de uitgang laag is als het signaal van het bandpass filter dat toegevoerd wordt aan pin 5 lager is dan de waarde van de spanning die op pin 4 aangeboden wordt. De uitgang op pin 2 schakelt snel naar "hoog" zodra de positieve top van het signaal een paar millivolt boven de waarde van pin 4 komt. Het netto resultaat van de twee trappen is in onderstaande figuur te zien:
De resulterende karakteristiek is die van een perfect CW filter. De platte top in de doorlaat voorkomt ringing, omdat pin 2 hoog blijft, zelfs als de uitgang van het banddoorlaatfilter boven de instelling op pin 4 varieert. Daarmee krijg je een shape factor van 1:1, vanwege de sterke verandering in uitgangsspanning zodra het signaal boven of onder het niveau van de instelling op pin 4 van de comparator komt. R2 varieert die instelling (threshold) op pin 4 van de comparator, waarmee de bandbreedte van het filter bepaald wordt. Het verdient dus aanbeveling om R2 op het frontpaneel te monteren.
Een tweede op-amp wordt gebruikt voor het instellen van het comparator niveau. De LM-339 wordt toegepast vanwege het feit dat deze met een enkele voedingsspanning genoegen neemt en omdat er vier op-amps in de 14-pens behuizing zit. Dat betekent dat er al een tweede op-amp (plus nog twee reserve) aanwezig is. (Waarom de auteur dan niet meteen een opamp uit de behuizing voor het bandpassfilter gebruikt is me niet helemaal duidelijk – red.) Een tweede op-amp wordt parallel geschakeld aan de eerste zodat deze hetzelfde signaal toegevoerd krijgt (de punten X en Y in het schema). De uitgang daarvan schakelt een LED waarmee de schakeldrempel aangegeven wordt. De LED gaat uit zodra je met de drempelinstelling de ruis wegdraait. Wordt een toon ontvangen, dan gaat hij aan. Daarmee knippert hij dus in het ritme van de ontvangen morsecode en voor sommigen is dat een handig extra visueel hulpmiddel. De uitgang van de comparator is verbonden met R3, die als volumeregeling voor het filter dienst doet. Die hoeft maar éénmalig afgeregeld te worden, zodat deze het best als instelpotmeter uitgevoerd kan worden. De loper van R3 is capacitief gekoppeld aan een uiteinde van R4, die als fader dienst doet. Het andere uiteinde van R4 is verbonden met het signaal dat rechtstreeks van de ontvanger komt. Daarmee kan je soepel variëren tussen het gefilterde en het ongefilterde signaal, of een mix van die twee. R4 op het frontpaneel monteren is dus wel weer handig.
Onderstaand schema toont hoe een op-amp te gebruiken is als effectief bandpass filter.
Het oplossen van drie eenvoudige vergelijkingen bepaalt de waarden van de componenten:
Q = R3 * π * fc * C ofwel R3 = Q / ( π * fc * C ) (1)
Gain = A = R3 / (2 * R1) ofwel R1 = R3 / ( 2 * A ) (2)
R2 = Q / ( (2 * Q2 – A) * 2 * π * fc * C ) (3)
Waarin C1 = C2 = C en fc de centrale frequentie is.
Q = fc / ( 3dB BW ) => BW = Bandwidth = fc / Q (4)
Voor fc = 750Hz, A = 4, Q = 10 en nemen we 0,1μ voor C, dan volgt:
R3 = Q / ( π * fc * C ) = 10 / ( 3,14 * 750 * 0,1 * 10-6 ) (5)
= 42.443,1 Ohm
R1 = R3 / ( 2 * A ) = 42.443,1 / (2 * 4 ) = 5.305,2 Ohm (6)
R2 = Q / ( ( 2 * Q2 – A ) * 2 * π * fc * C ) (7)
= 10 / ( ( 2 * 102 – 4) * 2 * 3,14 * 750 * 0,1 * 10-6 ) = 108,3 Ohm
3dB BW = fc / Q = 750 / 10 = 75Hz (8)
Omdat condensator en weerstandswaardes vaak aan de bovenkant van hun tolerantie blijken te zitten, neem je waarden die onder de berekende waarden liggen. Neem bijvoorbeeld 4k7 voor R1 en 36k voor R3. Potmeter R2 mag elke voor de hand liggende waarde hebben – zoals 200 ohm of hoger. Berekenen we het filter opnieuw maar nu met 0.15-μF condensatoren, dan volgt 3k3 voor R1, 100 ohm voor R2, en 27k voor R3.
Het schakelingetje is vrij eenvoudig op te bouwen op een stukje experimenteerboard. Hoewel de voedingsspanning op 5V aangegeven wordt, voelen de opamps zich zelfs lekkerder bij 13.8V van de set. De weerstand in serie met de LED moet dan wel 1k worden, of zelfs iets meer bij een low-power LED. De uitgang van een 250k potmeter rechtstreeks naar een hoofdtelefoon komt mij wat vreemd over. Daar zal toch op zijn minst een emittervolger achter moeten, of een LM386 versterkertje. Dat moet ik nog even uitproberen. Maar een hoofdtelefoon rechtstreeks hierop aansluiten is mijns inziens kansloos.
R4 doet dienst als fader, maar die kan je eventueel ook vervangen door een enkelpolige omschakelaar. Het ongefilterde geluid staat op de loper van R4 als deze in de richting van de bypass line is gedraaid. Die stand is handig bij het afstemmen. Een fader is makkelijker dan een schakelaar omdat je dan een mix van origineel en gefilterd geluid kunt maken. Pakt het filter niet (want dit soort ontwerpen zijn een ramp bij fading, of sowieso variërende geluidssterkten bijvoorbeeld bij het ontbreken van AGC zoals in direct conversie ontvangertjes) dan hoor je in elk geval nog het originele geluid. Draai je de loper in de richting van de filter uitgang, dan hoor je uiteraard alleen het gefilterde geluid. Maar in plaats van een sinus hoor je dan een fors geclipt signaal, te vergelijken met de CW limiters in oude buizenontvangers. Dat is vrijwel een blokgolf maar de auteur claimt dat het makkelijker te nemen is dan een sinus.
Afstemmen gaat als volgt: Stem de set af op een draaggolf (fluittoon), of maak een draaggolf met je meetzender en voer niet meer audio toe dan nodig is om het filter te laten werken. Zet R1 en R2 helemaal linksom (maximale bandbreedte). De LED moet nu aan zijn. Draai nu R2 naar rechts tot de LED uitgaat. Draai nu R1 op tot de LED weer aan gaat, en onthoud de stand van de knop. Draai R1 verder in dezelfde richting tot de LED weer uit gaat, en onthoud de stand van de knop weer. Zet R1 in het midden van de twee gevonden waarden en draai R2 iets naar rechts tot de LED weer uit gaat. Uiteindelijk vind je een instelling voor R2 en R1 waarbij de afstemming precies op de toon is afgeregeld en de bandbreedte te regelen is met R2.
Hier nog wat voorstellen voor de opbouw van het geheel:
