2006/03/03
JA1VCW

送信用オーディオフィルタを作る (part1)

PSN方式などのSSB送信機では、帯域の制限のために音声周波数に対して周波数制限を行う必要があります。
現在製作中のPSNの発生器のためにLPFとHPFを作りました。
結果はあたりまえのものができただけですが（電気通信基礎実験その1程度）、送信音質や雰囲気を伝達するための重要な部分ではあります。
この部分とマイクでいわゆる音の感じをきめてしまいます。
１． どんなフィルタが必要か
ａ）HPF（Highpass Filter）
ｂ）ＬPF（Lowpass Filter）
ａ）ば不必要な低域を除去するために使用します。 これが無い場合は低域が強く出た信号となります。
また不要サイドバンドの漏れの発生原因となる場合があります。
ｂ）は不必要な高域を除去するために使用します。 PSN方式やWeaver方式では法定の3KHzの帯域を守るために高域をカットしなければなりません。
２． 必要な特性
SSBの帯域は3kHzとなっていますので特にLPFではその点を考慮します。 減衰特性をどの程度にすれば良いかというと、勿論急峻であればそれにこしたことはないのですが、今回はフィルタタイプの特性程度を目標にしたいと考えます。
少し前のハイフレのXtal Filter（6ポール程度）の特性は図のようになります。
これに準じた特性として、右の様に目標を設定しました。
Audio Filter

X Filter
2.2kHz150Hz

2.7kHz

60dB

60dB
50Hz
3.9kHz4kHZ
SH=1.8
３． フィルタの種類
オーディオ周波数のフィルタの実現の方法としては次の２種類が一般的です。
ａ） OP-AMPのActive Filterｂ） L-C Passive filerａ）ではCRとOP-AMPで実現できます。
回路形式で有名なものとしては
１）Selen-Kay２）多重帰還３）state-valuable
等があります。 それぞれ特徴があって、また設計方法も確立しています。
色々なホームペ-ジや参考文献がいっぱいありますのでそちらを参考にしてください。
ｂ）ではL-Cを使って実現します。 これもａ）と同様にホームペ-ジや参考文献がいっぱいあります。
今回はHPFにOP-AMPを使用し、LPFにはL-Cフィルタを使用しました。
理由はHPFにL-Cを使用すると大きなインダクタンスのLが必要になるので形が大きくなるのと、Lの入手の困難があるためです。
また、LPFをL-Cを用いたのはOP-AMPを使用すると急峻な特性賀必要なために、回路規模が大きくなると考えたためです。

1４． LPF

L-C Passive filer

いろいろな形式があって一般的なものでは、１）バターワース、２）チェビシェフ、３）エリプティック、４）定Kなど有名ですが、設計はいろいろな方法があってこれも実際に作る場合は作りやすさがあります。
今回、次のように考えました。 要求は段数を増せばどこかで満足する点がありますが・・・・。
１）は、段数と特性の効率がわるい。 しかし特性が素直である。
２，３）素子感度が高く、コイルの調整が必要になりそうである。
４）１、や２の中間。ということで、４を実験してみることにしました。
シミュレーションせっかくPCで使用できる回路シミュレータがあるので、活躍してもらうことにします。
パッシブの回路は、素子のモデルが単純なので正確な結果が得られます。
定K型でもコイルを４個以上使用すると、前の条件を満足するようなものができます。

50-5 0-10-15-20-25-30-35-40-45

1000

2000

48.2mH

0.12uF

3000

48.2mH

0.22uF

4000

48.2mH

0.22uF

0.22uF

コイル直角
コイル離す
コイル近く
spice R=50
spice 理論値

48.2mH

0.12uF

低周波のLはインダクタンスが大きく、数十mHのものが必要になる場合が多く、自作するのは手間がかかります。
また、インダクタンスが多いゆえに巻線の抵抗も大きくなりますので考慮が必要です。
小型のインダクタでは、このような用途には向かないかもしれません。
本来ならばポットコアなどに太い線を巻けばQが高く、おそらくサイドバンドのフィルタに使用できるようなものができますが高価のものになってしまい、普及型のXtalフィルタが買えるほどになります。 第一最近はどこでコアが入手できるかわかりません。 昔はラジオデパートのオバサンの店で売っていましたが・・・
spiceでの理想フィルタと、巻線の抵抗が50Ωのときのシミュレーションをグラフにいれてみました。（上図）
F=2200kHz RT=660Ω です。 このとこのL,Cは 47.7mH、0.11uFとなります。
シミュレーションではカットオフより少し低い周波数ので若干減衰が発生します。
フィルタの段数を増やすと顕著になります。
直列抵抗50Ωという値はこのために購入したコイルの実測抵抗値です。
抵抗があるとパスバンド内が若干傾斜して、肩のところが丸くなっています。
実際のLPFに仕立てたときの特性です。
L,Cは 48.2mH、0.11uFです。 RT=670Ω で作成しました。 コイルの直流抵抗は約50Ωでした。
全体にカットオフ周波数が低くなっています。 コイルの値の違いの割合いよりも大きくずれています。
コンデンサの値も大きめなのでしょうか。 よくわかりません。
肩のところの丸が少し顕著です。
可能な範囲でコイルを離したり、曲げてみたりしましたが、有意な変化はみとめられませんでした。

2

Lに関してはインダクタンスをそろえています。 1個のCにコイルをつけて同じ周波数で同調するように、巻き数を減らしています。 下図のようにしてピークを検出します。
この場合は、コイルのリアクタンスは1kΩ以下なので、このような方法で十分だと考えます。
DDSの発振器がここでも活躍します。
100kΩ

L
10：1 プローブ

DDS
OSC

オシロスコープでピークを検出

C

コアを使用したコイルでは、大きな振幅でドライブするとひずみが発生すると言われています。
私は体験したことは無いのですが、一度チェックしておきたいと思います。

L-Cフィルタの実装
コンデンサはフィルムコンデンサを使用し，基板の裏につけてあります。
コアの直径は10mm程度です
右の基板の回路はHPFです。

５． HPF

OP-AMP使用のアクティブフィルタ

HPFはカットオフ周波数が数100Hzと低いので、L-Cフォルタですと素子の値に大きなものが必要となるので、アクティブフィルタにしました。 ロールオフの特性もあまり急峻でなくてよいので段数も少なくてすみます。
バターワースの４ポールで、カットオフ周波数は150Hzとしました。
方式は多重帰還型にしました。、素子数も少なくしかもNFB方式なので、Sellen-keyのPFBと比べてなんとなく良さそう。 （気分の問題です）
実測値で-3dB 150Hz， 24dB/octであり、計算値と良くあっています。
50Hzが33dBも減衰しているのが、ハムに対して有利です。

Butterworth 4pole HPF
0-5 0100200300400dB-10-15F特-20-25-30-35Hz3６． 総合特性
下図のようになりました。
総合特性
100dB-1001000

2000

3000

4000-20-30-40-50Hz７． 感想
１）特性的には実用になるものができたと考えます。 これでPSNタイプのジェネレータでon-airできました。
２）欲をいえば、LPFをもう1段位段数をふやしてみたい。
さらにもっとQの高いコイルと、選別したコンデンサを使ってみたい。
３）できてみると何のことはないが、これになるまで結構大変でした。
トロイダルダルコアに線を巻いて作ったのは良いが、コアの温度特性が悪く、手で触っているうちに周波数がずれたり、入力レベルを変えると周波数が変わったり初歩的なミスがいっぱい発生しました。
コアがよくなかったのですが、自分のやっていることを良く認識していないのが原因でしょう。
４）ジェネレータに装備してモニターしたところ、 ハム！！
トランスからずいぶんはなれているのに・・・
コイルが野放しに置いてあると、ハムセンサになることがわかりました。 磁気シールドを行なうか、さらに遠く離すか、方向を変えるかなど。
良くみたら、何と MICAMP > HPF > LPF の順に接続されています。 これではHPFの50Hzの減衰の恩恵が受けられない。 HPFで50HZは30dB以上減衰できるので、接続を変更して逃げることにしました。
完全にはとりきれません。 でも実用上はOKなのでしばらくこれで使用します。
根本的には前記の対策を実施しないといけません。
５）写真のようにコイルをこんなに並べてしまっていいのでしょうか？ コイル間の結合がありそうな気がします。
でもトータルな特性は一部のコイルを横にしても有意な変化はみとめられないが・・・・
前記のようにハムを誘導しているのならば、コイル間に結合が発生しても不思議ではないのですが。
減衰の大きなところでは違ってくるのでしょうか？
６）現在の特性は、図のようになっているが、300Hz > 3kHz にかけて減衰があります。
モニタしてみると、低音が強調されているように聞こえました。
LPFのカットオフをもう少し高い周波数に上げるとか 2.7kHz > 2.9kHz またはHPFのカットオフを150kHz > 200Hz に上げれば良いかもしれません。 このあたりマイクの特性と関係していじりはじめるときりがなくなるので、今回これでやめておきます。
カットオフの周波数が設計によって自由に変更できるというところまでとします。
７）HPFはもう良いので、LPFの特性のきれいなものにチャレンジしてみたい。
いちどFDNRあたりにチャレンジしてみたい。 また少し勉強しないといけません。

4７． フィルタの計算式
どこの資料にもある式ですが、これをExcelにプログラムしておくと、パラメータの変更などに便利です。
下図は2ポールの場合であり、４ポールのときはQを変えた2組を用意して従属接続します。
バターワース ４ポールの場合は、2組の回路を用意して ゲイン=1.0とし、（バターワースはゲイン１で作ることが多い)
1段目 Q=0.5412
2段目 Q=1.3065
としてパラメータを計算して従属接続すると、４ポールのバターワースのフィルタが得られます。
チェビシェフ特性も同様に各段のゲインとQを与えて計算すればよいことになります。 Excel等でプログラムしておくといろいろなパラメータを計算してくれるので便利です。
ゲインとQの表は資料で与えられています。

１）多重帰還 HighPassFilter

C3

C1
R1

決定する値は C, G0，F0，Qの4項目
C： コンデンサの値（任意）G0： この段のゲイン
F0： -3dBの周波数
Q： この段のQ

R2

K = 1/(2*π*F0*C1)C1 = C2 = C
C3 = C1/G0
R1 = K/(Q*2+1/G0）
R2 = Q*K*(2*G0+1)

C2２）定K型フィルタの計算式
L1Z0Z0
C1F0は-3dbの周波数の約1/1.35となるので注意が必要です。

C2参考
トランジスタ技術 ＳＰＥＣＩＡ Ｌ No.44
トロイダルコア活用百科
アナログ・デバイセズ アプリケーションノート

L1 ＝ Z0/(2*π*F0）C1 = C2 = 1/(2*π*F0）

CQ出版社
山村 英穂

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送信用オーディオフィルタを作る (part2)

2006/05/05
JA1VCW

part1では、LPFをLCフィルタで作成しました。
ところがトランスのリーケージフラックスの影響をうけて、どうもハムが取れません。 電源を離したり、方向を変えたりなど努力をすればよいのですが、そういうのは面倒！でということでop-ampのLPFを作りました。
１． 目標特性
part1と同じ特性を目標とします。 この特性では不満と思われる方もいらっしゃるかもしれませんが、先ずは電波を出すという点に主眼をおいています。
Ripple ： 0.01dB
cuttoff周波数 ： 2700Hz
減衰特性 ：-40dB @ 3.68kHz
２． 回路
チェビシェフ特性の2ポール*5ブロックとします。 即ち10ポールです。
設計方法はよくわからないので、設計ツールを使用しました。 私の使用したツールは一般的でないので、インターネットでは、いろいろと計算してくれるHPがありますのでそちらをご利用ください。
チェビシェフ特性の場合、リップルとポール数によって減衰特性が決まります。
従って同じポール数でリップルを大きく設計すれば、減衰特性のよいものができます。
たとえば リップルを0.5dBとすると、 -40dB@3.18kHzとなります。
今回はあえてなだらかなものにしました。
急峻な減衰特性を得ようとすると、その分位相の急激なシフトが発生します。 これがどのような影響を与えるかわ
かりませんが、必要最小限の減衰特性としました。
前記の特性を計算し、回路を実現しました。
フィルタの方式は、多重帰還型としました。
下記回路を表の定数を用いて１ブロックとし、A-Eまでをこの順に従属接続します。 Aが入力側ブロックです。
op-ampは NJM4580（Dual－OPAMP)と1%金属皮膜抵抗、コンデンサは5%のフィルムコンデンサ（選別なし）です。
10ポール・チェビシェフLPF

回路
AB
CDE

R1
6.2
108.2
9.1
10R2
6.2
108.2
9.1
10

抵抗 ： kΩR2ripple 0.01dB cutoff 2.7kHz

R3
1020
2018
9.1

C1
0.01
0.0022
0.001
470pF
220pF

C20.033
0.022
0.033
0.047
0.15

コンデンサ ： uF

３． 総合特性
得意のDDS発振器と菊水のミリバルを使用しました。
周波数特性は次ページのようになりました。

6R1C2R3C1HPF/LPFの総合特性 (LPFの計算値と実測値）

HPF/LPF総合特性

減衰特性
計算値 ： -39dB@3.7kHz
実測値 ： -37dB@3.7kHz

10.0000.000-10.000 0

2000

4000

6000

-20.000

実測値
計算値-30.000-40.000-50.000-60.000
LPFのCutoff付近の特性拡大

LPF cutt-off
0.000
2000
-2.0002500

減衰特性
計算値 ： -0.68dB@2.8kHz
実測値 ： -1.64dB@2.8kHz

3000-4.000

実測値
計算値-6.000-8.000-10.000

４． 感想
１） 全体的にはこれでOKとします。
２） 高い周波数のカットオフ付近のF特がちょっと計算値と合いませんが、1dB程度なのでこれも良しとします。
CR類は前記のもの、しかも設計ツールのほうでもE24系などとまとめてくれてしまっていますので、最初っからすこしずれています。 今から考えるとコンデンサだけでも容量合わせをしたほうが良かったと思います。
でも、今回は改善しません。 シミュレーションが簡単にできるのでそのうちやってみようと思います。
（暇ができたらです）
３） 何しろ部品が多くて作っていて、いいかげんいやになります(PSNほどではないけれど）。 使命感だけでつくったような感があります。
４） 写真です。 容量の大きなコンデンサや一部の部品を裏につけています。
op-ampが1個あまっています。
５） 最近良い特性のフィルタが無くて、少しバンド幅の広い3.4kHzなどの搬送用なるフィルタをよくみかけます。
このようなフィルタを送信用として使用する場合に適当と思われます。

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