Filtro de telegrafía analógico

 

Hoy en día, igual que siempre, cuando bulle el segmento de CW y en ausencia de un buen filtro a cristal de 500 Hz, el operador sufre de estrés agudo ya que debe seguir una señal en medio de un mar de señales, unas más fuertes, otras más débiles pero todas parecidas y sonando a la vez. Un O.M. experimentado no tiene problemas, pero el que empieza agradece algún tipo de filtro que “limpie” la señal que desea copiar.  

FILTRO LIMPIADOR. 

El filtro que se expone está basado en los trabajos de G4YKT sobre filtros de audio por giro de fase que, publicados en la década de los 80 del pasado siglo, se caracterizan por su estrecho paso de banda a -3 dB y la verticalidad de sus pendientes que se acercan a 1:2 para una atenuación de -20 dB. Su otra principal característica es que como el Q es menor de 1 no aparece ningún campanilleo ni distorsión de la señal durante la recepción.  

DIAGRAMA DE BLOQUES. 

En el diagrama de bloques podemos ver de forma sucinta la estructura del filtro. De derecha a izquierda hay un amplificador de BF para altavoz o auricular un filtro pasobanda que mediante un conmutador se conecta a la entrada de señal, filtro ancho o a la salida de la cadena de filtros, filtro estrecho.

COMO FUNCIONA. 

Nos vamos a centrar en el filtro estrecho compuesto por 4 células butterworth en cascada, OP1 a OP4. Todos los filtros son idénticos por lo que cada filtro va estrechando la banda respecto del anterior. La respuesta total del filtro es una respuesta en forma de campana centrada en 750Hz.

En la figura podemos ver como se va estrechando el filtro, pero la pendiente no es muy abrupta. Si nos fijamos en las líneas de puntos que muestran la variación de fase, vemos que hay dos frecuencias en torno a los 750Hz que presentan un desfase de cero grados. Cada filtro produce un desfase de tal forma que la diferencias de fase entre el primer y cuarto filtro puede ser un múltiplo de 2*K*π*φ, siendo K un valor entero y φ la fase. Por tanto si el desfase es 2*K*π el desfase real es 0. Bien, si las fases entre la señal a la salida del primer filtro y del cuarto es cero y ajustamos las amplitudes para que sean iguales y las restamos, se producirá un nulo o máxima atenuación a esas frecuencias. 

 

 

En la figura adjunta podemos ver cómo se produce un estrechamiento de la banda de paso gracias al nulo de estas dos frecuencias. Si nos fijamos en el esquema de más adelante, las salidas de U1b y U2b se llevan a unos atenuadores resistivos, uno de ellos con un potenciómetro de ajuste, que conectan con un operacional configurado como restador. Los divisores se encargan de igualar las amplitudes y el restador las anula en las dos frecuencias que se cumple que el desfase entre las dos señales es 2*k*π y tienen la misma amplitud. Este sistema de estrechamiento de filtro presenta un problema: la máxima atenuación viene determinada por la respuesta del primer filtro. La causa es evidente. Al conectar la salida del primer filtro al sumador, de nada sirve que la otra sección atenúe mucho más las frecuencias por encima y debajo de los nulos, ya que el sumador deja pasar la señal de más amplitud del primer filtro. Para mejorar esto se ha añadido una célula más que mejora el rechazo fuera de banda. Esta célula se usa además como filtro ancho para ayudar a la sintonía. El ajuste de amplitudes es más importante que sirva para estrechar el filtro en lugar de obtener una mayor atenuación. Por tanto es una solución de compromiso entre rechazo y ancho de banda. Como el estrechamiento no se hace por una cascada de filtros que cada vez van estrechando más la banda, la tendencia al efecto campana de este filtro es mínima. Es importante que no haya tal efecto ya que en lugar de mejorar la recepción en realidad la estropearía. 

 

ESQUEMA.

En la parte superior esta el circuito de alimentación. El conector J3 se utiliza para alimentar el circuito desde una fuente de alimentación de entre 11 y 13,8 Vcc. EN J2 se puede conectar una batería recargable de 9Vcc. Es un poco justa pero el circuito funciona. Al conectar el macho en J3 se abre el circuito dejando la batería, que haya en J2, conectada a la alimentación exterior mediante las resistencias R31 y R33. Estas resistencias limitan la corriente de carga de la batería. Están ajustadas para 50mA aproximadamente, pero se puede cambiar el valor según el tipo de batería que se conecte en J2. Si la corriente de carga es muy alta se tiene que elegir resistencias de más potencia, pero no cabrán bien el espacio reservado. Se pueden montar de pie. El regulador de 8V se encarga de alimentar el filtro. El regulador permite mejorar la alimentación de los filtros y aislar del ruido de alimentación del LM386. La alimentación con pilas no es aconsejable si se usa un altavoz ya que la corriente que consume agotará rápidamente la batería. Cada operacional tiene su propio filtrado de alimentación, incluido el LM386, con el fin de evitar realimentaciones por la línea de alimentación. 

 MONTAJE. 

 El diseño de la placa PCB en la que solo hay que insertar los componentes siguiendo la serigrafía. La mayoría de los componentes son fáciles de localizar, excepto las resistencias del 1%. De no ser posible conseguir resistencias de 1% o 2%, como se usan solo tres valores distintos, lo aconsejable es comprar una docena de cada valor del 5% y seleccionar con un multímetro aquellas que sean parecidas dentro del margen del 1%. Otra opcion es hacer un paralelo de dos resistencias que dé como resultado el valor del 1%. 

La altura del eje del potenciómetro es importante para luego poder usar las cotas de mecanizado de la caja. 

 

 

 

 

 

Los componentes propuestos son solo a título de referencia. Se pueden usar otros equivalentes de otra marca siempre que la forma y tamaño coincida para poder montarlos en el circuito impreso. El conmutador se puede encontrar, además de en RS, en la cadena DIOTRONIC, con referencia 8019L CONMUT 1C2P VERT SPDT, de Madrid. R19 puede bajarse de valor hasta 33K. En este caso se puede aumentar el nulo y aumentar la frecuencia de éste, pero cuanto más alta sea la frecuencia del nulo y mayor sea la atenuación a esta frecuencia, peor rechazo de banda obtendremos. El potenciómetro con interruptor para circuito impreso es de paso 5mm y la distancia de las patillas del interruptor a las del potenciómetro son 10mm también. EL valor no debe ser ni muy bajo ni muy alto. 10K es un valor muy adecuado, pero hasta 47K irá bien, aunque puede aumentar la sensibilidad al ruido de 50Hz. Si se usa un valor muy bajo, 1K por ejemplo, es posible que C14 necesite aumentar de valor a 1 o 2,2 uF. Estos valores altos no es fácil encontrarlos en formato CK05. En lugar del TL072 se puede usar el TL082, MC1458 o NE5532 y en general cualquier operacional doble que coincidan las patillas. Si el operacional consume mucho se puede reducir la resistencia de alimentación que conecta con la patilla 8. 

LISTA DE MATERIALES

Componentes	Valor	Cantidad
U1, U2, U3	TL072 (ver texto)	3
U5	LM386	1
U4	78L08	1
D1, D2	1N4007	2
C22	100N	1
C1, C2, C3, C4, C6, C7, C8, C9, C12, C13, C17, C19	10N	12
C15, C25	470N	2
C18, C20, C21	220U/16V	3
C5, C10, C11, C15, C16, C24	10U/16V	6
C23	1U/16V	3
LED1	LED 5MM	1
R34	2R2	1
R30	10R	1
R35	15R	1
R12, R17, R25, R31, R33	100R	5
R18	100R ajustable	1
R32	1K	1
R28	1K ajustable	1
R14	3,3K	1
R2, R22, R27	10K	3
R29	10K potenciómetro con interruptor (ver texto)	1
R21	33K	1
R19, R20	100K	2
R5, R8, R9, R10, R26	2K26 1%	5
R4, R7, R11, R13, R24	100k 1%	5
R3, R6, R15, R16, R23	226k 1%	5
SW1	Conmutador 2p2s (ver texto)	1
J1, J2	Jack hembraa estereo 3mm	2
J3	Jack de alimentación	1

AJUSTE 

Para el ajuste necesitamos un oscilador. Como este instrumento no está disponibles para todo el mundo, si que se puede usar instrumentos para PC que usan la tarjeta de sonido como interfaz HW. El programa Soundcard Scope 1.41 es un osciloscopio y un generador, ambos de dos canales. Nos tendremos que hacer unos cables para conectar la entrada del filtro a la salida de auricular del PC y la salida del filtro a la entrada de linea del PC. Si es un portátil, en lugar de la entrada de línea hay que usar la entrada de micrófono pero como es muy sensible habrá que poner un atenuador. 

El filtro lo colocamos en modo estrecho y a medio volumen. Ajustamos R18 totalmente en sentido horario y R28 en sentido antihorario. Conectamos un altavoz,

o el PC, a la salida del filtro y ajustamos la frecuencia del generador en 720Hz y a un nivel suficiente para que se oiga sin distorsión, menos de 170mV. Pasamos a filtro ancho y ajustamos R18 para que se oiga el altavoz o PC con el mismo volumen que el filtro estrecho. Repetir el paso estrecho-ancho-estrecho varias veces hasta que no se note un cambio de nivel. Si se dispone de un voltímetro de BF simplemente ajustamos R18 para que haya el mismo nivel de salida en el altavoz en ambas posiciones del conmutador. 

El ajuste de R28 se hace para una frecuencia determinada, por ejemplo 575Hz. Ponemos el generador en 575Hz con el filtro estrecho. Ajustamos el volumen a máximo. Ajustar R28 para la mínima salida de audio. Si se usa el SW recomendado se puede usar la pantalla “Frecuencia”, en modo lineal de forma que se aprecie bien el mínimo en el ajuste. Desmarcar la opción “autoescala” ya que al variar el ajuste, se ajusta la escala y no es fácil encontrar el mínimo. 

RESULTADOS OBTENIDOS 

El prototipo ha dado las siguientes medidas:

• Ruido a máximo volumen sobre 16 ohmios: 1 mV eficaz.

• Ganancia a máximo volumen: 26dB.

• Máximo nivel de entrada para salida a máximo volumen y sin recortar: 170mV.

• Distorsión <1% a máxima salida sobre 16Ω, para 150mV de entrada.

• Mínima señal de entrada para 10dB de relación señal/ruido: 150uV.

Ancho de banda

 

OPERACIÓN

Se conecta a la salida de auriculares de cualquier receptor, dosificar el volumen del receptor hasta sea suficiente para excitar, sin saturar, el amplificador del filtro, manteniéndolo lo más bajo posible pero confortable. El LM386 puede excitar un altavoz de 1W y 8Ω. No obstante resulta ideal utilizar unos auriculares de 32Ω y alto rendimiento. En este caso hay que tener cuidado con la máxima salida que puede dar el LM386 ya que alcanza los 10Vpp y esto con un auricular producirá daños en el oído. Para limitar la potencia que llega a los auriculares hay que colocar una resistencia serie con los auriculares de 2K2 a 4K7 dependiendo del rendimiento de los auriculares o limitar la entrada para que la salida no suba más allá de 100mV. Esto con los RX que no disponen de CAG es realmente importante.

Con el interruptor en “ancho” se obtiene un filtro centrado en 750 Hz de amplias faldas, que permite una cómoda sintonía. En modo “estrecho” el paso de banda como hemos visto es de 55 Hz a – 3 dB. Si la estación no está bien sintonizada no la oiremos bien.

Hay que tener en cuenta ciertas consideraciones para no vernos defraudados con el funcionamiento del filtro. Lo primero es que hay que recordar que una emisión en CW es una modulación de amplitud y que por tanto tiene un cierto ancho de banda. El filtro atenúa más de 40dB a 575Hz, pero si oímos una telegráfica sintonizada a 575 Hz veremos que el filtro no la rechaza esos 40dB. La causa es que al cerrar y abrir la llave se produce un pulso de con unos flancos de subida y bajada abruptos y esto se traduce en unas bandas laterales muy anchas. Los emisores más modernos mejoran este efecto mediante rampas de subida y bajada suaves, no es el caso de un simple TX al que se le interrumpe la portadora con una llave. Por tanto, el filtro será efectivo cunado la señal a rechazar esté lo suficientemente alejada de nuestra frecuencia como para que sus bandas laterales no entren en la banda de paso del filtro.

La imagen del osciloscopio muestra en el canal superior la salida de audio filtrada, escala 0,2V división y en el inferior una telegráfica aplicada a la entrada del filtro, escala 2V división. La frecuencia del tono es de 550Hz. La atenuación es de 20dB. Pero hay que fijarse bien que la salida del filtro es solo un pulso cuando aparece la señal a la entrada y cuando desaparece. Esto son las bandas laterales que caen dentro de la banda de paso del filtro y no son eliminables de ninguna manera. Son parte del espectro de emisión. Para que estas bandas laterales desaparezcan a niveles de -40 dB la frecuencia interferente debe estar por debajo de 400Hz o por encima de 1200Hz.

CONCLUSIONES.

Este filtro limpia la señal de forma efectiva y es de gran ayuda en amontonamientos y concursos, siendo bueno para rescatar señales de en medio del ruido. No intenta sustituir los magníficos filtros DSP de un ordenador pero el resultado se le parece, con todas sus limitaciones.

ANEXO

Para facilitar el montaje en caja se proponen dos soluciones. Caja metálica RETEX o caja de plástico hecha con impresora 3D.

Caja RETEX

El circuito está diseñado para ser montado en una caja RETEX 31040110. Para ello es necesario mecanizar la caja según los dibujos adjuntos.

Caja plástico