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  在上一期文中筆者曾對咏青的電子調諧器做了一番設計過程的介紹,本期文中將對其電路做一分析,而對於傳統式(A.V.C及P.V.C)電路和電子式(E.T)電路兩者間亦做一比較。

  首先是傳統式,咏青所生產的機型分別為TX-250A、TX-250B及TX-250CT三者,其中A為指針式頻率指示,B為數字式,而CT為附有時鐘定時(TIMER)的數字調諧器。這三種調諧器部分的功能完全相同,都具有AM及FM兩波段功能,基板也相同,是比較大眾化的產品。

  調諧器的選台原理是根據最基本的諧振頻率公式

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而來,也就是說只要改變L(電感)或C(電容)的數值,就能改變諧振頻率。通常我們常見的電路都是使用可變電容器(Varicon),配合一個固定電感,而後將此調諧電路用在超外差式的接收系統中即可自由選擇接收頻率。當然以上的解說僅僅是說明電路的基本工作原理,實際的電路中又會因對高頻的穩定度、雜訊、選擇性、追蹤性能、失真、抗干擾......等問題的要求程度不同而有不同的電路,也就是說,不同的調諧器差異最大之處就是RF的高頻電路;而中頻(IF)及立體解調(MPX)電路則因所需之功能不同而略有差異,大體上來說對整個調諧器電路,比較不具決定性的影響。圖一為咏青傳統式電路的流程。

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  在此電路中,FM的高頻頭裡的射頻放大器是採用雙閘極的MOS FET(3SK45),除了雜音低之外,選擇性佳也是其一大優點,另外又加了有自動增益控制電路(AGC),使之在極強的電場情況下也不會過荷失真。本地振盪則採用比較穩定的考畢子振盪電路,再加上自動頻率控制電路(AFC),使之在長時間的收聽下能維持很穩定的振盪頻率而不會漂移。在射頻放大器之後,有兩級的調諧電路構成雙調諧(Double Tuning)型式,能同時考慮選擇性及頻寬。中頻及MPX採用IC為主動元件再配合良好的相位補償及高性能的濾波器,FM電路就能十分穩定的控制。AM部分也是採用IC為主動元件,只要線圈部份不太過於偏差,性能十分一致。

  事實上,這樣的電路在現有的套件市場都可以買得到,而且是每一家生產的大同小異,但又為何幾乎沒有兩家的產品測出來的規格會相同?其原因不外乎是材料的不同、基板設計法不同、高頻交連法不同,甚至調整上的差異也是造成不同的主要原因。在上一期文中,筆者曾一再強調材料的好壞、調整的方法是否盡心合理是決定套件品質的主要因素,至於基本的電路所應採用的元件數值、交連形態、地線的走法、振盪是否合於要求等等,就得藉助高性能的儀器來觀察。

  高頻電路之後為中頻放大電路及MPX電路,近年來IC幾乎取代了早期的複雜電路,因此性能比較劃一。本電路中也不例外地採用HA1137W及HA1196,AM則採用HA1197;此類IC在進口的調諧器產品中非常普遍的被採用,當然也有比它更好的IC(起碼在規格上是如此),但經筆者試用,如果沒有RF電路的徹底改變,未必能發揮其功能,也有的情況反而更糟,筆者不打沒把握的仗,寧可用比較熟悉且能駕御的IC。

  值得一提的是HA1196 IC為一枚PLL式的解調IC,分離度極佳,失真低,訊噪比也不錯,並且具有Auto Switching(自動切換)的功能,也就是說在接收情況較差時,IC會自動由STEREO切換為MONO,其目的是希望減少立體接收的雜音,弱訊號時尤為顯著。而有些讀者卻以立體燈是否容易亮來做為感度好壞的標準,其實這方法未必可靠,因為在自動切換的立體解調IC中,立體聲感度是個可變數,如果將此值定得較高,立體燈就比較難亮,這麼一來判定的方法就失之偏差。

  此外,在HA1196的電路中,有所謂的相位補償電路,此電路在立體分離度的調整中是個十分重要的角色,如果單以MPX IC做分離度測量,分離的效果必然十分令人滿意,但是接上中頻電路後就變得較差,而需要此相位補償來修正,因此這部分電路不可輕易省略,目前套件中有很多將此部分省略是有違常情的。此外MPX後面必須配以適當的濾波器,目的是濾除19KHz指引信號和38KHz副載波的信號,此兩種訊號處理不良,會造成分離度惡化、嘶聲等,尤其是38KHz部分,更可能和其他振盪源產生差拍(Beat),使得S/N惡化。

  筆者看過甚多的套件,濾波電路是採用簡單的RC一次濾波,固然價格十分便宜,但RC濾波為6dB的衰減,如果要將19KHz濾到起碼的程度,勢必會影響10KHz以上的音源,造成高頻被衰減的現象。於是又有人去解調電路上動手腳,以補償高頻的不足,反而造成嚴重的高頻嘶裂聲,尤其是分離效果大打折扣,所以很多人抱怨套件的分離度差、背景嘶聲大等是其來有自的。

  比較妥善的辦法是採用現成的濾波器,目前TOKO、SUMIDA等廠都有此類型產品在市面上流通,筆者測過其規格,19KHz有近30dB的衰減量,38KHz則近50dB的衰減量,最重要的是此種濾波器為LC式,所以比較不影響較低的頻率,自然濾過後的聲音比較純美。但是這樣的東西很貴所以價廉的調諧器上不敢採用,不過筆者以為濾波的方式甚多,同樣採用較簡單的方法,如兩級的LC濾波,採用簡單的線圈一樣可以產生相當好的效果,而價格比之RC式僅略貴,不也是很好的方法?筆者在咏青的外銷產品上就是曾採用此法。

  在傳統式的調諧器電路中,筆者儘量以採用數字顯示頻率為原則,原因是它代表著進步的象徵,起碼由外表看是如此,在目前大家都著重於規格上的標新立異之際,此種做法或許也能引起買者之注意;其次是傳統的指針拉線法往往和面板上刻劃不一致,這種缺點在目前市售套件調諧器和機箱上幾乎是最無法避免的事。做套件的只管生產套件,彼此並不能一致,再加上目前並沒有一定的頻率範圍做標準,所以最低頻和最高頻甚少統一,自然永遠無法和面板配合。筆者就用過87MHz~115MHz的調諧器,試問這樣的頻率範圍,找遍台灣能有一個機箱可配合嗎?所以說電台永遠不太準,假如大家都能像大廠一樣,將FM頻率調到87.5MHz~108.5MHz ±200KHz、AM為530KH~1650KHz ±20KHz,而機箱的刻劃也能依此標示,那麼標示不準的問題豈不就解決了!

  對筆者而言,傳統指針式的另一項缺點是品質好的飛輪難求,國內大部分的飛輪製造者所生產出的飛輪太過簡陋,不是軸心不正,軸間間隙不對,就是慣性太差,即使是套在外面的旋鈕也很少有軸心不偏的,如此一來旋動時就形成波浪狀,或是觸感不佳,故筆者捨指針而就數字!

  其實數字顯示也並非萬靈丹,指針式做得不好,頂多是轉得不順,看起來不準,不舒服,但卻不會影響電路。由於它顯示的是正在接收的頻率,而實際的接收狀況下,電路中並沒有這樣的頻率,必須利用RF電路中的本地振盪設法計算出,由於本地振盪頻率是屬於VHF的高頻區,且比實際接收頻率高了10.7MHz,必須注意計算器一點也不能影響它,而且還得減掉10.7MHz方可。當然這樣高頻的電路很難處理,一兩吋的引線就足以產生嚴重的輻射,干擾了其他電路,同時負載效應的造成也會影響電路工作狀態。

  筆者將數字顯示法簡略的說明,調諧器的電路為超外差式,此FM電路的本地振盪頻率比欲接收頻率大了10.7MHz,由於此頻率很高,如果以普通的計算器(COUNTER)去計算則無法算出。比較簡單的辦法是先將本地振盪頻率預除,除100或除其他數值,使得除後之頻率能和計算器的功能配合,再設法減頻,減掉10.7MHz,剩下的就進入計算器中,算出來的數值即為正在接收的頻率。

  或許有些讀者有製作過計頻儀的經驗,一兩百MHz並不是甚麼頂難的事,似乎要顯示頻率也難不了人,其實讀者莫要小看了它,要顯示它固然簡單,但要顯示得好且不影響原來的電路,學問可就大了。因為在高頻的國度裡,一丁點小的負載或輻射就可能造成致命傷,所以筆者極力反對只生產具有頻率顯示電路的機箱而任憑裝機者加裝調諧電路的作法。筆者幾乎可以肯定的說此種方式對電路會有莫大的傷害,它甚至會造成RF電路不工作,勉強的顯示,不如改用指針法來得好,畢竟我們是要好聲音而不是看數字。

  在早期使用數字顯示,這部分的電路十分複雜,需用上一、二十個IC,而今的電子技術已將它們合而為一,並且製作成耗電極小的CMOS合成IC(LS-I),有的甚至將預除電路、數字鐘等也合而為一體,配上簡單的幾個附屬電路就能讓顯示部分工作得票漂亮亮。可惜除頻電路對RF的影響仍然是免不了如果是製作體積小的手提數字調諧器,自然預除器能放在大IC中比較省空間,但對高性能的接收器,預除電路和顯示電路必須分開,而且除頻電路應放在最接近本地振盪電路且又得和RF電路隔離的地方,其引線不超過1吋為原則,這樣可以減少引線的雜散電容造成對高頻的負載,同時除頻電路中之高次諧波成分也不致產生干擾。

  更重要的是除頻電路不能直接接上本地振盪電路,必須加接緩衝器(Buffer),而此緩衝器如果採用FET晶體的射極隨耦器,並不能完全改善負載效應,如果能採用FET的源極隨耦器會來得更佳,至於除頻IC的供電壓及輸出也儘量採用低容量的同軸線或材質較好的隔離線,以避免輻射產生。

  AM波段中,由於頻率較低,只要經由射極隨偶器的緩衝器就可直接送到計頻器中,但AM的減頻則是455KHz,不過如果要將AM及FM同時輸送到計頻器中就必須使兩者混頻,混頻的結果可能造成AM振盪頻率被FM除頻後載波,而使得計算器發生誤動作,因此混頻點須恰到好處,否則就必須使用開關切換此兩者(IC及晶體)的供電壓,或是使用加法器混頻,不但可避免誤動作,也可以避免兩者輸出間的負載效應。

  總而言之,數字顯示絕非容易應付的玩意,當初筆者就是在完全沒有心理準備的狀況下進行了這工作,結果是絞盡腦汁才將問題解決,如今雖然已有了上千台的生產經驗,一旦設計時碰到數字顯示電路仍是心有怕怕。

  談完了傳統及數字顯示電路,接著就是電子式電路,本來電子調諧器在先進的國家中已經推出了好幾年,在我國,除了用於電視機的RF電路上(進口)之外,運用於調諧器上的還不多見,即使有採用,其RF電路大多是進口,自然造價甚高,對大多數的讀者而言,多半無緣購買,因之我們對它們也就比較陌生,筆者少不了要多費口舌一番。

  所謂電子調諧器,我們簡稱之為ET(Electronic Tuning Tuner),就是利用一種特殊半導體──可變電容二極體(Varicap Diode)的電容可變特性來改變諧振電路的諧振頻率,進而達到選台換台的功能。它不像傳統式的調諧器那樣是利用機械式的容量變換來換台,乃是利用電壓的施予來變化,這得歸功於近代電子零件的製造技術的進步,尤其是大容量變化的AM變容二極體十分不易生產,而生產出來的二極體還得經過極為嚴密的分級包裝,方能供應廠家使用。

  話說可變電容二極體(簡稱變容二極體),乃是利用其對逆向電壓的施予變化而產生電容量的變化,此特性即相當於一個可變電容器,當逆向電壓愈高時,等效電容也愈小,當逆向電壓愈低,則等效電容愈大,不過並非每一個變容二極體的電容量對電壓的比值都會相等,而其對電壓的變化率也不盡相同,如此一來就產生了問題,因為不論是AM或FM,都是採用多聯式的調諧,如果採用愈多聯,近似的變化率二極體也就需要愈多,這種情形在傳統的AVC或PVC電路中也是一樣,只是機械結構比較容易控制(雖說如此,國內目前仍無法生產AVC),如果說每聯的變化值不同就可能產生追蹤不良或接收不佳(某些特定點)的情形、即使在電路中予以補償,但對誤差較大的情況下仍是無濟於事。

  FM變容二極體的容量變化較小,以國內頻率而言,由10pF到40pF;但AM則差大矣,小至20pF,大則600pF,因之容量對電壓之變化率比較難相同,而這類的二極體價格十分昂貴也是有其原因的,圖二a為FM變容二極體的容量對電壓的曲線圖,圖二b則為AM。

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  我們將變容二極體和線圈構成一組諧振電路(見圖三),此圖中只要對之施加不同的電壓就能得到不同的諧振頻率,這就是電子調諧器的基本原理,然後我們將圖三此種電路應用到傳統電路之中,就可以構成一這簡單的電子調諧電路,圖四a為傳統式電路,圖四b為使用變容二極體的電路。

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  ET調諧器需要兩種電壓,衣飾普通放大電路的供電壓,如高頻、中頻、AM、MPX,都使用此電壓,另外是選擇電台的控制電壓,前者稱之為B1,後者稱之為B2。此B2的電壓範圍則依電路的型式不同而不同,有些是3V~24V,有些是1V~8V,10V或15V。總之,當B2為最小時,二極體的容量最大,頻率也就最小,B2為最大時則頻率為最高,此B2電壓必須是十分純淨且十分穩定的直流,即使是濕度或溫度的變化,對此電壓都不能發生太大的影響,否則必然產生頻率漂移的現象。

  在早期的構想裏,筆者曾考慮採用可變電阻來控制B2電壓大小,這樣的造價十分低廉,而顯示頻率的方法也是利用此B2電壓推動「點亮」是的電平指示器,甚或是表頭也可,由LED或表頭指針指示頻率,國外的產品也有這樣的作法,不過筆者擔心讀者不肯接受而作罷,否則這樣的方法既省錢又實惠!

  ET調諧器的另一項好處是可以自動選台,也可以預約選台(即所謂的記憶),要能自動選台必須要有能自動變化的B2電壓,並且能在適當的位置(例如有電台的地方)自動鎖定(Hold),而要記憶頻率,則必須設計出一套能夠記憶特定的電壓的電路才行。早期這樣的電路十分複雜,但近年也全被合成IC(LSI)所取代,因而想要做這類的控制電路並非難事,不過調諧器的中高頻仍得費心配合才行。

  目前這類的電子控制IC型式可分為兩類,一類是電壓合成式(Voltage Synthesizer),另一類是相鎖環頻率合成式(P.L.L, Frequency Synthesizer)。電壓合成式利用前述的以DC電壓加到變容二極體上,由DC的變化而達到換台的目的,此DC電壓則是由LSI送出,而此LSI是利用數位──類比的轉換器(D-A Converter)將數位信號轉變成對應的DC電壓,因此不會造成調諧器方面的S/N惡化。

  如果是採用P.L.L電路所需要的「電壓控制振盪器」(V.C.O)的振盪出來的頻率以及反覆比較P.L.L環路中的頻率,有可能產生極高次的諧波成分,會干擾調諧器原有的優良S/N特性,此干擾相當不好處理,而且P.L.L式的頻率合成電路在自動選台時,頻率並非連續變化,而是一級一級的「跳動」,如果電台間的頻率間隔不一致,有可能造成選台不佳的狀況,其次是調諧器本身的中頻必須十分準確,才能改善整個系統的接收能力之精確。

  在兩者比較之下,並考慮自身的技術能力,筆者選定了電壓合成方式,三陽的LC7200系列即為典型的電壓合成控制IC。此系列有LC7200、LC7201、LC7203及LC7207四種,性能大同小異,有些可用於長波或短波,也有些只有五組記憶系統,更有IC具交通情報(SK)的控制,筆者選定了具有七組記憶的IC(FM七台,AM七台)。

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  選定了LC7207之後,還必須配合一些重要的附屬電路;D-A轉換器,10個bit的階梯電阻;S曲線放大器;比較器;精密穩壓電路。圖五為整個電路的流程圖,至於IC如何進行選台,怎樣達到最佳調諧點,筆者分別說明如下。

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  7207能藉著調諧器中的S曲線自動校正到最佳的接收點,其工作原理見圖六。當來自接收系統中的S曲線穩定的進入LSI之後,LSI內的比較器就會偵查出SV/SH並將之固定,轉換器開始進行迴型的提取工作,一直到第八個最大振幅出現時(±56mV),藉著LSI內的S曲線完全形成,使校正工作轉入AFC工作狀態而後進階至正調諧區內。這些不斷的提取過程,使得調諧點能十分準確地停在S曲線的中心點上,預選的工作即完成。在此過程中,LSI會輸出一個高電平用以控制整個過程使之成靜音狀態,當工作完成之後即轉變成低電平區。

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  自動選台的頻率校準工作原理大致和預選台方式相同,圖七即為其說明。在找尋的過程中LSI中的UP/DOWN計數器會輸出一個掃描電壓,一旦曲線形成則和圖六一樣,會進入AFC工作狀態,此過程中LSI也會由MUTE腳輸出一電壓使之能靜音。

  大體上來說,經由這樣的精密選擇過程,使得自動選台及預選台都能達到相當準確的調諧點,在FM中誤差僅有±5K的偏差,AM也只有±0.3K的偏差,比之手動的傳統電路是來得較容易達到正確選台的目的!這也是此種電路最大的好處!

  總之,不論是自動選台、預選台,都必須依賴調諧器本身所產生的S曲線,沒有它即不可能進行,想當然的是S曲線做得是否成功才是操作系統的成敗關鍵。偏偏問題也就在這裡,在調頻的電路中,S曲線很容易獲得,這是因為調頻的基本工作方式是以10.7MHz為中心,以正或負的S曲線對頻率變化成電壓,所以不論是採用正交檢波,比率檢波或是他種形式的檢波,都能得到S曲線。但調幅的接收系統就不一樣了,他是以振幅的大小方式轉變成電壓,所以不論以何種方式的檢波無法獲得S曲線,7207 LSI卻很巧妙的利用其輸出控制由小至大的掃瞄,形成類似調頻的工作狀態,連帶著使AM產生S曲線,不過這原理在實際的運用中會發生問題,S曲線如何取出,取出後的振幅如果太小還得放大,放大後可能產生正回授、干擾、振盪等問題,大部分的設計者就因此而氣結,可謂功虧一簣。

  對於S曲線放大器及比較器,我們採用單電源且能工作於低壓的LM324,而LSI的工作電壓、BUC電壓、參考電壓則是由專司此職的LA5700擔任,圖八即為一完整電路流程圖。

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  接著筆者說明整個電路的工作及操作方法,首先是自動選台,當我們按下UP或DOWN鍵後,就給LC7207一道指令,使得它輸出一個連續變化的B2電壓,使得調諧器的接收頻率也跟著變化,當檢波電路中S曲線被DC Amp偵測出後就送入7207中,提取S曲線的工作即展開,直到頻率剛好校正至S曲線的中心點上,即停止變化,電台也就找到;如果不是我們想要的電台就再按一下,整個工作就繼續進行。此項手續必須注意的是,當壓下按鍵之後,即將手移開,否則電路的掃描工作會非常快速,大約五秒鐘即來回掃描一次,在這樣的情況下是很難以肉眼確定頻率,除非必要,否則仍是以IC自己找比較妥當。

  其次是自動選台對微弱的電台不予鎖定,這種情形在AM波段尤為明顯,必須藉助手動選台才能將弱電台找到,此外頻道中如果有雜訊,尤其是使用非平衡的天線(如夾一條引線為天線),由於雜波的介入,自動選台也會對之鎖定!

  上面所說的是自動選台的情形,如果是要記憶或預約電台,可以先以自動選台的方式找到電台,再按下記憶鍵(Memory),並同時按下(兩支手指)預選鍵中的任一鍵,則此頻率的電壓就會存入7207之中。由於7207可提供七個FM預選台、七個AM預選台,對本地而言,足夠應付一般的需求,對FM多餘台還可以做為FM無線麥克風的專用鍵,在演唱會或PA系統中十分方便。

  記憶系統中還具備一些其他功能,如單一訊號選擇輸入,也就是在任何狀況下,它只容許一個鍵發生作用。此外如果記憶動作發生時,原有的記憶就會自動消失。另一方面此IC也可利用VR座手動選台,這是假設希望收聽較弱的電台(尤其是AM)時,或是希望自己選台時,可先按下手動鍵(MANUAL),利用小「-」自行起子或小「+」型起子伸入圓孔中轉動VR,左旋逆時針為愈低頻,右旋順時針為最高頻,同樣的在手動的過程中也可以將電台記憶下來,方法同自動選台。

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  圖九為各種狀況的操作程序圖,筆者要說明的是,如果記憶的電台不存在或十分微弱而無法鎖定,記憶仍然有效,對記憶而言,則是記憶固定頻率,卻無法找到最佳調諧點,此外,本機的電路中仍裝有傳統電路的MUTINE鍵,目的是提供為手動選台用,如自動選台時按下並不產生效用。

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  在TX-250C的FM專用調諧器中,筆者也設計了一個錄音校正標準訊號,係單晶體的RC移相振盪器,產生出440Hz的正弦波,振幅為FM最大輸出的一半多一點,而本電路的輸出為1V,用此錄音標準訊號輸出為600mV左右,如果接上擴大機,而擴大機又接上錄音座,則此電壓會略降至500mV左右,使用於盤式錄音座,可將錄音電平校準至0dB位置,如果是卡式錄音座,則調到-3dB的位置,這樣一來,就可以放心錄音而不必擔心音量大小的問題!

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轉載音響技術第87期MAR. 1983 我想我做......咏青電子調諧器電路分析/夏海蔭

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