由於交流同步馬達有可靠的工作性能,而且價格便宜,因此許多設備,像是速度可調的盤式錄放音座、時鐘馬達,甚至業餘天文望眼鏡的同步追踪等,無不應用上交流同步馬達。這種馬達的轉動速度完全由供應電力的頻率所控制,但是在大部分的單一特殊用途中,只允許用穩定、精確的電力來供應,在這種情形下,要改變馬達的轉速就顯得困難重重,不知所措,到底要如何來控制同步馬達的速度而使得變成『名符其實』的同步呢?最方便的方法,就是藉著改變供應馬達電力的交流電源頻率,以便達到控制使之同步的目的。一般視聽中心或圖書館對於錄製講演都以使用盤式錄音座居多,若是較新型的都設有轉速選擇,當然沒問題,一般有9.5"/19cm/sec的速度,少部分向GRUNDIG的TS-1000行就有4.75cm/sec的轉速可供使用,對於普通演講來說,使用9.5cm/sec來錄音,已算是很浪費價昂的帶子,更不用說是用19cm/sec(個人認為使用4.75cm/sec的轉速來錄演講已經很理想)。此時一般頻率響應約有20Hz~12KHz,但是如果你的盤式座沒有4.75cm/sec的轉速,要怎麼辦才能達到節約帶子消耗的目的呢?或者你要在4.75~9.50cm/sec間找一個轉速以達到合適的S/N比。因為在4.75m/sec通常有56dB的S/N,而在9.5cm/sec;只要裝置這一部交流馬達轉速控制器,便可以達到上述目的,如何使用,下面會詳述。另一個碰到的問題是,在去年年初有個月全蝕,使用業餘天文望遠鏡來拍攝全部過程,未嘗不是一件樂事,但是很不幸,十吋反射式天文望眼鏡是自日本進口的,它的同步馬達設計是使用50Hz電源供應,因而每次要按快門時,總得再微調望遠鏡,以便對準月亮,這使得工作上增加了不少困擾。另外有一次閒逛到中華商場時,除了採購些零件外,因為便宜之故,買了一片時鐘並附有定時器,但回來發現,馬達的輸入是50Hz、10Vp-p,雖然這只要一個555及2N3055便可以化50Hz為60Hz以供應之;但是這時鐘的準確程度全由供應馬達電力頻率的穩定性所控制,因而不得不稍微講究一點。由於上述的多用途而且在日常生活中常碰到,因而介紹這個控制器。事實上它已被收錄在音技82期的『實用電路精粹』中,編號是MO-10,但是由於上述原因及製作時可能會碰到困難,因而特別拿出來討論及介紹,藉此也可以稍加詳細介紹PLL的原理及應用。
這個控制器的基本特性
基本上它是由石英振盪器及除頻器來提供參考頻率,然後利用精確、穩定、易調的相鎖迴路頻率合成器(PLL frequency synthesizer)來提供所需頻率,進而把直流的+12V電源轉換成相對頻率的市電,以供應各種設備。雖然這個控制器的供應功率只有15W,但是如果需要的話,只要並聯多個輸出,便可以供應更大的輸出功率。這個控制器的輸出電力頻率範圍在10到100Hz之間(嚴格地說,應該是10Hz到99.9Hz),並且可以0.1Hz的解析度在此範圍內做選擇。
相鎖迴路頻率合成器原理
如圖A所示為一般相鎖迴路頻率合成的原理,穩定的參考頻率,一般為石英振盪產生器再經除頻後而得,與除N線路後所得的頻率互相比較,如果不相同的話,相位比較氣的輸出經由低通濾波器後,進而產生一個快速但平滑的『誤差電壓』,它用來控制壓控振盪器(VCO),直到除N的輸出與參考誤差頻率相同為止,這樣一來,我們所需的頻率,只要透過改變除N線路的N值,便可以達到。例如參考頻率是100Hz,如果我們N值設為500,那麼壓控振盪器的輸出為了達到穩定狀態必然是50,000KHz,要是改變N值為501的話,那麼壓控振盪器輸出就變為50100KHz的穩定狀態。如果對上述的壓控振盪器輸出再加以除頻的話,例如除100,那麼輸出頻率就是50.0及50.1Hz。由於這方法類似生物回饋系統,所以它非常的穩定及精確,而且調選容易,像是所謂PLL頻率合成收音機,也就是利用這種原理來提供本地振盪訊號,如此一來,選台當然是迅速、精確而又穩定多。另外,唱盤的轉速有所謂PLL控制者,也就是利用這種原理來監視及控制傳動馬達的轉速。現在我們回頭來說明這個控制器線路。
控制器線路說明
這個線路以由IC1、IC2及IC3所組成的相鎖迴路頻率合成器為核心,如上述,IC1的目的是提供100Hz的參考電壓,雖然只有八支腳,但它是一塊MOS LSI化的IC,本身除包含有須外加石英晶體的振盪器外,還有多級的除法器,使得頻率降除為100Hz以作為參考頻率,它和來自經IC3降除後的訊號在IC1內的相位比較器進行比較,再經由R3、R4及C5組成的環間低通濾波器後(Loop Low-pass Filter),其輸出電壓用來控制壓控振盪器。由C7及R2所控制的鴨控振盪器所產生的頻率範圍被限制在10KHz到100KHz之間(註一),S1 S2及S3是十進位的指撥開關,他控制IC3除法線路中的N值,進而控制壓控振盪器的振盪頻率。我們再舉個例子來加以說明,假若我們撥S1-S3為400,現在暫且不管VCO,事實上,這個時候VCO的頻率一定在10KHz~100KHz之間不穩定的變化著,假設說VCO瞬間為50KHz,那麼IC3除400後,IC3的輸出為125Hz,這與參考頻率100Hz相差甚多,此時相位比較器的輸出經過環間低通濾波器後,產生所謂的『誤差電壓』,這用來控制VCO,此時VCO頻率會往下偏移,當下降到40,000Hz這一瞬間,經IC3除400後,IC3的輸出為100Hz,與參考頻率相同,VCO也就穩定下來,此時,稱為鎖定狀態,在此之前,我們稱為捕捉狀態,他可以在幾毫秒(mSec)間完成,或更快,這與低通濾波器的反應快慢有關。現在繼續說明控制器的線路,上述的頻率合成器中的壓控振盪器輸出經過IC4及IC5後,總共除1000,因此把原來的10K-100KHz,降除為10-100Hz,經由反相器IC6F緩衝後,便拿來推動Q1及另一個反相器IC6A,以便推動Q2,以Q1及Q2為基礎,再分別推動Q4及Q5。T1可以把12-0-12的變壓器倒過來使用,也就是Q4及Q5的射極分別接在次級的兩端,而直流的+12V電壓則接在次級的抽頭位置,而初級接上附有電阻的氖管指示燈後,便可供使用了。
(註一):由於相鎖迴路頻率合成器中的環間濾波器的頻率響應及壓控振盪器的振盪頻率範圍等都影響到整個系統的穩定性、及反應快慢,如果設計不良的話,甚至會有失去控制的失鎖狀態(lose locked)出現,有關相鎖迴路的原理、設計、實驗、應用等可參考:Design of phase-locked loop circuits一書,作者是Howard M. Berlin,由儒林翻印。
+12V 直流電壓的來源
如果應用在室外,像是業餘天文望遠鏡地同步控制,可以使用蓄電池來供應,如果消耗電力不大的話,還可以使用輕便的乾電池,但是如果使用室內供電設備的話,可以使用圖三所示的電源,此電源未經穩壓,適合大消耗功率的情形下使用。
印刷線路板見圖四,元件的安置指示則見圖五,IC1~IC6都使用基座,記得位於IC2及R13間的兩條跳線務必接上,接著裝上所有電容,並注意極性,而且C5必須使用鉭質的,接著焊上石英晶體、穩壓IC,晶體Q1及Q2;可別把B、C、E搞錯了!接著再焊上D1及所有電阻便算完成了,另外安放在PC板外的元件及按鈕也須小心行之,指撥開關可用多顏色的排線與PC板連接,這樣比較不容易搭錯線,Q3及Q4,照規矩來,像是裝後級功率晶體般,散熱膏、散熱片萬不可少。
檢查及操作
首先拿個電子鐘插上此控制器,萬萬記得,沒有接上負載時,可別接上電源,因為這樣會損壞C12或變壓器的(後面對此缺點有一種改進的方法),然後先將S1-S3撥呈600,接著打開此控制器的電源,此時,時鐘應該會開始計數;再撥動S1-S3,看看時鐘是否會變快或變慢;至於精確度的校正,因為輸出頻率的精確性主要是由參考頻率所決定,所以利用計頻儀,偵測IC1的第七腳輸出是否為3.579545MHz,若不是,調半可變電容C3,使之接近此值,然後再測IC2的第4腳是否與指撥開關所設置的值相同,例如是601的話,測得的應該是60.100KHz,到此已達可用的成熟階段,現在要它能有±0.01%的精確度為你服務,應該是沒問題。萬一,焊接結束後,它不能工作時怎麼辦?別灰心,下面詳細地告訴你如何偵錯。
分成八個步驟:①首先查看保險絲,②整個線路消耗電流約在30mA左右,③量IC2的第16腳不是+5V ±5%的話,找穩壓IC7去,沒問題的話,查看哪個地方疏忽了造成短路,如果電壓正常,④用計頻儀或示波器是否有100H查看IC1的1腳是否有100Hz的方波,若是60Hz的話,⑤你錯用了IC1啦!可能你用的是MM5369N,記得這裡的IC1必須是EST型的,也就是型號為MM5369 EST者,⑥然後監視IC2的第2腳是不是55.500KHz,(此時N等於555),若不是或沒有訊號,則檢查IC2的相關線路,若是,改撥N呈405,則頻率讀數應該是:40.500KHz,⑦此時跳往IC5第12腳,應該測得40.5Hz,得不到這個結果時,仔細找IC4及IC5的毛病所在,⑧到此還存在的可能錯誤就只剩下晶體Q1-Q4 BCE 接腳了。
應 用
可調速度控制,如果你的馬達像EMPIRE盤式座串有螢管指示燈的話,先把它拿掉,它會限制流經馬達的電流,撥轉看看,N值不同,速度是否改變了呢?一般帶子在不同的機器錄製時,總有些不同,如果你的盤式座馬達是使用交流同步馬達,而且消耗不超過15瓦的話,便可以使用這個控制器來補償轉速;首先把盤式座打開並把馬達的電源分離開來,由此控制器供應,如此你的帶速便海闊天空,而且如果你要是對節奏很敏感的話,這個0.1Hz所提供的微調速度,能讓你調整到聽來舒服的程度。另外應用在業餘天文望遠鏡的同步馬達,一般商用的同步控制既不準確又不穩定,如此一來,要長期觀測的目標,很快就會無法同步而失蹤,但是只要用此控制器來推動,由於它的穩定和精確,並且隨時可以修正,因此要來追蹤監視或拍攝月亮、太陽、星星、衛星、星系等天體,自然不成問題。但是在這種應用當中,一般都在室外,如果天氣寒冷的話,應該先溫機,以確保操作的穩定。如果要稍微增加此控制器輸出功率的話,可以微減R17及R18,以增加推動Q3及Q4基極的電流,此時大約25mA,另外只要T1改用大功率型的,像是10A、12.6-0-12.6規格的,再加上四個功率晶體並聯使用時,可使輸出供應達到100瓦。還有若功率夠大的話你不妨試一試電風扇不同的N值,試一試轉速,你會發現,速度雖慢下來,但還是一樣有力,這與電風扇本身的轉速開關不一樣,它慢下來時力量也小了下來。最後,我們加上二個改進的功能。
二個改進的功能
如果你把此控制器的指撥開關誤撥呈085的話,IC2便掉到失鎖狀態,此時可用如圖B的附加失鎖偵測線路,利用失鎖時的IC B3 "Low"或IC B4 "H"來推動警告線路、或指示燈,以便告知失鎖的訊息。另外就是SO1,可用帶有開關的插座,像是交直流兩用收錄音機的電源座般,插入AC線,便把DC電源OFF掉,同樣這要SO1被插進,控制器的電源才可能打開,這樣便可以自動保護C12及變壓器T1。
轉載音響技術第87期MAR. 1983 利用PLL來控制同步馬達/林茂榮
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