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  測量濾波系統之頻率響應的儀器,從簡單的正弦波產生器及電錶(當然這還得加上描圖紙及很大的耐性才行!),到上百萬的即時頻譜分析儀都有。掃描振盪器(Sweep Oscllator)則是介於前面兩個極端中間的儀器,採用示波器來顯示近似即時的響應。雖然它對音頻設計及修護的工作是非常有用的,可是普通成品的價格卻非一般業餘音響愛好者所能負擔。本文要介紹的這種音頻掃描振盪器,是採用一種特殊的IC,來克服價格過於昂貴的設計難題,同時也更容易組裝。

  這種音頻掃描振盪器利用一個內藏三角波(rampwave)產生器,產生一個頻率逐次增加或減少,掃描過整個音頻範圍的低失真正弦波。這個正弦波送到帶測的系統中,待測系統的輸出再接到一具示波器上。振盪器輸出的掃描電壓便控制著示波器的水平偏向,待測系統的頻率響應便以振幅對頻率的方式,顯示在示波器上。由於信號頻率與掃描電壓呈指數的關係,所以頻率軸就成為對數的形式。對缺乏水平輸入的示波器,就利用一個標示每次掃描起點的脈波來觸發示波器內部的時基。

  同時,本機如同其他一般的測試用振盪器,也具備輸出方波之能力;如果你願意的話,他還可以選用外接其他的±15V穩壓電源供應來供電。

正弦波的產生

  本機採用了一種稍微不尋常的正弦波產生法,將電壓控制振盪器的三角波輸出,送到一個追踪低通濾波器(tracking low-pass filter)──這個濾波器是用來除去信號中的諧波成分(參見圖一)。因此產生一個涵蓋整個音頻範圍,不含切換(switching)失真、且失真小於1%的正弦波。實際上此處並非想設計一種類似正交振盪器(quadrature oscillators)或二極體整形網路(diode shaping networks)的替代品,而係利用半導體微技術(Solid State Micro Technology)為廉價音頻方面之應用而設計的SSM2040。這枚IC加上一枚外加的運算放大器,提供了一個電壓控制振盪器(VCO)及成對的三極濾波器(3-pole filter),再搭配一個對數頻率軸所需的指數控制電壓轉變器。

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電路概況

  圖二是本機的電路圖。振盪器基本上是由SSM IC4組成──此二者分別為三角波/方波產生器的積分器及Schmitt觸發器。增益器輸出的電流是和輸入電壓及指數轉變器電流成正比。這個電流係用來在正負0.6V的上下限裡,供C7充放電,隨著受電壓控制的頻率,產生三角波及方波。R1將一個小電流加入到R2上,使增益器獲得輸入補償,並把IC4的不對稱之最大及最小輸出電壓,調到最對稱的波形。

  電壓控制濾波器包括三個完全相同、串聯使用的低通濾波部分。注意其中的第一級(用到IC3的10、11、12三腳),這種接法看起來像積分器,但有個R8負責回授。當輸入頻率遠低於濾波器的截點(reakpoint)時,C8幾乎沒有作用,負回授導致增益器的輸入如同接地。因此,這一級就像一個具有相當R8/R6增益(在本電路中,此值為1)的反相放大器。於頻率高過捷點時,C8上的電壓較輸入信號電壓為落後,兩者間的差值便出現在增益器的輸入。這樣就使C8上的電壓一直不斷成指數地產生一個與輸入信號呈反相的新值,結果在緩衝輸出的便是一個經低通濾波的信號。指數產生器的電流控制著傳送到C8上的電流,因此也控制著濾波器的截點頻率(break frequency)。

  濾波器的截點是設定在追踪著稍低於電壓控制振盪器之頻率的地方,所以即使整個濾波器的帶通增益是一,正弦基波實際是稍微有點衰減。這樣便可確使基頻與三次諧波(三角波中無二次諧波)間的斜度(slope)保持最大,使因為零件誤差引起的較高或較低的截止頻率,只影響正弦波的振幅,讓純基頻仍為最大。

  IC5是用來放大正弦波之振幅,VR7則係將其調整至10V峰至峰值。C17及R43將高頻予以衰減,以補償因SSM2040用於振盪器時,頻寬受限所引起高頻三角波振幅的增加。合成正弦波的電平變動,保持在全部量程的±1dB以內。S2用來選擇輸出波形,VR2控制輸出電平;R20及R21則將10Vpp信號衰減成為1Vpp輸出。

  掃描產生器主要是利用一枚單接面電晶體(unijunction transistor、U.J.T.)TR2。TR1是一個恆流源,向C12充電。當電壓達到+2.5V時,TR2就導通,C12透過R26快速地放電,至-11V,然後又重新開始充電,整個過程就一直不停地循環,產生一個漸升的三角波,其頻率由電路的參數及VR3設定的充電電流來決定。掃描時間的範圍大約是12秒至30毫秒(mS)。VR3要使用對數型的電位器,順時針方向右旋到底時,應是最大掃描時間,這樣整個控制範圍內的掃描時間分佈得才最好。

  IC6a作為C12上電壓之緩衝,同時將三角波的電位調整在零伏特二側呈對稱。為避免反馳線出現在畫面上,三角波的垂直部分要加速──這由TR4、C13及IC6b組成的追持電路(the track-and-hold circuit)負責。在波形上升部份時,TR4是導通的,C13上之電壓也是跟著增加(緩衝級IC6c的輸出電壓亦然)。到下一個三角波波形要開始時,TR3使TR4截止,緩衝級之電壓輸出仍停留在峰值時之電壓。在重設(reaet)脈波結束時,TR4才重新導通,IC6b的輸出再快速地下跌到新三角波電壓值。重設脈波同時也送到觸發輸出。

  IC7a反相掃描電壓,S3則係選擇向上或向下掃描所用的非反相或是反相掃描電壓。R35及R36將此電壓衰減,以適合大部分的示波器水平輸入之用。倘若示波器所顯示的光跡太寬或太窄,就要相對地調整R36之值。IC7b將來自頻率控制電位器VR6、掃描寬度控制電位器VR4、以及量程預設電位器VR5等之電壓相加,D3和D4則限制輸出電壓,使之保持在所需要的範圍之內。指數轉變器輸入(IC3的第七腳)的靈敏度是每八度音程18mV;R41及R42將IC7b的輸出予以衰減,以配合之。

  電源供應是傳統式的,利用兩枚100mA穩壓IC供應±15V。正常情況下,所消耗的電流大約正負極各20mA。

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組 裝

  把零件焊裝在電路板上,是依照一般焊裝的次序;先裝電阻、次裝電容、其次才裝半導體。零件的安排請參閱圖四。裝時最好使用IC座。電路板之設計,可以選用外部的±15V電源供應來供電;此時,就可把電源這一部分零件省下來了。仔細檢查電路板上的各個焊點,尤其是SSM2040附近的區域。SSM2040的輸入及輸出都沒有保護措施,只要稍有短路,就很令人遺憾了。接下來把可變電阻、開關及插座裝在面板上,然後把電路板用螺絲固定在機箱底殼上。用導線將面板上的零件和電路板連接起來,一根根分別地焊接,要比一齊焊接要來得好些。為避免低電平正弦波輸出端時取到方波,在電平電位器、電路板及各輸出插座都要使用最小的隔離線。隔離線的末端在電位器那頭接地(接到電位器的地電位),讓面板一併接地。焊接之前最好先用銼刀銼一銼,以免假焊。

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  在背板上除了電源插座之外,還有保險絲座及變壓器。接下來就安裝這些零件,變壓器裝在從正面看背板的右上角落。所有交流電源線均需有隔離或屏蔽。最後,再檢查電路板到面板、背板之間的接線。
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調 校

  把電源打開,頻率及電平控制都旋到中間的位置,用一部示波器檢查10V及1V的輸出。切換波形選擇開關,看看是否應有該出現的波形出現。檢查掃描控制的功能正常否,記得掃描時間控制順時針方向旋到底,應是最長的時間才對。將本機調在不需掃描,輸出電平先在最低處,把1V輸出接到一部音頻擴大機及喇叭上。監聽100Hz附近的方波,小心地調整VR1,直到只能聽到奇次諧波為止,此時偶次諧波已抵銷。倘若還不能確信這個方波是否真的調到50%佔空比(ark/space ratio),則可藉示波器來調,不過大部分的人都應該不難利用耳朵就調得相當好。

  VR1調妥之後,正弦波的失真便已達到最小。其餘兩個要調整的地方,就很容易了。將頻率控制旋到最大處,然後調整VR5,調到輸出頻率為20KHz。接著把頻率控制旋到中點的位置,調整VR7,使正弦波的振幅在10V輸出處之輸出為10V峰至峰值。

  把機殼完全裝妥之前,再用示波器檢查掃描及觸發輸出,如果有調整掃描寬度的必要,則依前面已提及過的方法調整之。

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使 用

  將本機適當的輸出接到待測系統的輸入,待測系統的輸出接到示波器的Y輸入。選擇X放大器為外部輸入,然後將本機的掃描輸出接上。輸出電平控制設定在適合待測音頻設備之輸入,然後把其他旋轉式控制都放在中點的位置,調整示波器,使光跡最清晰。波形選擇開關放在正弦波的位置,掃描開關放在向上掃描或向下掃描之位置。

  掃描速度慢一點,效果會比較好一些,但這樣也會使光跡難於讀出,所以也不能太慢。對大部分的濾波器及殘光持續性普通的CRT而言,掃描時間約在0.5S左右的效果最佳;然而碰到高Q值的濾波器或低頻時,就需要更長的掃描時間了。短掃描時間是供高頻或窄域(narrow band)響應測試之用的。

  振盪器的範圍(range)是受頻率控制所限制,所以使用最大掃描寬度時,倘若實際的掃描要涵蓋所有範圍內,就必須將頻率控制放在中點的位置。減少掃描寬度,就會只顯示出原顯示之響應部分的中央部分;反之,則可顯示的頻率範圍將向高低頻延伸。

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  圖六AB所示,是頻率響應測試的兩個實例,用五段圖示等化器在不同位置予以提升或衰減所攝得的。圖七則是當成一般測試用振盪器使用的另一個例子,顯示掃描振盪器的方波輸出加到一個待測系統,而這個系統有嚴重的鈴振(ringing)現象。

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  使用觸發裝置時,觸發輸出要接到示波器的外部觸發上,再將觸發電平調到穩定的光跡出現。隨著測試時之掃描率,在每一時基週期內會掃描全部振盪器之頻率一次。 (取材自Practical Elec. OCT./1982,原著C.J.F. Jordan)

轉載音響技術第87期MAR. 1983 音頻訊號掃描振盪器/趙建雄

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