一般電壓控制頻率型的振盪器,大都是採用函數波產生器(FUNCTION GENERATOR),先產生方波與三角波,再將其中的三角波經正弦波轉換器,改變成正弦波而輸出。本文所要介紹的電壓控制頻率型的振盪器,則與函數波產生器完全無關,他是採用R-C振盪方式,直接取得正弦波。R-C方式比函數波方式的好處是失真較低,缺點是不容易以電壓來控制振盪頻率。但是,羅哲還是想盡辦法來試做了一個線路,居然還很符合一般的要求,而且線路也並不很複雜。
線路概述
一般的R-C式振盪器,大都使用WIEN-BRIDGE,或SULZER BRIDGE來改變振盪頻率,在此捨此二者,改用ACTIVE FILTER。
不論是WIEN-BRIDGE也好,SULZER也罷,甚至是ACTIVE FILTER,其濾波器的頻率,總脫不開是以改變RC乘積的時間常數,而達成目的的。我們可以令R固定,而C可變;或C固定,而R可變;或者是其中之一可變,另一個採用每檔10倍的開關方式,來振盪出20Hz的頻率。羅哲製作電壓控制振盪器的目的,就是要捨棄那個倍率檔的開關的。因此必須想出一個可以有1000倍變化的R或C值的裝置,並且此種變化,可以經由電壓的變化加以控制之。或許有人建議,採用電壓控制可變電容二極體(VARACTOR)。可惜,此種裝置的電容量僅及數百pF,無法振盪出數十Hz的低頻信號,除非我們的值能採用到數千MΩ以上的電阻來配合。此種超高阻抗的電路,實在是一大難題。可行之道,似乎就只有電壓控制的可變電阻了,而這種東西也不是輕易地就可以找得到的。替代的方法仍然是有的,例如採用CdS光敏電阻,以LED與CdS封在一起的OPTO-COUPLER,就是一種很好的可變電阻,其電阻值的變化量,在1000被左右是不成問題的。至於電阻值的變化,則與LED所產生的光度成反比,而LED又近似與其所流過的電流成正比。那麼,電流與電阻近乎成反比的關係式也就成立了。如果在配上電壓──電流轉換裝置,電壓與電阻的反比關係也就幾乎成立了。而濾波器的RC常數,總是和頻率成反比的,那麼電阻值與電壓成反比,又與頻率也成反比,則頻率自然與電壓是成正比的了;電壓控制式的RC振盪器也就幾乎成功了一半了。
羅哲老是在本刊寫振盪器,寫都寫膩了,因此也就懶得再分析線路了,但是幾個KEY-POINT還是需要交代一下。圖一就是實際的電路。在此,使用一個TL-084的QUAD OP IC,利用其中的三個做成一個ACTIVE-BAND-PASS FILTER,剩下來的另一個OP-IC做成電壓對電流的轉換裝置。用這個OP-IC與一個NPN的電晶體,形成一個CURRENT SOURCE,利用這個CURRENT SOURCE來推動OPTO-COUPLER內的LED,以達成改變電阻值的效應。因為ACTIVE FILTER線路內有兩組R-C電路,其R值必須聯動(GANGED VARIABLE),因此兩個LED是串聯在一起,流過的電流大小才一致,也因此電阻值才會一起變化。當然,聯動誤差(GANGED ERROR)還是存在的並且也還不小,聯動誤差的存在,會使得振盪器的工作,不論在振幅上或頻率上,都很不穩定,但是我們仍可以設法加以克服。
振幅的不穩定,並不單是會由GANGED ERROR造成,GANGED ERROR只會在不同頻率時造成振幅輸出的不同,但是其他的因素包括溫度的變化、電壓的變動或者外來的干擾,都會使回授量超出平衡點之外(正回授大於負回授),而一旦不平衡發生,則REGENERATION必然產生,而使得輸出循環相激,終至使輸出的正弦波振幅大到超出電源電壓所能提供的最大振幅而造成CLIP後的方波波形。如果,我們能在負回授線路上動點腦筋,問題是不難解決的──想辦法在輸出振幅變大時,讓負回授量也增加。一般常用的方法是採用熱敏電阻、鎢絲燈,甚至採用FET於回授電路上,以求穩定振幅。在此,上述三種方式皆不採用,而改用OPTO-COUPLER。
首先,將正弦波輸出串聯一電阻,再經全波整流,然後用以推動OPT-COUPLER內之LED。當輸出振幅變大時,流經LED的電流也隨之變大,LED的亮度隨之變大,造成CdS的電阻減少。而此CdS正好是接在振盪器的負回授電路上,CdS電阻減少則造成負回授量增大,振幅因而被減少,一增一減最終必定達到平衡點。此種CdS方式的負回授,響應速度極快,比之熱敏電阻、鎢絲熱有過之無不及,即使是急速的改變頻率時,GANGED ERROR急速變化下,也不會有明顯的振幅不穩定狀況出現。整個電路分析至此,可以發現至少使用了三個OPTO-COUPLER,而這東西可也不便宜,一個大約近百元。以一般CdS與LED,自行以不透光的罩子封閉起來,足堪代替,只是嫌太麻煩罷了。自製的話,可以將兩個CdS封在同一個LED上,以代替兩個CdS與兩個LED分別封閉,用於濾波線路上,說不定可以獲得更均一的GANGED ERROR,而改善性能呢!但是自製時或許要費番手腳。
一個電壓控制式R-C振盪器,至此大致完成,如果在電壓對電流轉換器的輸入點,施加一個正電壓,在正弦波輸出點就可以有波形輸出了,以示波器觀察此點的波形,確實是很漂亮的正弦波。借用一個廠製品的一般R-C振盪器,將其輸出接到示波器的水平輸入,以李沙育圓來觀察頻率的飄移情況,發現會有少許但不嚴重的飄動,如果要求不苛的話堪可通融。若想進一步穩定振盪頻率的話,則需另謀對策。
假如,我們能製作一個線路,將頻率轉換成相應之電壓或電流,再將此電壓或電流回授以控制CdS的電阻值,則頻率的漂移情況就可以獲得改善。此種回授方式,必須先取得與頻率相應之電壓,在此我們可以一個頻率對電壓的轉換電路(F-V CONVERTOR)達成目的。頻率──電壓轉換電路的唯一要求就是輸出電壓必須只和頻率成正比,而不管振幅是否有所變動。先將正弦波輸出信號,經過一個SCHMITT TRIGGER轉換成方波,再將此方波經過微分電路微分之,得到一正一負的脈衝波,取其正向脈波以驅動一個單穩(MONO-STABLE)脈衝產生器。這個脈波產生器的輸出,不論輸入的觸發脈衝頻率是多少(在此至少是20Hz至20KHz),其輸出的脈衝的時間寬度和振幅都必是保持恆定,因此,採用單穩態電路是最恰當的。此外,脈衝的寬度必須少於兩個相鄰觸發脈衝的間隔之半,才不會擾亂了單穩態電路的穩定性,一般是取兩觸發脈衝間隔的40%以下最有把握。在本電路中,希望能工作到20KHz以上,兩個觸發脈衝的間隔最少是1/(20KHz)=50uS,取其40%,則為20uS。能夠產生20uS的電路有很多,例如做為TIMER用的IC-NE555,也是很好的線路,但是用到20uS時發現已經不很精確了,因此換用速度較快的IC,如CMOS中的CD-4047。
當輸入單穩電路的觸發頻率是20KHz時,輸出脈衝的導通率是40%,而輸入出發頻率為20Hz時的導通率則是0.04%,介於其間的觸發頻率,則是按頻率的高低,其導通率成正比例的增加。如果將此脈衝經過積分器予以積分,若積分器的時間常數夠大的話,可以獲得近似直流的輸出電壓,而其大小則和觸發頻率成正比。
SCHMITT TRIGGER和積分電路,各需使用一個OP-IC,因此,使用二個DUAL OP-IC TL-082做成之。本製作有若干部分工作於較高頻率,甚至脈衝信號,有些部分又要求高輸入阻抗,同時具備HI-SLEW RATE和HI-IMPEDANCE的OP-IC,唯有採用BI-FET式的OP IC如TL-084或TL-082或其他類似產品了。事實上,這個線路羅哲若干年前即已開始構思了,只是當時BI-FET OP IC尚未問世,因此震盪頻率總高不過2KHz,直到最近因工作上的需要,才又把它試製一次,終於也算完成了。最後,就是如何把與頻率相應的輸出電壓回授,以穩定振盪器的振盪頻率的問題了。在此所謂的回授,當然是負回授,才會有穩定的功能產生。就是把輸出與輸入信號做一比較,取出其誤差,用此誤差來回饋至放大器,以修正輸出。在此,輸出信號是指用以控制振盪頻率的直流信號;輸出信號,則是由頻率對電壓轉換器的輸出電壓或電流。差信號之取得,可以一個減算電路進行之。在此,我們可以利用積分電路,而將二者合而為一。將輸入控制振盪頻率的直流電壓串聯一只電阻接到積分電路的輸入端子。由於電壓對流的轉換器是輸出正脈衝的為了達到減算作用,控制電壓必須改為負電壓。減算電路是將脈衝電流的平均值與控制電壓所產生的直流電流加以比較,而取出差信號來。由於這個減算電路兼有積分作用,因此二者的差信號當然仍是直流,當然,積分電路的RC時間常數必須取得非常之大,尤其是在低達20Hz的頻率時,仍然要求不可含有太多的漣波成分。如果,積分電路的RC時間常數不夠大的話,在低振盪頻率時,波形會有嚴重的失真出現。可是時間常數選得太大的話,也會有副作用產生。例如,改變輸入控制電壓的大小,以改變頻率時,振盪頻率會延遲一段時間才達到穩定。線路圖上所示數值,是羅哲實驗而認為失真與穩定時間二者協調下的數值。如果對於失真還不滿意的話,可以再將積分電路的時間常數提高,只是要犧牲一點穩定時間罷了。或許,我們可以將頻率對電壓轉換器加以修改,而不在積分電路上動腦筋,例如將輸出電路經過PLL電路與除算電路所組成的倍頻(例如10倍以上)之後,再驅動頻率對電壓轉換器,再送入積分器,則積分的時間常數可以按其倍率減少。當然,倍頻電路內的PLL線路還是需要一段時間才能達到穩定,但是失真率一定可以降低。這個構想一直未曾證實可行,說不定會因PLL電路的介入而產生HYSTERISIS也說不定。
經過頻率對電壓轉換之後,又經過回授的修正,振盪頻率的穩定性確實有很大的改進。以一部廠製的RC振盪器,和本線路接在示波器上,以李沙育圓觀看頻率的飄動情形,確實可以得到一個幾乎不擺動的圓形或橢圓形,觀察了數分鐘之久,未見有任何變化。於是切斷本電路的電源,數分鐘之後再度接上電源,立刻又呈現一個穩定的圓形,而證實了線路的穩定性確實改進了不少。
有不少朋友,喜歡做自動掃描信號產生器,這個線路或許能提供參考,例如在控制電壓上施以一個三角波或鋸齒波,就是一個掃描產生器了,只是這些控制信號必須是負值的,否則是不動作的。
轉載音響技術第87期MAR. 1983 RC式壓控頻率振盪器/羅 哲
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