波型觀測/第四篇──實用測試篇 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

第四篇──實用測試篇

　　在前面幾篇中我們把基本的理論與操作討論得差不多了,以此為基礎可以來進行一些實地的測試,測試些什麼東西呢?舉凡技術人可能遇到的測試對象,如:音響放大器、收音機、錄音機、唱盤唱頭、電視機,以及數位電路等等,本刊既是以音響為主,就以音響為對象來開始。

　　在測試之前還是要提醒各位先做以下的準備工作:

(1)預熱至少分10分鐘(示波器和待測對象皆然)

(2)調整示波器試棒的補償電容

(3)調整光跡的亮度和聚焦(INTEN & FOCUS)

(4)調整光跡的水平度(ROTATION)

　　然後就可以準備開始測試了!

(1)音響功率放大器的測試

　　音響用的功率放大器通常要測些什麼呢?如果不是很專業性的測試,大概下列幾項已足夠了:

　A.最大輸出功率

　B.輸入輸出特性(線性、相位等等)

　C.頻率響應特性

　D.失真率

　E.S/N比

以下將逐一來說明每一項的測試方法和結果的計算。

　　首先,測試功率放大器時各機器之間的連結應如圖一所示,放大器之負載是8Ω,其耐功率必須是放大器額定最大輸出功率的兩倍以上,並且最好是無感行,溫度係數也應儘量低。

A.最大輸出功率的測量

　　如果把輸入後級放大器的電壓和輸出電壓之間的關係劃成曲線,則將成為圖二的樣子,是條往上斜的直線,線的末端變成彎曲,這意味著該區域輸入電壓增加了,進而再增加輸入電壓的話,輸出波形將被切削(Clip)而產生大量失真。

最大輸出功率的計算應取最大不失真輸出電壓,配合所接負載的Ω數來算,舉個例子來說,圖三所示為A-30在1KHz 8Ω負載電阻下,不失真的最大擺幅,垂直的Scale是1V/DIV,使用1:10的試棒,換句話說圖三波形的半波Peak值是2.5×10=25V,要計算功率時得先換算成RMS值,因此圖三中A-30的輸出功率是(25×0.707)²/8≑39(W),這就是一部功率放大器的最大輸出功率(RMS值)。A-30是兩聲道獨立電源的,如果有兩聲道共用一電源的情況,在兩聲道同時輸出最大功率時,其最大不失真輸出電壓值必會下降少許(電源電壓下降之故),此點不可不察。

　　所謂輸入輸出特性,意指放大器的電壓增益大小,線性的好壞,相位移的大小等等。

　　電壓增益的大小,最好藉助於雙線示波器,把輸入和輸出電壓同時顯示出來,計算電壓的大小,相除之後所得的結果就是倍數,再以公式dB=20log(倍數),即可算出電壓增益的dB值。圖四的實例中,以1KHz,600MVp-p為輸入,算其輸出電壓為0.5V×5.7×10≑28.5Vp-p,得電壓增益為28.5/0.6≑47.5倍,換算成dB數為20×log(47.5)≑33.5(dB)。

直線性的好壞,如同圖五所示,以不同的輸入電壓(頻率為1KHz)計算其相應輸出功率,連成一個特性曲線,把負載電阻換成4Ω及16Ω以相同的輸入電壓測試,亦求出相應的曲線,從這些曲線群中,即可獲知輸入出的線性如何了。圖五特性曲線的上段彎曲部份,由於被測對象中裝有過負載保護電路,超過負載之後繼電器即跳開,故只能測到該點為止。

　　輸入出之間的相位特性,關於放大器是屬同相放大或是反相放大,一般可從線路圖中判斷(確定功率放大器的相位在電子分音系統中是很重要的),或者從圖四的輸入出電壓比較時亦可看出(A-30是屬於輸入出同相位者)。至於輸入出的相位移大小,可以藉著在測圖四之同時,把示波器的相關旋鈕操作到X-Y顯示方式(像KIKUSUI 5520有單鍵X-Y顯示最為方便),從出現的李沙育圖形中,依照上期所說的計算法θ=Sinˉ¹ B/A,求出B、A之值,即可算出θ角,圖六所示為A-30在1KHz及10KHz輸入時的相移大小,根據公式來算,10KHz時之相移θ=Sinˉ¹ 2/10≑11.5°。

C.頻率響應特性

　　頻率響應對於一部放大器來講,是個很重要的參數,因此測試時應以最符合人耳頻率特性的狀況來進行。由於大功率輸出之下,擴大器的頻率響應可能會表現得很好,但在實際聆聽之音量下其特性可能會變差了,因此測頻率響應曲線時,通常都以最大不失真輸出功率下的-20dB電平大小來測,換句話說,在A項測試中,當求得最大不失真輸出擺幅時,把輸入電平衰減20dB,以此電平大小,從20Hz~20KHz各頻點逐一去測輸出功率,並且描繪在對數表格上,即成為一條頻率響應曲線。通常測定頻率響應,是以-3dB時,該兩點間的頻率即為頻寬,換句話說,也是輸出電壓降至中頻段的0.707倍時,亦即功率只有一半時之頻率點。近代後級放大器的性能都相當優越,要想在0~40KHz之間獲得-3dB的響應是輕而易舉的事,所以目前市售的後級,差不多都是標出頻率點和衰減量而已。

　　另一種測量頻率響應的方式,是藉著放大器的方波響應來判斷,這種方法能迅速的獲知放大器的全盤響應情況,但確實的數字並不能立即得知。

　　圖七所示是利用方波來測試功率擴大器時,可能得到的幾種波形,以及其代表的意義:

(a)所示是低頻響應不足的波形,方波呈向右斜。

(b)所示是高頻響應不足的波形,在波形將達於兩個極端之時會產生圓角。

(c)所示是Slew Rate不夠快的響應情形。

(d)所示是電路的阻尼不良而產生振鈴現象的波形。

(e)所示是常稱為Overshoot的現象,這是起因於電路的負回授量過大而電路的響應又不夠快所造成的。

D.失真率的測量

　　一部放大器的失真大小,一定要藉助失真儀表來測量,只用示波器來看波形,頂多只能看出失真了沒有,而不能看出失真率是多少。根據經驗,正弦波形在人眼能察覺出它有失真時,其失真率往往已高達5%之巨了,而放大器的失真特性總在0.1%以內,因此非得藉助於失真儀不可。

　　測量音響放大器的失真除了要有失真儀之外,還需要一部極低失真的正弦波訊號產生器,測試時的接線如圖八所示,失真儀除了用指針指示失真率的大小之外,還能輸出失真訊號,便於用示波器來觀察失真波形。圖九就是失真波形之例子。

另外AB類後級擴大機所固有一種很特別的失真稱為交越失真,或稱交叉失真(cross-over distortion),這是起因於功率晶體的靜態偏壓(實應為偏流)不足之故,以至於在波形的正負半週交越之處發生波形的變形現象,通常AB類放大器在設計時都會為獲得最適切的偏流,而採用半固定的方式來調整(適當的偏流意指可以克服交越失真但不致浪費太多靜態電流),如果能藉助示波器來調整靜態電流,則很快能調出最適切的靜態電流值。圖十是某擴大機之靜態電流大小與交越失真之關係。通常這個調整工作應在高頻端進行,才能保證全頻段內之工作皆很正常。

E.S/N比

　　S/N比是Signal對Noise的比值,常以dB值表示,亦即訊號的強度是雜音強度的多少dB以上,而這個訊號強度應取自何值呢?一般的測法,是取不失真的最大輸出電壓為訊號電壓,而雜音電壓又是在怎樣的情況下取得呢?通常依需要有三種方式:

(a)以600為輸入阻抗時,不輸入任何訊號,從放大器的輸出端量取總雜音電壓。

(b)輸入端接地時,從放大器的輸出端量取總雜音電壓。

(c)依電路本身特性所需的阻抗值為輸入阻抗時,從放大器輸出端量取總雜音電壓。

　　最重要的一點是,不管採用上述任一方式,所量的總雜音電壓將包含任何存在於輸出端的交流訊號,包括電源漣波或感應的哼聲在內。說明這點是要提醒各位,有些劣質的套裝音響產品中,雖然聽不出什麼靜態的雜音,但很可能是因為其喇叭系統的高、低單元也是劣質品,是故沒有把雜音播放出來,實則放大器極可能含有大量的嘶聲、哼聲等雜音,只要用示波器來觀察,這些雜音就會原形畢露,此點不可不察。圖十一所示是某後級放大器的殘留雜音波形,其中哼聲成分似乎佔了不小的比例。

　　除了上述幾項之外,還能測些什麼東西呢?

(a)電源漣波的檢查(參看圖十二),除了可測知電源漣波的大小之外,如果殘留雜音中哼聲含量很大時,可用雙線示波器來比較連波與殘留哼聲的相位,以判斷哼聲的來源是否為電源漣波所致。

(b)串音的測試,輸入一方波給任一聲道,從另一聲道的輸出中看看是否有輸出,在某些設計不良的放大器中,訊號會藉著電源串入另一聲道中。如圖十三所示為串音測試之一例。

(c)高頻振盪的測試,高頻振盪是指自生於電路內的異常振盪現象,由於其頻率甚高,通常為數百KHz到MHz級,音頻放大用的功率晶體通常工作在這麼高的頻率之下時,會產生電何聚集的現象因此功率晶體常因高頻振盪的存在而無聲無息的燒毀了。高頻振盪常起因於電路內的相移太嚴重,而電源迴路及地迴路又具高阻抗(因設計或配線的不良所造成),無法將相移現象緩和,終因相移過大造成正回授而起振盪。解決的方法可從限制高頻增益,降低電源內阻及改善接地技巧等方向著手。圖十四是存在於功率放大器中的高頻振盪波形。

(2)前置放大器性能的測試

　　前置放大器的測試通常分成RIAA放大和高電平放大兩個部份,由於這兩放大器的特性相差甚大,所以測試起來也各有不同的標準。

　　RIAA放大器的性能對整個前級來講,有舉足輕重的影響,所以關於這個部份的測試工作就比較繁複些。以下幾項是通常必要的測試:

(a)頻率響應特性的測試

　　RIAA放大級的頻率響應,被設計成能吻合RIAA所制定的標準曲線,使得全世界都能通用,因此這一級的響應曲線是否符合RIAA規格是所要測試的目的,通常測試的方法有兩種,

一個是直接把穩定的不同頻率測試訊號輸入RIAA級(圖十五),從其輸出端逐一讀取不同頻率下的電壓,然後以dB數繪成特性曲線圖,這種曲線將形同圖十六所示,其輸入訊號電平應與一般唱頭之輸出電平相當,即大約2~5mVrms。

另外一個方法是輸入端先經由一個有RIAA曲線特性相反的網路,相當於先經過反等化的手續之後再經RIAA放大(圖十七),如果被測的RIAA放大器頻率響應特性是正確的話,則不管輸入怎樣的頻率,在輸出端都能得到相同的電壓波幅(假定反RIAA網路是標準的,像本刊59期電路精選中所推薦者)。

用這個方法可以很快的測出RIAA放大級的頻率響應偏差。先以1KHz 1Vrms輸入,測輸出電壓大小,並將之定為0dB參考點,然後再逐一以其他頻率(保持1Vrms的波幅)輸入,測輸出電壓與1KHz時輸出電壓之比值,劃成dB數,各頻點所得的dB數連起來的曲線,即成為RIAA偏差曲線,如圖十八所示。通常這項誤差在±1dB以內人耳就很難分辨其差異,高級的前級放大器中,其偏差都在±0.5dB以內。

(b)S/N比的測量

　　RIAA放大器的S/N比之測量,不同於其他音響放大電路,因為它有一定的頻率特性,而且從圖十六中可以看出在低頻段的增益比高頻段高出三十幾dB,尤其在電路感應到電源哼聲時,低頻端的高放大率可能會使RIAA放大器之S/N比極度惡化,還有唱盤低頻隆聲的存在,對於RIAA放大器S/N比也非常不利。職是之故,再測試之十,必須在RIAA放大器之後先經過加權濾波器(Weighting Filter),(見圖十九)

使低頻段先有某種程度的衰減,加權濾波器的特性和電路示於圖廿,

這是IHFA加權網路,另外還有B、C網路(圖廿一),這三個網路的使用時機是:當不使用加權網路所測得的S/N比在35dB以下時,用C網路串入再測,即為真正S/N比。而S/N比在35~65dB之間時使用B網路,65dB以上使用A網路。通常在廠製的放大器規格上可以看到所謂A加權(A weighting)、B加權的注解(RIAA和NAB皆同),就是這個意思。除此而外,S/N比的計算法與功率放大器中所討論者相同。

(c)最大容許輸入電壓的測量

　　最大容許輸入電壓意指一個放大器的輸入端,最大能輸入多高的電壓尚不會使輸出波形失真,這個測試的目的在了解某一放大器能接受多大電平的訊源電壓。在RIAA放大器中,由於其頻率響應較特殊之故,在每個頻率之最大容許輸入電壓都是不同的,如圖廿二所示。

但通常規格表所載是以1KHz為參考,因為唱頭輸出電壓也是以1KHz時為參考而標示的,因此從這兩者之比較,某唱頭是否適用於某RIAA放大器即可一目了然。最大容許輸入電壓值通常以RMS值表示,圖廿三所示為Pro-212的實測最大容許輸入,換算rms值約為145mVrms。

(d)失真率的測量

　　前置放大器的失真率之測量要領與功率放大器所用的相同,但RIAA級的各頻率下增益不同,所以測試時也以1KHz為參考。前級電路的設計由於不需要考慮到放大元件的消耗如何,所以通常都以A類放大為主,比起後級的失真,前級的情況是好得多了,只要不達於切割點,其失真率都非常小。不過在小訊號時由於殘留雜音的關係,會使波形的失真稍大些。見圖廿四所示。

(3)高電平放大電路的測試

　　這個部份的測試之中,主要的是包含了音控響應、響度開關響應、最大輸出電壓等等項目。測試的接線如圖廿五所示。

(a)音控頻率響應的測試

　　高低音控制的響應,亦即提昇和衰減的效果要分三個步驟來測試,測試時音量控制器應置於最大的位置,輸入的訊號電壓大約是250~500mVrms。BASS和TREBLE都轉到最大時,測其頻率響應,測試的方法和RIAA一樣,以1KHz為參考點,其他頻率從示波器上讀取電壓之後與1KHz的電壓比較,並計算出相對的dB值,變換頻率逐點去描繪、計算,即可連成一條提升特性曲線(所測定的頻率點愈多,所得結果愈精確),以同樣的方法在BASS和TREBLE旋至最小時再測一次,得到最大衰減特性,這兩條特性曲線代表因控作用的控制幅度和轉折頻率點。曲線的對稱與否並不是很重要的,因為這還得看電路設計之情況而定。最後是測試平坦時的頻率響應,如果音控電路附有Defeat開關,可以先將它置於ON的位置,如果沒有Defeat開關課按照下列要領去做:先把BASS和TREBLE旋鈕各置於其物理位置的中點,以大約500Hz左右1Vp-p的方波輸入,觀察輸出的方波形狀,微調整BASS和TRBLE旋鈕,使方波最正確及表示放大器為平坦(如果怎麼調也調不出方波形,表示該電路具有相當程度的相移,這是電路設計本身的毛病),然後不再動那兩個旋鈕,改用正弦波為輸入訊號,像前述測頻率響應的方法把平坦的頻率響應測出。這三條曲線的典型例,如圖廿六所示。

(b)響度控制效果測試

　　響度控制是為補償人耳在低音量時的不平坦響應而設計的,是故測試時以改變音量控制器的大小來測其頻率響應,測試時高低音控制是處於平坦響應的位置(或使Defeat開關ON),從音量控制器置於最大位置開始測頻率響應,然後降低6dB的電平再測一次,若音控電位器上沒有dB刻度,則先把Loudness開關off,旋轉音量控制器使輸出電壓降低6dB(即輸出波幅為原來之半),然後把Loudness ON再進行測試。照這個方法每次衰減6dB測出的特性曲線群的形狀,中頻段有愈來愈凹陷的現象,表示音量小時,高低頻段的補償量愈大。圖廿七所示為典型的Ludness頻率特性。