音頻延時電路製作－老音響資料庫/蘇桑部落格

　　聲音的延時效果是很奇妙的的一件事,「回聲」就是一種音量遞減式的延時效果;延遲的時間短一點的話,比如在音樂廳裡聽音樂演奏,就有延時的效果,跟聽唱片的時候感覺完全不同;延遲時間再短一點的話,會給人有一種飄飄然、輕柔盪漾的感覺。以往音響方面的延時效果(像回聲機)是藉著機械的方式(如彈簧回聲器)或利用多放音頭的磁帶放音機來造成延時的效果。運算放大器盛行以來也有利用它作為相移器以達成延時的效果,最近則利用一種新的技術稱為「電荷耦合」技術(Charge Couple),可以延時的時間很短,以造成一種類似「齊唱」、「齊奏」的效果,使小樂隊的演奏聽起來像大樂團,非常的神妙,利用這種元件也可以加長其延遲時間而達成「回聲」(Echo)的效果。

BBD簡介:

　　BBD乃是Bucket Brigade Devices之簡稱,係10年前F. L. J Sangster先生所發明,它是一種由PMOS串列起來的元件,參看圖一,每條虛線隔開來的為一級(Stage),每級中包括有兩個串聯的P通道MOS電晶體,兩個電晶體相連之處還有一個電容器(半導體電容)。各級的第二個電晶體之Gate相連接,並從外部給予適當的VGG偏壓。奇數級的第一個電晶體Gate相接,從外部通以Clock訊號φ1,偶數級的亦然,Clock為φ2,φ1與φ2的相位是相反的。每一級裡的電容器作為貯存電荷的地方。讓我們來看看電荷是怎樣在這裡面傳遞:訊號從圖一的左方輸入,VGG已經加上適當的偏壓,每一級的第二個電晶體都在導通狀態,當第一個脈衝使第一級導通時,訊號即對第一級裡的電容充電,由於偶數級的Clock訊號與奇數級反相,此時的第二級為截止,訊號只傳到第一級,等到Clock的下個半週時,第一級截止了外來訊號,並把電容上的電荷交連給第二級,注意:每一級的電容下端是與每一級第一個晶體的Gate相接,故當該級為ON時亦同時使電容的下端電位下降,以便接受來自前一級的電荷,圖二能夠更清楚地表示這個動作,(二)(a)表示貯存電荷的動作,(二)(b)是轉送電荷的動作,整個元件就是依賴這個兩相的Clock把電荷逐次的往右邊傳遞,好像古代還沒有消防隊的時候,救火的人排成一列,然後從水源處把水一桶一桶的傳遞過去一樣,故稱為桶列元件(Bucket Brigate Device)。BBD的動作與數位電路裡的「移位寄存器」(Shift Registor)相像,可稱做是類比的移位寄存器。

　　了解了BBD元件的動作原理之後,不禁會想到,從第一級傳遞到最後一級時,訊號能延遲多久呢?這要看級數的多寡及Clock的頻率而定了。它們之間的關係可以下式表示:

以本製作中所用的MN 3007為例,定是1024級,Clock頻率10KHz~100KHz,則定最長的延遲時間是:1024/2×10⁴=51.2×10‾³(秒),即51.2毫秒,最短是5.12mS。至於要選用多高頻率的Clock,除了考慮所需的延遲時間外,顯然的也要考慮到被傳送訊號的頻率,因為訊號波形在傳送的過程中是被Clock頻率「切割」了,切得愈細(即Clock頻率高),復原之後失真愈小,但勢必要犧牲一些延遲時間。因此在BBD之後,通常都需要接上低通濾波器,把高頻的成分濾除,使之恢復原來波形。關於MN 3007的詳細資料請參看文末所附之特性表及接腳圖,能使你更進一步了解它。

延時電路之製作:

　　最近校園民歌在年輕人之間盛行起來,大多是一個人自彈自唱或兩人搭配,也偶有組成小樂團的,很多限於財力及設備,難以造成良好的音樂效果,乃興起製作這個延時器的念頭,以造成類似多重錄音的人聲效果。

圖三是全電路圖,電路的心臟就是那個延時元件,再配合低通濾波及Clock電路使它能完美地工作。MN 3007的詳細資料已列於文後,在此僅把本製作有關的部分提出說明。從特性表中得知,VGG=VDD+1V,本電路中VDD是-15V,所以VGG=-14V,是由R6 R7分壓所得,R7上的壓降是-15V×R7/R6+R7≒14V,從IC2的④腳輸入作為Gate偏壓。另外它還需要一個輸入偏壓,從它的內部構造(見附圖)可以看出,輸入端就是PMOS電晶體串列的源極(Source),而洩極(Drain)上已有-15V的電壓,S極上也必須加上適當的電壓才能使它工作在最線性的地方,這個電壓是與訊號相混合的,在電路中是利用輸入低通濾波器(IC1組成的)OP Amp.的(+)輸入端加上負電壓,使它與(-)輸入端的訊號相混合,從IC③腳上輸出的就是一個疊在直流上的訊號波形,從附圖的曲線中看出,這個偏壓在大約-8V時失真最小,這個電壓的獲得是由R5、VR、R4、C4分壓所得。⑦⑧腳是延時後訊號的輸出端,由於IC2內部奇數級與偶數級輸出的相位相反,所以把這兩相的輸出綜合起來從R2的轉動臂輸出,R8 R9是作為最後輸出級MOS電晶體的負載。

關於Clock的頻率原先設計要讓它延時最長,即51.2mS,則Clock應該是10KHz,但Clock的方波Duty-Cycle必須是50%,所以Clock必須經由IC6(除2的電路)來使之成為50%,但頻率也就減半了,所以IC5中的兩個Inverter實際上是工作在20KHz的頻率,IC5方波振盪器的頻率決定於CT RT,f=1/2.2CT RT另Rs是作為穩定用的,條件是Rs＞10RT,又CT及RT的範圍是CT＞100P,RT＞3K。從實際的零件數值來算,IC5產生的頻率是23.3KHz,經IC6除以2之後是11.6KHz已經大過IC2的最低工作頻率,而實際的延遲時間也就只有44mS。低通濾波器共有兩級,輸入級的是雙極式(Two-Pole)低通濾波,由IC1組成,輸出的是5極式的低通濾波由IC3 IC4及周圍零件組成,有更高的衰減率,綜合的濾波效果是使7.5KHz以上的頻率獲得大量衰減,以消除Clock所產生的高頻成分。每一只IC的電源端都應該有像C11 C12的電容,並盡量在線路板上要靠近IC本身,圖中IC1、 2、 5、 6的電源高頻旁路電容並未畫出,但必須接上。

調整:

　　製作完成之後的調整非常簡單:

(1) IC2 VGG的電壓一特性表所列的-14V,R6 R7若用圖三所列之值可得正確之-14V電壓,唯恐怕因零件之誤差而變,最好先用三用表檢查一下,誤差在±0.5V以內都可以,否則就要酌情增減R6或R7。

(2) VR2的調整是要使從⑦⑧兩個腳輸出的兩相訊號平衡,有示波器時可看C5 R10接點處的波形(不必輸入訊號),調整VR2使示波器上出現的兩個波形重合即可。若無示波器,則概略調整VR2至中點,或者VR2不要,直接使⑦⑧腳相接再接到C5(-)端即可。

(3) IC2③腳上應有-8V的直流電壓,先把本電路之輸入端短路,調整VR1使IC1⑥腳(即IC2③腳)電壓為-8V。若有示波器調整更佳,從輸入端輸入100Hz的正弦波,從輸出端觀測其波形,慢慢加入輸入訊號波幅直至輸出訊號產生切割為止,調整使上下波峯的切割同時發生,調整工作即告完成。

(4) Clock的頻率由RT CT決定,若要改變頻率只要按照前面所提的公式及數值的限制,修改RT CT或其中之一即可,但不可超過最高頻限,即200KHz。

　　本電路製作完成之後,可以直接與原有的系統相配合,通常本電路是接在吉他放大器或混音器之後,本電路之輸出再接往功率放大級。如果本電路不只是作人聲的延遲的話,應接成圖四的接法,讓原訊號與延遲訊號依某種比例相混合,才不會損失了原有音樂內容。

　　本製作是設計作短時間延遲,以使小型樂團有較佳之音響效果,故較適用於樂團中的人聲及吉他的部分,如圖五的接法把人聲及吉他先輸入混音器之後再經本電路作短暫的時間延遲,然後再輸入另一混音器與樂團中的其他樂器相混合就可以得到較佳之音響效果。本電路若要作為回聲效果似嫌時間太短,若加上兩級或三級的MN 3007,以加長時間的話就可以具有回聲之效果了。