自從我的一篇「ESS 前置擴大機之系統分析與試製」一文在十七期刊登後,由於文末附了幾張方波觀察的照片,因之引起了許多朋友的興趣,當然連帶地也有不少疑問。因此,我想在此對有關方波觀察的問題,再做一次探討:

方波觀察非測試

  在一部擴大機裝完之後,還沒接上喇叭之前,即接上訊號產生器和示波器「看一看」它究竟對不對?好不好?這個步驟我們通常稱之為方波或正弦波觀察,而不叫「測試」,當然也有人稱方波觀察為測試,只是這稱呼似乎有欠慎密。因為示波器(Oscilloscope)本身就只是一個觀測工具,正如同顯微鏡(Microscope)也只是觀測工具一般。

  通常,一般觀測工具,除去觀察外,如果要它擔任測試任務時,是需要附加若干附件或附屬設備(例如校準電平)的,而現在我們以方波來試驗擴大機,主要的也僅限於概略情況的觀察,看看它究竟有沒有這種情況或那種情況產生而已。因此所得結果,除了波型照片之外,並沒有一套精確數字。

  雖然如此,我們亦不必低估了示波器的功能,尤其是以信號產生器和示波器聯合所做的方波觀察。

  所謂方波觀察,乃是利用方波本身所具有的方方正正、平平整整的易為辨認其變形的線條特性,把方波送進擴大機,擴大機的輸出則接到示波器用圖形顯示出來,此時擴大機之工作如稍有扭曲,一眼即可察覺的方法。其全部的觀察過程,正如測驗照相機鏡頭是否變形的方法一樣,就是去拍攝一個預先畫好的方方正正的線條方框,最後只要比較一下兩者的差異(方或圓等簡單造型可深刻記憶在腦中)即可概知鏡頭變形的程度。

  正由於方波觀察有這樣的特點,所以一般都用在電力擴大機的校驗或調整之上,此時,輸出波形愈是接近輸入波形,擴大機便愈佳,如果和輸入波形有差異,也可以依據其波形的狀況,迅速研判係什麼原因?如何解決,當然此中最主要的還是看頻率響應和振盪問題。方波觀察之所以可以很容易看出擴大機的頻率響應狀況,主要是任一平整的方波頻率,是包含了由極低到極高的諧波頻譜在內,即使在示波器上用肉眼也可以辨認的波形變化,至少也涵蓋了上下十倍的頻率範圍在內。換句話說,100Hz的方波情況,至少可以顯示由10~1.000Hz的頻率響應情形。因此,一部擴大機,差不多只要在100Hz及10.000Hz兩個頻率的方波觀察上過得去,則這部擴大機至少已接近相當的水準,此種便捷的觀察法,唯一的缺陷就是常常只能意會而難以言傳。

方波歪斜顯示什麼?

  所謂只能意會而難以言傳,乃是說只有自己親手操作,親眼去辨別才容易應手而得心,獲得正確的概念,否則假手別人操作,一切設定條件都不明白,圖形便沒有意義。以下,讓我們先談一談方波觀察的要領:

  一個理想的方波的形成,實際上就如同一個 ON─OFF 開關的動作一般,ON 時有一條基準線, OFF 也一條基準線:

  由 OFF 到 ON 之間變化就是電壓,比方我們加到開關上的電壓是 4 伏特,則 OFF 時電壓為零, ON 時電壓為 4 伏特。

  現在如果我們按一定的速度把開關 ON─OFF──ON─OFF 地切換,那麼示波幕上便會出現這樣的波形:

  ON 時電壓上升並維持一段時間,然後 OFF 電壓下降,在維持一段時間後又 ON 。此中由左到右的發展代表時間,比方每秒切換一次,那麼每兩格就是一秒鐘。

  在這樣一個簡單的線條中,至少包含了兩個非常重要的意義:

  (1)開或關的瞬間是極為迅速的,理想上它不需要時間,實際上則仍需要時間,只是這個時間非常短,時間非常短的意思就是頻率非常高。

  (2)在開或關的持續時間內, 0 伏就是 0 伏, 4 伏就是 4 伏,這代表了直流,亦即是無限低的頻率。

  實際的方波產生器當然不是用人手去扳動開關而形成,它是用一種轉換極快的電子開關來操作,假如每秒開關 1.000 次,那麼它就是 1.000Hz 的方波。現在,你必須注意到當開關轉換得愈快的時候(亦即方波頻率愈高時),由開到關或由關到開所佔用的時間,在比率上就會愈來愈大。此種差異,在圖形上所顯示的是:假如開與關之間所佔用的時間極短,那麼方波波型中的垂直線是看不到的,而時間加長之後,先是可以看到,然後那條線變得有點傾斜。但是,上面我們所說的時間長短是指比率而言的,我們可以先假定由開到關或由關到開所需的時間是百萬分之一秒(1us),那麼在 10Hz 的方波時,垂直部分所佔的時間僅是任一根水平線的十萬分之一(兩條水平線代表一週期),而當方波頻濾上升到 1.000Hz 時,垂直部分所佔時間卻有水平部分的千分之一的二分之一。

  當然垂直上升或下降時間若僅佔水平的數百分之一以內,垂直線仍然無法顯示出來,不過如果方波頻率繼續上升,那麼斜線便會愈來愈明顯,以下是 100Hz 及 10.000Hz 的方波圖形。此方波純由信號產生器所產生,但 100Hz 及 10.000Hz 已有顯著差異,這是因為即使是信號產生器在做方波轉換時,仍然需要時間:

  在另一方面,假如我們把方波的頻率一直降低,比方低到 1 Hz ,也可能發現一種情況,就是水平部份開始由左道又向內傾斜了,這是為什麼呢?那是因為前面我們所講的方波是一理想的方波,示波器也是一理想的示波器,可是實際上方波產生器可能有輸出電容器,而示波器如非供直流觀察用的,也有輸入電容器,因此 ON 與 OFF 之後,電容器會慢慢放電,於是就發生傾斜的現象。

  到此為止,對於方波,我們至少已有兩點認識,即:

  (1)垂直邊代表高頻,向右傾斜乃至彎曲,表示高頻不好。

  (2)水平邊代表低頻,像中央傾斜及彎曲,表示低頻不好。

  依據以上兩點,且可做以下推論:

  (1)水平向內傾斜即代表低頻不好,則水平向外傾斜就代表低頻特好。(好代表平直,不好指有衰減,特好是提升的意思)

  (2)垂直向左彎斜代表高頻不好,而垂直卻不可能向左斜(時間倒流),但是所謂低頻不好,即意味著高頻特好,所以其情況和低頻不好是很相近的。

  下圖顯示轉動高低音控制器時 1.000Hz,方波的變化情形:

  以上的觀察主要意義,乃是藉音質控制器不同控制位置所形成的方波變形來說明方波對不同頻率響應所呈現的實際圖形,但是在這裡,我們有兩點要特別注意的:

  (1)選定 1.000Hz 之方波頻率,是因為一般音質控制器多以 1.000Hz 為中心,作上下的衰減,如果改變方波頻率時,波形的變化會不一樣。

  (2)信號產生器或示波器本身的衰減或提升要考慮在內,換句話說,我們先要看一下不經擴大機的波形是否方正。

前置擴大機的觀察

  徹底了解方波變形之意義後,我們即可開始對所有電路進行方波觀察,但任何觀察之要點不外乎:

  (1)已知它應有的狀況,藉觀察以明瞭實際狀況是否與應有狀況相符。

  (2)未知實際狀況,藉觀察明瞭實際狀況以便於運用。

  而擴大機的方波觀察實際上屬於第一類,也就是說,事前我們就有預期它應該怎麼樣,觀察只是讓我們明白它確實是否那樣,所以對預期的了解就非常重要。何謂預期?比方說後級擴大機它應該是一頻率線性放大器,起碼的要求為 20~50.000Hz ±3dB,所以 1.000Hz 的方波進去,仍然應該是 1.000Hz 的方波出來,至於 10.000Hz 方波,就可能要變形了,而其變形的程度,及其代表的意義,唯從經驗及熟練的技巧中才能想像得出來,這就是預期。否則就會發生明明是響應到 50.000Hz 的機器,10.000 方波卻已變形的疑問,其中後級放大器的方波觀察,尚屬單純,而前級部份,兩個組成單元均為頻率非線性放大器,所以對波形的預期就較為困難,同時,觀察前級響應,不能像觀察後級一樣,一個輸入一個輸出就解決了。再前級由於每一部份的要求與功能都不一樣,所以只好分級逐一觀察,僅將其要點試述如下:

RIAA EQ 放大器的觀察:

  由於 RIAA EQ 放大器,在基本上就是一極度非線性的放大器,由 50~16.000Hz 之間可能 ±18dB 之多,且其中又分為三段,自 500Hz 以下,呈每八度音程 6 分貝斜率下降;自 500 到 2.120Hz 為持平直(當然只是理想);2.120Hz 以上則呈每八度音程 6 分貝上升,在觀察時,我們似乎就可以選擇三點來觀察,第一點是居於 500 到 2.120Hz 之中的 1.000Hz,第二點為 500Hz 以下兩個八度即 125Hz 或 100Hz 處,第三點為 2.120Hz 之上兩個八度的 8.000Hz 或 10.000Hz,以下為我所仿製之 ESS RIAA EQ 放大器在上述三個方波頻率上所攝得之照片,可供各位朋友在觀察時比較參考之。附帶要說明的是此 EQ 放大器經逐點測試,結果僅有 ±0.5dB 的誤差,可謂相當準確,而所用之示波器由直流到 10MHz 亦有 ±0.5dB 之響應。

  在做以上觀察時,尚有一必須注意之點,即由於 RIAA EQ 放大器在低頻時增益極高,所以每變更一次方波頻率時,最好先用正弦波修正一下信號產生器的輸出電平,否則在低頻段會造成輸入過激而使波型變得奇形怪狀。

  ESS前級之音調控制級前後分成兩段,前一段由Q1 、 Q5 、 Q6 所組成,屬增益補償用之十倍放大器,頻率響應平坦,後一段由Q7 、 Q8 所組成,頻率響應受音控網路的控制。觀察此級之響應時,應分成兩個步驟,第一步是看十倍放大器,此時方波進去,應該還是方波出來,唯在此必須注意的乃是方波應直接自 C11 之前輸入,如果機器已裝箱,不便尋找 C11 時,可從 Tape 1 Tape 2 或其他高電平(除 Phono 外)處輸入,但要把音量旋到最大,才進行觀察,使用 100Hz 及 10KHz 頻率已足。在看完十倍放大器的平直響應之後,接著可看響度補償器的功能用 1.000Hz 方波頻率,先把 Loudness ON,此時由於音量旋鈕在最大位置,響應不受 Loudness 影響,所以波形仍應是方方正正。此時試著把音量逐漸關小,並把方波輸出加大,以維持示波幕面亦於觀察的圖形,在操作中,你會發現,方波波型隨音量控制器之逐漸減小而開始變形,以下是我在試製機中,音量旋於(3)時所拍得的照片,可供參考。

音質控制器之觀察:

  觀察 Loudness 時,示波器可接於 Preout 上把 Tone Cont , OFF 掉,觀察音質控制時之輸入仍應維持在 Q4 之前。因為,雖然到 Q6 之前並沒有音質控制之作用,而其輸出阻抗卻足以影響音質控制幅度。所以信號產生器及示波器之接法仍維持 Loudness 觀察之接法,並把音量放最大,調好方波輸入強度,方波頻率維持 1.000Hz。

  第一步是校驗 Bass 及 Treble 旋於中點時,能否維持波形的平整,此時可用 Tone Cont. 開關互相切換來比較,一般設計良好的音質控制器,只要將它旋到中點並略加偏左偏又修正一點點,即不難獲得平整的響應,可是有許多套件或自己裝的音控線路,往往做不到這點,以下這兩張照片,分別是 ESS 前級的試作和某讀者自己裝的前級音控部分調於最平整的部份(看著波形轉動 Bass 和 Treble,而非僅取其正中的位置)所攝得之照片。

  其中第二張照片,我曾耐心地坐完這點測試,所獲之控制區線如附圖所示。

  像這種輕微的不規則現象,聽覺根本是無法辨別的,可是站在研究求精的立場,卻應當追根究底尋找其原因。

  第二步為觀察音量控制器在旋於不同位置時之響應,特別是有無畸變發生。尤其是音質控制採用負回輸形式時,控制畸變或輕微的振盪是極可能產生的。現在,我們不妨以 ESS 前級線路來作一說明:

  記得在 ESS 前級試作之初,白金弘、邱輝雄先生即為高音控制器的反旋時所產生的振盪困擾著,後來雖然找到了更換晶體的方法,而此事似乎無助於讀者。因為我曾歡迎裝完不振盪而又確能找出其原因的讀者來信,但所收的來信都是振盪的。

  現在我們不妨藉著方波校驗來透視這個問題,方波輸入及示波器仍照接著不動,把頻率調高到 10KHz,低音控制擺平,高音慢慢向左旋,波型的前緣逐漸突起,突然之間,波形大亂,振盪產生了。高音控制再轉回原位,冷靜一下,翻開線路,看看問題出在何處?

  首先,你的焦點應該放在 C21 的 0.05uF 電容上,這是一只很奇怪的電容,因為數職很小只做了高頻傍路,在此情形,高頻增益便要增加。但究竟為什麼需要這個傍路電容呢?假如你一時無法想像,可用實驗法將 C21 拿掉,此時,有兩種情況會產生:

  (1)嘶聲大作,根本不受高低音控制的影響。

  (2)高音控制左旋到底時,振盪不發生了。

  原來 C21 有防止嘶聲的作用,其理由為 Q7 之集極負載經 C20 增阻後,輸入阻抗幾乎變得無限大,於是等效雜音阻值提高,雜音即由此而生。為了解決此一問題,遂在射極到地之間併上 C21 為高頻傍路,其作用不在補償高頻增益而在降低高頻之輸入阻抗,以抑止雜音之產生。然而更嚴重的問題卻發生在 C21 之上了。當高音控制器往左旋時(線路上為右移),回授阻值降低,其與 C15 所造成的相移,則慢慢加大,終至與輸出形成 180° 的相差,本來這點正好是負回授型音質控制的原理,然而在電路上的情況是由於 C21 的存在,使得高頻部份相位提前,而無法維持 180° 的相差,其落後若低於 90° 就有產生振盪的可能。是故,解決的方法為:

  (1) Q7 不能使用 hfe 太高的開關用晶體,因為它們的速度太高了,加上 C21 的刺激,必然產生振盪。

  (2)如果換用截止頻率較低的晶體,與要求又可能不符,所以最簡單的方法,乃是在 C21 下端再串入一枚阻尼電阻,其阻值視 C21 之品質而定,大約是在 2~5K 之間,這樣不僅可將嘶聲消除,振盪也不會發生了。

  線路問題既已解決,最後你不妨從頭再把音質控制器觀察一遍,甚至把 C17 及 C18 的容量略做變動,看一看它對音質控制會有什麼影響。

  (作者附言:假如您覺得本文對您是很有用的,請您來信。因為我正考慮是否再寫一篇「最整人的方波 XY 比較術」利用方波比較術可以把你的擴大機透視得一清二楚,不過它很整人,很吹毛求疵就是了。)

轉載音響技術第21期SEP. 1977 前置擴大機的方波觀察/唐凌

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