實驗台上/對數掃描式信號產生器的構想(一)－老音響資料庫/蘇桑部落格

　　在一九七五年十月份的Electronics雜誌上看了一則信號產生器的文章,引起我許多遐思,題目是修正後能產生線性電壓控制的音頻信號產生器。其全文如下:

　　「Interrisl公司出品的積體函數信號產生器(Function generator)8038這個元件有很寬廣的掃描頻率,是一個受電壓控制的振盪器(Voltage-Controlied Oscillator簡縮VCO),具有「正弦波三角波及方形波的輸出。但是因為受到8038本身電流源的限制,使得頻率對電壓的特性在可用的掃描範圍內不呈線性的關係,如圖(一)所示。所幸的,如果在8038的控制輸入(第8腳)以前外加一支運算放大器來校正,則在整個音頻範圍內就可以得到線性的調諧。」

　　光看圖一及第一段文章,就夠吸引人了,老早我就想自己動手製作一部信號產生器的,可是對於一些晶體式的線路往往嫌它過於複雜而不敢領教,三四個運算放大器組成的線路又覺得不很完美。市面上早已見過8038這個IC,可是不附有資料,特性如何更不了解,每次走過零件行只是望望它,店裡仍是拿不出使用資料,只好依依不捨地離開了。

　　現在無意間見到了這支IC的使用例,不覺喜出望外,立刻把它從店裡帶了回來,躍躍欲試,可是又不敢貿然行事,所以一遍又一遍地細讀文章中的說明:

　　「8038包含了兩個電流源,其中之一總是不停地在工作,供應外部的積分電容以一定的電流I。另一為一比較器(Comparator)的控制,做ON與OFF的動作,在ON的狀態時,供應此電容負2I的電流。因此這支外加的積分電容不斷地往I充電,然後往-I放電,產生了對稱的三角波。(輸出的正弦波是經過變換出來的),它的頻率與電流I成比例。可是這個電流並不與輸入的電壓呈線性的關係,因此頻率與輸入電壓之間當然也不呈線性的關係。」

　　由這一段文章中,參照圖二,我們猜測不出他所指的外加電容器是哪一支,在8038第二腳的50u電容是交連電容顯然不是。文章中說的這支電容一端接一定電流源I且與Vin有關,另一端接ON-OFF動作的比較器的輸出,在ON時電容被加-2I的電流。我們看第10腳上的3,900PF電容,他的一端直接接到負電源電壓負15伏上,與所述也不相關。剔除了這兩支電容,非1,000PF這支電容莫屬了,可是一時無法直接看出它有這等功用,也扭理由說它沒有這等功用,只好姑且認定所述的外加電容就是1,000PF吧!

　　為了不讓我們實做的熱心,因電容的阻礙而冷卻;我想我們不必畫地自限,說非透徹地明白此一段所言所指為何等等不繼續其他的探求,這往往是一位實驗者耿耿於懷的事。我常碰到這種撲朔迷離的情況,後來我發覺以暫且不理它的態度,把它當成懸疑,在洗出線路板插焊完成後,仔細地實地分析,必然能夠豁然開朗。而這正是坐上實驗台的目的與樂趣。如果在線路分析時一點疑問都沒有,實做時心情難免落於死板呆滯,鮮有趣味了。

　　「為了使這些關係線性化,輸入的電壓先經過一支741運算放大器修整後再加入8038的控制輸入端的8腳,如圖二。運算放大器推動8038的無開關性電流源,且讓回授電壓加到運算放大器的反相輸入端,此端的電壓必為Vin,因此由此741供應的電流一定隨Vin直接改變。結果使8038內部的兩個電流源不其然地匹配了,致使有開關性的電流源尾隨著無開關性電流源變化,也就是說線性化了。無開關性電流源經過倒相與倍流後得到-2I的電流。

　　此段的說明好像露出了一點苗頭。顯然第8腳與無開關性電流源有關,第4腳與有開關性電流源有關;741的功能是將電壓源變成電流源的轉化器,能使輸出的電流I隨輸入電壓Vin呈線性關係,這一來Vin就與振盪頻率f成線性關係了。

　　「1N 753A穩壓二極體是用來保護8038的控制輸入的,使得高於0.6伏低於6.2伏的過激電壓從此二及體旁路掉,不至於毀壞了第8腳內部的線路。輸出部份的運算放大器741只具有緩衝作用,如果不需要低輸出阻抗,此IC可以省掉。

　　三支電位器對輸出波形有整形作用。先調整P1可以使高頻時的方形波獲得對稱。其次調整P2可得更正確的正弦波。最後調整P3可使低頻時的調諧曲線修剪得很對稱。另有抵補調整P4可以使調諧線性化。如圖中的元件值裝配時,VCO能涵蓋整個音頻範圍(20到20千赫)。」

　　這個線路出自美國Electronics雜誌的設計者集錦專欄裡,這個專欄歡迎世界各地的讀者將自己的作品或未經公佈的線路構想投稿發表,業經採用刊登後即付50元美金以為酬勞。本篇是義大利Bologna城的Antonio Tagliavini先生的作品。

　　我想按圖施工大概不會有什麼問題的,只是我的構想並不止於此,我還想加上頻率計數儀(Frequency counter),對數變換器等,如圖(三)所示的方塊。

　　我們對音響器材的品評經常要知道它的頻率響應如何,而頻率響應一般均採用Bode plots,頻率軸是對數的刻劃。因此如果能將圖二中的Vin先經過一支對數放大器的轉換,而且能自動地掃描,那不就可以在是波器上自動繪出頻率響應曲線嗎?在此先給它一個名字叫對數掃描產生器,它必須能產生如圖(四)的掃描波形才可以。材料最好找普及型的運算放大器(General purpose op-amp),看看741或709成不成。