所有測試儀器當中,最普遍的除了三用電表和示波器之外,就是訊號產生器。在電子方面的各個領域裡,幾乎每個角落都可發現訊號產生器的存在,因為不論是類比方面或數位方面都需要它。下面介紹一種可程式型數字訊號產生器(A Programmable Function Generator),此機造價雖然低廉,但是它所擁有的許多特性,皆在價昂的儀器中才可找到。因為使用石英晶體做控制的參考頻率,所以本機的頻率範圍可以只分成二檔,其一是從20到10000Hz,此時以1Hz為最小階(1-Hz Steps);另一檔是從200到100000Hz,而以10Hz為最小階。本機校正後的精確度可達±0.005%以上,這已經達到『實驗室級』的品質,即使沒有任何儀器校正,本機的精確度也可達到0.01%左右。本機的輸出可提供正弦(sin)波、三角波(Triangle)及方波(square),輸出也都經過緩衝,而且是直接交連(direct coupling),如此一來不但可以推動低阻抗的負載,而且也有極佳的低頻反應(註一)。正弦波頻率在小於10000Hz時的總諧波失真(THD)小於0.5%,超過10000Hz時則升到3%。
線路結構簡介
基本上此訊號產生器以一塊低失真的波形產生器IC(XR2206)為中心,基本線路結構如圖一所示,它包含二個相鎖環路(PLL)系統,為了節省功率的消耗,線路中以使用CMOS IC為原則,第一個相鎖環路系統以IC2為中心,並且結合了IC1、IC3和相關元件,而組成了頻率合成器(frequency synthesizer)。包含有振盪器及除法器的IC1是由彩色電視機用的石英晶體(3.58MHz)來控制,其輸出被接往IC2的檢相器(phase detector)部分,而其輸出,也就是誤差(error voltage)電壓,則被送往壓控振盪器(VCO)來控制頻率,當然這其中必須先經過環間濾波器(loop filter)以平整(smooth)檢相器的輸出,而成為比較純的直流電壓,以便控制壓控振盪器(VOC)。除此之外,環間濾波器亦能在檢相器呈現高阻抗狀態(high-Impedance state)的時候,於短期內儲存(或說是記憶)直流電壓,以避免失鎖(Unlocking)的發生。壓控振盪器的輸出頻率一方面被送往可程式除頻器IC3,它可接受由指環數字開關(Thumbwheel switches)S1~S4的BCD資料(註二)進而達到除頻的目的,除頻後的IC3輸出就是檢相器的第二個輸入;第一個輸入是IC1的100Hz輸出,如此形成一個循環,因此經由開關S1~S4就可達到合成任意頻率的目的。另一方面合成的VCO頻率經由除法器IC4後,可分成10KHz及100KHz二檔,並且分別有1Hz及10Hz的解析度,上述的整個完整線路如圖二所示。
本機的第二個相鎖環路是由IC5、IC6、IC7、Q1及其他相關元件所組成,這個含有追蹤式濾波器線路(Tracking-filter circuit)的PLL,純粹用來追蹤第一個相鎖環路的VCO輸出,以提供低失真的正弦波、三角波及方波的邏輯水平(Logic-level)輸出(註三)。IC6的VCO必須有寬廣的頻率範圍,至於VMOS功率FET Q1,則是當做一個電子式的可變電阻,它供應IC6所需的負電壓。IC5的輸入有從IC4來的,但這必須先經過『範圍』選擇開關S5。IC5的另一個輸入是從IC6來的,IC5的輸出經過IC7緩衝後,同樣也是經過環間濾波器以『平整』檢相器的直流電壓來推動Q1,這可用來鎖住IC6的輸出頻率,透過開關S6,可選擇輸出的波形:正弦波或方波。準位控制R32B則可用來調整輸出振幅,另外經過S6、IC8的輸出由IC8做緩衝之後,也可外接其他裝置。因為本機需要雙電源,所以電源方面採用二個9伏的可充電電池組,當然其他方法也可以,例如可在單電源中找出一個參考點接地,如圖三所示,便是由12伏輸出的穩壓IC(IC10)及運算放大器IC9所組成的含正負的雙電源。Op Amp IC9及R29、R30聯合組成分壓網路,經由Op -Amp的緩衝,把12伏分成±6伏,此時以IC9的輸出為參考接地,此機焊好的線路板是使用+12伏及電源的負電源之間的電源,那些不在線路板上的元件開關像是:振幅旋鈕、輸出端子等都必須連接到IC9的輸出接地端,以防訊號輸出振幅擺出參考接地點之下。另外一個含有R33及然納二極體D3做寬廣刻劃(註四)的電壓表M1,是用來監視電池的狀況,在表頭的⅔範圍內,涵蓋了13到14.5伏,以便指示電池緊要關頭的狀況,這是因為低於13.8伏時IC10便失去穩壓的功能,此時電表指針剛好進入『電池不良』的指示區域,以警告電池必須再重新充電。其中電池線路是靠然納二極體的『膝點』(knee point)來工作,當B1及B2的電壓小於12伏時,D3便得不到偏壓而造成電表指針不動,到12伏時,D3開始導通,因而電流可流經電阻R33及電表,此電流對電壓非常敏感,因而得適當選擇R33使得在14伏時指針在表頭中央。
製作
雖然本機可用繞線機或各種接線技術來完成,但是以洗PC板較佳,圖四是線路板及鑽孔指示圖,元件的放置指示在圖五中,所有IC以使用底座比較理想。
焊接元件時必須留意極性及方向,也別忘了那些跳線,它們可放置在元件那一面,所有PC板外的元件可固定在機板上,另外蓄電池B1及B2可放在4x6吋的盒子當中,板外零件與PC板間的接線如圖六所示,線路板與指撥環形數字開關S1~S4間的連接可使用『含四線的排線』,組合完成後,各控制開關的面板標示可用洗線路板用的字母貼紙來完成。
調整與測試
首先檢查一切無誤後,打開電源開關,利用計頻儀測量IC1的第一腳輸出頻率,應該是100Hz,這是參考頻率,如果讀數是60Hz,就是你用錯了IC,記得IC1編號是MM5369-EST,並注意後面的EST。再來,把S1~S4設成1-0-0-0後,同樣使用計頻儀來測IC2的第4腳,應該是100000Hz,再把S1~S4分別設成2-0-0-0、4-0-0-0及8-0-0-0,同樣也是測IC2的第4腳,觀察其結果應該是分別為20、40及80KHz;同時設0-0-1-0、0-0-2-0、0-0-3-0、0-0-4-0及0-0-8-0,IC2的第四腳也應該分別是1、2、3、4及8KHz(註五)。把S1~S4的開關撥回原先的1-0-0-0位置,同時接上計頻儀,首先測量IC4的第9根腳,然後再測第14腳,此時計頻儀應該分別顯示10000Hz及1000Hz。至於檢查IC6的工作狀況是把開關設成1-0-0-0,同時把示波器的測試電纜接上第14腳,你會發現示波器的CRT上顯示出10KHz的方波訊號,此時本機範圍開關是設置在"HI"的位置,若設在"LO"檔,則IC6的第11腳及IC5的第3腳應該可同時發現1KHz的方波。以上在測試本機的時候,是使用一部示波器及精確的計頻儀,如果你沒有這些儀器,這個程序可以省略掉,因為即使沒有經過正式的校正,基本上本機已經可達到非常好的精確度。開始把電源開關S7打開後,就可以做調整的步驟:頻率選擇開關S1~S4設成1-0-0-0,範圍開關S5設在"LO"的位置,輸出振幅控制器R32轉到中央,並把計頻儀接到IC1及面板前的接地插孔J2後,首先小心調轉修整電容C3,直到頻率顯示為3579545Hz。另一方面把示波器的測試棒接到本機的輸出及後板的接地插孔,此時把示波器的垂直增益調到波形振幅至少佔兩格的空間,並且選擇適當的水平掃描時間及調轉同步控制調節鈕,直到整個波形全部顯示出來為止,而後調整可變電阻R22直到波形呈現對稱為止。另外有下列三種調整方法,可使得正弦波的失真達到最小:第一個方法就是把波形輸出開關放在『正弦波』的位置,另一方面調整修整可變電阻R21,使得輸出波形達到正確的正弦波,利用這種方法,失真可挽回在3%以內。如果在調整過程當中,正弦波有抖動現象的話,可以把振幅調小一點,以便穩定的來觀測波形。
另一種方法是利用如圖七所示的橋式T型濾波器(Bridged-T filter)來調整,此濾波器的元件要求是:電阻必須有1%精密度,電容要互為匹配。首先直接觀察本機的輸出,調振幅,並以介於2~3伏峯值之間最為理想,然後跳過橋式T型濾波器並觀察波形,此時調動本機的頻率選擇開關S1~S4,使得示波器上的訊號有最小的振幅,這樣一來,依照圖七的設計,此時應為1590Hz左右(但事實上此時可以忽略個位數,原因是這些微小的頻率改變,在示波器上也無法比較出其振幅的大小差別);之後,必須調整失真控制器R21,使得顯示的振幅最小,在原作者的製作當中,這個值大約是9毫伏(9mV)。第三個方法就是直接用THD分析儀,而調整R21就可以了。
註一: 因為是直接交連,也就是輸出部分沒有電容存在,故低頻響應實際上可達DC。
註二: 指環數字開關就是使用機械性接點使0→1→2......等的十進位轉換成BCD數碼資料。
註三: 所謂邏輯水平,意思就是可與數位線路匹配,也就是只有兩種狀態,即0或1。
註四: 某些指示電表,一般超過低限之下時並無意義,因此我們常用小範圍的電表來指示重要部分,例如我們可用0~5伏的電表來監視10~15伏之間的變化,假如使用0~15伏的電表,判讀比較不容易。
註五: 這些程序是為了測試VCO的範圍及PLL的追蹤能力,避免失鎖狀態出現,實際上,可試試看該檔的上下限頻率,假如無誤,也就不會有其他問題。
轉載音響技術第89期MAY. 1983 可程式型數字訊號產生器/林茂榮(原載Computers & Electronics 1983年二月號)
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