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  從人類聽覺的研究顯示,即使振幅差僅0.1分貝時,仍可以分辨得出來;所以我們相信對喜歡自己裝的音響迷來說,怎麼樣來測量振幅對頻率的響應是一個很重要的問題。利用單頻訊號產生器對不同的頻率做測量既費時又麻煩,如果為了節省時間只對少數的頻率測量,那麼解析度也不夠。

  通常要花上幾小時才能獲得足夠的資料來決定喇叭的共振Q值,傳統上省時的作法是使振盪器與繪圖器(chart recorder)上的紀錄紙同步;但是對業餘的人而言,很少人能有這種裝置。最近的方法利用一個訊號源及掃瞄波形分析儀如HP的3580或White 140的度音程分析儀;但這些器材的價格也非業餘者所能負擔。

  本文的目的就是要介紹一部掃描訊號產生器及一部對數放大器,能將響應曲線以分貝為單位直接顯示在示波器上。

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  首先我們要介紹掃描函數訊號產生器,它不但能掃描、能產生一般通用的聲波,更可以產生較不常用的聲波如互調失真測試所用的掃描性音組(swept two-tone):然後我們要介紹具有80分貝的動態範圍並以電壓直接顯示分貝數的對數放大器。

  將兩者合併配合普通的直流耦合示波器,既能測量喇叭又能測量等化器及放大器。

第一部份:掃描函數訊號產生器

基本振盪線路

  Exar XR 22060 是一個具有電流控制三角波振盪器,並可經選擇轉換成正弦波及一組分離的方波輸出和振幅調變器的IC;工作頻率從0.01Hz至100KHz,它可以產生脈波、方波、三角波、雙傍頻道訊號,本文就是利用兩個2206's所設計的。圖一是2206的基本結構。

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  腳4、腳12分別為正負電源,腳2是主要的輸出,輸出的波形受正弦波修整器的控制而為正弦波或方波。腳11是方波輸出,由於腳11為晶體的C腳,所以必須加上負載,例如10K。

  腳10需接上1uF的電容將內部參考電壓傍路;負責振盪器時基的電容接在腳5、6間。另一個負責時基的元件是R1或R2,分別接在腳7、8與負電源之間。R1、R2受腳9選擇輸入的控制,每次僅有一個電阻工作。如果腳9是開路,則R1工作。

  振盪器的頻率 f=1/RC,在線路工作時腳7、8的電壓保持在負電壓3V以上,而流過R1或R2的電流決定頻率。頻率隨著電流的大小由1至3.000mA作線性的變化;3.000mA同時是2206的電流極限。如果是音頻範圍的話,只要0.05uF的電容配上2MΩ的可變電阻可涵蓋10Hz至20KHz。

  腳13至腳16及正弦波修整器,如果全部不接,腳2的輸出是三角波。在腳13、14間接200Ω的電阻,腳2的輸出是失真2.5%的正弦波;調整腳13、14間的電阻值可以獲得較好的波形,如果腳15、16間接上第二個電位器的話,失真可減少至0.5%。雖然這種程度的失真還不足以用來測量放大器的失真,但已足夠用來測量頻率響應。

  腳3是直流補償控制,在電壓範圍內腳3的直流電壓會在腳2上產生一個相等的補償,如果不須補償僅須在腳3上接50K接地。

  2206還有一些獨特的地方:腳1是調變器的輸入,三角波或正弦波的輸出電壓受腳1上瞬時電壓的控制。如果腳1上的電壓為0,理論上輸出也是0,實際上卻有負電位,不過這很容易解決。腳1上的正負電壓產生反相的波形,電壓的大小決定振幅。腳1上的電壓改變時,輸出振幅也跟著變,此即振幅調變的做法,此刻僅加上一電位器如圖一。

  腳9為選擇輸入,如果腳9是開路或是高於負電壓2伏以上,則R1工作;反之R2工作。只要將腳11的方波輸出接到R9就可以了解它的工作原理:當方波是高電位時,R1工作;方波是低電位時,R2工作。由於R1決定上昇時間,R2決定下降時間,三角波變成斜波,同時方波變成脈波其波寬及頻率分別由R1、R2決定。

 

完整的線路

  圖二是完整的線路,兩個2206的接法完全相同(除了時基的元件外)。其中腳4、10、12、13、至16的接法與圖一相同,圖二中沒有畫出,所以圖三再詳細繪出。

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  圖四是振幅調變選擇開關SW1、SW4的接法,振幅調變電位器是利用兩個電阻並聯,使得在接近零振幅時較好調整,兩個電阻稍有不同是用來補償前面曾提過會偏向負電位的零振幅點。

  開關轉到方波及外部調變的位置時,振幅電位器決定調變振盪器的電平。開關在正弦──三角波位置時,調變振盪器的振幅由DC電平所決定。

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   圖五圖六顯示調變器工作的情形,在每一張圖中下面的部分是輸入調變器的波形,上面的部分即調變器的輸出。圖七是輸入的選擇開關,詳細的解釋註明於圖中。

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  兩個2206振盪器主要的差別在腳8上的R2,IC1是一般的接法,每一個電阻的大小由1KΩ起至2001K止;腳5、6間的電容由SW2來選擇,三個電容能提供三組重疊的頻率範圍,如表一。較大的電位器使斜波有比較大的上昇、下降時差。

  IC2的腳7所接的電阻與IC1相同,但由SW5腳8上的電阻有三種選擇,較小的R19/VR10值使頻率的選擇更方便,SW6所選擇的電容可以彌補較小的電位器,如表二,其中220pF與VR9所決定的4.5MHz因為超過IC本身的極限,所以不可能產生。

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  SW5的第2個位置產生640Hz的參考頻率,用來檢查掃描的功能,這個正好位於20Hz及20.480Hz對數座標中點的頻率,故特別的穩定。由面板調整的C5提供兩個IC間的耦合,需要時可以使兩個IC同步;SW5第三個位置選擇對數掃描。

  IC3、IC4將IC1所產生的線性三角波或斜波轉換成對數電流,來控制IC2的頻率。R9 R10將斜波衰減至適當的振幅。VR6調整斜波的直流電平來修正中央頻率,IC3將這個斜波送至IC4晶體的基極(腳9、10、11)。

  由於晶體的C極電流與B-E電壓間成對數關係,所以晶體、R12及IC2腳8中的電流亦隨IC1的斜波而成對數變化。IC3旁邊如回饋的第二個晶體提供溫度補償,兩個晶體都在IC4上以利熱平衡。

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  圖八是特別設計的電源供應,雖然2206能以單電源工作,我們卻選擇對稱的±10伏。IC亦能在較高的電壓下工作,但反而不實際。對數掃描線路需要另一個比-10伏還低的電壓,我們選擇了-15V並以IC3整流。

  本掃描器的電流需求並不大,所以基本上是電壓加倍器(voltage doubler),D1 D2 IC1 IC2是用741來整流,由於它們的電流不足以供應掃描器負載,所以再加上一個小增益的晶體皆在10V輸出端。每一組電源經電壓分配器R3 R4及R7 R8由-15V取參考電壓。R2 R6取輸出電壓由OP與參考電平作比較。

安裝

  掃描器線路板分為四塊,分別是電源部分、對數掃描線路及兩塊相同的振盪器部分。圖九是振盪器的線路板;圖十、十一則分別為IC1及IC2板子的元件配置。每塊板子有六個裝設時基電容的位置以便於各種不同大小的電容,C11 C12傍路電容使用鉭質。

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  圖十二、十三是對數掃描線路板,其中R21A、R21B要在調整時才裝上。可變電容C5可以用任何形式,最好能找到具有絕緣軸的電容以防止手上的感應電容影響機器。首先檢查電源電壓是否正確,確定沒問題後先放電後再接上振盪器。

  把所有控制器、電位器都調至中點正弦/三角波開關至於三角波。SW5撥至位置一,SW1、SW4撥至external;SW3、SW7撥至第三個位置,SW2、SW6都轉到中間。表三列出每一個開關的相對位置及名稱。

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  打開示波器檢查三角波漢方波。檢查VR1、VR7兩個振幅控制電位器,轉到中央時輸出是否為零?

  檢查VR11 VR12兩個直流電平控制,及每一種頻率範圍。將選擇輸入撥到頻率2(開關的第四個位置),檢查VR10及頻率2;將振盪器1設定在500至1.000Hz的正弦波。調整VR13 VR15使誤差最小,並用同樣的方法調整VR14 VR16。SW5轉到第二個位置、固定頻率64Hz。SW6轉到10,再調整VR13使IC2的輸出恰為640Hz。

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  一旦640Hz參考頻率設定了以後,就可以決定掃描線路的頻率。先將所有的開關依表三第8行設定好。Sweep/Cal.和SW8開關撥至Cal.,觀察IC2的輸出頻率。VR6轉到中央,對數掃描板上的R21A位置上暫時裝上一個100K的電位器,慢慢的調整100K電位器使掃描頻率恰好在1Hz至20KHz。調好後將100K電位器焊下來測出其真正的電阻值,裝一個相同大小的固定電阻在R21A上。同樣的方法可以決定R21B,都裝好後再調整VR6使頻率恰為640Hz。

  調整掃描寬度時首先將IC2的正弦/三角波輸出接到示波器的垂直輸入,將經VR15的IC1輸出接到水平輸出,示波器對這兩個輸入都必須是直流耦合。水平輸入調整至1V/div,而垂直輸入調整至顯示IC2的輸出。SW8在Cal.位置時將軌跡調到中央,SW8再撥回掃描,然後利用VR1(振幅選擇1)使水平方向保持靜止。

  利用VR11使IC2頻率調至40Hz,再調整VR5使軌跡偏向左方5公分。重調VR11使頻率升至10KHz檢查軌跡是否偏至中央右方5公分。重覆40Hz、640Hz、10KHz的檢查並調整VR5 VR6直到正確為止。

  最後設定直流電平使軌跡在中間,轉動振幅控制增加IC1的斜波輸出使其在20Hz至20KHz間掃描;如此第一部分即告完成。

第二部分:對數放大器

  掃描訊號產生器已成為一般電子雜誌的焦點,大家都提到它的功能、製作。可是一般的雜誌也僅限於提到掃描訊號產生器而已,其最後結果仍以線性的方法來表示。線性的表示法對我們的耳朵來說反而不適當,因為耳朵對聲音的反應成對數關係,使用分貝的表示法才適合人類的聽覺。本文即介紹一對數顯示以分貝為單位的線路,此線路適用於任何一種掃描訊號產生器。

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線路簡介

  圖十四為線路圖,線路的心臟部分是由D1 D2 IC3所組成的對數轉換器。對數線路主要是利用半導體接點的基本特性即二極體接點上的電壓與流經電流的對數值成比例,在第一部分中即以此原理應用於對數掃描的功能上。

  整個線路如軟性切割器(soft clipper),IC3是倒相放大,所以倒相輸入端為虛接地,使流經R8的電流與流過D1或D2的電流相同。如果輸入電壓為負,R8上的電流與D2中的電流相等,由於D2的一端是虛地,所以IC3的輸出電壓等於D2的電壓降,因此線路的輸出電壓與輸入電壓成對數關係。同理D1負責反相的電壓。

  VR2除了對LM318做直流補償外,還可以平衡兩個二極體在低電位時電流轉移的特性。

  經對數化的訊號類似軟性切割後的正弦波經C4到達OP緩衝器IC2-1,IC2-1的增益可以調整。IC2-2是一個倒相器,驅動全波整流D3 D4的一半。C6至C10濾波,R17的-15V是減少下降時間。IC2-3則做濾波器輸出的緩衝。VR4微調電位器使5mVr.m.s輸入的直流輸出為零。SW3-B是精密的衰減器,用來設定顯示時每公分所代表的分貝數。SW3-A則選擇適當的濾波器使每一個範圍的低頻顯示較平滑。IC2-4則提供21分貝的增益使全額輸出時的輸入靈敏度為500mV。

  SW1選擇輸入為高電平或低電平,IC1為低雜音5534AN作為麥克風的前級放大,具40分貝的增益;2.2K輸入阻抗適合大多數低阻抗麥克風。IC4對輸入訊號做線性放大,可經SW2選擇直接顯示在示波器上。VR5是調整這一部分的增益,如果IC1 IC4的功能不需要的話,SW1 SW2可省略。

功能

  為了要有較大的動態範圍我們犧牲了穩定性,對數放大器不能重覆測量絕對電壓,但可以在相當大的範圍內測量相對交流電壓。本線路在輸入電壓60分貝的範圍內,從20Hz到20KHz都能保持平坦。見照片A:動態範圍為80分貝,除了10KHz以上在低電平的時候會有一些滑落,照片中的偏差大都是由於示波器的誤差。照片B顯示響應曲線在0.2分貝內,照片C、D顯示頻寬至少由4Hz至40KHz。

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  這個線路可用於一般及少數特殊的測量。照片E是以10分貝/cm刻度測出的音調控制,照片F是喇叭的響應,照片G是以5分貝/cm刻度測出喇叭的阻尼曲線。1分貝/cm的刻度可以顯示出前級及後級放大響應曲線的細微變化,照片H即為誤差僅0.25分貝的前級放大響應曲線以1分貝/cm刻度顯示的結果。

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安裝

  圖十五是PC板的圖形。VR1 VR5直接裝在面板上,SW1 SW2用單極開關即可。SW3也裝在面板上,C6至C9、R23至R27直接裝在開關上;電阻的精密度最好是1%。

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  如果變壓器與線路板放在一起的話,一定要用遮蔽型的變壓器,否則會影響到低雜音、高感度麥克風的工作,全機僅在麥克風插座接地。

調整

  全機裝好並接上電源後,將對數放大器的輸出接到示波器,示波器的垂直刻度為100mV/cm。SW1撥至高電平輸入(Line),SW2撥至對數輸出(LOG),SW3 OFF。VR1順時針至最大。VR2 VR3 VR4轉到中央,將正弦波訊號接到輸入(高電平)然後打開對數放大器。

  正弦波訊號選擇400Hz、5mV RMS,如果用的是第一部分所介紹的掃描訊號產生器的話要將3V RMS的輸出衰減55.6分貝。

  調整垂直控制鈕使軌跡顯示在中央,對數放大選擇開關置於20分貝/cm的位置,調整VR4使軌跡回到中央。再將開關撥到5分貝/cm的位置,輸入電平提高10分貝,調整VR3使軌跡高於中央2cm。因為VR3 VR4會相互影響,所以要重覆調整直到輸入5mV時軌跡在中央;若輸入是10分貝高於5mV時軌跡在中央上方2cm;若輸入是10分貝低於5mV時軌跡在裝央下方2cm。

  接著開關撥到10分貝/cm,輸入訊號降至0.5mV,軌跡應於中央下方2cm。將輸入頻率改為20Hz,示波器輸入撥至交流耦合,示波器的靈敏度增加10倍,調整VR2使漣波的兩半等高,這部分一定要慢慢做,最後再檢查一次VR3 VR4。

結語

  對數放大器比掃描訊號產生器容易使用,主要的限制在對數放大器的上昇及下降時間。下降的時間限制掃描頻率響應曲線的速度,平滑的曲線可以掃描得快一點。放大器僅需3至5秒,喇叭則需15至30秒。快速的掃描先對曲線有一個基本概念,然後再慢下來仔細觀察。

  本文所介紹的掃描訊號產生器及對數放大器能作許多測試,10分貝/cm刻度最適合測試喇叭的響應,1分貝/cm刻度的解析度比大多數的儀器都好,音頻響應的小偏差清晰可見。下期我們還要介紹其中的一種應用。 (取材自 The Audio Amateur 3/1981)

轉載音響技術第92期AUG. 1983 掃描訊號產生器與對數放大器/王超羣

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