音響 DIY，放大器及週邊: 9月 2013

2013年9月25日星期三

自製一張唱臂唱頭尺規

2010/01/15 15:23

玩 CD 器材, 除了加墊材或換換線材外, 高階一點的玩家還可以改改機器內部零件, 其他大概沒什麼可以動的了. 而黑膠之所以迷人應該是它的變數非常多, 可調整的地方和需要注意的地方很多, 因此這些因素可以組合出無限的聲音可能, 讓玩家的心中產生好還可以更好的憧憬而樂此不疲.
玩黑膠第一步基本功就在於調整唱臂唱頭是否精準的就定位, 一支結構簡單的唱臂其實含有很多重要的幾何原理在裡面, 這些東西我建議初入門者可以先去越點網站看看這兩篇文章:

Let's play Records (1) 新手必讀 ... 類比音源初探
Let's Play Records!(2) 新手必看 ... LP調整術

從上文中我們知道了幾個重要的名詞, 如: 有效長度, 超距, 補償角等, 這些東西正是我們要調整唱臂唱頭的主要工作. 做這些調整的目的是要讓唱針能夠正切於唱片的音軌來運行, 但因為唱臂是以圓弧狀自唱片邊緣向唱片圓心進行, 所以唱針不可能一直處於正切於唱片音軌的狀態, 而這個幾何理論就是要讓唱針於距離唱片圓心 66mm 及 121mm 處必須正切, 這樣唱針在其他位置時的正切誤差會最小. 調整是要使這些參數的實際值非常接近於理論值.
要做調整就一定要有工具, 一般文章或網路上所提供的唱臂唱頭尺規製作或甚至是音響店賣的很貴的尺規我覺得都不夠好用, 因為大部分尺規都只是如下圖在 66mm 及 121mm 處畫個垂直線而已, 這種尺規用起來經常是在 66mm 處調對了卻無法在 121mm 處正切, 反之亦然. 那是因為有效長度, 超距, 補償角這三個參數要是有一個不對, 就無法在這兩點一起正切的.

所以我要自己做一張尺規, 這是專門為自己的唱臂而製做的專用尺規. 首先我找到一個非常好用的 Excel 工具檔案, 叫 "Baerwald-Lofgren B.xls", 請大家用搜尋引擎去找一定找的到. 從這個檔案中知道, 其實唱臂的最原始參數只有一個, 就是 "有效長度", 輸入這個值後, 其他超距, 補償角, 軸距都幫你算出來了. 其中軸距是唱片圓心和唱臂軸心的距離 = 有效長度 - 超距, 這個值等一下要用到. 以我現在用的 LINN Basik 唱臂為例, 其有效長度是 229mm, 輸入後算出超距 = 18.139mm, 軸距 = 210.86mm, 補償角 = 24.083度.

接下來用諸如 autocad 之類的工程繪圖軟體開始畫尺規, 先畫一個 7mm 的唱片圓心, 然後再畫四個半徑分別為60.325mm, 66.0mm, 120.89mm, 146.05mm 的同心圓. 接下來在距離唱片圓心210.86mm 處為圓心畫一個半徑為229mm 的圓弧, 此時可以很容易看出超距就是有效長度 - 軸距, 就是唱針超出唱片圓心的距離.
在這圓弧和 66.0mm, 120.89mm 兩個同心圓弧的交點處畫兩條正切於這兩圓的線段, 最後標出這兩正切線段和 229mm 圓弧的半徑線夾角果然是等於計算出來的補償角 24.083度. 完成圖如下.

最後一定要記得設定 1:1 的方式印出, 因為尺寸過大所以設定列印範圍為上圖方框的位置, 印出後以美工刀小心將圓心挖一個洞, 套在唱盤上, 小心把唱臂放低看唱針是不是依有效長度之圓弧軌跡行走, 對了就表示軸距和超距都對了, 接下來只要調唱頭的角度就能讓針桿和兩條正切線段平行.
如果唱針不能依圓弧的軌跡行走,就表示軸距或超距至少有一個不對, 萬一是一開始唱臂裝的軸距位置就不對而且難以修正 (尤其是不能拆唱臂的廉價唱盤), 這時表示這唱臂的有效長度已不是原始值, 那正是這個自製尺規的超強之處, 根據實際之軸距值反推出新的有效長度, 重新輸入 Excel 重新計算, 重新畫一張, 只要一張 A4 紙的代價!
最後, 這循軌誤差調好了別忘了還有針壓及垂直循跡角 VTA 要調, 但這是垂直於唱片的參數, 不是這張尺規的功能囉!

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黑膠唱頭小小調音

2010/01/04 12:00

這是這裡第一次談黑膠, 因為我很少玩LP, 原因之一是麻煩, 唱片要收藏好, 避免重壓而變形; 清潔工作要做好, 放唱片前要先刷或洗, 唱針也要清理, 才能減少炒豆子的聲音, 更麻煩的是一面只有十幾二十分鐘, 唱完要記的把唱針拿起來換面或收好, 要不然唱針停在唱片最後一圈, 萬一聽著不小心睡著或有事離開, 唱盤持續轉阿轉, 不知磨損了針和片多少?
另外一個原因是我怎麼聽都覺得我的 LP 盤聲音沒有 CD 好, 當然主要是 CD 器材尤其是 DAC 花了我很多心血. 雖然許多玩家, 雜誌甚至網路都說 LP 聲音遠超過 CD, 我也相信 LP 底子佳可能很容易把聲音弄出一個程度, 但是玩音響就是一種 Hi-End 精神, 對我來說 LP 和 CD 所花的精神不同, 表現出來的自然就是聲音的成績不同.

最近收拾家裡時發現我的家當內還有幾顆 "釹鐵硼" 磁鐵, 這是一種磁力很強的磁鐵, 當初買來是因為在網路上有人拿這種磁鐵貼在低音單體上, 加強了單體的磁力而改變特性來調音, 我也湊熱鬧玩了一下而剩下的幾顆. 突然腦袋又閃出一個燈泡: 唱頭的結構不也是磁鐵加線圈嗎? 把它拿來貼唱頭會怎樣? 於是馬上試了一下:

唱頭是Entre 的老古董, 原本有一個塑膠護蓋, 為了貼磁鐵而拔掉了.

磁鐵吸上唱頭要小心, 因為磁力很強千萬別讓磁鐵飛到唱針把針給打斷了, 另外也確認 LINN Basik 唱盤是不含鐵的無磁性轉盤後才正式開唱, 免的整根唱臂往磁性物質飛去. 最後因為唱頭多了一個磁鐵的重量而重新調整針壓.
好了, 正式開唱, 當唱針放下音樂一出來, 哈! 果然聲音 "Hi-End" 許多, 多了重量感和厚度, 密度也增加了. 這樣的聲音改變會讓我以後多花點時間聽黑膠唱片! 高興之虞, 拿出另一顆鐵三角的MC頭, 不過這顆好像有隔磁處理, 磁鐵吸不太住只好做罷.
這個玩法有幾樣限制: 1. 要確定唱盤是無磁性的. 2. 必須是MC唱頭且無隔磁處理才有效, MM唱頭因為是線圈包磁鐵, 不同於MC唱頭是磁鐵包線圈, 所以外貼磁鐵不太能有效加強唱頭內的磁鐵磁力.
如果這些條件都OK, 只要一顆強力磁鐵就能改變唱頭音色, 簡單好玩大家不妨玩玩看!

2010/1/5

補充說明加磁鐵的原理與方式.
MC唱頭結構如上圖, 在唱頭本體上方是永久磁鐵, 經導磁鐵片將南北極導至動圈兩端, 當唱針震動時線圈產生電信號. 而這信號量和永久磁鐵的磁通量有關, 這裡外加釹鐵硼磁鐵就是要增加原唱頭內的永久磁鐵磁通量. 當外加磁鐵N極吸附唱頭內的永久磁鐵時, S極磁分子往左邊跑, 而磁鐵右邊因缺少了S極分子也就相對等於N極分子增加了, 所以唱頭內的永久磁鐵磁性也就加強了.
外加磁鐵有極性問題, 不過這裡不必擔心裝反, 因為裝反了會排斥根本吸不住, 吸住就表示極性對了. 但是要小心唱針尾部線圈處亦是磁極處, 釹鐵硼磁鐵也很容易吸住此處而壓斷唱針.
另外這樣改法等於兩個磁鐵互相串聯吸住, 這樣反而更能讓唱頭內部的磁鐵保磁.

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動態回授式超低音基本原理

2009/06/26 18:08

說到要講原理, 可能一大堆人準備打呵欠了! 但別慌, 我也是很容易打呵欠的, 所以我盡量在原理方面長話短說擷取重點, 以期能用最簡單的敘述來表達清楚什麼是動態回授.
在一套音響器材中, 喇叭和放大器可以說是相依共存的, 缺了其中一樣就無法發聲. 不過在一般系統中, 喇叭是獨立的系統, 放大器也是獨立的系統, 它們之間只是以喇叭線連接起來用以傳輸信號並完成重播的功能. 我們知道, 放大器無論是何種電路架構都一定會有回授, 其目的是用來控制增益並且穩定電路動作和降低失真. 但在獨立的放大器系統中, 回授電路只能控制到放大器的輸出端, 所以放大器只能保證自己送出去的信號是對的, 之後喇叭在接受到信號後所產生的動作如何只能靠喇叭自己的性能了. 由於喇叭是機械性動作的元件, 它是否能隨著電力訊號而做完美的機械運動並發出原音, 我想大家都很容易理解, 那是不可能的事, 至少光紙盆的慣性就很難讓零失真發生. 所以動態回授的構想就是希望藉著將回授點由放大器的輸出端推移到喇叭端, 把偵測到的紙盆運動狀態回授到放大器並且加以補償及修正喇叭所產生的各種失真及頻率響應的平坦和延伸. 不過回授並不是萬靈丹, 往往過多或複雜的回授反而讓聲音變的更難聽, 因此這裡所談的動態回授只針對低頻部分, 這個頻段是人耳對音質較不敏感但對量感及延伸卻很敏感的部分, 因為它會影響整個音頻段的平衡與舒適感.
一個揚聲系統包含了許多特性, 其中最常看到的一項就是 “阻抗” , 一般都會說這是8歐姆或4歐姆的喇叭. 不過這只是 “標稱阻抗”, 事實上喇叭的阻抗是非常複雜的, 它不僅有直流電阻還有電感抗, 若紙盆處於運動之中更包含了像空氣質量, 柔順度, 輻射耗散等等複雜的因素. 這裡, 我們將喇叭的阻抗簡單分類為 “靜態阻抗” Zs 及 “動態阻抗” Zd 兩種, 所謂“靜態阻抗” 就是紙盆靜止時的直流電阻 Rs 加上交流的電感抗 ZL, 而紙盆運動時所產生的各種複雜的阻抗因素就通通歸為“動態阻抗”.
所以, 喇叭的阻抗特性可以畫成如下等效電路:

上圖中 Zo 是放大器的輸出阻抗, 喇叭則是 Zs + Zd // Rr , Zd 旁還並了一個 Rr, 這是因為紙盆運動時會發出聲音, Rr 就是聲能輻射電阻, 是空氣對聲音的影響力, 在500Hz以下時 Rr 和頻率的平方成正比, 500Hz以上因為影響的因素太多太複雜, 且超出了低音範圍在此就不去談它. Rr 的關係式是:

Ps = V^2 * Rr,

Ps 是聲能, V是紙盆速度, 前面說 Rr 在500Hz以下時 Rr 和頻率的平方成正比, 所以從這個式子知道, Ps 也將和 Rr 一樣, 和頻率的平方成正比. 頻率越低 Rr 越小, 聲能 Ps 自然越不足, 所以就需要用更大的功率來推動.
回上圖, 從這個等效電路中, 我們可以看到放大器的輸出信號是加在這一連串的串並聯阻抗之上, 而真正能有效發出聲音的信號卻是 Rr 兩端的電壓 Vzd, 它已經被好幾道分壓過了, 途中被 Zo, Zs 損耗掉不少能量, 難怪喇叭會產生失真, 因為 Vzd 並不等於放大器的輸出.
所以要解決放大器的能量不能 100% 送到揚聲器的聲能輻射 Rr 上的問題, 就是要使 Zo, Zs = 0 (或Zo + Zs = 0). 方法是想辦法在單體上設置紙盆運動的感應裝置, 利用偵測喇叭的運動狀態將信號送回放大器, 與原始訊號比較後, 使放大器的輸出能夠補償掉損失於 Zo 及 Zs 上的電壓, 而讓 Vzd = Vin*A (輸入乘以放大器的增益 A), 也就是最原始的放大信號直接加之於 Rr 上.
像Genesis這種廠製品, 他們偵測喇叭的狀態是利用裝在單體上的一個壓電元件來檢知紙盆運動, 不過這種特殊單體對於DIYer應該是取不到. 但可以用一個聰明且簡單的方法來取代單體上的壓電元件, 就是在單體上串一個小阻值電阻 R, 利用偵測流過單體的電流即可得知單體的運動狀態. 如下圖:

主放大器A1負責推動喇叭, 而另一個放大器A2則專門偵測流經喇叭的電流, 利用電流流經 R 產生的壓降經 A2 放大後成為 Vf 送回去和原信號 Vin 相加後變成 Vi, 再由 A1 放大成信號 Vo, 在某種條件下, Vo 恰可補償掉損失於 Zo 及 Zs 上的電壓, 什麼樣的條件呢? 這裡不去列推導式子, 只列出結果, 即:

當 R = Zs / (A1A2 – 1) 時, 其回授量洽可使 Vo 補償掉損失於Zo及Zs上的電壓,

即當上述條件成立時 Vzd = Vin*A. 其中A1, A2 代表兩個放大器 A1, A2 的增益.
例: Zs = 8 ohm, A = 20倍, B = 1倍, 則
R = 8/ (20*1-1) = 0.42 ohm
但是 Zs 很難抓出精確值, 所以我們直接取 R = 0.5 ohm, 然後在 R 與 A2 之間加一個可變電阻作為回授量微調即可. 而調整方法為: 回授量由最小逐漸調大, 當喇叭開始狂鳴之時, 再調回去一點使之不會狂鳴時即為正確調整點.
最後, 還有一個問題要解決, 前面說過 Rr 和頻率的平方成正比, 也就是說頻率越低聲能輻射效率越差, 所以必須在 Vin 前端加上一個等化網路, 基本上是一個 6db / oct 的低通濾器, 其轉折頻率 fb 即為此超低音的低頻衰減點, 例如: 20Hz. 不過請注意, 如果是小音箱假設本身只能到 50Hz, 卻想用動態回授硬將低頻擠出15Hz, 則需要更大功率的放大器, 同時也要考量單體是否能承受的了, 天下沒有白吃的午餐。

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動態回授式超低音柱計畫

2009/06/25 18:54

『動態回授式』這名詞我最早是在約二三十年前的音響技術雜誌見到, 當時看到作者盧卡通先生的文章從分析飛利浦的產品一直到試作, 只是覺得作者好強啊, 理論好希奇啊, 但並沒有特別慾念去做這玩意兒, 那時一台達琳唱盤加一台Self made (當時音技還沒有”DIY”這名詞呢!) 綜合擴大機和在中華路拼湊出來的三音路喇叭就非常滿足了, 別說電子分音系統是想都不敢想的東西, 更遑論『動態回授』是什麼碗公了.

歷經十餘載, 曾經有很長一段時間停止玩音響, 後來在同事的邀約下參觀了某年音響大展, 發現有一家叫 Genesis 的喇叭他家的設計是中高音部分是使用一般被動式喇叭, 但低音部分則使用伺服控制主動式喇叭, 好像似曾相識的做法呀, 立刻就讓我想起了盧卡通先生的那篇文章. 這麼多年了, 看起來嶄新的設計, 應該就是當年飛利浦的動態回授喇叭的原理, 只是時空不同了, 現在 Genesis 製造的手法非常龐大, 四支高聳入天花板的中高音柱和低音柱, 讓我看的兩眼發直, 也聽的耳朵直流耳油! 就是因為Genesis的旗鑑喇叭讓我重拾對音響的 “夢”, 也開始回頭想把音響器材再度找回來或建立起來.

回家後立刻想翻出音技這篇文章, 無奈這麼舊的雜誌早已不知丟到哪裡去了, 但是並沒有影響我回頭搞音響的心意, 只是後來Genesis並沒有成為我的最愛, 因為那時很流行真空管, 到處都聽到人人說真空管的聲音如何了得, 於是心想: 好吧, 就玩玩真空管吧, 而且以前年輕時沒錢買原裝高級音響, 所有音響都是自己買零件裝的, 現在要好好犒賞自己一下, 另一方面也想要體會所謂原裝 Hi-end 和自己裝到底差在哪裡? 於是忍痛進了 "管機至尊" Klimo 前後級放大器, 這樣一來就正式和 Genesis 絕緣了, 因為從來沒有聽過誰用 Genesis 喇叭配中小功率管機的, 我可不想當烈士, 最後在一個偶然機會找到一對價格漂亮的 Odeon La Traviata 號角式喇叭.

廢話了一堆, 其實是因為我從頭到尾都沒有忘記四件式喇叭的魅力, 那是我一直以來的夢想. 托現代網路的福, 我終於找到音技盧卡通的那篇文章! 沒錯, 這就是我寫這篇文章的原因, 我要 “Self made” 一對能搭配 Odeon La Traviata 主喇叭的低音柱, 使它變成四件式喇叭! 是夢想也好, 是幻想也好, 在我重讀音技這篇『動態回授式電子分音揚聲器』後, 我覺得可行性非常高, 至少理論是沒問題的, 接下來只是要如何實踐的問題了.

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2013年9月8日星期日

全平衡前級製作 -- 我的超級A類前置放大器

2009/01/31 21:36

這是為了將我的系統邁向全平衡傳輸的第二步, 平衡後級已經有了, 接下來當然是要建構一部全平衡前級. 機箱等主要零件備齊了, 好不容易 PCB 也終於到了! 洗得還真不錯, 前級正式開工!

一共有四片連板, 左上是面板顯示遙控板, 左下是主放大電路, 右上是電源控制板. 右下是秘密武器 --- 全平衡 DAC 輸出Buffer, 因為前後級都是平衡式的了, 當然也要有平衡訊源, 所以那台Super DAC 自然要改成平衡輸出, 但這部分因為和前級無關, 將會另文說明.

OK, 將PCB折一折變成四塊, 先介紹左上第一塊:

面板音量遙控控制器

這部分原本想使用Real Audio 的平衡版 mini PGA 2310, 套件也買了, 機箱面板也依此設計成類 PASS風格的, 但是後來發現阿仁的繼電器音量控制器更適合, 於是二話不說又向阿仁買了一套, 但是機構就不符了, 因此自行layout 了一片轉接板, 將阿仁的繼電器音量控制器疊在上面, 再鎖在面板上.

原本此套件要外接兩片按鍵開關板共5個鈕, 現在全部整合在這片板內了, 為配合面板只有四個鈕, 所以將平衡鈕省掉了, 因為我覺得平衡鈕很少用, 左右聲音不平衡時應該以調整喇叭擺位為第一優先, 若真要調平衡也應該是坐在聆聽位置以遙控器調整, 所以面板不太需要吧!

PCB 反面為VFD, 按鍵及IR 接收器, 還有一顆雙色 LED 在 VFD 右側尚未銲上, 因為從套件線路實在看不出LED應該銲哪個方向? 我希望 Stand-by 時為橘紅色, 開機後為綠色, 這要等電路動起來再看是什麼方向.

三明治的結構

鎖面板裝機箱的樣子

安裝輸出入端子

跑去洛陽街去買XLR 和 RCA 端子, 回家後才發現 XLR 端子和網路上的不太一樣, 稍胖一點, 竟然塞不進機箱孔內真是傷腦筋! 只好拿銼刀慢慢銼了.

邊銼心理邊滴沽這樣跟狗啃的一樣會好看嗎? 突然靈機一動, 家裏有一把修金屬邊的工具刀, 用途是把鑽孔後的毛屑削掉用, 現在以這工具慢慢將原本XLR孔邊削大, 可以削的又平滑又整齊喔!

終於孔擴大了, 可以把XLR端子塞進去了

沒有把所有端子裝上並不是偷懶, 而是四組輸入固定分配為兩組平衡兩組單端, 所以就空下幾個孔了. 端子弄好了再將PCB固定孔鑽好, 接下來:

先解決電源變壓器

我裝機通常會先將電源部分弄好, 有了電源其他電路才能動作. 首先電源變壓器在搜尋各DIY網站後決定使用UCC網站的藍殼變壓器, 原因是它的外型最好看! 共使用3顆, 其中一顆是專給音量控制電路用的 Stand-by 電源, 另外兩個則是給放大電路用的.

變壓器到手後才知道原來是PCB形式的, 所以就用萬用板來放置這3顆變壓器:

除了電源變壓器用萬用板, 這次其他均有洗PCB, 所以就一次把所有零件銲上PCB 再裝上機箱, 一下子乍看好像接近完成了, 其實.......還沒有!! ^_^

上圖左上小板是電電源控制板, 也就是PCB連板的右上那塊, 用途是將UCC穩壓之整流濾波移到這片板子上, 再經由繼電器來和音量控制器同步開關UCC穩壓之電源, 不過出了點小差錯, 當初參考UCC線路上2200uF濾波電容只有兩個, 套件到手才發現原來是四顆並聯使用, 那時板子已經送出去洗了, 所以現在就如各為所看的板子旁又掛了兩個電容@_@! 另外這片版子還有一組四倍壓整流將AC7.5V 升壓至 DC40V以供應VFD用, 因為藍殼變壓器沒那麼多組電壓.

往右兩片一樣的板子上面有許多紅色繼電器就是訊源選擇+音量控制板,

下面最大的那片就是本前級主角 -- 全平衡放大電路.

左邊一點黃色那片就是UCC穩壓了. 往下那片是音量控制器的電源板.

再解決遙控套件

先將一部分配線先接好, 就是AC電源和繼電器音量控制套件部分, 要先測試此套件動作是否OK.

上圖前方面板是Pure Audio 的遙控音量控制器主控板, 中間是數位5V及VFD 40V電源板, 中下方是UCC 的穩壓器.

遙控音量控制器部分線配好了, 準備通電看看套件動作是否正常.....

插上AC線後, 打開後面屁股總電源開關, 咦? ...... 一點動靜也沒有?!! .......別緊張這是因為遙控音量控制器只進入 Stand-by 還沒真的開機, 所以就將面板上 Power Key那個鍵按下去......

哇哈哈! 面板視窗內顯示出一些文字, 並且有搭搭繼電器跳動的聲音, 看來這套件是動作OK了! 試著按每一個鍵跟旋轉音量鈕, 都有相對的動作, 遙控器裝上電池試試也都正常了. 比較不習慣的是旋轉音量鈕會發出滴滴答答的聲音, 不過倒是滿特殊的.

接下來開始另一階段的苦工 -- 把線材一根一根的接上吧! 慢慢"蛇", 每隔幾天接一些線, 終於把線全部配好了!

線配好後上電測試了, 幾經波折終於把聲音搞了出來, 做了些小小調音加上連續幾天上電不斷的 Run, 聲音終於漸入佳境. 和我原先使用的 Klimo Merlin LS 前級比起來最大的不同在於低頻表現真是天壤之別, 因為 A類輸出級大膽的直接使用Philips 2200uf x 4 整流濾波接入而不經過穩壓, 偏壓調在100mA, 射級電阻使用 0.22 ohm 使的輸出級幾乎就是一部小後級的 Design. 我把輸出直接接 FOSTEX 全音域喇叭還唱的有模有樣, 可惜電源變壓器太無力, 聲音不能轉大, 我相信當直接當耳擴一定更沒問題, 可惜我沒有像樣一點的耳機, 也沒裝耳機座所以無法測試.

低頻在音響系統中是非常重要的, 若非DIY, 想要得到漂亮的低頻代價通常相當高, 一般非旗鑑的平價機種, 聲音會比較平淡, 當低頻不足或缺乏力道時只好將高頻也收斂下來以免聲音失衡. 反之若當低頻足夠時不只整體聽起來比較舒服, 而且整個音場音像都明確了起來, 連帶高頻也可以讓它更延伸, 也比較不刺耳的感覺. 我原先一直使用的 Klimo Merlin LS 真空管機它的中高頻是強項, 而本機剛開聲時, 似乎有點下盤穩重而上盤 (中高頻) 卻是有些霧稍有不如管機的感覺, 於是在前述 4 顆 2200uf 正負各並上 3 顆 1uf PP 電容後, 再加上一段時間 Run-in, 那種感覺已經消失了. 當然晶體機和管機的聲音終究不太一樣, 但那是喜好問題了.

好了, 我認為聲音合格了, 把上蓋鎖好正式上架了!

一黑一白的 "我的超級放大器" 黑白郎君, 擠下了多年來為我服務的西德 Klimo 前後級.

巧的是, Klimo 前後級也是一黑一白, 不過顏色剛好相反罷了. Klimo 雖為管機, 聲音卻相當現代化, 毫無管機那種昏黃拖慢的感覺. 各位可看到當使用Klimo 推 Odeon 喇叭時, 前級底下必須墊布使聲音收斂一些, 上圖 "我的超級放大器" 後級也有墊布, 但經過反覆試聽後已經把布拿掉了.

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全平衡前級計畫

2008/12/04 19:23

時間過的真快, "我的超級功率放大第二代"轉眼已經完成一年了, 心中一直耿耿於懷沒有平衡訊號餵飽這部怪獸後級, 所以一直想再搞一部全平衡前級. 不過動作超慢的我也終於備妥大部分主要原件了.

機箱和面板是向CSW定製的, 其實已經交貨很久了...不過我通常裝機會裝到機箱生鏽@_@!! 旋紐是跟DIY song買的. 遙控, 訊源選擇及音量控制是跟阿仁買的繼電器控制套件, 這樣大家應該知道我為何之前要分析繼電器音量控制了吧? ^_^

電源打算用UCC穩壓, 主放大電路則重新設計layout, 架構和後級差不多是以OP AMP組成全對稱平衡放大, 其輸出端為了搭配 Aleph P繼電器音量的低組抗而設計了一組大電流的輸出緩衝級, 相信本前級輸出足以直接驅動高效率喇叭, 更不用說直接驅動耳機了.

敬請 .......... (((慢慢))) ............期待!!

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繼電器音量控制解析 (二)

2008/11/12 13:55

2. R-2R的方式

R-2R的線路如下:

線路看起來比(2^n)R方式複雜多了, 共8個繼電器16個電阻還外加兩個OP AMP. 不過原理卻比上一個精簡多了. 好, 現在我們來分析他的動作原理:
這個音量控制器所用的電阻值只有兩種, 一個是 R 另一個是 2R, 所以叫 R-2R的方式. 在上圖中, 最左邊的兩個電阻 R8 和 R9 其阻值都是2R, 假設所有繼電器都是切在接地端時, 從R9往左看過去總阻值是 2R//2R = R, 然後這個R和 R1串聯成 2R 的阻值, 因此從 R10往左看過去總阻值依然是 2R//2R = R, 同理R11從左看過去總阻值也是 2R//2R = R, 一直到最右邊R16往左看過去總阻值依然是 2R//2R = R. 所以從輸入端IN看進來的總阻抗就是 R.
所以當信號加在IN端時, 輸入電流 I = VIN / R, 流過 R16的電流 = VIN / 2R = I / 2. 而另外一半電流會流過R7, R7 = R; IR7= I / 2.
接下來因為 R15 = 2R, 阻值是 R7的2倍, 所以
IR15 = I / 4,
用掉了 IR7 一半的電流, 所以剩下 I / 4 會流過R6.
一樣的 R14 = 2R阻值是 R6的2倍, 所以
IR14 = I / 8,
以此類推,
IR13 = I / 16,
IR12 = I / 32,
IR11 = I / 64,
IR10 = I / 128,
IR9 = I / 256.
剩下最後的I / 256 當然是流過 R8了. 所以從最高位元到最低位元的電流是呈 1/2 的倍率遞減.
但若是繼電器切到另一邊電流量會不會改變呢? 這裡為了不改變以上的電流規律所以在輸出端接了一個OP AMP作為電流 – 電壓轉換器 (I-V converter). 我們知道當OP AMP工作在線性範圍時, 兩個正負輸入端的壓差會等於零而且不會有電流流入輸入端. 這裡正輸入端接地, 所以負輸入端電壓也會 = 0, 因此無論繼電器切到哪一邊電流量都不會改變.
從電阻網路流過來的電流假設叫 IO, 因OP輸入端不會吃電流所以它只能流向R17. OP AMP的輸出 –VOUT = IO*R, 再經下一級OP反向, 所以
VOUT = IO*R.
VIN = I * R
當音量等於
00h時, IO = 0, VOUT = 0;
01h時, IO = I / 256, VOUT = I/256 * R = VIN / 256;
02h時, IO = I / 128, VOUT = I/128 * R = 2* VIN / 256; 和前一級相差 1/256倍
03h時, IO = I / 256 + I / 128, VOUT = 3* I/256 * R = 3* VIN / 256; 和前一級相差 1/256倍
…
至此已經可以猜測, 每一級都是以1/256增加, 也剛好是8位元的總級數, 所以音量變化和(2^n)R一樣是線性的, 最大衰減量 dB = 20 log 1/256 = -48.1dB, 也和(2^n)R一樣, 所以本音量控制之曲線和如何跳級直接參考前一篇即可.
本音量控制的好處是輸入阻抗衡定為R, 缺點是需要OP AMP做 I-V轉換及反向, 但若是能將I-V轉換納入前級放大電路一起設計未嘗不是個好選擇.

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繼電器音量控制解析 (一)

2008/11/11 18:10

音響系統中最常用到的功能就是音量控制了, 音量控制器最基本的方式就是使用可變電阻, 不過近來音響也大都有了遙控的功能, 因此使用純可變電組的機種反而少了. 一般來說, 比較平價的機種會使用帶馬達的可變電阻器或音量IC, 高價機種則可能會使用繼電器方式來控制音量.
繼電器音量控制的原理簡單說就是利用不同繼電器的ON-OFF 來改變不同電阻之間的連接, 以改變其分壓值. 在上一篇 “Ladder type 音量開關製作” 中, 如果直接將 Ladder type 用繼電器取代24段開關的話, 那就需要24個繼電器, 兩聲道就要48個, 如果是平衡放大那又要加倍數量了, 不只成本高體積也龐大, 實在是不實用的笨設計, 因此如何減少繼電器的量是此類音量控制的設計主題. 最常用的方法就是以2進位數方式來減少繼電器的量, 例如4個繼電器當成4 bit, 可組合出16段變化. 在此我以8 bit為例來做說明目前比較常見的 Aleph P的(2^n)R方式和R-2R的方式:
1. (2^n)R方式
所謂(2^n)R就是如同2進位數中每進一位數是以2的n次方增加, 在這裡我們設一個最小阻值R, 那麼 8 bit的 n 是 0~7, 其電阻阻值分別為: R, 2R, 4R, 8R, 16R, 32R, 64R, 128R. 這8個電阻和8個繼電器組合成如下電路:

這就是Aleph P的音量控制線路, 其中R= 62.5歐姆, 這個電阻當作最高位元 B7, 所以從最大位元到最小位元的阻值分別是62.5, 125, 250, 500, 1K, 2K, 4K, 8K ohm (B0). 各位看到每一個電阻分別可切到輸入端 IN 或接地, 而電阻另一端則接到輸出 OUT.

當音量等於00h時為無聲狀態, 所有繼電器都切到接地, 輸入信號 IN 和輸出 OUT 完全斷開, 所以從IN端看進來是浮接阻抗無限大, 也就是前一級的輸出完全無負載.

當音量等於01h時, 8K ohm那個繼電器切到IN, 這時 IN 和 OUT 之間的關係就是8K ohm 和其他所有電阻並連接地的阻值所構成分壓網路, 經計算, 其他所有電阻並連接地的阻值約 31.49ohm 和 8K 分壓, OUT 為 IN 的 0.00392 倍, 換算為分貝 dB = 20 log 0.00392 = -48.1dB, 這個音量控制最大衰減量為-48.1dB

當音量等於02h時, 4K ohm那個繼電器切到 IN, 這時 IN 和 OUT 之間的關係就是4K ohm 和其他所有電阻並連接地的阻值所構成分壓網路, 經計算, 其他所有電阻並連接地的阻值約31.62ohm和4K分壓, OUT為IN的0.00784倍, 換算為分貝dB = 20 log 0.00784 = -42.1dB. 和前一段的差距是0.00392倍, -6.02dB.

當音量等於03h時, 8K及4K ohm繼電器切到IN, 這時IN和OUT之間的關係就是8K // 4K = 2.667Kohm 和其他電阻並連接地的阻值所構成分壓網路, 經計算, 其他所有電阻並連接地的阻值約31.746ohm和2.667K分壓, OUT為IN的0.0117647倍, 換算為分貝dB = 20 log 0.0117647 = -38.59dB. 和前一段的差距是0.00392倍, -3.52dB.

就這樣一直算到FFh (255)時, 發現一個現象就是每一段的差異量都是0.00392倍, 也就是衰減量是呈線性的.

不過人耳對於音量感覺卻是呈對數變化, 也就是以分貝dB的方式呈現:

這曲線的意思就是說音量剛開始轉一點點就會突然變大聲, 到後面雖然轉很多音量卻只增加一點點, 為了減輕這缺點, 我們採取後段開始以跳級的方式來”模擬”出對數的線性變化, 也就是說第一段和第二段變化為-6dB, 然後為 -3.5dB, -2.5dB, -2dB, -1.5dB, -1.3dB, -1dB….接下來變化量越來越小, 所以我在第25段之後就開始以約每 0.5dB才跳一次, 像是 27, 29, 31, 33, …. 段跳級擷取256段中的64段, 結果曲線變成如下:

嗯, 看來比較直, 好多了, 雖然不完美.

接下來一個重要的數據, 這個音量控制輸入阻抗到底多少呢? 經試算表算出, 除第0段所有電阻接地, IN與地之間不通所以輸入阻抗無限大, 其次是第一段約8.032K ohm, 之後阻抗越來越小一直到第127與128段約125.5 ohm為最小值, 然後又逐漸升高至254段的8.032K ohm及255段的無限大. 阻抗曲線如下, 變化還滿劇烈的:

綜觀這個音量控制器的特性, 好像缺點還不少

1. 阻抗變化竟然從無限大變到8K再一路降到125歐姆這樣的急劇變化, 若前一級電路不夠力恐怕音色會隨音量不同而變化!

2. 線性音量曲線變化, 最大衰減量-48dB, 這在增益較大的放大電路中可能開第一段就會讓你嚇一跳

為了克服以上缺點, 首先在這音量控制之前要加一級電流放大緩衝, 以免造成前一級電路的負載, 不過這樣又多了一隻香爐多隻鬼了. 其實前級放大電路本身就可以當緩衝, 但要輸出大電流的設計然後將音量控制由放大器前端移到後端即可, 以Aleph P的設計本身就是大電流前級且將音量控制放在後端, 而且這樣做也比較能解決音量開第一段就會讓人嚇一跳的問題, 因為解決第2項問題的方法就是要降低放大增益, 置於後端時, 音量之後的放大增益只剩後級放大器, 相對少了很多. 不過因為整體增益並沒有變, 只是感覺音量變化較緩, 所以真正解決的方法還是要設法降低放大器的增益.

總之這個音量控制放在放大器前端是錯的, 雖然一樣有聲音但是設計邏輯不對.

它的好處是只用了8個繼電器和8個電阻, 若系統設計能克服以上問題, 而且選用優質繼電器和電阻, 其音質還是非常可期的.

下一篇將繼續討論R-2R的控制方式.

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Ladder type 音量開關製作

2008/09/30 16:12

整個音響放大系統最薄弱的地方一個是線材接頭處, 另一個要屬波段開關和音量控制器了!
相較之下, 一般音量控制器是用可變電阻, 其內部鍍一層炭膜上方接觸一個電刷來形成可隨旋轉角度變化的分壓器, 這個結構我認為又比線材接頭和波段開關更殺音質了, 所以近來為了改善可變電阻造成的音質損害大致有以下幾種取代方案:
1. 音量控制IC, 直接以半導體主動線路來控制音量, 不過隨著各種線路架構和製程, 可能影響音色不少, 好處是沒有機械動作對音質損傷很低, 且容易以電子電路控制可應用於如遙控, 記憶各種不同音源之音量等附加功能
2. 音量開關, 用多段開關上面加各種固定電阻來改變分壓, 依電阻網路不同又分串聯式, 並聯式和ladder type, 其中串聯式和並聯式的其信號路徑會經過許多電阻, 對於龜毛之發燒友認為會傷音質且路徑長易受雜訊干擾! 只有ladder type 路徑最短其結構簡單原理也非常簡單, 在有機械動作的音量控制中, 我認為是影響音質最小的. 但缺點是需要很多種不同阻值之電阻來製作, 備料較麻煩! 關於ladder typey在後面會敘述及實作. 因音量開關的外型和VR接近, 所以是最適合用來改機的, 可以直接換掉原來的音量VR來升級.
3. 繼電器式, 介於1, 2之間, 可以容易電子電路控制, 也如同音量開關是以固定電阻來改變分壓, 但一般是以如8個繼電器以R/2R或(2^n)R的方式來控制256段分壓, R/2R原理同R/2R DA轉換器, (2^n)R就是從LSB到MSB阻值分別為R, 2R, 4R, ...128R, 其目的都是是為了以最少繼電器的量(減少機械結構及成本) 達到最多段的控制, R/2R好處是輸入阻抗衡定但輸出需要一個I/V轉換OP主動元件, 而且信號路徑一樣會經過許多串聯電阻, 多了不少香爐和鬼.
(2^n)R方式則信號路徑經較少電阻但是整個電阻網路的輸入阻抗非常不恆定, 隨音量大小而隨機改變, 以網路上DIYer喜歡仿的Aleph P前級的音量控制來說, 它阻抗竟然從125 ohm ~ 8K之間變化, 已經有人把它做成音量控制套件讓DIYer直接取代VR "升級" 用, 其實這麼大的阻抗變化, 其最小阻值低至125 ohm, 若前一級放大驅動力不夠, 搞不好無法升級還反而降級了呢! 所以Aleph P原設計是將音量控制置於放大電路之後而非之前, 且Aleph P放大電路本身設計就能驅動如此低的組抗. 所以買這種套件的人應注意: 1. 管機不適合因為一般管機都用100K以上的音量控制, 2. 驅動力小的放大器不適合, 3. 不能將音量控制置於前端, 因為這會影響前一級音源器材的輸出負載.
還有這種二進位式的音量變化都是線性的, 這樣的變化曲線不適合用於對數變化的音量控制. 幸好它的段數夠多, 所以可以用"模擬"的方式來做, 就是一開始小音量時每一段都用到, 到了後段就開始"跳級"以模擬出對數變化的樣子, 所以以8 bit 控制來說實際上使用的段數並不到256段, 大約四十幾到六十幾段而已但也夠用了. 關於繼電器二進位式的音量控制, 將會以另外一篇來專門討論.
有人托我製作兩個100K單聲道音量控制開關, 我用的就是ladder type的, 它的特色是不管轉到哪一段, 信號都只經過兩個分壓電阻, 這兩個電阻不管在哪一段都設定成串聯起來阻值為100K, 理論上輸入阻抗完全恆定, 只是實際上為配合市面買的到的阻值而有一點不同, 但差異都在幾百歐姆左右而已, 應是最適合用來直接改機的.

製作上沒有什麼特殊之處, 花人工而已, 先把一堆電阻分好, 直接插在阻值表比較不會出錯, 然後在一根根的銲吧, ladder type每聲道需要雙刀開關, 所以上圖IN到OUT之間的RI電阻剛好可跨於開關兩層之間, 接地之RG就用一條裸銅線圈起來, 但不要形成環路要記得留一個缺口. 呼呼! 年紀不行了, 低頭工作一陣子脖子像是"ㄌㄠˋ到', 離完工還有些距離, 繼續加油. 這種差事只幫最親近的人做啦!!