連續可調的無源音調控制器

    自從出現數碼聲源CD唱片之後，因其輸出電平高達1V以上，足以直接驅動功率放大器，再加上人們在“越簡潔音質越好”的思想指導下，對音調控制的作用也心存疑慮，於是音調電路連同前置放大器似乎開始失去存在的理由了。顯然，由CD唱片、功放和音箱組成的放音系統，成本低，使用方便，音質也不錯，深受廣大發燒友的青睞。不過，如果由此而認為音調電路的作用有害無益，那就未必妥當了。
    大家都知道，人們是根據主觀聽感來評判音質好壞的。而音質好壞又涉及到方方面面。除了與軟體錄製質量、硬體的技術指標以及房間的聲學條件有關外，還與聽覺的生理、心理密切有關。所有這些都會影響到人們的主觀感覺。就音質而言，這些感覺主要包括明亮度、豐滿度、清晰度、力度、融合度、真實感、平衡感和空間感等。然而影響這些音質的主觀感覺的客觀參數中，頻率響應的影響是最基本和最主要的。實際上，頻率響應的變化均與上述主觀感覺有關，而且還因節目源的不同而不同，也往往因人而有所不同。因此在欣賞音樂的過程中。如何方便地改變系統的頻率響應來滿足自己對音質的要求，應該說是音響設備必需或必備的控制功能。
    然而我們遺憾地看到，現在國內的Hi-Fi放大器幾乎看不到音調控制功能。以致有些發燒友雖然採用了帶音調的高檔前置放大器，但在實際使用時常常把音調置於“直通”的位置上。似乎總覺得，添加了音調控制就不是“原汁原味”了。其實，我們不必拘泥於什麼“原汁原味”，現在我們在CD唱片上聽到的聲音幾乎都是經過錄音師加工處理過的，早已不是“原汁原味”的了。因此在欣賞音樂時更應注重怎樣才能使自己聽起來更 “好聽”一些。如果你想這樣做，那麼使用音調控制適當改變系統的頻率響應是使聲音變得更“好聽”一些的最簡單而最有效的手段。
    當然，音調控制的實際效果會因各人的實際使用情況而不同本文的目的是提請讀者不要忘記音調控制的作用，不能“因噎廢食”，同時為需要的讀者介紹一款簡單的無源音調電路的詳細製作，花費不大，不妨製作後進行一番實驗，以觀實效。

一.電路簡介
    筆者曾在本刊介紹過一種開關切換的無源音調電路。由於每一檔使用一組獨立的RC元件，因而元件數量頗多。這次介紹的電路由於採用連續調節方式，採用同樣的RC元件，因而元件數量少，製作簡單些，調節也比較精細些。圖1是本電路的原理圖。它是典型的衰減式RC音調電路，應用十分廣泛。它的控制特性如圖2所示。一般應用時，高低音控制範圍在±15dB～20dB。由於是通過對中音頻的衰減來提升低音或高音的，因而所需的提升量越大，該電路對中音頻信號的衰減量也越大。比方說，如果要求對低音提升20dB，那麼中音頻至少應固定地衰減20dB。這樣一來，當電路對低頻不加衰減時，低音就相對於中音頻提升了20dB。此外，為了防止該RC網路接入前後級其他電路時不影響預先設計好的控制特性，要求它前面的電路的輸出阻抗要小，後面電路的輸入阻抗要高。不過實際應用這個網路時，通常總是讓它自己前後各帶一級或多級高輸入阻抗、低輸出阻抗放大器，以滿足上述阻抗匹配要求，同時彌補網路帶來的插入損失，從而構成一個“有源”音調控制單元，使用也十分方便。
  
    現在要直接利用這個RC網路作為音調控制單元，即構成不帶放大器的所謂“無源”音調控制，首先必須把它的插入損失降低到合理的程度上。然而插入時損失與音調控制範圍有關。插入損失大，控制範圍也大，但對信號衰減也大，可能使整個系統增益不足而無法實際應用；插入損失取得小，控制範圍也小，有時可能滿足不了提升量的要求，實際使用效果也不好。大量的使用經驗表明，音調控制的最大提升量一般不宜超過6dB。因為，音調控制的提升量過大，正如大家知道的，它帶來的負面影響就變得明顯起來，以致可能得不償失。換句話說，如果實際要求提升量大於10dB，那麼6dB的提升量由音調控制單元提供是允許的，另外的-4dB提升量應該通過尋找產生它的源頭上去解決才好。因此本文的音調電路的控制範圍設定在±6dB範圍內，此時它的插入損失為-6dB，這相當於使用這個音調的系統，增益將減小一半(0.5倍)，這一衰減量對大多數放大器來說是可以接受的。也就是說，不必另外再採用放大器來彌補音調電路帶來的損失。
    另外，由於控制範圍不大，控制電位器可以使用阻值呈線性變化規律的線性電位器，使電位器的旋轉角度與控制量保持良好的線性關係，因而控制比較精細準確，而且當電位器處於機械中心位置時，控制曲線能夠保持良好的平直響應。上述這些優點都是控制範圍取得大時不易達到的性能要求。
    為了使音調的提升和衰減與電位器的旋轉方向保持正確的關係，要注意電位器兩端的接線端子勿接反。一般的使用習慣是電位器向右旋轉相當於提升。反之則為衰減。因此在這裡簡單說一下音調電路提升和衰減的基本原理。當高音控制VR1的中心臂移向圖示位置上端時(相應於中心臂與上端之間阻值最小，VR2相同)，高音提升達最大，因為通過C1的高音全部送到輸出端。反之，當VR1中心臂處於最下端時高音衰減最大。因為通過C1、VR1的高音經C2衰減到地。當低音控制VR2的中心臂處於上端時，因C4、R2的阻抗隨頻率的降低而上升，因而來自R1的所有頻率中低音獲得最大提升。反之，當中心臂位於下端時，因R1、C3的阻抗隨頻率的降低而增大，致使輸出端的低音衰減最大。弄清楚這些關係，就不會把提升或衰減的接線端位置搞錯了。
    圖3和圖4是本文介紹的實際音調電路的原理圖及其控制特性。與圖1相比，圖3多了兩個切換開關SW1和SW2以及相關的RC元件。R4、R5組成衰減量為6dB(0.5倍)的分壓器。它用SW1加以切換，供不需要音調控制時作為音調電路的“直通”電路。它更主要的用途是，在使用音調電路時，通過瞬間切換來比較音調控制前後的聲音效果，以判別控制量是否有效和適當。從圖4控制特性(實線)看，高、低音的最大提升量均未超過6dB。高、低音的衰減量則偏大些，但這沒有什麼關係。低音的衰減量偏大些，這對小房間中使用大音箱且房間的聲學條件不佳引起低音轟鳴時也許是有用的。不過，圖3中還添加了SW2和R6、C5，它可減小低音的控制範圍如圖4中虛線所示。如果覺得不需要則可省去上述元件也無妨。另外，當高、低音控制中心臂均處於中心位置時，控制曲線呈一水平線，響應十分平直。
 
 

二.製作調試
    圖3電路很簡單，製作時可以採用兩種方案。如果只是想試一試音調電路在自己現有系統中的作用究竟如何，那麼可以採用臨時搭接的方案，即用一塊適當長度的板(印刷板)，把電位器安裝好后，把所有元件直接搭接在兩隻電位器的接線端子之間即可。下面主要介紹作為一個音調單元的安裝方案，它也可以供臨時試用覺得需要這個音調電路時採用的正規安裝方案。

    圖5就是它的實際安裝簡圖，圖中只畫出一個聲道的接線。它採用一塊雙列接線板，一邊各為一個聲道的元件。音調控制電位器應採用線性電位器，這一點必須注意。機殼應採用鐵板或鋁板等導電良好的材料加工製作，大小不拘，只要安裝得下即可。不過，對於喜歡動手製作的發燒友，不妨把機殼搞得大一些，以便日後需要時，也可以裝入一些其他放大電路，即製作成有源形式的音調電路等。如果機殼是由幾塊平板拼接而成的話，應保證它們之間在電氣上可靠相連，從而形成一個封閉的電磁屏障。所有接線包括輸入、輸出引線均不必採用屏蔽線。唯一要注意的是左、右聲道的地線不應相連，並且只有一個聲道的地線接地；另一聲道的接地是通過與其相連的輸入、輸出饋線的屏蔽層來實現的，其情況如圖6所示。機殼中“一點”接地的接地點安排在圖5右邊接線架的中間固定螺絲處，故該處務必仔細清除污垢，確保電氣上可靠地接觸良好。
  

三.連接使用
    如前所述，由於是無源音調程式，並有6dB的增益損失，因此要求它前面的信號源輸出阻抗要低些，一般不應大於500Ω。與它後面相連的放大器的輸入阻抗應大幹200kΩ。根據這一要求，目前絕大多數CD唱機均可與本音調電路相接，因為它們的輸出阻抗都<500 Ω。順便提一下，現在出現了一些電子管CD唱機，一般來說這種唱機的輸出阻抗比較大，是否能與本機匹配，應查一下它們的輸出阻抗才能判別。如果功放的輸入阻抗>200k Ω，那麼本音調便可直接接在CD唱機與功放之間組成一個十分簡潔而又有一定音調控制的放音系統。不過，作為功放的輸入阻抗(除電子管功放外)，一般都<200kΩ。常見的是100kΩ、50kΩ，檔次高的功放的輸入阻抗更低一些，大致在10～20kΩ範圍內。因此本音調電路與功放相連時要進行必要的阻抗匹配。
 
    圖7是進行這種阻抗匹配的簡圖。圖中VR是功放本身的音量電位器，它的阻值可近似看作功放的輸入阻抗。Rx就是阻抗匹配電阻。通常VR總是<220kΩ，為了滿足輸入阻抗i>220kΩ的要求，一般Rx應滿足下式要求：Rx≥220kΩ-VR         (1)
    不過，當用上法實現阻抗匹配后，由於Rx是串入功放的輸入迴路中，這必將引起額外的信號損失。這一損失和音調電路本身的損失就是使用音調電路的總損失。顯然，引入的總損失不能過大，否則，整個系統的增益就顯得不足，有聲音開不響的現象。
Rx和音調插入損失(本機為0.5)加在一起的總損失可用下式計算：L=VR/(Rx+VR)×0.5    (2)(用dB表示時則為2010gL)
例如，功放的vR=100kΩ.據式(1)取Rx=120kΩ。用式(2)計算總損失L=[100/(120+100)]×0.5=1/4.4(即-13dB)。
    由此可見，后級輸入阻抗(音量電位器阻值)越小，那麼插入損失越大。因此在製作這個音調電路之前，必須根據現有功放的輸入阻抗計算一下總插入損失，然後再檢查一下這一損失對實際聽音有多大影響。如果不進行這樣的事先檢查，有可能製作好的音調控制不能滿足使用要求，從而造成不必要的浪費。附表是阻抗匹配的兩個實例，可供參考。需要指出，這樣匹配后的音量電位器是開得較大的，通常會達到13～15點(以時鐘的時針指示音量刻度)。這與普通的音量指示位置(常在10～12點)相比，看起來有點不習慣。不過，只要最大聽音音量能滿足自己的要求就沒有什麼關係。如果看起來覺得不習慣，式(1)中的220kΩ也可改為100kΩ，即對后級的輸入阻抗要求可以降低到100kΩ。這樣對圖4控制特性曲線的影響最大不超過1dB，完全可以滿足要求。
 
   上面說過，這個音調電路與電子管CD唱機配合使用時必須注意CD唱機的輸出阻抗。不過，它與電子管后級功放匹配一般沒有什麼問題。同樣，這個音調電路也完全可以用來與耳機放大器一起工作，改善耳機放音的音色。
    最後，應該指出，無源音調的控制範圍不大，不要期望能獲得“驚人”的改善。尤其是頻響有問題的系統，一般不會有明顯的改善。相對而言，越是在頻響上沒有問題的系統，使用這個音調的效果可能更好些。