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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