连续可调的无源音调控制器

    自从出现数码声源CD唱片之后，因其输出电平高达1V以上，足以直接驱动功率放大器，再加上人们在“越简洁音质越好”的思想指导下，对音调控制的作用也心存疑虑，于是音调电路连同前置放大器似乎开始失去存在的理由了。显然，由CD唱片、功放和音箱组成的放音系统，成本低，使用方便，音质也不错，深受广大发烧友的青睐。不过，如果由此而认为音调电路的作用有害无益，那就未必妥当了。
    大家都知道，人们是根据主观听感来评判音质好坏的。而音质好坏又涉及到方方面面。除了与软件录制质量、硬件的技术指标以及房间的声学条件有关外，还与听觉的生理、心理密切有关。所有这些都会影响到人们的主观感觉。就音质而言，这些感觉主要包括明亮度、丰满度、清晰度、力度、融合度、真实感、平衡感和空间感等。然而影响这些音质的主观感觉的客观参数中，频率响应的影响是最基本和最主要的。实际上，频率响应的变化均与上述主观感觉有关，而且还因节目源的不同而不同，也往往因人而有所不同。因此在欣赏音乐的过程中。如何方便地改变系统的频率响应来满足自己对音质的要求，应该说是音响设备必需或必备的控制功能。
    然而我们遗憾地看到，现在国内的Hi-Fi放大器几乎看不到音调控制功能。以致有些发烧友虽然采用了带音调的高档前置放大器，但在实际使用时常常把音调置于“直通”的位置上。似乎总觉得，添加了音调控制就不是“原汁原味”了。其实，我们不必拘泥于什么“原汁原味”，现在我们在CD唱片上听到的声音几乎都是经过录音师加工处理过的，早已不是“原汁原味”的了。因此在欣赏音乐时更应注重怎样才能使自己听起来更 “好听”一些。如果你想这样做，那么使用音调控制适当改变系统的频率响应是使声音变得更“好听”一些的最简单而最有效的手段。
    当然，音调控制的实际效果会因各人的实际使用情况而不同本文的目的是提请读者不要忘记音调控制的作用，不能“因噎废食”，同时为需要的读者介绍一款简单的无源音调电路的详细制作，花费不大，不妨制作后进行一番实验，以观实效。

一.电路简介
    笔者曾在本刊介绍过一种开关切换的无源音调电路。由于每一档使用一组独立的RC元件，因而元件数量颇多。这次介绍的电路由于采用连续调节方式，采用同样的RC元件，因而元件数量少，制作简单些，调节也比较精细些。图1是本电路的原理图。它是典型的衰减式RC音调电路，应用十分广泛。它的控制特性如图2所示。一般应用时，高低音控制范围在±15dB～20dB。由于是通过对中音频的衰减来提升低音或高音的，因而所需的提升量越大，该电路对中音频信号的衰减量也越大。比方说，如果要求对低音提升20dB，那么中音频至少应固定地衰减20dB。这样一来，当电路对低频不加衰减时，低音就相对于中音频提升了20dB。此外，为了防止该RC网络接入前后级其他电路时不影响预先设计好的控制特性，要求它前面的电路的输出阻抗要小，后面电路的输入阻抗要高。不过实际应用这个网络时，通常总是让它自己前后各带一级或多级高输入阻抗、低输出阻抗放大器，以满足上述阻抗匹配要求，同时弥补网络带来的插入损失，从而构成一个“有源”音调控制单元，使用也十分方便。
  
    现在要直接利用这个RC网络作为音调控制单元，即构成不带放大器的所谓“无源”音调控制，首先必须把它的插入损失降低到合理的程度上。然而插入时损失与音调控制范围有关。插入损失大，控制范围也大，但对信号衰减也大，可能使整个系统增益不足而无法实际应用；插入损失取得小，控制范围也小，有时可能满足不了提升量的要求，实际使用效果也不好。大量的使用经验表明，音调控制的最大提升量一般不宜超过6dB。因为，音调控制的提升量过大，正如大家知道的，它带来的负面影响就变得明显起来，以致可能得不偿失。换句话说，如果实际要求提升量大于10dB，那么6dB的提升量由音调控制单元提供是允许的，另外的-4dB提升量应该通过寻找产生它的源头上去解决才好。因此本文的音调电路的控制范围设定在±6dB范围内，此时它的插入损失为-6dB，这相当于使用这个音调的系统，增益将减小一半(0.5倍)，这一衰减量对大多数放大器来说是可以接受的。也就是说，不必另外再采用放大器来弥补音调电路带来的损失。
    另外，由于控制范围不大，控制电位器可以使用阻值呈线性变化规律的线性电位器，使电位器的旋转角度与控制量保持良好的线性关系，因而控制比较精细准确，而且当电位器处于机械中心位置时，控制曲线能够保持良好的平直响应。上述这些优点都是控制范围取得大时不易达到的性能要求。
    为了使音调的提升和衰减与电位器的旋转方向保持正确的关系，要注意电位器两端的接线端子勿接反。一般的使用习惯是电位器向右旋转相当于提升。反之则为衰减。因此在这里简单说一下音调电路提升和衰减的基本原理。当高音控制VR1的中心臂移向图示位置上端时(相应于中心臂与上端之间阻值最小，VR2相同)，高音提升达最大，因为通过C1的高音全部送到输出端。反之，当VR1中心臂处于最下端时高音衰减最大。因为通过C1、VR1的高音经C2衰减到地。当低音控制VR2的中心臂处于上端时，因C4、R2的阻抗随频率的降低而上升，因而来自R1的所有频率中低音获得最大提升。反之，当中心臂位于下端时，因R1、C3的阻抗随频率的降低而增大，致使输出端的低音衰减最大。弄清楚这些关系，就不会把提升或衰减的接线端位置搞错了。
    图3和图4是本文介绍的实际音调电路的原理图及其控制特性。与图1相比，图3多了两个切换开关SW1和SW2以及相关的RC元件。R4、R5组成衰减量为6dB(0.5倍)的分压器。它用SW1加以切换，供不需要音调控制时作为音调电路的“直通”电路。它更主要的用途是，在使用音调电路时，通过瞬间切换来比较音调控制前后的声音效果，以判别控制量是否有效和适当。从图4控制特性(实线)看，高、低音的最大提升量均未超过6dB。高、低音的衰减量则偏大些，但这没有什么关系。低音的衰减量偏大些，这对小房间中使用大音箱且房间的声学条件不佳引起低音轰鸣时也许是有用的。不过，图3中还添加了SW2和R6、C5，它可减小低音的控制范围如图4中虚线所示。如果觉得不需要则可省去上述元件也无妨。另外，当高、低音控制中心臂均处于中心位置时，控制曲线呈一水平线，响应十分平直。
 
 

二.制作调试
    图3电路很简单，制作时可以采用两种方案。如果只是想试一试音调电路在自己现有系统中的作用究竟如何，那么可以采用临时搭接的方案，即用一块适当长度的板(印刷板)，把电位器安装好后，把所有元件直接搭接在两只电位器的接线端子之间即可。下面主要介绍作为一个音调单元的安装方案，它也可以供临时试用觉得需要这个音调电路时采用的正规安装方案。

    图5就是它的实际安装简图，图中只画出一个声道的接线。它采用一块双列接线板，一边各为一个声道的元件。音调控制电位器应采用线性电位器，这一点必须注意。机壳应采用铁板或铝板等导电良好的材料加工制作，大小不拘，只要安装得下即可。不过，对于喜欢动手制作的发烧友，不妨把机壳搞得大一些，以便日后需要时，也可以装入一些其他放大电路，即制作成有源形式的音调电路等。如果机壳是由几块平板拼接而成的话，应保证它们之间在电气上可靠相连，从而形成一个封闭的电磁屏障。所有接线包括输入、输出引线均不必采用屏蔽线。唯一要注意的是左、右声道的地线不应相连，并且只有一个声道的地线接地；另一声道的接地是通过与其相连的输入、输出馈线的屏蔽层来实现的，其情况如图6所示。机壳中“一点”接地的接地点安排在图5右边接线架的中间固定螺丝处，故该处务必仔细清除污垢，确保电气上可靠地接触良好。
  

三.连接使用
    如前所述，由于是无源音调程式，并有6dB的增益损失，因此要求它前面的信号源输出阻抗要低些，一般不应大于500Ω。与它后面相连的放大器的输入阻抗应大干200kΩ。根据这一要求，目前绝大多数CD唱机均可与本音调电路相接，因为它们的输出阻抗都<500 Ω。顺便提一下，现在出现了一些电子管CD唱机，一般来说这种唱机的输出阻抗比较大，是否能与本机匹配，应查一下它们的输出阻抗才能判别。如果功放的输入阻抗>200k Ω，那么本音调便可直接接在CD唱机与功放之间组成一个十分简洁而又有一定音调控制的放音系统。不过，作为功放的输入阻抗(除电子管功放外)，一般都<200kΩ。常见的是100kΩ、50kΩ，档次高的功放的输入阻抗更低一些，大致在10～20kΩ范围内。因此本音调电路与功放相连时要进行必要的阻抗匹配。
 
    图7是进行这种阻抗匹配的简图。图中VR是功放本身的音量电位器，它的阻值可近似看作功放的输入阻抗。Rx就是阻抗匹配电阻。通常VR总是<220kΩ，为了满足输入阻抗i>220kΩ的要求，一般Rx应满足下式要求：Rx≥220kΩ-VR         (1)
    不过，当用上法实现阻抗匹配后，由于Rx是串入功放的输入回路中，这必将引起额外的信号损失。这一损失和音调电路本身的损失就是使用音调电路的总损失。显然，引入的总损失不能过大，否则，整个系统的增益就显得不足，有声音开不响的现象。
Rx和音调插入损失(本机为0.5)加在一起的总损失可用下式计算：L=VR/(Rx+VR)×0.5    (2)(用dB表示时则为2010gL)
例如，功放的vR=100kΩ.据式(1)取Rx=120kΩ。用式(2)计算总损失L=[100/(120+100)]×0.5=1/4.4(即-13dB)。
    由此可见，后级输入阻抗(音量电位器阻值)越小，那么插入损失越大。因此在制作这个音调电路之前，必须根据现有功放的输入阻抗计算一下总插入损失，然后再检查一下这一损失对实际听音有多大影响。如果不进行这样的事先检查，有可能制作好的音调控制不能满足使用要求，从而造成不必要的浪费。附表是阻抗匹配的两个实例，可供参考。需要指出，这样匹配后的音量电位器是开得较大的，通常会达到13～15点(以时钟的时针指示音量刻度)。这与普通的音量指示位置(常在10～12点)相比，看起来有点不习惯。不过，只要最大听音音量能满足自己的要求就没有什么关系。如果看起来觉得不习惯，式(1)中的220kΩ也可改为100kΩ，即对后级的输入阻抗要求可以降低到100kΩ。这样对图4控制特性曲线的影响最大不超过1dB，完全可以满足要求。
 
   上面说过，这个音调电路与电子管CD唱机配合使用时必须注意CD唱机的输出阻抗。不过，它与电子管后级功放匹配一般没有什么问题。同样，这个音调电路也完全可以用来与耳机放大器一起工作，改善耳机放音的音色。
    最后，应该指出，无源音调的控制范围不大，不要期望能获得“惊人”的改善。尤其是频响有问题的系统，一般不会有明显的改善。相对而言，越是在频响上没有问题的系统，使用这个音调的效果可能更好些。