寬範圍高精確度的LED電平指示器

原文刊載於音響技術29期

/唐凌

然而今天，站在音響技術月刊的立場，之所以不斷推出各種實作的精粹，主要的目的，是讓編者作者及讀者之間，共同利用這個機會，研討一些吾能發生的問題，所以我們不避困難地選擇一些有教育啟發意的線路做為題材讓大家一起來嚐到著，共同克服種種的困難，一方面做出自已喜愛的東西，另一方面更從力行中去求知和求證。

要設計和製作一具有起碼準確性，且顯示範圍有起碼寬度的電平指示器，並不是很容易的事情，它至少包含了兩個轉換過程，一個就是由類比到數字的轉換，另一則為由線性到對數的過程，我們必須確實撐掌握這兩個轉過程，設計出來的電平指示器才能有電平指示之作用。

數字換算

首先我們想就分貝----電壓----功率的對比換算方法做一複習，最簡單的兩項原則是：

1. 功率增加至二倍時，分貝值增加是3分貝，二倍的二倍即四倍是6分貝，依此類推。
2. 電壓每增加至1.41倍時，分貝值增加是3分貝，1.41倍亦即二倍為6分貝，依此類推（註1.41是2的平方根，更正確的數值是1.4142…..）

依第一項原則，如果我們設定1伏時為0dB那麼2瓦必為＋3dB，4瓦為＋6dB，8瓦為＋9dB，16瓦為＋12dB…..

依第二項原則，如果我們設定1伏時為0dB，那麼1.41伏必為＋3dB，2伏為＋6dB，2.82伏為＋9dB，4伏為＋12dB…..

現在，我們預備製作的這部擴大機原則上可以到達302瓦的音樂峰值功率（當所加之DC電壓到達±75伏時在沒有限幅電路保護的情形下，320瓦的瞬間峰值是可能的）。因此，我們設以320瓦做為0dB的基準，於是便可以列出以下的分貝---功率對表：

　

瓦數	320	160	80	40	20	10	5	2.5	1.25
分貝	0	-3	-6	-9	-12	-15	-18	-21	-24
瓦數	0.64	0.32	0.16	0.08	0.04	0.02	0.01	0.005
分貝	-27	-30	-33	-36	-39	-42	-45	-48

以上的數字已直接印在面板上，至於有少許的小數出入，主要是為了閱讀的方便，類這種誤差，讀者不必介意。

然而，現在發生的問題是，我們希望指示器能依電壓來驅動，以免用電力驅動時，介入負載關係，更增加準確性的困難。因此，在面板上雖然印著320W為0dB，事實上我們必須求出在320瓦時，其輸出電壓究竟有多少伏？以做為我們驅動0dB那個LED發光時的基準電壓。

依據公式，亦即

Eout＝(Pout×RL)^1/2

輸出功率是320W，喇叭是8歐姆，因此：

Eout＝(320×8)^1/2＝50.6伏

但是還是RMS值，LED電平示器既屬於峰值指示形，我們仍需將50.6伏乘上1.41倍求出單峰值為72伏左右（所以我們說只要有±75伏左右的Vcc電壓，已足驅動320瓦的峰值電力了）。

現在可依序求出相對於每一電平階層相對的電壓值，列表如后，求法是基準電壓每除一次1.41所得即為減去三分貝的電壓值。

由於在面板上全部的LED只有12個其中僅11個明確地標明了電力階層，所以我們不得不使這些LED群有游動示之功能，而以按鈕開關做為游動顯示之控制，每一按鈕間游動之範圍為6dB，其游動在上表，已用縱線並註明AAAA來表示。

在確定以上數值之前，我們似乎必須對整個顯示範圍的數字做一番校驗工作，最簡單的校驗方式，乃是取最高階層與最低階層的電壓值，換算一下分貝數，看是否有足夠的準確度，亦即：

log51÷0.2×20＝48.1（dB）

由於我們可以證實至少在頭尾這兩段上，整個涵蓋範圍是正確的，而此校驗值亦可供將來裝完成校準之用。

另外必需說明的一點，乃是在面板上，與0dB那個LED平行的有另外一個LED無任何標示，這個LED可以依個人之喜愛，做以下兩種處置：

1. 讓它始終是亮著的，做為本電路之工作指示燈，但此時，每一階層電平之設定，必須依峰值來設計，也就是當0dB亮起時，已經表示輸出電壓之峰值高達72伏，已貼住割切的邊緣值。
2. 讓它做為峰指示，換句話說，整個顯示電壓階層可以提升3dB略低一點，那麼每一LED起亮時，所顯示的就是輸出電力的均方根值。

以上變換技巧及巧妙不同之處，當讀者開始試機時，方能領會。

基本的類比到數字轉換器

由類比信號（聲頻信號）轉換為數字信號（一段一段的），有許多方法可以達成，如果不計較其電平分配和校調因素的話，像下面這個電路，僅僅使用二極體做為引發限制器，號即可做到依序閃亮的目的：

當然它可能會造成亮度不勻的情況，不過只要有足夠的驅動電壓，加上較大的緩沖電阻，仍可以做到相當適用的的程度。不，它是無法用為電平指示器的，因為我們所需驅動的每階層為1.41倍的電壓，而全部範圍更高達255倍之巨。

在諸般線路，我們似乎只有採用演算放大器，在設計及調整上比較便捷。

我們都知道，一個典型的演算放大器，除了具有相當大的增益之外，尚有如下的特性：

亦即當＋輸入與－輸入的直流電位若相等的話，那麼輸出端必為!電壓（即處於±Vcc之中點），而當＋輸入的電位高於負輸入電位時，輸出端即生偏向方向＋Vcc的電壓，反之＋輸入電壓若低於－輸入電壓，到輸出端電位偏向－Vcc。

利用此原理，到我們可以設計出如下的線路：

使用一串電阻做為分壓網路，將各階層電壓設定分別施加於各個演算放大器的－輸入端，這麼一來，只要＋輸入端的電壓一超過負輸入端，那麼各個演算放大器輸出必呈現一正值電壓，點燃其上的LED。

在基本上，只要每一個演算放大器的性能是可靠的，以及分壓網路做得準確，那麼這就是一個相當可靠的電平指示線路。

然而在設計上，為了精確與可靠，我們不得不做以下之考慮：

1. 所有運算放大器之工作電壓，大致上均在±15~±18伏之間，如令其在單電源下工作，加給30伏的電壓可能比較適合。
2. 因為整個運算放大器的工作電壓被限定在30伏以內，因此負輸入端所設定的電壓亦不能超過伏，換句話說，只能在30伏以內去尋找適當的階層來工作。
3. 所以運算放大器＋及－的輸入特性在接近正或負電源時有漸趨非線性且＋－之相對差動性失去平衡的現象，尤其是接近邊緣值大約1.2~1.8伏時幾乎不能工作。

由於以上因素之限制，第一個運算放大器的電壓設定階層，只能放在2伏以上，設為3伏，則依次之階層為：4.2伏，6伏，8.5伏，12伏，17伏，24伏。再上去為33.6伏已超出工作電壓了。

所以就這個電路而言，我們所能做到的指示範圍，僅是3dB之六間隔七階層，合計18dB。雖然範圍的問題，我們可用「進位」的方法來處理它。

分壓網路之設定

在此，我們想先把分壓電阻求，再去設法解決驅動和進位的問題。

由於常用電阻值之設定通常是依5％或10％進階來設定的。而今我們想設定一個依據＋41％變化量的階次來設定分壓網路，必有可以預見的困難，茲試求出相近的數值如次：

類似上面這樣到達第三位的精確程度，除去儀器之外，在Hi-Fi電路裡已是無怯再苛求倒是我們所選用的運算放大器，在性能上是否以勝任的問題。

驅動電路之設計

上面這個線路，如果我們讓它直接工作於功率放大器的輸出電平，應當是相恰當的，因為假定此放大器最大輸出時有±50伏或±71伏的峰值電壓，我們也很容易用電位器來分壓，調整到滿度輸出時，谷有24伏，以使最上面一個LED發光。但是很不幸的事是30伏的工作電壓，差強只能容許七個3分貝階層的顯示，對我們原有的設計而言，顯然是不夠的。這時我們谷好使用二段進位法來故接力顯示了。

由於面板上的顯示階層總共只有12個，那麼每一組顯示線路便只要六個階層就夠了，這時我們可以把3V這一檔取掉，讓4.2伏擔任第一階層顯示，如此一來下面兩個電阻只要換上4.2K便可以了。

接著我們得考慮前面所定的最低檔顯示值是由0.2伏開始，而顯示電路之最低驅動電壓為4.2伏，那麼為了使0.2伏的輸出便開始能點然第一個LED，我們勢需把0.2伏的電壓至少放大21倍，才能到達4.2伏之階層，而在實際設計時，則不仿讓它多放一些，以備有衰減校正的餘地。就設定放大為50倍好了。實際設計時，仍宜採用運算放大器，因為運算放大器之增益容易控制。

實際電路之動作

圖一是一個比較簡單的設計，大約為0.2伏以上的電壓經由VR，進來之後，即由第一個運算放大器進行放大，其放大的倍數由R1與R2之比值來決定，例如R1＝100K，R2＝4.7K則其放大倍數為100/4.7＝21倍，那麼.2伏的電壓至少可以放大到4.2伏左右而驅動第一個LED發光。在10K之後接有二枚互為反向的二極體，主要在限制輸入電壓不超過1.2伏，以免誤接輸入或輸入太大時毀及IC。而1.2伏之輸入經21倍放大後為25伏，下好超過最後一級LED發光之需要。

運算放大器之輸出經一半波倍壓整流（如D1改為電阻則無倍壓之作用）後，在C1上充電。此時，C1與R1之數值決定了一瞬間峰值所停留之時間，亦即LED點亮後熄滅之速度。此一電路如果說是有缺陷，其缺陷便在此，因為R×C＝T之值雖然固定，但放電之速度卻不呈直線性的，這會使電平愈高的LED點然時間時，那麼最底下一個必會有時間太長的感覺（信號停止之後仍在亮著）。

為了避免這個缺陷，可以改成如圖二一般的設計。將所有驅動LED的運算放大器改由－輸入，亦即只要－輸入的電壓高過於＋的設定電壓時，輸出點電壓即下降，並點亮LED，而由輸出端到＋輸入之間，加上電容回授，使得即令在－輸入上只有一短暫而尖銳的脈波出現，輸出端瞬時為負時，此脈沖亦經由電容器而回授到＋輸入端，直到回授電容充電完成，而脈沖又早已消失時，輸出端恢復為正，LED始熄滅。

如此之電路，R3×C1之值吾安排得非常小，甚至可以不必C1，而僅由整流後未經濾波電壓去觸發每一只驅動用的運算放大器，使能產生非常均勻而適切的發光時間，達成真正的峰顯示功能。在若干零件的數值，當然可能需要做適當的調整。

串級進位電路

本電路的輸入靈敏度（指驅動最低電平的LED而言）如經精密調整，可低到0.05伏，如僅用此6個LED，可直接到前級或錄音座上動作（不受音量控制作用，可更正確地瞭解訊源電平狀況）。而現在我們是要將它接到功率擴大機使，所以必須將輸出電平加以衰減，且正因為有這麼高的輸入靈敏度，所以我們很容易將兩級同樣的電路串起來使用而成為有12個LED，而顯示動態高達33分貝的指示器，為了校正上的方便，其基本的接法如下圖所示：

假如個別的電路設定得很精確的話，串接後的調整非常簡單：

正弦信號輸入於擴大機，不必加負載（或僅加100歐姆左右之負載，以免功率晶體發燙，及電源有壓降），將之調於最大輸出邊緣，然後調整VR1，由下往上，直到最後一個發亮為止。

?將信號逐次減低，每熄減一只LED時即以三用表AC檔觀察並核對一次輸出電壓是否正好降低1.41倍（即0.707倍可查閱上節表列設計值），直到最後一只LED熄時，記下此熄減（或點亮）電壓。

?繼續降低輸出電壓，到上一級熄減電壓的0.707倍時，調整VR2，使最上面一只LED正好發亮。

"繼續逐次再降低輸，並逐一核對LED之指示與輸出電壓之關係。唯到最後幾個LED時，恐不易以一般三用表來核對了。

在校整時，要特別注意的乃是三用表所指示的是RMS值，而LED指示器所指示的則為峰值，對正弦信號而言，RMS值和峰值間的關係為1：1.414倍，亦即把電表讀數乘上1.41倍就是峰值電壓。但在方波的情況，其關係卻為1：1。在整個校調完成之之後，你可以比較一下方波及正弦分別對三用表及LED指示器的反應情況。此時當可發現，當輸出由正弦波改為方波時，三用表的讀數之刻增加1.41倍出來，而LED指示器則無論波形如何，讀數都一樣，這種功能以單純的表頭是無法達成的。

配合機箱的調整

就一般的擴大機而言，上面的調整已算完成。但是如果你是使用本刊供應的U500機箱，則調整工作不能由320W開始，而必須由5W時入手。

由前面的設計值，我們可以查得輸出為5W時，電壓是6.3伏（峰值9伏），於是我們可調整輸出到6.3伏，而校正VR1使最上面一級LED發亮，以後之校正次序則同上節一般，直到兩級電路校正之後。我們只要經由四個按鈕開關加上一個1/2分壓網路，即可符合面板上所標示的要求，接法是：

圖中所示的電阻數值除了220歐姆以外當然都不能買到，但我們可透過串併聯獲得，全部一共用了7個220歐姆電阻，問題便解決了。

非音響用途之增益定值

整個500瓦的功率擴大機裝置完成之後，面板在邊的GAIN控制鈕，如不十分介意時接上50KΩA型或B型的電位器，一切也就大功告成。如尚不滿意，現在中華商埸的電料行，已非常容易買到十一段的電位器，拿來當增益控制可算非常恰當。

然而就我個人的立埸而言，我在設計這部擴大機的系統功能時，即希望它有一個正確的控制與顯示部份，而其用意很可能是超出一般音響用途之外的，舉例來說，我希望兩個控制鈕為十一接點式，每一接點間之增益間隔為3dB，這樣一來，如果給予擴大機一個固定強度的信號，那麼當每轉動增益控制一段，就會使LED有一個亮起或熄滅，這樣一來，增益控制器和LED顯示器之間，隨時可以做校驗正作。另外，在設定增益控制鈕之間隔時，我特別注意到零增益（即0dB）點之尋找，因為在0DB點時，擴大機完全沒有電壓放，故如為1伏輸入，輸出察應為1伏。以上這一點如能正確校正出來，那麼這部擴大機，除了播放音樂之外，更可做為實驗儀器。

以下，就是我自己所用之十一段增益控制器（實際為三分貝衰減器）：

VR1是調整輸入輸出正好為27dB之用的，力VR2則調整輸入＝輸出。

如果讀者採用這個衰減網路，必須特別注意，全部網路的總值大約是50K歐姆，為了避免擴大機輸入電咀（即R2）的加載影響，應該提高R3之阻值（不能直接就加大，此中間題頗多恕不詳述），至少到470K左右。

但也有變通的方法，例如：

1. 把整個衰減器之總阻值降低為十分之一，例如15K改為1.5K等，這樣一來，前級擴大機之輸阻抗最好是600歐姆型的。
2. 在衰減器之後，增加一級射極隨耦器，可提升輸入阻抗至少到1M歐姆以上，而增益不變，也不會增加失真。

總結

所有關高功率擴大機的製作詳析，到此已算告一段落。如以全部字數來計算，差不多已可以出一本一百餘頁的單行本（5號字排，每頁僅400~500字左右），不能說我對此機之析不夠詳盡了。

由全部的析述內，讀者當可發現，我個人所期望的雖然不是人人都能裝得十分的完美，至少我希望詳閱這部份析述的人，能從文中發現一些過去自已從未想過的問題。而有關這些問題的處理，筆者個人處理的方式或許未盡妥當，至少是已經把問題點出來。讀者中如有高見者，歡迎來信，筆者以編輯的身份，對任何外來意見均極願公佈週知，讓大家參考，並收匡謬之效。