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 文章主題 : 時基產生器模組與訊號測量
文章發表於 : 週三 1月 13, 2010 8:40 am 
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註冊時間: 週二 7月 24, 2007 1:57 am
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來自: Laborer's Workshop
這是針對CD播放機, DVD播放機, USB DAC設計的時基產生器, 目的在於取代系統IC或是數位接收IC上, 由石英晶體與R/C元件所組成的參考頻率產生電路, 提供一個穩定的時基訊號, 進而改善系統性能, 有效提升音質.

在數位音頻電路中常常使用到的時基頻率有11.2896MHz, 12MHz, 16.9344MHz和33.8688MHz這幾種頻率, 除了12MHz的石英晶體或是石英震盪器比較容易在一般電子材料行買到之外, 其他的頻率, 由於一般數位電路極少用到, 所以電子材料行不會進這幾種頻率的震盪器.

為何數位音頻電路中會用到這些奇怪頻率的石英震盪器呢? 這得先從訊號的取樣率談起, 簡單的說 (因為Laborer也不是很了, 就是這樣. ^_^|||) 就是AES/EBU ( Audio Engineering Society/European Broadcast Union)這兩個機構當初為了方便各種不同格式數位音頻訊號資料之間的交換, 制定了單一的標準. 而AES推薦的音頻訊號取樣頻率有32KHz, 44.1KHz, 48KHz, 96KHz, 176.4KHz和196KHz這幾種, 不過, 這幾種頻率和上面談的石英震盪器頻率八竿子打不著啊, 嗯....乍看之下好像是, 不過, 在各種數位接收或處理晶片的規格書可以看見一項超取樣頻率的規格, 舉TI的DIR9001來說好了, 這顆接收晶片支援128/256/384/512倍的取樣頻率, 可以拿計算機按按看, 在32/44.1/96/174.4/196KHz和11.2896/16.9344/33.8688MHz之間是不是有些奇妙的倍數關係存在? Laborer對數位音頻訊號的理解僅止於此, 還希望更有研究的網友指正.

在大部分的CD/DVD或是DAC電路中, 因為成本的考量, 產生震盪頻率的方法很簡單, 就是拿石英晶體兜一個震盪器, 能動又便宜, 但這組震盪電路很容易受到環境溫度的改變而產生頻率偏移, 另外, 震盪出來的波型也不是很好看. 所以用比較精準的時基訊號位給系統吃, 是一個很有效的升級方式.

而這個時基產生器的原理很簡單, 說穿了不過就是利用精度比較高的石英震盪器(XO)或是溫度補償型石英震盪器(TCXO)產生固定頻率, 再利用高速的MC74AC04邏輯IC將震盪器產生的波形加以修整, 增加訊號的強度, 讓震盪器產生的訊號不至於因為接上負載而變型. 此外, 還有高品質的ON Semi LD1117穩壓IC提供穩定的電源給邏輯IC和震盪器. 就這麼簡單, 但是提升音質的效果卻相當大.

這片時基產生器內建整流電路, 也就是說, 交/直流電源都可以使用, 以直流電供電時, 輸入電壓的範圍: 7Vdc-18Vdc. 以交流電供電時, 輸入電壓的範圍: 5Vac-12Vac. 輸入電壓經過Sanyo Low ESR電容濾波後, 由NCP1117穩壓, 提供5V給石英震盪器與MC74AC04使用. 本來NCP1117的最大輸入電壓為20Vdc, 但為了安全考量, 最大輸入電壓以90%的最大值計算比較保險. 另外, 這種頻率高達數十MHz的線路, 所有的被動元件都有其考量, 不是一味的以"發燒料" "補料"裝上去就會好聲, 不洽當的零件反而會造成反效果. 舉幾個例子來說, 濾波用的電解電容最好使用Low ESR的產品, 像SMPS用的電解電容, OS-CON, POS-CAP都是不錯的選擇, 關於旁路電容, Laborer個人認為則是以積層電容MLCC最適合, 因為MLCC的高頻阻抗很低, 這裡講的高頻, 不是幾十KHz的高頻, 而是數十到數百MHz的頻段, 藉由MLCC的在高頻實的低阻抗, 這樣才能有效的把數位電路動作時在電源線上產生的高頻雜訊導到地迴路. 而MLCC又以NPO或是X7R這兩個等級為最佳, 但印象中, Laborer好像沒看過uF的容量有NPO等級的產品. 以這片模組來說, Laborer選用Sanyo的Low ESR電解電容和AVX 0.1uF/X7R的MLCC. 另外, 介於邏輯IC與石英震盪器之間的高頻磁珠(Bead), 可以防止電源雜訊相互干擾. 不過, 磁珠不要亂加, 加多了反而會造成不必要的干擾.

安裝這片模組很簡單, 只要將CD/DVD原來使用的石英晶體和周邊的電阻/電容解焊, 以排針連接模組的Output腳位與原來的焊孔即可, 萬一要是CD/DVD不會動作也不必太過緊張, 只要換個孔焊接就可以了. 如果因為空間問題, 無法把模組就近固定, 那盡量使用短一點的線材, 線材也要對繳, 或是使用同軸線連接, 以避免過長的連接線變成天線, 將高頻方波輻射出去, 輕則影響音質, 重則干擾其他電子產品的使用. 這片模組使用的石英震盪器的頻率誤差是25PPM, 比起1PPM的TCXO來說, 規格上是要差一點, 但價格便宜很多, 所以整個模組的C/P值頗高. 補充一下, 石英震盪器所標示的PPM為頻率的誤差, 而不是指所謂的Jitter值, 關於Jitter值的單位應該是pS或是nS, 這點不可不察.


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輸出頻率為11.2896MHz的時基產生器模組, 交/直流電源都能使用, 可以安裝DIP14或是DIP8封裝的石英震盪器, TCXO也可以使用這片電路板. 電路板尺寸僅有53mm*38mm, 有M3螺絲固定孔位.

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時基產生器模組使用雙面銅箔電路板, 底部有大面積鋪銅接地面, 降低接地阻抗. 雙面PC板貫孔的部份用焊錫加以填補, 可以降低孔的阻抗和高頻的電感效應.

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在時基產生器的輸出接上470歐姆的電阻當負載所測得的波形, 可以看到相當漂亮的方波, Duty cycle也幾乎是50%. 在利用示波器量測訊號前, 最好先利用示波器本身的校正訊號來調整示波器探棒的補償電容, 取得平坦的頻率響應, 以免量測到的訊號不準確, 很多有示波器的DIYer甚至於工程師都沒注意到這點.

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利用經過釹原子鐘校正過的Advantest TR5821計頻器量測時基產生器的輸出頻率, 標示11.289600Hz石英震盪器實測值為11.289353Hz, 誤差僅有誤差只有247Hz.


16.9344MHz的模組, 測試結果也不錯.

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模組的輸出端一樣是以470歐姆電阻當負載.

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因應友站網兄要求, 搬出一陣子沒用的LeCroy 9350, 經過探棒校正後, 把示波器調到取樣率最大的1Gs/s. 本來是波器可以用3.5吋的軟碟機存波形, 但是最近軟碟機罷工中, 只好用數位相機拍照.

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測試中的11.2896MHz模組, 不好意思, 拍照的時候有點手震.

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Rising time和Falling time都小於2nS.


友站有網友提到示波器探棒的問題, 大略談一下探棒. 相信不少網友可能都有示波器, 不管是類比式還是數位式都好, 要量測波形, 就得靠探棒. 探棒的種類很多, 有測量電壓訊號用的電壓探棒與量測電流信號用的電流探棒. 電壓探棒中又有被動式探棒, 主動式探棒和差動探棒. 另外還有一種量測EMI干擾的近場探棒. 一般示波器的標準配備幾乎都是被動式探棒.

因為零件誤差與線路匹配的關係, 每支示波器探棒的頻率響應都不相同, 所以在利用示波器進行量測前, 調整探棒的頻率響應是不可或缺的一件事, 只有做好校正, 才能盡量降低測試誤差. 另外, 探棒調整完成之後, 最好能固定在相對應的輸入端使用, 不管是將調整好的探棒換到另一台示波器, 甚至於利用CH1輸入端調整好的探棒要換到CH2輸入端使用, 都得再重新進行校正.

簡單的介紹一下調整方法, 如有錯誤的地方, 尚請網友指正.


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這是我常用的探棒之一, 一隻常見的電壓探棒.

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德國代工的Pomona 6551, 500M頻寬, 這個500M的頻寬不是說這支探棒真的能測量高達500MHz的訊號, 事實上在500MHz時, 訊號電壓已經被衰減一半了. X10的意思是會將輸入訊號衰減10倍, 最右端有根金色的突起物可以讓新一點的示波器偵測到這是一支10倍衰減的探棒而自動進行調整.

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接頭上的小洞就是調整頻率響應用的補償電容的位置.

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這是我的陶瓷調整棒, 外觀像一支一字起子, 但是前端是陶瓷的, 可以避免在調整補償電容時造成干擾.

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示波器上都會有的自我校正訊號輸出, 比較高階的示波器甚至可以調整這個輸出訊號的頻率與電壓大小. 我這台Tektronix TDS-220和另一台Wittig W2022比較低階, 輸出訊號是固定的.

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調整的方法很簡單, 利用陶磁調整棒轉動補償電容, 讓方波訊號看起來平整就好.

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這是調整完成的波形, 方波訊號要平整.

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這是補償不足的探棒, 高頻響應被衰減.

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這是補過頭的探棒, 高頻響應太多了.


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