- 了解阻抗、失真、頻率響應和諧波是解讀示波器在音訊放大器中顯示的內容的關鍵。
- 利用自製的迷你實驗室（示波器、產生器或軟體和負載），您可以測量電子管、電晶體和 D 類放大器的輸入、輸出、THD、飽和度、雜訊和嗡嗡聲。
- FFT 分析和頻率響應可以揭示諧波分佈和音調特性，但始終應該在實際聆聽的背景下進行解釋。
- 示波器與免費軟體的結合，使音效卡變成了一個有效的音訊分析儀，可以偵測振盪、幹擾和設計問題。
當我們開始擺弄擴大機時，遲早會超越「聲音大」這種簡單的層面，轉而想要了解其內部電路的實際運作原理。尤其是在網路上購買廉價的D類放大器或自製電子管放大器時，我們很可能會想知道示波器上的波形究竟代表該設備的好壞，還是僅僅「物有所值」。
許多音響發燒友驚訝地發現，在速賣通上花十歐元買的功放，在示波器上顯示的信號相當“粗糙”，帶有開關殘留和高頻噪聲，但播放實際音樂時，聲音卻完全可以接受。這種情況迫使我們明白，用示波器測量音頻放大器不僅僅是檢查波形是否正常，更重要的是解讀波形，了解哪些測試有意義，以及如何將它們與我們耳朵實際聽到的聲音聯繫起來。
為什麼用示波器測量音頻放大器是有意義的
當你剛開始涉足音響發燒友或DIY擴大機製作領域時，通常會認為只要「聽起來不失真」就足夠了。但很快你就會產生好奇心，想要檢查功放是否有削波失真、噪音大小、對不同頻率的處理效果，或是是否有不該出現的振盪。這時，示波器就派上了用場，你還可以配合訊號產生器，或者，如果沒有訊號產生器，也可以使用一款兼具訊號產生器和分析儀功能的免費軟體。
關鍵在於建造一個家庭迷你實驗室，在那裡我們可以進行與專業測試台類似的測試，但所需的工具卻唾手可得：一台物理示波器（或使用聲卡的軟體示波器）、一台函數產生器或一台可以透過音訊輸出輸出掃描訊號和音調訊號的電腦，以及一些負載和衰減器。有了這些，你就可以從任何擴大機中獲得非常有用的數據，從高傳真電子管擴大機到低成本的D類擴大機模組。
此外，這類測量有助於打破「任何『難看』的波形都等同於糟糕的音質」的迷思。有時情況恰恰相反：波形圖可能令人擔憂，但最終的聲音完全符合我們對入門或廉價系統的期望。當然，高階設備確實需要完美的波形和失真度，但具體情況也至關重要。
另一個有趣的特點是，許多此類測試都依賴免費的音訊分析軟體，這些軟體是專為配合電腦音效卡而設計的。這些程式能夠以非常直觀的方式顯示頻譜、諧波、頻率響應、總諧波失真 (THD) 水平等訊息，使其成為傳統示波器的理想補充。
簡而言之，使用示波器和軟體進行測量不僅僅是工程師的專屬：任何有心且願意學習的業餘愛好者都可以從他們的放大器中獲得更多，微調設計，檢測故障，最重要的是，了解他們的設備為什麼會發出這樣的聲音。
連接示波器之前的基本概念
在將示波器探頭插入電路的任何部分之前，最好先了解一些會重複出現的電氣概念：阻抗、失真、頻率響應、諧波、飽和、背景雜訊、電源嗡嗡聲等等。你不需要是工程師，但你需要知道你要測量的是什麼。
在音頻放大器測試中，我們總是區分低頻訊號部分（音頻本身）和某些設定中的射頻 (RF) 部分，例如，在使用工作頻率在 1 MHz 左右的放大器時。在這些情況下，會使用直流阻隔器、50 Ω 終端電阻器，有時還會使用專用射頻衰減器等元件。
在射頻領域，典型的電路連結可能如下所示：射頻放大器 → 直流阻隔器 → 50 Ω 負載或終端電阻。了解每個組件的功能可以避免代價高昂的錯誤，因為我們處理的是高功率和高頻率，任何一個疏忽都可能瞬間造成損壞。然而，在純音訊領域，情況有所不同，我們不再關注 50 Ω 線路，而是專注於輸入和輸出阻抗、失真、削波和雜訊。
即使是簡單的示波器也能讓我們觀察波形隨時間的變化，偵測削波、振盪、異常峰值、嗡嗡聲或高頻噪音。如果它還具備快速傅立葉變換 (FFT) 功能，或與分析軟體結合使用，我們還可以看到頻率成分和諧波分佈，這為相當精確的總諧波失真 (THD) 和頻率響應測量提供了可能。
最後，還需要考慮測量設備本身的限制：允許的電壓範圍、輸入阻抗、頻寬、探頭類型等。了解這些數據對於決定是否可以直接將示波器連接到放大器輸出端，或者是否需要10:1 衰減探頭或額外的衰減器，以避免超出量程或過度改變被測電路至關重要。
音頻放大器基本測試：哪些指標值得測量
如果你想更深入地了解功放的性能，而不僅僅是簡單地說“聽起來不錯”，那麼你應該考慮進行一系列相對標準的測試，以便從技術層面了解功放的性能。在專業領域，會測量很多參數，但對於家用設備來說，你可以專注於幾個參數，這些參數就能提供大量信息，而不會使事情變得過於複雜。
最有用的測試包括測量輸入阻抗（了解訊號源的負載）、輸出阻抗（了解揚聲器的控制方式和阻尼係數）、級間阻抗（在具有多個增益級的電子管擴大機中非常有趣），以及不同類型的諧波失真，包括連接負回授和不連接負回授的情況。
用正弦波來研究放大器的飽和特性也很有啟發性：訊號在多大的輸入電平下保持乾淨，以及放大器從哪個電平開始出現削波。示波器清晰地顯示了從「圓潤」的正弦波到具有扁平峰值的訊號的轉變，這種扁平峰值可能是對稱的，也可能是不對稱的，這取決於電路設計。
除了這些針對線性度的測試之外，還值得花時間測量雜訊、電源嗡嗡聲、射頻幹擾以及任何帶外振盪。許多看似安靜的擴大機實際上在超音波範圍內振盪，即使人耳聽不到，也會導致元件發熱、系統不穩定或乾擾其他設備。
最後，可以進行頻率響應和頻譜分析，檢查增益在低音、中音和高音頻率的變化情況，電平開始下降的位置，是否存在不必要的諧振等等。例如，在具有輸出變壓器的電子管放大器中，這些測試有助於了解變壓器在多大程度上限制了頻段的極端值。
示波器在射頻設定中的應用：直流阻隔器、終端器和衰減器
當我們使用的放大器並非普通的音頻放大器，而是工作頻率在 1 MHz或更高的射頻放大器時，阻抗匹配和測量設備的保護就需要考慮更多因素。在這種情況下，通常會採用包含直流阻隔器和輸出端 50 Ω 終端電阻的配置。
安裝直流阻隔器是為了消除擴大機可能產生的任何直流分量，防止其損壞負載和下游設備。它本質上是一個電容器，其容量設計使其能夠在所需的頻段內工作，而不會引入明顯的訊號衰減。
接下來，通常會連接射頻終端電阻，通常是一個50 Ω 的電阻，用作匹配負載。這可以防止訊號沿著線路反射，並為擴大機創造穩定的工作條件。如果系統設計負載為 50 Ω，則使用這種終端電阻幾乎是必須的。
常見的問題是示波器能否直接連接到這條射頻線路，還是需要使用特定的衰減器。答案取決於放大器的電壓位準和輸出阻抗，以及示波器的通道容量。在許多情況下，10:1 的探頭本身就起到衰減器的作用，可以降低對電路的影響；但在純射頻應用中，使用校準過的衰減器來保持整個鏈路 50 Ω 的阻抗匹配也很常見。
如果我們使用低成本放大器來驅動昂貴的設備，那麼了解該放大器級能夠提供的最大電壓、其設計負載類型以及示波器的限制至關重要。由此，我們可以決定衰減探頭是否足夠，是否需要例如 10 dB 或 20 dB 的固定衰減器，或者使用分路器或定向耦合器來分出部分訊號是否更有利。
電子管放大器測量：典型測試及其結果解讀
電子管擴大機有一種獨特的魅力：它們融合了精湛的工藝、經典的設計以及相當程度的主觀音色偏好。然而，除了音質出色之外，對它們進行一系列標準測試也十分有用，這有助於我們了解它們的實際工作原理以及改進空間。
首先建議的測量項目之一是輸入阻抗。了解訊號源（前級擴大機、DAC、效果器等）所處的阻抗有助於避免過低的負載，因為過低的負載可能會對前級擴大機帶來壓力、改變其頻率響應或引入額外的失真。高輸入阻抗通常對訊號源有利，但也會提高電路對雜訊和長線纜的敏感度。
輸出阻抗同樣重要，因為它決定了擴大機對揚聲器運動的控製程度。在電子管放大器中，輸出變壓器起著關鍵作用，其設計會影響阻尼係數以及低頻和高頻的延伸。透過測量不同負載下的輸出特性，我們可以了解擴大機和揚聲器之間的實際匹配情況。
分析放大器內部各級之間的阻抗也很有意義，尤其是在採用多增益管和陰極跟隨器的設計中。級間阻抗匹配不良會導致電平下降、高頻削波甚至不穩定，而合理的阻抗匹配則能確保訊號傳輸的清晰度和可預測性。
另一個關鍵領域是研究有無負回饋情況下的總諧波失真 (THD)。回授能顯著降低失真，通常還能使頻率響應曲線趨於平坦，但同時也會改變諧波分佈（偶次、奇次、高次諧波等）。透過使用純正弦波進行測量並觀察頻譜，我們可以了解哪些諧波占主導地位，以及當反饋迴路連接或斷開時，它們的強度如何變化。
最後，透過正弦波訊號的飽和和削波測試，我們可以了解放大器在接近其極限時的性能表現。輸入訊號的振幅逐漸增加，直到示波器上出現平坦的峰值。削波類型（軟削波、硬削波、對稱削波、非對稱削波）能夠揭示裝置的許多特性，並有助於解釋為什麼某些擴大機在過載時會比其他擴大機表現得更「好」。
頻率響應和自由軟體的使用
即使使用非常基礎的設備，測量擴大機的頻率響應也是最有價值的測試之一。其目的是了解增益在整個音頻範圍內（例如，從 20 Hz 到 20 kHz）的變化情況，並檢測出頻率響應的凹陷、峰值或不規則之處，這些都會影響聲音的暗沉、明亮或「增強」程度。
要進行這項測試，您可以使用頻率掃描函數產生器，但許多人使用免費軟體從電腦產生掃描訊號或粉紅/白噪聲，並透過音效卡發送出去。另一種方法是播放預先製作的包含掃描訊號或測試雜訊的 WAV 文件，並取得擴大機的輸出進行分析。
可以直接用示波器在放大器的輸出端進行測量，記錄不同頻率的訊號幅度，然後繪製曲線。然而，更便捷的方法是直接使用音效卡作為測量儀器，將擴大機的輸出端連接到音效卡的線路輸入端（務必使用適當的衰減器和保護電路），然後讓軟體繪製幅度圖甚至相位圖。
有許多免費的音訊設備測量軟體：它們可以查看頻率響應曲線、分析雜訊頻譜、計算總諧波失真 (THD) 等等。只要稍加註意避免電腦輸入過載，這些軟體就能將一台普通電腦變成一台低成本的音訊分析儀。需要注意的是，聲卡本身也有其局限性，但對於大多數 DIY 應用來說，它已經綽綽有餘了。
這類測試可以輕鬆偵測輸出變壓器造成的低音衰減、寄生電容所造成的漸進式高音損耗、特定頻段的異常諧振，甚至回饋對頻率響應平坦度的影響。由此，可以對電路、線路或元件選擇進行調整，以微調效能。
諧波、快速傅立葉變換及其與我們實際聽到的聲音之間的關係
另一組非常有效的測試則是圍繞著諧波和訊號的頻譜成分。通常，這包括將盡可能純淨的正弦波施加到放大器的輸入端，並使用快速傅立葉變換 (FFT) 分析輸出，可以使用示波器本身（如果它具有此功能），也可以使用以聲卡為擷取前端的軟體。
在頻域分析中，目標是識別基頻以外出現的諧波及其相對強度。我們感興趣的是區分偶次諧波和奇次諧波（它們在人耳中的感知通常不同），以及區分低階失真（通常令人愉悅或“悅耳”）和高階失真（更具侵略性和疲勞感）。
這裡就出現了一個有趣的現象：螢幕上看起來很糟糕的畫面，並不總是與我們實際聽到的聲音感覺一致。例如，一款非常廉價的小型D類放大器在示波器上可能會顯示出相當難看的波形，帶有開關頻率的殘留、高頻噪聲和一些細微的不規則波動。然而，當透過揚聲器實際聆聽音樂時，其音質可能在這個價位上完全可以接受。
部分原因是人耳會過濾掉許多這類缺陷，尤其是在人耳聽不到或音量很低的情況下。此外，揚聲器和擴大機本身的輸出濾波器也會衰減大部分開關雜訊。因此，尤其對於價格低廉的擴大機或簡單的DIY項目，如果實際效果能夠滿足需求，最好不要過度糾結於每一個微小的FFT高峰。
當然，在高階設備中，情況就有所不同了：人們期望波形完美無瑕，諧波含量控制得非常嚴格，總諧波失真（THD）水平極低。但即便如此，了解產生的失真類型也有助於解釋為什麼某些規格非常相似的擴大機，在實際聆聽時聽起來卻截然不同。
不易察覺的噪音、嗡嗡聲、射頻幹擾和振盪
除了諧波失真之外，示波器也是追蹤噪音和振盪的絕佳工具。這些噪音和振盪有時會被誤認為是「正常」噪聲，或微弱到幾乎難以察覺，但它們確實存在，會導致元件發熱或乾擾其他設備。許多此類問題都與電源、接地和內部線路有關。
最常見的現象包括：熱背景噪音和主動元件本身的雜訊（在螢幕上表現為一種隨機的霧狀雜訊）；經典的 50/60 Hz 嗡嗡聲及其諧波（由濾波不良的源或接地迴路引起）；透過空氣耦合或屏蔽不良的電纜產生的高頻幹擾；以及由補償不良的反饋或粗心的 PCB 設計產生的高頻屏蔽不良的電纜產生的頻率幹擾；以及由補償不良的反饋或粗心的 PCB 設計產生的高頻。
對於這類測試，通常將放大器的輸入端短路（接地），輸出端連接到適當的負載，然後使用示波器觀察不同時間尺度和靈敏度下的輸出訊號。改變時基可以偵測到低頻嗡嗡聲以及可能在千赫茲甚至兆赫茲範圍內的振盪，這些振盪人耳可能無法察覺。
這些問題在電子管放大器中尤其常見，因為它們涉及高電壓、體積龐大的變壓器、點對點佈線和分佈式接地，如果設計不當，很容易滋生嗡嗡聲、耦合和射頻幹擾。示波器有助於精確定位電路中的問題所在，以及哪些改進措施（例如重新排列接地線、絞線對、增強屏蔽等）能夠真正解決問題。
如果將示波器與頻譜分析軟體結合使用，就能非常清楚顯示雜訊集中的頻率範圍。這使我們能夠區分噪音源是來自電網（50/60 Hz 及其倍頻）、半導體裝置本身、輸出變壓器、電路板設計缺陷，還是來自收音機、路由器、無線電話等外部設備的干擾。這樣一來，改進就不再是「盲目」的，而是可以透過客觀的測試來驗證改進是否有效。
最終，只需一台基礎示波器、一些免費軟體、幾個測試負載以及一顆樂於嘗試的心，你就能建造一個強大的家庭迷你實驗室。無論目標是將一個廉價的D類放大器模組的性能發揮到極致，還是對一個高壓電子管項目進行精細調校，只要正確理解，相同的測量技術都能讓你將數據和圖表與你的耳朵所聽到的聲音相吻合。你會逐漸明白，為什麼一個在螢幕上看起來很糟糕的廉價放大器在客廳裡的表現卻綽綽有餘，而一個設計更精良的放大器，其圖表則揭示了它為何能發出如此乾淨、精準的聲音。