编者注：这一系列设计实例(DI)探讨一种音高线性(pitch-linear)的压控振荡器(VCO)设计方法，涵盖从基本振荡器架构、电压控制逻辑，到提升供电电压适应性、实现类正弦波输出等多项技术细节，适用于音频应用与电子音乐实验。

在第1部分，我们探讨了如何制作一个振荡器，让其音高(而非频率)可以与控制电压成正比。在本篇第2部分中，我们将探讨一些替代的电路配置方式，以便应用于其他可能的用途。

首先，图1显示了基本电路的改进版本，改以B系列CMOS制作，允许电源电压提高至18～20V，相较于原本标准的5V提供了更多弹性。

图1：基于第1部分图2的改进版本，支持最高20V的电源供应。

除了将U2从74HC74换成CD/HEF4013B之外，U1的变更更是其中的主要改进。在12V电源下，TL062/072/082，甚至是LM358、MC1458都能正常工作，LM393(带输出上拉电阻)也能使用。控制电压的范围会随电源电压上升而扩大，但基本上仍落在Vs±20%之间。由于我们只对该区域进行检测，这些组件的输入限制不是问题。

然而，即使使用原本的5V MCP6002，也经常出现无法启动振荡的情况。与74HC74不同，4013的R和S输入为高电平启动，因此必须反转U1a的极性。它容易启动时输出为高电平，导致U2a被锁定于全1状态，使Q1持续导通，阻碍振荡启动。这也是R5/C5/Q2的设计缘由：一旦发生卡死状态，Q2将导通，将C2放电，使Q1得以关闭并启动振荡。由于振荡频率很低，R5并不需要反向二极管保护。

若改用第1部分图4的恒流源版本，U1则需具备轨对轨输入(RRI)能力。

工作周期

这是我尝试的第一个版本的扩展，不使用任何逻辑IC。虽然设计简洁且运作良好，但U1a仅能输出脉冲，且需要延时才能正常工作(使用触发器可以保证占空比，而额外的单稳态电路能产生更精确的复位脉冲)。图2所示电路能解决这个问题，并几乎可用于所有电源电压，只需选对U1和MOSFET。

图2：几乎都是分立组件(除了op-amp)的版本，通过第二部分产生占空比接近50%的输出。

U1b的设计与U1a几乎相同，但时间常数为其一半。由于复位方式与控制电压也相同，其输出脉冲宽度为完整周期的一半，因此输出为接近方波。理想情况下，Q1与Q3应匹配，C3为C1的一半(不是图中的47nF)。若电源电压超过Q1/Q3的栅源极限(如ZVP3306A限20V)，则需加入R7。

更纯的输出波形

最后一种改进版本(图3)回到使用逻辑组件，并能产生相对正弦的输出波形，作为有此需求的参考。

图3：振荡器的运行速度是输出频率的16倍。使用一个在8个输出端都装有带电阻的扭环形计数器，将脉冲频率分频，可得到近似正弦波的阶梯式波形。

在此设计中，振荡器运行频率为输出频率的16倍。脉冲生成单稳态多谐振荡器(MSMV)改为使用一对交叉耦合门，并同时触发Q1与一个8位移位寄存器(此处为两个4位串接)，最后的输出反向回接至D输入。这就是所谓的扭环形计数器(twisted-ring或Johnson counter)，可视为数字版的莫比乌斯环。当信号移位依序经过每个Q输出时，会出现连续8个高电位、接着8个低电位的循环。U2c负责执行反相，并在启动时提供一个短暂稳定的高电平，以初始化寄存器。

Q输出端通过选定的电阻接至公共点，可输出接近正弦的阶梯波(见图4)，其中R4决定输出幅度，C4则负责滤波。(改变电阻组合可改变波形，例如全部电阻值相同时，可输出良好的三角波。)

U2与U3采用高压CMOS，允许在远高于5V的电压下工作。若加入额外的电流源，U1也需具备RRI特性。若在~5V环境下，使用74HC132与74HC4015(或HC164)亦可正常工作。

图4：图3电路在500Hz附近的输出波形示意图。

这些阶跃对应于15次和17次谐波，虽经过了C4/R4滤波，仍有约-45dB。若要进一步降低谐波，可加入如图5所示的双极Sallen–Key滤波器，图中也显示了约500Hz输出的滤波频谱。

图5：适用于图3的输出滤波器，与其滤波后频谱图。

经滤波后，第2与第3谐波约为-60dB，其余皆低于-70dB，总谐波失真(THD)约为-57dB (0.16%)。在250Hz时会稍差，而在2kHz时会更好。若使用第1部分的恒流源版本来实现完整的4～5个八度音域，这种方法效果可能不太好，除非滤波器是可调的：或许可以用两个电阻光电隔离器与 R14/15 组合，由另一个压控电流源驱动？

尽管这些处理都很有趣，但对本设计的核心目标──产生实用、可听的音调──来说，是否有必要产生纯净的正弦波仍见仁见智(毕竟纯正弦波听起来有点无聊)。但在探索过程中能将设计推到极限，这本身就是一件值得享受的事。

音乐性的结尾

既然已经做出一个音高线性的音源，不如尝试做点音乐性的东西。我用一段几英尺(约10kΩ电阻)的Teledeltos碳粉图纸(总算派上用场了！)绕在一根塑料管上，再用鳄鱼夹做为滑动接点(外加一颗330kΩ下拉电阻)，就能像Stylophone迷你合成器或空气吉他那样弹奏旋律。电子庞克精神永存！尽管这玩意儿称不上可以让人享受，但起码可以让人喊赶紧堵住耳朵！