燈絲緩衝、高壓緩送的6EM7真空管後級

DIY 電子電路技術相關討論專區。

版主: Jeff, Korping_Chang

燈絲緩衝、高壓緩送的6EM7真空管後級

文章wensan 發表於 週五 5月 20, 2005 4:46 pm

燈絲緩衝、高壓緩送的6EM7真空管後級
wensan-- 2005/5/19

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餅乾盒音響
大概從國小升國中那時候開始,我對收音機、擴音機這些音響電子產品感興趣,又從舊書攤找到幾本「無線電技術」、「電子情報」、「音響技術」雜誌,便開始裝起電晶體收音機、電晶體放大器來,還把家裡的真空管電唱機拆開來研究。
如今這個電唱機就只剩下下面照片中這個「殘骸」了。

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那時候家裡的經濟狀況也不是很好,我的零用錢很少,所以常常餓肚子不吃午餐,把父母親給我買午餐的錢省下來,拿去買電子零件。
在這種情況下,要湊錢買電子零件已經很勉強了,根本沒有錢買機箱,但音響放大器沒有機箱屏蔽也不行,所以當時製作的放大器都是裝在鐵製的餅乾盒、糖果盒裡。

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二、三十年過去了!最近由於在DiySonghttp://www.diysong.com/和電光火石http://www.firestone.idv.tw/網站上推出了一個「緩衝啟動、喇叭保護器」套件,有很多人問說這個套件能不能做為真空管放大器的「延遲送電裝置」,或是「燈絲緩衝電路」?我覺得這當然可以,只是原來的電路要如何修改,還是得拿個實際的真空管放大器來實驗看看才行!正好阿犬兄在DiySong網站上推出「6EM7真空管放大器」套件,就跟阿犬兄A了一套過來,可惜沒A到機箱,剛好看到書架上有個禮舫喜餅的餅乾盒(我八年前結婚時的喜餅),拿PC板來比一下尺寸大小,似乎蠻合適的,於是就決定把「6EM7真空管放大器」裝在這個餅乾盒裡。

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級進音量控制器
裝配這個「6EM7真空管放大器」PC板上的零件很容易,大概半個小時就銲好了,不過要在餅乾盒上挖孔卻是大工程,花掉我好幾天的時間才搞好!
在阿犬兄原來的套件裡,附了一個50K的VR做為音量控制之用,但我既然在DiySong和電光火石網站上推出了「級進音量控制器」的套件,當然要換上我的「級進音量控制器」來試試效果如何囉!
我推出的「級進音量控制器」套件,分成「10KΩ梯子型Ladder Type VR」、「100KΩ梯子型Ladder Type VR」、「10KΩ串列型Serial Type VR」、「100KΩ串列型Serial Type VR」四種規格。這個「6EM7真空管放大器」可以搭配「10KΩ梯子型Ladder Type VR」或「10KΩ串列型Serial Type VR」皆可。「梯子型Ladder Type VR」用在非平衡式放大器為二聲道音量控制器,「串列型Serial Type VR」用在非平衡式放大器為四聲道音量控制器,「串列型Serial Type VR」若用在平衡式放大器則為二聲道音量控制器。

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【梯子型Ladder Type級進音量控制器】

「6EM7真空管放大器」並不是平衡式放大器,不過也可以用四聲道「串列型Serial Type VR」,接線的時候只要接「串列型Serial Type VR」中的兩聲道,剩下的兩聲道空接即可。

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【串列型Serial Type級進音量控制器】

我把「梯子型Ladder Type VR」跟「串列型Serial Type VR」兩種音量控制器都裝上去試聽看看,聽來聽去,似乎比較不出什麼差別來!但我最後還是選用「串列型Serial Type VR」,雖然「梯子型Ladder Type VR」的接法在網路上被炒得很熱,但我心理還是覺得「串列型Serial Type VR」的接法雖然訊號路徑會經過多個電阻,但只會經過一個開關接點,而「梯子型Ladder Type VR」的接法,訊號路徑會經過兩個開關接點,而且我為「串列型Serial Type VR」訂製體積很小的1/8W低雜音金屬皮膜電阻,裝配起來非常小巧緊湊,所以才會比較偏愛「串列型Serial Type級進音量控制器」。

燈絲緩衝、高壓緩送電路
真空管的燈絲之所以須要開機緩衝,是因為燈絲跟傳統的鎢絲燈泡一樣,它的電阻特性是屬於正溫度係數的電阻材質,查6EM7的規格資料可查出其燈絲電壓為6.3V,燈絲電流為0.925A,換算其正常工作時的電阻值為6.8Ω,但我在室溫下,拿未工作、仍在低溫狀態的6EM7,用電表歐姆檔量它的電阻值,才1.2Ω而已,如果1.2Ω的阻值接上6.3V的電壓,會有5.25A的電流,是它正常工作電流的5.67倍。EM800的燈絲電壓為6.3V,燈絲電流為0.3A,換算其正常工作時的電阻值為21Ω,量在低溫狀態的EM800燈絲的阻值才3.4Ω,當它在低溫狀態接上6.3V的燈絲電壓,瞬間會有1.85A的燈絲電流,是正常工作電流的6.17倍。

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【LM317 Data Sheet中的電壓緩升應用電路範例】

由於真空管燈絲在開機瞬間會有比正常工作電流大上5、6倍的湧衝電流產生,因此一般燈絲穩壓電路都會有電壓緩升的設計,像上圖便是LM317 Data Sheet中的電壓緩升應用電路範例。也有人為了解決真空管燈絲的開機湧衝電流的問題,而以恆流電路來點亮真空管的燈絲,讓真空管的燈絲不管是在高溫還是低溫的狀態、燈絲阻值是大還是小,流過燈絲的電流都固定。
燈絲恆流雖然也可以解決真空管燈絲的開機湧衝電流的問題,但我覺得這是因噎廢食、矯枉過正的做法,因為燈絲就是真空管的加熱器(Heater),目的是為了將真空管的陰極加熱產生游離電子。
由於燈絲是屬於正溫度係數電阻,燈絲的電阻值會隨燈絲的溫度上升而增加,燈絲穩壓的好處就在於燈絲電阻的正溫度係數,當燈絲的溫度升高,電阻就變大,使電流變小,形成一個自我調整的控溫機制,可以使燈絲的工作溫度穩定下來。
燈絲如加上恆流就完全破壞了這個控溫機制,因此當燈絲受環境溫度影響而使溫度過高時,由於恆流的關係,電流不變,但燈絲電阻卻變大,使得消耗功率更大,發熱更多,會使燈絲溫度更高!
當燈絲受環境溫度影響而使溫度過低時,由於恆流的關係,電流不變,但燈絲電阻卻變小,使得消耗功率變小,發熱變少,會使燈絲溫度更低!
所以燈絲恆流使燈絲溫度容易受環境散熱條件所影響而偏高或偏低,燈絲溫度較不穩定!
燈絲即使進入工作時的熱平衡狀態,燈絲的溫度還是會受環境的散熱條件所影響,而會有穩定在較高的溫度或較低的溫度的差別,燈絲穩壓的自我調整的控溫機制可以讓這個差別減小,要知道,燈絲的溫度影響到陰極游離電子的數量,對真空管的特性、工作點會有影響。

至於燈絲恆流還是穩壓,哪一種的聲音比較「好聽」?
其實燈絲恆流跟穩壓同樣都是以直流加熱燈絲,在燈絲上的漣波透過雜散電容或電場、磁場的感應,混入放大電路或對訊號造成調變效應上,燈絲恆流跟穩壓的條件都一樣,除非裝配者對恆流跟穩壓電路的處裡能力不同,不然沒有理由說哪一種會比較 「好聽」!
再不然,各種恆流電路跟穩壓電路一大堆,哪一種電路產生的漣波會讓聲音比較「好聽」實在也無從討論起。
要解決真空管燈絲的開機湧衝電流的問題,除了燈絲電壓緩升穩壓電路或燈絲恆流電路之外,其實也可以像電晶體放大器加上緩衝啟動電路一樣,為真空管燈絲加上緩衝啟動!
我的「緩衝啟動、喇叭保護器」套件是原本是設計給電晶體擴大機使用的,使用5Ω/7A NTC熱敏電阻三個串聯做為開機緩衝之用,對於真空管放大器的燈絲緩衝而言,緩衝電阻的阻值太小,起不了緩衝保護的功能。經過幾番實驗之後,針對這個「6EM7真空管放大器」,決定將緩衝電阻改為100Ω/5W的水泥電阻,各位可以視真空管放大器的燈絲耗電狀況,選用47Ω/5W~220Ω/5W的水泥電阻做為燈絲緩衝電阻。

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【原本「緩衝啟動、喇叭保護器」的電路圖】

真空管放大器高壓緩送的部分由原本「緩衝啟動、喇叭保護器」中的喇叭保護器來負責。
由於不需要做直流偵測的動作,所以PC814光隔離器及470uF/10V無極性電容、2.2K/5W電阻不接,這樣喇叭保護器電路就成為單純的延遲開關電路。
電路中的RL1、RL2兩個繼電器原本透過Q1 PN2222電晶體串聯一起動作,但為了將真空管放大器的高壓加上緩衝保護,所以Q1 PN2222電晶體不接,PC板上Q1 PN2222電晶體接腳位置的三個孔用跳線短路起來,這樣RL1繼電器就會比RL2繼電器早幾秒鐘動作!將RL1、RL2兩個繼電器的開關接點串聯起來,在RL2繼電器的開關接點並上270Ω/5W的水泥電阻,就成為高壓緩衝電路。
真空管放大器的高壓電源之所以要加上緩衝,是因為在高電壓的狀況下,繼電器接點在開關的瞬間如果有大電流流過,會產生很大的火花放電現象,對繼電器的接點損傷極大,繼電器的接點用不了多久就報銷了!其實繼電器的絕緣能力絕對能承受上千伏的高壓,但繼電器的接點卻無法在高電壓的狀況下,在開關的瞬間承受大電流流過。所以用兩個繼電器跟電阻接成緩衝電路,讓繼電器接點在開關的瞬間不會流過大電流,便可以有效保護繼電器接點。
因為「緩衝啟動、喇叭保護器」套件所使用的繼電器外殼是透明的,各位可以實驗比較看看,高壓電源不加上緩衝時,繼電器接點在開關的瞬間,由於濾波電容充電的大電流,會導致繼電器接點產生很大的火花。但加上緩衝之後,火花放電的現象就不見了!
高壓緩衝電阻的阻值大小,可以視真空管放大器的高壓濾波電容大小,選用100Ω/5W~470Ω/5W的水泥電阻做為高壓緩衝電阻。

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【改成「燈絲緩衝、高壓緩送」電路的電路圖】

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【「燈絲緩衝、高壓緩送」電路零件裝配圖】

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【「燈絲緩衝、高壓緩送」電路銲接面,注意圖中標示的接點要短路起來!!!】

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【「燈絲緩衝、高壓緩送」電路配線圖,注意圖中標示須要修改的地方!!!】

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6EM7真空管放大器的串音問題
把6EM7真空管放大器裝好之後,少不了要測一測它的性能。所以就拿了一個8Ω/40W的水泥電阻接在待測聲道的輸出端,代替喇叭做放大器的假負載,另一聲道只拔掉輸入訊號線,輸出端仍接著喇叭。結果將待測聲道輸入1KHz方波時,竟聽到另一聲道的喇叭發出聲音,聲音雖然不大,卻很清楚!這很顯然是串音的問題。
雖然在實際聆聽音樂時,並不覺得有串音的問題,但是用示波器一測,串音的波形一清二楚。

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【還未將濾波、退交連分開時的串音波形,上方為未輸入訊號那一聲道的輸出,下方為輸入1KHz方波訊號那一聲道的輸出】

技術本位的我,當然要設法改善串音的問題。看一看PC板的Layout,驅動級的電源比較好改,因此從驅動級的電源下手,開始割銅箔,將驅動級的穩壓電源兩聲道分別加上1KΩ電阻跟22uF/200V電解電容的退交連電路,用示波器測出的串音波形只是稍有改善而已,由於驅動級的電源本來就已經加上穩壓了,再加上退交連電路的效果有限也是理所當然。

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【將驅動級的穩壓電源兩聲道分別加上退交連電路後的串音波型】

驅動級的電源已經改掉了,接下來就只好改輸出級的電源,剛好原來的濾波電路是兩個20Ω/2W電阻跟兩個560uF/400V電解電容做成兩級RC濾波電路,我把它分開來兩聲道各用一級RC濾波電路,再用示波器測試,串音波形大有改善。

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【將輸出級的濾波電路兩聲道分開後的串音波型】


增加貓眼管的擺幅
剛裝好6EM7真空管放大器放音樂試聽時,就發覺EM800的擺幅很小,平常聆聽音樂時的音量大小根本看不出EM800的擺動,上網找到EM800的資料,發現要-8V~-10V的電壓才能將EM800驅動到滿格,EM800的驅動訊號接輸出變壓器的8Ω輸出端時,訊號擺幅實在太小,便找來100KΩ電阻和0.1uF/250V電容串聯,動手將EM800的驅動訊號由輸出變壓器的8Ω輸出端,改成經由100KΩ電阻和0.1uF/250V電容串聯接到3KΩ輸入端。輸出變壓器的阻抗比3KΩ:8Ω,換算成電壓比為19.36:1,也就是說輸出變壓器3KΩ輸入端的訊號電壓比8Ω輸出端大了將近20倍,用來驅動EM800可以大幅增加擺動的靈敏度,而且3KΩ並上幾百KΩ電阻時,相差近百倍,負載效應非常小,不會對輸出信號有不良影響。

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【將EM800的驅動訊號由輸出變壓器的8Ω輸出端改接到3KΩ輸入端】

加上負回授
這個6EM7真空管放大器原本是開環路、無回授的設計,不知道改成負回授放大器的效果怎樣?心想要玩就玩個徹底,便動手為它加上負回授,交連電容與陰極旁路電容也都加大。
經過幾番測試修改,最後將電路改成如下圖所示:
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一般為真空管放大器加上負回授的方式,都只是以一個回授電阻將訊號由輸出拉回到驅動級的陰極,這樣回授電路的阻抗較大,相當於驅動級的陰極有個蠻大的陰極電阻,使驅動級的放大率降低。所以我是以150Ω和51Ω電阻分壓,再經由2200uF/10V的電解電容,將回授訊號耦合到驅動級的陰極。
電路中的電解電容電壓低的就並上0.1uF基層電容,電壓高的就並上0.1uF/250V金屬皮膜電容。
加上負回授時,必須注意輸出變壓器的相位問題,最好在開環路的狀況下確認好輸入訊號跟輸出訊號同相之後,再把負回授接上去!

輸出變壓器與頻率響應
在改成負回授放大器的過程中,用1KHz方波下去測方波響應時,卻發現方波響應有不小的鈴振現象,我從輸出級的屏極拉補償電容到驅動級的陰極,補償電容加大到2200PF/250V後,方波響應仍然有明顯的過衝,而方波前後緣的上升下降速度已經大受影響。
後來跟阿犬兄聯絡後,才知道原來這批套件跟Look-T兄訂製的輸出變壓器的數量有所不足,所以李站長就拿了兩顆一般的輸出變壓器給我充數,跟Look-T訂製的輸出變壓器頻率響應比較好。

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【使用一般輸出變壓器無補償電容時的1KHz方波響應】

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【方波前緣】

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【方波後緣】


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【使用一般輸出變壓器加上2200PF/250V補償電容時的1KHz方波響應】

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【方波前緣】

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【方波後緣】

從阿犬兄那邊弄不到6EM7專用的輸出變壓器,只好找源頭Look-T兄,幸蒙羅兄致贈兩顆輸出變壓器,我才可以好好比較一下輸出變壓器的差異!

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【Look-T輸出變壓器】

換上Look-T兄的輸出變壓器一測,立刻分出高下!
從下面幾張方波響應的波形圖可看出,在不加補償電容的情況下,方波響應已經相當完美,把波形拉開來才看到極微小的鈴振,加上680PF/250V補償電容後,鈴振便完全消除,方波的上升下降波形都非常理想,可見輸出變壓器的好壞對真空管放大器的影響有多大了!

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【使用Look-T輸出變壓器無補償電容時的1KHz方波響應】

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【方波前緣】

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【方波後緣】


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【使用Look-T輸出變壓器加上680PF/250V補償電容時的1KHz方波響應】

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【方波前緣】

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【方波後緣】


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【使用Look-T輸出變壓器加上680PF/250V補償電容無負回授時的1KHz方波響應】

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【方波前緣】

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【方波後緣】


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【使用Look-T輸出變壓器無補償電容無負回授時的1KHz方波響應】

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【方波前緣】

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【方波後緣】
整個改機完成後,實測的開環路增益是6倍,回授比例是1/4,閉環路增益是2.4倍。

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最後,我還是把Look-T的輸出變壓器拆下慎重的收藏起來,換裝回一般的輸出變壓器。
這麼好的輸出變壓器,等以後搞個「直交6EM7真空管放大器」再拿出來用!
最後由 wensan 於 週六 5月 21, 2005 11:05 am 編輯,總共編輯了 2 次。
:( 誰能了解Low TIM的奧義!?
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wensan
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文章番薯寶寶 發表於 週六 5月 21, 2005 12:17 am

挖~真精闢的文章~ :o
學到不少好知識~ :bow:
我已陷入音響的泥沼裡動彈不得...救命阿~~~
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番薯寶寶
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文章za444 發表於 週日 5月 22, 2005 9:34 pm

老大,您的教學文,解了我不少的問題
我也買2套緩開
但是....心想"要怎麼改在真空管中使用呢"沒想到您就已經寫了一篇呢
串音的問題,我也想了粉久,您的解答,讓我獲益不少呀
看這種文才會進步嘛
對啦,您的示波器跟我是同一型的,我有加買印表機模組(應該是通訊模組吧)
直接掛上雷射印表機,也可以直接連上電腦抓圖(可惜那條線我做失敗)
您應該是用相機拍的吧,這樣粉辛苦耶,再次感謝您
工作和興趣重疊的上班族
za444
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文章Korping_Chang 發表於 週一 5月 23, 2005 1:57 am

文山爺~您真的是~太強了 :clap:
小的也曾經想過寫一些類似風格的東西....
只是這兩年為了混口飯吃,時間老是花在生產上面 :cry:
就是那個光~就是那個光~就是那個光~明頂~ :o
http://www.keces.com.tw/ 歡迎參觀唷~ :bow:
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Korping_Chang
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文章wensan 發表於 週一 5月 23, 2005 4:51 am

za444 寫:對啦,您的示波器跟我是同一型的,我有加買印表機模組(應該是通訊模組吧)
直接掛上雷射印表機,也可以直接連上電腦抓圖(可惜那條線我做失敗)


買通訊模組沒有附傳輸線嗎?

數位相機不夠好, 沒錢換........... :(
:( 誰能了解Low TIM的奧義!?
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wensan
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文章wensan 發表於 週一 5月 23, 2005 4:53 am

Korping_Chang 寫:文山爺~您真的是~太強了 :clap:
小的也曾經想過寫一些類似風格的東西....
只是這兩年為了混口飯吃,時間老是花在生產上面 :cry:


:ale: 最近混不到飯吃,所以時間很多...... :ale:
:( 誰能了解Low TIM的奧義!?
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文章za444 發表於 週一 5月 23, 2005 8:52 am

wensan 寫:
za444 寫:對啦,您的示波器跟我是同一型的,我有加買印表機模組(應該是通訊模組吧)
直接掛上雷射印表機,也可以直接連上電腦抓圖(可惜那條線我做失敗)


買通訊模組沒有附傳輸線嗎?

數位相機不夠好, 沒錢換........... :(

我也不知道耶,那老闆只有模組給我(在光華買的)
要我自己做線,做不出來,再跟他訂貨
在說明書中也提到,線要另外買
所以.我現在的圖都是先印出來,再掃描
每一個步驟都有記錄,所以....
我想這樣的報告,才算是報告吧,貼幾個成品圖
我也沒聽到聲音,也沒看到波型,光看"發燒料"就認定"一定好聽"
這一點,讓我有"合理的懷疑"
報告的水準提升,人家才會想要來
看看它站,幾乎已經看不到這類的討論文啦
我的下一個文,會把它站speed穩壓的問題和解法提出
這東西不錯,再加不到4顆零件,就可以延壽
也不會"床下"一堆用不到的東西
工作和興趣重疊的上班族
za444
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文章jhl 發表於 週二 5月 24, 2005 12:37 am

za444 寫:我也不知道耶,那老闆只有模組給我(在光華買的)
要我自己做線,做不出來,再跟他訂貨
在說明書中也提到,線要另外買


你那個模組是三合一的嗎?(Print, RS232, IEEE488)
是的話, 跟電腦連接的可用 RS232, 應該是 NULL MODEM 的線就可以了吧.
jhl
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文章linjunan 發表於 週二 5月 24, 2005 1:32 am

za444 寫:我的下一個文,會把它站speed穩壓的問題和解法提出這東西不錯,再加不到4顆零件,就可以延壽也不會"床下"一堆用不到的東西


帥~~~
linjunan
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來自: 雜物間

文章joentyi7 發表於 週二 5月 24, 2005 1:42 am

Speedo,哇,文山大了不起,好期待,苦海常作度人舟啊!
:bs:
joentyi7
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文章za444 發表於 週二 5月 24, 2005 11:51 am

jhl 寫:
za444 寫:我也不知道耶,那老闆只有模組給我(在光華買的)
要我自己做線,做不出來,再跟他訂貨
在說明書中也提到,線要另外買


你那個模組是三合一的嗎?(Print, RS232, IEEE488)
是的話, 跟電腦連接的可用 RS232, 應該是 NULL MODEM 的線就可以了吧.

不是的,它的軟體是free給你,但是要收那條線的錢
不然線用標準品,軟體到處copy別人的
那麼它們賺什麼呀
我試過RS-323的各種接法,還是不行,但我的朋友可以(我抄他的接法)
所以....我有點在懷疑...模組有問題,但是..Print可以用呀
怪....目前也沒有空,所以先緩一緩吧(也緩了一年多 :ale: )
工作和興趣重疊的上班族
za444
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