Zaloguj
Istnieje wiele forów internetowych, na których można spotkać osoby o podobnych zainteresowaniach. Często osoby te mają dużą wiedzę praktyczną i teoretyczną, a internetowa społeczność chętnie wymienia między sobą doświadczenia, pomagając sobie w budowie i doskonaleniu konstrukcji samodzielnie zaprojektowanych, ale też tych zapożyczonych od innych. Wielu elektroników zajmuje się również naprawami czy wręcz odbudowywaniem starych wzmacniaczy i boryka się z problemem doboru zamienników trudno dostępnych lub całkowicie nieosiągalnych elementów półprzewodnikowych. W takich przypadkach przydałaby się weryfikacja uzyskanych wyników.
Każde urządzenie audio jest układem elektronicznym charakteryzującym się określonymi parametrami technicznymi. Ich pomiar pozwala na ocenę stanu układu i jego ewentualnych niedomagań. Pomiary umożliwiają ponadto weryfikację zgodności parametrów z oczekiwaniami – dotyczy to m.in. mocy wzmacniacza, jego pasma czy też poziomu zniekształceń.
Część społeczności audiofilskiej marginalizuje znaczenie pomiarów. Popularność zyskało nawet powiedzenie „pomiary nie grają”, co ma oznaczać, że najważniejsze jest brzmienie. Ostatecznie tak jest – brzmienie okazuje się najważniejsze, bo układy audio służą właśnie do reprodukcji dźwięku. Ale źle zaprojektowany, wykonany lub naprawiony układ nie ma szansy na to, by brzmieć dobrze. Dopiero wtedy, gdy jego zmierzone parametry są poprawne, można zacząć oceniać brzmienie – należy jednak pamiętać, że ta ocena jest bardzo subiektywna i wybiega poza to, co możemy obiektywnie zmierzyć.
Profesjonalny sprzęt do pomiaru parametrów toru audio (na przykład firmy Audio Precision) jest bardzo drogi i w praktyce amatorskiej jego kupowanie nie ma najmniejszego sensu. Istnieją na szczęście sposoby na wykonanie niezbędnych testów przy użyciu podstawowych przyrządów pomiarowych, karty muzycznej i darmowego oprogramowania. Oczywiście nie obędzie się bez pewnych ograniczeń. Nie wykonamy wszystkich pomiarów zniekształceń dynamicznych, które są bardzo istotne dla poprawnego działania toru audio (a szczególnie dla wzmacniaczy mocy), ale inne pomiary pomogą oszacować możliwość ich wystąpienia. W naszym cyklu pokażemy, jak wykonać proste i bardziej zaawansowane pomiary wzmacniaczy akustycznych i przetworników cyfrowo-analogowych.
Przyrządy pomiarowe i dodatkowe wyposażenie
Do wykonania podstawowych pomiarów pasma przenoszenia i mocy wyjściowej będziemy potrzebowali:
- dwukanałowego oscyloskopu i/lub miernika uniwersalnego mierzącego prawidłowo napięcie VRMS dla częstotliwości co najmniej 1 kHz,
- generatora częstotliwości od kilku Hz do 500 kHz z regulowanym napięciem wyjściowym.
Napięcie VRMS w wielu miernikach jest określane przy częstotliwościach znacznie poniżej 1 kHz i przed pomiarami trzeba to dokładnie sprawdzić. Oscyloskop może być analogowy, ale najwygodniejszy okaże się oscyloskop cyfrowy, bo oprócz pokazywania kształtu przebiegów pozwoli także automatycznie mierzyć parametry amplitudowe, na przykład wartość RMS napięcia przemiennego czy też napięcie międzyszczytowe Vpp.
Do bardziej zaawansowanych pomiarów potrzebna będzie dobra karta muzyczna z interfejsem USB, najlepiej wyposażona w wejście symetryczne (zbalansowane). Do zgrubnych pomiarów może wystarczyć karta wbudowana w laptop. Będziemy się jednak musieli pogodzić ze stosunkowo dużymi zniekształceniami własnymi i sporymi szumami wnoszonymi przez samą kartę.
Oprócz przyrządów pomiarowych niezbędne okaże się także sztuczne obciążenie, czyli rezystor dużej mocy o oporności 8 Ω lub 4 Ω. Poza tym trzeba wykonać kable do połączenia wyjść/wejść karty z układem wzmacniacza oraz układ potencjometru lub przełączanego tłumika rezystancyjnego (do redukowania napięcia wyjściowego na zaciskach sztucznego obciążenia w taki sposób, by było ono bezpieczne dla wejścia karty muzycznej przy pomiarach większych mocy).
W opisywanych pomiarach został wykorzystany następujący zestaw:
- generator MeraTronik G430,
- oscyloskop cyfrowy Rigol DS1102E,
- karta muzyczna Focusrite Scarlett 2i2 3 gen,
- dwa własnoręcznie wykonane zestawy sztucznego obciążenia z układem potencjometru i zabezpieczenia przed zbyt dużą amplitudą sygnału wyjściowego,
- komplet kabli do połączenia sygnałów z/do karty muzycznej i wyjścia wzmacniacza ze sztucznym obciążeniem,
- alternatywnie przetwornik DAC z wejściem USB.
Układ sztucznego obciążenia został pokazany na fotografii 1. Sygnał z wyjścia głośnikowego wzmacniacza jest podawany na gniazda wejściowe. Do nich jest podłączono równolegle rezystor 8 Ω o mocy 100 W.
Rezystor musi być umieszczony na sporym radiatorze, gdyż w trakcie testów – nawet przy mocach poniżej 20 W – będzie się mocno grzał. Równolegle z rezystorem mocy połączono potencjometr liniowy 1 kΩ. Sygnał z suwaka potencjometru jest podawany przez rezystor 1 kΩ na wyjściowe gniazdo cinch.
Potencjometr ma za zadanie zredukować poziom napięcia z wyjścia wzmacniacza do wartości akceptowanych przez wejście karty dźwiękowej, na przykład przy obciążeniu 8 Ω i mocy wyjściowej 20 W napięcie RMS na wyjściu wzmacniacza ma wartość około 12,6 V. Napięcie międzyszczytowe Vpp to
czyli w przybliżeniu 2,828·VRMS. Dla naszego napięcia RMS równego 12,6 V napięcie międzyszczytowe Vpp wyniesie około 35,5 V. To zdecydowanie za dużo dla wejścia każdej popularnej karty dźwiękowej. Dodatkowym zabezpieczeniem przed zawyżonym napięciem jest włączenie przez rezystor 1 kΩ dwóch zielonych diod LED w konfiguracji przeciwsobnej. Ogranicza to międzyszczytowe napięcie wyjściowe do wartości ok. 3 V w przypadku omyłkowego przestawienia potencjometru i chroni w ten sposób wejście karty przed uszkodzeniem. Ten układ może wnosić zniekształcenia dla napięć międzyszczytowych bliskich 3 V i dlatego sygnał Vpp uzyskiwany z suwaka potencjometru nie powinien przekraczać 2,3 Vpp, czyli ok. 780 mVRMS. W moim przypadku układ zabezpieczeń zadziałał już kilka razy w trakcie wykonywania pomiarów, dlatego niezmiennie go stosuję. Układ z rysunku 1 to oczywiście jedno z możliwych rozwiązań. Zamiast potencjometru stosuje się również przełączany dzielnik rezystancyjny lub pojedynczy dzielnik o ustalonym stopniu podziału, na przykład 1:10. W praktyce używane są też dzielniki rezystancyjne symetryzujące sygnał wyjściowy.
Pomiary zniekształceń harmonicznych i szumów
Każdy rzeczywisty układ elektroniczny jest źródłem zniekształceń harmonicznych THD i szumów. Zniekształcenia harmoniczne powstają w wyniku nieliniowości układów wzmacniających. Obwód idealnie liniowy przenosiłby idealny sygnał sinusoidalny bez zmian jego kształtu. Układ rzeczywisty spowoduje, że sygnał wejściowy będzie bardziej lub mniej zniekształcony. Całkowite zniekształcenie harmoniczne (THD) to stosunek wartości sumy kwadratowej wszystkich harmonicznych (2×, 3×, 4× itd.) do poziomu sygnału skutecznego (rysunek 2). Ogólnie rzecz biorąc, tylko pierwsze pięć lub sześć harmonicznych ma znaczenie w pomiarze THD. W wielu praktycznych sytuacjach błąd jest pomijalny, jeśli uwzględni się tylko drugą i trzecią harmoniczną, ponieważ amplituda składników wyższego rzędu najczęściej jest znacznie niższa.
Każdy rzeczywisty układ elektroniczny jest też źródłem szumów. Całkowite zniekształcenia harmoniczne plus szum (THD + N) to stosunek sumy pierwiastkowej wszystkich harmonicznych i składowych szumu w określonym paśmie do poziomu sygnału skutecznego (rysunek 2). Składnik szumu w pomiarze THD + N musi zostać określony w stosunku do szerokości pasma pomiaru i to pasmo musi zostać jawnie określone, aby pomiar miał znaczenie praktyczne. W naszym przypadku będziemy cyfrowo filtrować pasmo pomiarowe do zakresu od 20 Hz do 20...22 kHz i, jak się przekonamy, będzie to miało znaczący wpływ na wynik pomiaru.
Ocenę THD+N najczęściej wykonuje się w funkcji mocy wyjściowej przy stałej częstotliwości generatora (standardowo równej 1 kHz). Warto jednak zmierzyć ten parametr także w funkcji częstotliwości, najlepiej w całym paśmie akustycznym – a nie tylko dla pojedynczego punktu 1 kHz.
W pomiarach zniekształceń nieliniowych THD mamy do pokonania dwa problemy. Pierwszy to wygenerowanie sygnału testowego o kształcie jak najbardziej zbliżonym do idealnego. Chodzi o oto, by kształt sygnału wejściowego był na tyle dobry, że jego zniekształcenia będą pomijalne w analizie sygnału wyjściowego badanego układu. Przyjmuje się, że generator powinien mieć zniekształcenia i poziom szumów przynajmniej o 10 dB mniejszy od zniekształceń i szumów badanego układu, żeby pomiar można było nazwać dokładnym. W technice analogowej stosuje się wiele układów generatorów mających zapewnić sygnał wyjściowy sinus o minimalnych zniekształceniach. Ale zawsze jest to trudne wyzwanie – szczególnie kiedy potrzebujemy generatora przestrajanego. Wydaje się, że nie ma problemu z generowaniem idealnego sinusa w technice cyfrowej. Wystarczy wyliczyć wartości odpowiedniej liczby próbek opisujących idealny sinus. Jednak te próbki muszą być następnie zamienione na sygnał elektryczny przez przetwornik cyfrowo-analogowy. W rzeczywistym świecie nie ma idealnych przetworników, a jednym z podstawowych ich parametrów jest nieliniowość przetwarzania skutkująca powstaniem… „nowych” zniekształceń THD.
W praktyce nie mamy jednak zamiaru tworzyć idealnego przebiegu, ale taki, który będzie się nadawał do pomiaru, czyli którego zniekształcenia będą znacząco mniejsze niż spodziewane zniekształcenia mierzonego układu. W ostatnich latach częściej stosuje się generatory cyfrowe, gdyż ich realizacja jest stosunkowo łatwa. W paśmie akustycznym można do tego celu wykorzystać wyjście karty muzycznej lub przetwornika cyfrowo-analogowego i odpowiednie oprogramowanie. Cyfrowa implementacja generatora sygnału testowego umożliwia programową realizację innych funkcji, na przykład przemiatania częstotliwości czy też generowania par częstotliwości do pomiaru zniekształceń intermodulacyjnych IMD. Dostępne są też specjalne generatory analogowe, które potrafią osiągać bardzo dobre parametry, ale są drogie i zazwyczaj oferują pojedynczą, stałą częstotliwość 1 kHz.
Drugi problem to znalezienie sposobu na określenie (zmierzenie), w jakim stopniu uległ odkształceniu sygnał na wyjściu badanego układu. Badanie zmian samego kształtu przebiegu nie wchodzi w grę – wzrokowo zauważymy zmianę kształtu dopiero przy stosunkowo dużych wartościach zniekształceń (rzędu kilku procent), ale nawet jeśli już je zobaczymy, to jak określić tę zmianę ilościowo? Z pomocą przychodzi nam teoria przekształcenia Fouriera. Każdy sygnał okresowy, który nie ma kształtu idealnej sinusoidy (czyli – de facto – każdy sygnał odkształcony) jest sumą sygnału sinusoidalnego o częstotliwości podstawowej tego sygnału (pierwszej harmonicznej) i sygnałów sinusoidalnych o częstotliwościach będących wielokrotnościami częstotliwości podstawowej (czyli kolejnych harmonicznych). Zamiast badać zmianę kształtu napięcia zmieniającego się w czasie (domena czasu), można zatem mierzyć składowe częstotliwościowe zawarte w sygnale wyjściowym (domena częstotliwości). I znów – można tego dokonać analogowo na różne sposoby. Jednym z nich jest odfiltrowanie sygnału pierwszej harmonicznej filtrem środkowo-zaporowym i badanie poziomu pozostałego sygnału. Inna z metod to podawanie sygnału wyjściowego jednocześnie na szereg filtrów pasmowo-przepustowych, nastrojonych na wielokrotność częstotliwości podstawowej. Badając amplitudy każdej z harmonicznych, jesteśmy w stanie określić wartość zniekształcenia nieliniowego.
Dziś o wiele łatwiej jest wyliczyć zniekształcenia metodą cyfrową. Trzeba sygnał spróbkować i poddać przekształceniu szybkiej transformaty Fouriera FFT. Mamy do dyspozycji przetworniki analogowo-cyfrowe dobrej jakości w kartach muzycznych, potrafiące próbkować sygnały analogowe nawet z częstotliwością 192 kHz. Nie ma też problemu z wykonaniem programowej transformacji Fouriera – nawet podstawowe laptopy bez problemu radzą sobie z tym zadaniem. Teoria dyskretnego przekształcenia Fouriera jest skomplikowana i niesie ze sobą pewne zagrożenia zniekształcenia wyników, jeżeli jest nieprawidłowo zastosowana bądź sygnał wejściowy wykazuje znamiona aliasingu. Dlatego musimy mieć pewność, że parametry transformacji są prawidłowo ustawione przez twórcę oprogramowania. Jakość części programowej naszego analizatora zniekształceń jest bardzo istotna.
Zestaw pomiarowy
Jak już wspomniałem, do przeprowadzenia pomiarów będziemy potrzebowali urządzenia nazywanego potocznie kartą muzyczną. Funkcjonalnie jest to zestaw dwóch przetworników (cyfrowo-analogowego i analogowo-cyfrowego) uzupełniony o układy wejść, wyjść, zasilania i sterowania oraz cyfrowy interfejs audio (najczęściej USB). Zależnie od wykonania, karty mają wejścia mikrofonowe i liniowe zbalansowane oraz wyjścia liniowe (SE lub zbalansowane). Wejścia mikrofonowe mogą pracować również jako wejścia liniowe. Rodzaj wejść (zbalansowane lub SE) będzie miał pewne znaczenie w naszych pomiarach.
Na rysunku 3 pokazano typowy układ pomiarowy wzmacniacza mocy klasy AB lub A. Na wejście wzmacniacza jest podawany testowy sygnał sinusoidalny o jak najmniejszych zniekształceniach. Wyjście jest obciążone rezystorem sztucznego obciążenia RL. Sygnał z wyjścia wzmacniacza trafia na wejście zbalansowane modułu analizatora. W podstawowej konfiguracji generatorem jest przetwornik DAC karty muzycznej, a analizatorem – przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) tej karty.
Innymi słowy, na wejście wzmacniacza podajemy sygnał z wyjścia (OUT) karty muzycznej, a sygnał z wyjścia wzmacniacza podłączamy do wejścia (IN) karty. W układzie na rysunku 3 nie zaznaczono potencjometru lub dzielnika rezystancyjnego (por. rysunek 1) do zmniejszenia amplitudy sygnału tak, by nie uszkodzić wejścia karty przy pomiarach większych mocy.
Zaleca się, by w takiej konfiguracji wyjście generatora było niezbalansowane (SE), a wejście analizatora miało wejście zbalansowane. Takie połączenie powinno dać najlepsze efekty pomiarowe. Wiele kart muzycznych jest przeznaczonych do zastosowania w profesjonalnych zestawach audio, na przykład do nagrywania materiału muzycznego i dlatego mają one zarówno wejścia, jak i wyjścia zbalansowane. Można łączyć wyjście zbalansowane z wejściem SE, ale taka konfiguracja skutkuje czasem problemami z pętlą masy i pogorszeniem wyników pomiarów. Ja do realizacji pomiarów używam dobrej, często polecanej karty Focusrite Scarlett 2i2 gen3 – fotografia 2.
Urządzenie ma dwa niezależne, zbalansowane wejścia mikrofonowe typu combo. Można do nich podłączyć sygnał za pomocą męskiego złącza XLR. Wejście przełącza się wtedy w tryb mikrofonowy z większą czułością i możliwością zasilania mikrofonów pojemnościowych napięciem +48 V (Phantom). Drugą możliwością jest podłączenie sygnału wejściowego za pomocą stereofonicznego wtyku Jack 6,35 mm („duży Jack”). Wejście karty zostaje wtedy przełączone w tryb liniowy o mniejszej czułości – tę właśnie funkcjonalność wykorzystamy w naszych pomiarach. Poziom sygnału na każdym z dwóch wejść można regulować niezależnymi pokrętłami opisanymi jako „Gain”. Zastosowano tu dodatkową, trójstanową sygnalizację optyczną poziomu sygnału wejściowego. Obwódka regulatora Gain świeci na zielono, kiedy poziom sygnału jest daleki od przesterowania, na żółto, kiedy jest prawidłowy, ale zbliża się do poziomu granicznego i na czerwono, gdy wejście jest przesterowane.
Złącze Jack, które będziemy stosować do podłączenia sygnałów wejściowych do karty, określa się również mianem TRS do nazw wyprowadzeń Tips Ring Sleeve. Wyprowadzenia złącza TRS i złącza XLR zostały pokazane na rysunku 4.
Wyprowadzenia Tips i Ring są podłączane do jednoparowej skrętki i przeznaczone do przesyłania sygnałów: Tips – przewód gorący (+), Ring – przewód zimny (–). Do Sleeve podłącza się przewód wspólny/ekranujący. Inaczej niż w połączeniu asymetrycznym SE, przez ten przewód nie płynie żaden sygnał roboczy. Na rysunku 5 pokazano połączenie sygnałów ze złącza Jack TRS do wtyku RCA.
Wyprowadzenie Sleeve pozostaje niepodłączone lub może być spięte z jednej strony z przewodem ekranującym (jeżeli takowy jest dostępny). Przewodem zakończonym wtykami Jack TRS i RCA będziemy łączyć wyjście układu sztucznego obciążenia (pokazanego na rysunku 1) z wejściem karty muzycznej (fotografia 3).
Urządzenie Scarlett 2i2 ma również dwa zbalansowane wyjścia liniowe przystosowane do wtyków TRS. Poziomy sygnałów na wyjściu są ustawiane regulatorem MONITOR, wspólnym dla obu kanałów. Jak już wspomniałem, sygnał z wyjścia karty (które jest funkcjonalnie wyjściem generatora) powinien być dopasowany do wejścia badanego wzmacniacza. Zdecydowana większość wzmacniaczy ma wejście asymetryczne SE i źródło sygnału powinno być też typu SE. Można podłączyć sygnał zbalansowany z wyjścia karty tak samo, jak w przypadku wejścia, czyli według rysunku 3 i całość będzie działać. Nie jest to jednak zbyt poprawne rozwiązanie, jeżeli nasz układ ma nie wprowadzać dodatkowych zniekształceń spowodowanych pętlami masy. Należałoby sygnał wyjściowy prawidłowo zdesymetryzować, na przykład za pomocą układu INA154 lub podobnego. Zajmiemy się tym tematem w dalszej części naszego cyklu, natomiast już za miesiąc omówimy tematykę oprogramowania analizatora oraz kalibracji i pomiaru zniekształceń własnych karty.
Tomasz Jabłoński, EP
