- Das Verständnis von Impedanz, Verzerrung, Frequenzgang und Obertönen ist der Schlüssel zur Interpretation der Oszilloskopanzeige eines Audioverstärkers.
- Mit einem selbstgebauten Mini-Labor (Oszilloskop, Generator oder Software und Lasten) kann man Eingangs-, Ausgangs-, Klirrfaktor-, Sättigungs-, Rausch- und Brummgeräusche in Röhren-, Transistor- und Klasse-D-Verstärkern messen.
- Die FFT-Analyse und der Frequenzgang offenbaren die harmonische Verteilung und das tonale Verhalten, sollten aber immer im Kontext des tatsächlichen Hörens interpretiert werden.
- Die Kombination aus Oszilloskop und kostenloser Software verwandelt die Soundkarte in einen effektiven Audioanalysator zur Erkennung von Schwingungen, Störungen und Designproblemen.
Wenn wir anfangen, mit Verstärkern zu experimentieren, gehen wir früher oder später über das bloße „Es klingt laut“ hinaus und wollen wissen, was die Schaltung im Inneren eigentlich macht . Besonders wenn wir einen günstigen Class-D-Verstärker online kaufen oder einen Röhrenverstärker selbst bauen, ist es normal, sich zu fragen, ob die Wellenformen auf dem Oszilloskop bedeuten, dass das Gerät gut, schlecht oder einfach nur „für den Preis in Ordnung“ ist.
Viele Audiophile sind überrascht, wenn ein für zehn Euro auf AliExpress gekaufter Verstärker auf dem Oszilloskop ein eher „unsauberes“ Signal mit Schaltgeräuschen und hochfrequentem Rauschen liefert, der Klang aber bei der Wiedergabe von Musik mehr als akzeptabel ist. Solche Situationen verdeutlichen, dass es bei der Messung eines Audioverstärkers mit einem Oszilloskop nicht nur darum geht, die Wellenform zu überprüfen , sondern auch darum, das Gesehene zu interpretieren, aussagekräftige Messungen auszuwählen und diese mit dem tatsächlichen Höreindruck in Einklang zu bringen.
Warum es sinnvoll ist, Audioverstärker mit einem Oszilloskop zu messen
Wer sich mit Audiophilie oder dem Bau von Verstärkern beschäftigt, denkt oft, solange etwas „nicht hörbar verzerrt“, sei alles in Ordnung. Doch bald kommt die Neugier auf, zu überprüfen, ob der Verstärker übersteuert, wie viel Rauschen er erzeugt, wie er mit verschiedenen Frequenzen umgeht oder ob er unerwünschte Schwingungen erzeugt. Hier kommt das Oszilloskop zum Einsatz, zusammen mit einem Signalgenerator oder, falls dieser nicht vorhanden ist, mit kostenloser Software, die sowohl als Generator als auch als Analysator fungiert.
Der Schlüssel liegt darin, eine Art Heimlabor einzurichten, in dem wir Tests durchführen können, die denen eines professionellen Prüfstands sehr ähnlich sind, jedoch mit leicht verfügbaren Hilfsmitteln: einem Oszilloskop (oder einem Software-Oszilloskop über die Soundkarte), einem Funktionsgenerator oder einem PC, der über den Audioausgang Frequenzgänge und Töne ausgibt, sowie einigen Lasten und Dämpfungsgliedern. Damit lassen sich äußerst nützliche Daten von jedem Verstärker gewinnen, vom HiFi-Röhrenverstärker bis zum kostengünstigen Class-D-Modul.
Darüber hinaus tragen solche Messungen dazu bei, den Mythos zu widerlegen, dass jede „unsaubere“ Wellenform gleichbedeutend mit schlechtem Klang ist. Manchmal ist sogar das Gegenteil der Fall: Die Diagramme mögen alarmierend wirken, doch der resultierende Klang entspricht perfekt den Erwartungen an ein preiswertes oder Einsteigersystem. Natürlich erfordert High-End-Equipment einwandfreie Wellenformen und minimale Verzerrungswerte, aber der Kontext ist entscheidend.
Ein weiterer interessanter Punkt ist, dass viele dieser Tests auf kostenloser Audioanalyse-Software basieren , die für die Verwendung mit der Soundkarte eines Computers entwickelt wurde. Diese Programme ermöglichen die anschauliche Darstellung von Spektren, Obertönen, Frequenzgang, Klirrfaktor (THD) und vielem mehr und sind somit eine ideale Ergänzung zum herkömmlichen Oszilloskop.
Kurz gesagt, Messungen mit einem Oszilloskop und Software sind nicht nur etwas für Ingenieure: Jeder Hobbybastler kann mit ein wenig Sorgfalt und Lernbereitschaft viel mehr aus seinen Verstärkern herausholen , Designs feinabstimmen, Fehler erkennen und vor allem verstehen, warum seine Geräte so klingen, wie sie klingen.
Grundlegende Konzepte vor dem Anschließen des Oszilloskops
Bevor Sie die Oszilloskopsonde an irgendeinen Teil des Schaltkreises halten, ist es ratsam, einige elektrische Konzepte zu verstehen, die immer wieder auftauchen werden : Impedanz, Verzerrung, Frequenzgang, Oberwellen, Sättigung, Grundrauschen, Netzbrummen usw. Sie müssen kein Ingenieur sein, aber Sie müssen wissen, was Sie messen wollen.
Bei der Prüfung von Audioverstärkern wird stets zwischen dem niederfrequenten Signalanteil (dem eigentlichen Audiosignal) und, in manchen Konfigurationen, einem Hochfrequenzanteil (HF-Anteil) unterschieden, beispielsweise bei Verstärkern, die im Bereich von 1 MHz arbeiten. In solchen Fällen kommen Bauteile wie DC-Sperren, 50-Ω-Abschlusswiderstände und mitunter auch spezielle HF-Dämpfungsglieder zum Einsatz.
Im Hochfrequenzbereich (HF) sieht die typische Signalkette etwa so aus: HF-Verstärker → DC-Sperrer → 50-Ω-Last oder Abschlusswiderstand . Das Verständnis der Funktion jeder Komponente beugt kostspieligen Fehlern vor, da wir es mit Leistungspegeln und Frequenzen zu tun haben, bei denen ein einziger Fehler sofort Schäden verursachen kann. Im reinen Audiobereich hingegen ändert sich die Situation. Anstatt sich mit 50-Ω-Leitungen zu befassen, konzentrieren wir uns auf Eingangs- und Ausgangsimpedanzen, Verzerrungen, Clipping und Rauschen.
Schon ein einfaches Oszilloskop ermöglicht es uns, Signalverläufe über die Zeit zu visualisieren und Übersteuerungen, Schwingungen, ungewöhnliche Spitzen, Brummen oder hochfrequentes Rauschen zu erkennen . Verfügt es zusätzlich über eine FFT-Funktion oder kombiniert es mit einer Analysesoftware, können wir auch den Frequenzgehalt und die Oberwellenverteilung darstellen, was recht genaue Messungen von Klirrfaktor (THD) und Frequenzgang ermöglicht.
Schließlich müssen die Grenzen des Messgeräts selbst berücksichtigt werden: zulässiger Spannungsbereich, Eingangsimpedanz, Bandbreite, Tastkopftyp usw. Die Kenntnis dieser Daten ist unerlässlich, um zu entscheiden, ob das Oszilloskop direkt an den Verstärkerausgang angeschlossen werden kann oder ob ein 10:1-Dämpfungstaster oder ein zusätzlicher Dämpfungsregler benötigt wird , um eine Überschreitung des Messbereichs oder eine übermäßige Veränderung der zu prüfenden Schaltung zu vermeiden.
Grundlegende Tests an Audioverstärkern: Was ist messwürdig?
Wenn Sie mehr als nur die Aussage „Es klingt gut“ hören möchten, sollten Sie eine Reihe gängiger Tests durchführen, die Ihnen ein technisches Verständnis der Verstärkerleistung vermitteln. Im professionellen Bereich werden viele Parameter gemessen, aber bei Heimgeräten können Sie sich auf wenige konzentrieren, die viele Informationen liefern, ohne die Sache unnötig zu verkomplizieren.
Zu den nützlichsten Tests zählen die Messung der Eingangsimpedanz (um zu wissen, welche Last die Signalquelle sieht), der Ausgangsimpedanz (um zu verstehen, wie der Lautsprecher die Ansteuerung durchführt und den Dämpfungsfaktor), der Impedanzen zwischen den Stufen (sehr interessant bei Röhrenverstärkern mit mehreren Verstärkungsstufen) sowie verschiedener Arten von harmonischen Verzerrungen, sowohl mit angeschlossener Gegenkopplung als auch ohne.
Es ist auch sehr aufschlussreich, die Verstärkersättigung anhand einer Sinuswelle zu untersuchen : Bis zu welchem Eingangspegel das Signal sauber bleibt und ab welchem Punkt der Verstärker zu übersteuern beginnt. Das Oszilloskop zeigt deutlich den Übergang von einer „runden“ Sinuswelle zu einem Signal mit abgeflachten Spitzen, die je nach Schaltungsdesign symmetrisch oder asymmetrisch sein können.
Zusätzlich zu diesen auf Linearität ausgerichteten Tests ist es ratsam, auch Rauschen, Netzbrummen, Funkstörungen und Schwingungen außerhalb des Frequenzbandes zu messen. Viele scheinbar rauscharme Verstärker schwingen tatsächlich im Ultraschallbereich, was Bauteile erhitzen, Instabilitäten verursachen oder andere Geräte stören kann, selbst wenn dies für das Ohr nicht wahrnehmbar ist.
Abschließend können Frequenzgang- und Spektrumanalysen durchgeführt werden , um zu überprüfen, wie sich die Verstärkung im Bass-, Mitten- und Höhenbereich verändert, wo der Pegel abfällt, ob unerwünschte Resonanzen auftreten usw. Bei Röhrenverstärkern mit Ausgangsübertrager helfen diese Tests beispielsweise dabei, festzustellen, inwieweit der Übertrager die Extrembereiche des Frequenzbandes begrenzt.
Einsatz des Oszilloskops in HF-Aufbauten: Gleichstromblocker, Abschlusswiderstand und Dämpfungsglied
Wenn es sich bei dem verwendeten Verstärker nicht nur um einen Audioverstärker, sondern um einen HF-Verstärker handelt, der mit etwa 1 MHz oder höher arbeitet, ergeben sich zusätzliche Überlegungen hinsichtlich der Impedanzanpassung und des Schutzes der Messgeräte. In solchen Fällen sind Aufbauten mit DC-Sperren und 50-Ω-Abschlusswiderständen am Ausgang üblich.
Der DC-Blocker dient dazu, jegliche Gleichstromkomponente zu eliminieren , die vom Verstärker stammen und sowohl die angeschlossenen Geräte als auch nachgeschaltete Komponenten beschädigen könnte. Es handelt sich im Wesentlichen um einen Kondensator, der so dimensioniert ist, dass er im gewünschten Frequenzband arbeitet, ohne einen merklichen Signalabfall zu verursachen.
Anschließend wird üblicherweise ein HF-Abschlusswiderstand angeschlossen, in der Regel ein 50-Ω-Widerstand, der als angepasste Last dient . Dadurch werden Signalreflexionen entlang der Leitung verhindert und stabile Betriebsbedingungen für den Verstärker geschaffen. Ist das System für 50 Ω ausgelegt, ist die Verwendung eines solchen Abschlusswiderstands praktisch unerlässlich.
Die typische Frage ist, ob das Oszilloskop direkt an diese HF-Leitung angeschlossen werden kann oder ob ein spezielles Dämpfungsglied benötigt wird. Die Antwort hängt vom Spannungspegel und der Ausgangsimpedanz des Verstärkers sowie von der Kanalkapazität des Oszilloskops ab. In vielen Fällen dient eine 10:1-Tastspitze bereits als Dämpfungsglied und reduziert die Auswirkungen auf die Schaltung . Im reinen HF-Bereich ist es jedoch auch üblich, kalibrierte Dämpfungsglieder zu verwenden, die eine Impedanzanpassung von 50 Ω in der gesamten Kette gewährleisten.
Wenn wir einen kostengünstigen Verstärker für den Betrieb teurer Geräte verwenden , ist es unerlässlich, die maximale Ausgangsspannung der Stufe, die Art der Last, für die sie ausgelegt ist, und die Grenzen unseres Oszilloskops zu kennen. Darauf aufbauend können wir entscheiden, ob eine abgeschwächte Tastspitze ausreicht, ob ein fester Dämpfungsregler von beispielsweise 10 dB oder 20 dB erforderlich ist oder ob es vorteilhaft ist, einen Teil des Signals mithilfe eines Splitters oder eines Richtkopplers aufzuteilen.
Röhrenverstärker messen: typische Prüfungen und deren Interpretation
Röhrenverstärker besitzen einen besonderen Charme: Sie vereinen handwerkliches Können, klassisches Design und eine gehörige Portion klanglicher Subjektivität . Doch abgesehen vom guten Klang ist es sehr sinnvoll, sie einer Reihe von Standardtests zu unterziehen, um zu verstehen, was sie tatsächlich leisten und wo Verbesserungspotenzial besteht.
Eine der ersten empfohlenen Messungen ist die Eingangsimpedanz . Kennt man den Widerstand, den die Signalquelle (Vorverstärker, DAC, Effektpedal usw.) sieht, lassen sich zu niedrige Lasten vermeiden, die die vorhergehende Stufe überlasten, ihren Frequenzgang verändern oder zusätzliche Verzerrungen verursachen könnten. Eine hohe Eingangsimpedanz ist für die Quelle in der Regel unproblematisch, kann die Schaltung aber auch empfindlicher gegenüber Rauschen und langen Kabeln machen.
Die Ausgangsimpedanz ist ebenso wichtig, da sie bestimmt, inwieweit der Verstärker die Lautsprecherbewegung kontrolliert. Bei Röhrenverstärkern spielt der Ausgangstransformator eine Schlüsselrolle, und seine Auslegung beeinflusst sowohl den Dämpfungsfaktor als auch die Erweiterung der Bass- und Höhenfrequenzen. Durch Messung des Ausgangsverhaltens unter verschiedenen Lasten lässt sich die tatsächliche Abstimmung zwischen Verstärker und Lautsprechern ermitteln.
Es ist außerdem aufschlussreich, die Impedanzen zwischen den Stufen innerhalb des Verstärkers selbst zu analysieren , insbesondere bei Schaltungen mit mehreren Verstärkerröhren und Kathodenfolgern. Eine unzureichende Impedanzanpassung zwischen den Stufen kann zu Pegelabfällen, Übersteuerung im Hochtonbereich oder sogar zu Instabilitäten führen, während eine korrekte Dimensionierung eine saubere und vorhersagbare Signalübertragung gewährleistet.
Ein weiterer wichtiger Bereich ist die Untersuchung der gesamten harmonischen Verzerrung (THD) mit und ohne negative Rückkopplung . Rückkopplung reduziert die Verzerrung deutlich und führt üblicherweise zu einem flacheren Frequenzgang, verändert aber auch die Verteilung der Obertöne (gerade, ungerade, höhere Ordnungen usw.). Durch Messung mit einem reinen Sinussignal und Beobachtung des Spektrums lässt sich erkennen, welche Obertöne dominieren und wie sich deren Pegel ändert, wenn die Rückkopplungsschleife angeschlossen oder getrennt ist.
Abschließend zeigen Sättigungs- und Clipping-Tests mit Sinussignalen, wie sich der Verstärker bei Annäherung an seine Leistungsgrenze verhält. Die Amplitude des Eingangssignals wird schrittweise erhöht, bis auf dem Oszilloskop abgeflachte Spitzen sichtbar werden. Die Art des Clippings (weich, hart, symmetrisch, asymmetrisch) gibt Aufschluss über den Charakter des Verstärkers und hilft zu erklären, warum manche Verstärker bei Überlastung sanfter „übersteuern“ als andere.
Frequenzgang und Verwendung kostenloser Software
Einer der lohnendsten Tests, selbst mit einfachster Ausrüstung, ist die Messung des Frequenzgangs des Verstärkers . Ziel ist es, zu verstehen, wie sich die Verstärkung über den gesamten Audiobereich (z. B. von 20 Hz bis 20 kHz) verändert und Einbrüche, Spitzen oder Unregelmäßigkeiten zu erkennen, die sich dann in einem dunkleren, helleren oder „verstärkten“ Klang niederschlagen.
Für diesen Test können Sie einen Funktionsgenerator verwenden, der einen Frequenzdurchlauf durchführt. Viele nutzen jedoch kostenlose Software, die einen Frequenzdurchlauf oder rosa/weißes Rauschen am Computer erzeugt und über die Soundkarte ausgibt. Alternativ können Sie vorgefertigte WAV-Dateien mit Frequenzdurchläufen oder Testgeräuschen abspielen und das Ausgangssignal des Verstärkers zur Analyse ablesen.
Die Messung kann direkt mit einem Oszilloskop am Ausgang des Verstärkers erfolgen, indem die Signalamplitude bei verschiedenen Frequenzen erfasst und anschließend die Kurve erstellt wird. Es ist jedoch wesentlich komfortabler, die Soundkarte selbst als Messgerät zu verwenden . Dazu wird der Ausgang des Verstärkers mit dem Line-Eingang verbunden (selbstverständlich mit geeigneten Dämpfungsgliedern und Schutzvorrichtungen), und die Software erstellt die Amplituden- und Phasendiagramme.
Es gibt zahlreiche kostenlose Programme zur Messung von Audiogeräten: Sie ermöglichen die Anzeige des Frequenzgangs, die Analyse des Rauschspektrums, die Berechnung des Klirrfaktors (THD) und vieles mehr. Mit etwas Vorsicht, um eine Überlastung des PC-Eingangs zu vermeiden, verwandeln sie einen herkömmlichen Computer in einen kostengünstigen Audioanalysator . Man sollte jedoch bedenken, dass auch die Soundkarte ihre Grenzen hat, für die meisten DIY-Anwendungen aber völlig ausreichend ist.
Mit solchen Tests lassen sich Bassabfälle, die durch den Ausgangstransformator verursacht werden , progressive Höhenverluste aufgrund parasitärer Kapazitäten, unerwünschte Resonanzen in bestimmten Frequenzbändern und sogar die Auswirkungen von Rückkopplungen auf den Frequenzgang leicht aufdecken. Darauf aufbauend können Schaltung, Verdrahtung oder Bauteilauswahl optimiert werden, um die Leistung zu verbessern.
Harmonische, FFTs und ihre Beziehung zu dem, was wir tatsächlich hören
Eine weitere sehr aussagekräftige Testreihe befasst sich mit Obertönen und dem Spektralgehalt des Signals . Typischerweise wird dabei eine möglichst reine Sinuswelle an den Eingang des Verstärkers angelegt und das Ausgangssignal mittels FFT analysiert, entweder mit dem Oszilloskop selbst (sofern dieses über diese Funktion verfügt) oder mit einer Software, die die Soundkarte als Aufnahmegerät nutzt.
Im Frequenzbereich geht es darum, die neben dem Grundton auftretenden Obertöne und deren relative Pegel zu bestimmen. Wir interessieren uns für die Unterscheidung zwischen geraden und ungeraden Obertönen , die vom Ohr oft unterschiedlich wahrgenommen werden, sowie zwischen niederfrequenten Verzerrungen (die oft angenehm oder „musikalisch“ klingen) und hochfrequenten Verzerrungen, die aggressiver und ermüdender wirken.
Hier kommt ein interessanter Aspekt ins Spiel: Was auf dem Bildschirm schlecht aussieht, entspricht nicht immer dem, was wir beim Hören als schlecht empfinden . Beispielsweise kann ein sehr günstiger, kleiner Class-D-Verstärker auf dem Oszilloskop ein recht unansehnliches Signal mit Resten der Schaltfrequenz, hochfrequentem Rauschen und kleineren Unregelmäßigkeiten aufweisen. Beim tatsächlichen Hören von Musik über Lautsprecher kann der Klang jedoch für diese Preisklasse durchaus akzeptabel sein.
Das liegt zum Teil daran, dass das menschliche Ohr viele dieser Unvollkommenheiten ausblendet, insbesondere wenn sie außerhalb des Hörbereichs liegen oder sehr leise sind. Außerdem dämpfen die Lautsprecher und die Ausgangsfilter des Verstärkers einen Großteil des Schaltrauschens. Daher ist es, insbesondere bei preiswerten Verstärkern oder einfachen Eigenbauprojekten , ratsam, sich nicht in jedem noch so kleinen FFT-Peak zu verlieren, solange das praktische Ergebnis den Anforderungen genügt.
Bei High-End-Geräten sieht die Sache natürlich anders aus: Hier wird eine vorbildliche Wellenform, ein streng kontrollierter Obertongehalt und ein extrem niedriger Klirrfaktor erwartet. Doch selbst in diesem Kontext hilft das Verständnis der Art der erzeugten Verzerrungen zu erklären, warum bestimmte Verstärker mit sehr ähnlichen Spezifikationen beim Hören unterschiedlich klingen.
Rauschen, Brummen, Funkstörungen und unbemerkte Schwingungen
Neben der Erkennung von Oberwellenverzerrungen ist das Oszilloskop ein hervorragendes Werkzeug, um Störungen und Schwingungen aufzuspüren, die oft fälschlicherweise für „normale“ Geräusche gehalten werden oder kaum wahrnehmbar sind, aber dennoch vorhanden sind und Bauteile erhitzen oder andere Geräte stören. Viele dieser Probleme hängen mit der Stromversorgung, der Erdung und der internen Verkabelung zusammen.
Zu den häufigsten Phänomenen zählen thermisches Hintergrundrauschen und Rauschen der aktiven Komponenten selbst , das auf dem Bildschirm als eine Art zufälliger Nebel erscheint; das klassische 50/60-Hz-Brummen und seine Obertöne, verursacht durch schlecht gefilterte Quellen oder Masseschleifen; durch die Luft eingekoppelte Hochfrequenzstörungen oder schlecht abgeschirmte Kabel; und durch schlecht kompensierte Rückkopplung oder nachlässige Leiterplattenkonstruktionen erzeugte Hochfrequenzschwingungen.
Bei dieser Art von Prüfung wird der Eingang des Verstärkers typischerweise kurzgeschlossen (gegen Masse) , der Ausgang an eine geeignete Last angeschlossen und das Ausgangssignal mit einem Oszilloskop bei verschiedenen Zeitskalen und Empfindlichkeiten beobachtet. Durch Ändern der Zeitbasis werden sowohl ein niederfrequentes Brummen als auch mögliche Schwingungen im kHz- oder sogar MHz-Bereich sichtbar, die für das Ohr möglicherweise nicht wahrnehmbar sind.
Diese Probleme treten besonders häufig bei Röhrenverstärkern auf, da diese mit hohen Spannungen, großen Transformatoren, Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung und verteilten Masseverbindungen arbeiten. Werden diese nicht sorgfältig ausgelegt, bieten sie ideale Bedingungen für Brummen, Kopplung und HF-Einstreuung . Ein Oszilloskop hilft dabei, die Fehlerstelle im Schaltkreis zu lokalisieren und festzustellen, welche Änderungen (z. B. Neuanordnung der Masseverbindungen, Verdrillen von Adernpaaren, Verbesserung der Abschirmung) tatsächlich Abhilfe schaffen.
In Kombination mit einer Spektrumanalyse-Software liefert das Oszilloskop ein klares Bild der Frequenzen, bei denen das Rauschen konzentriert ist. So lässt sich feststellen, ob die Quelle das Stromnetz (50/60 Hz und Vielfache), die Halbleiter selbst, der Ausgangstransformator, ein mangelhaftes Platinendesign oder externe Störungen durch Radios, Router, Schnurlostelefone usw. sind. Dadurch werden Verbesserungen nicht mehr „blind“ vorgenommen, sondern wir arbeiten mit objektiven Tests, die die Wirksamkeit einer Modifikation bestätigen.
Mit einem einfachen Oszilloskop, etwas kostenloser Software, ein paar Testlasten und Experimentierfreude lässt sich ein überraschend leistungsfähiges Heim-Minilabor einrichten . Ob man nun ein extrem günstiges Class-D-Modul bis an seine Grenzen ausreizen oder ein Hochspannungsröhrenprojekt feinabstimmen möchte – die gleichen Messtechniken ermöglichen es, richtig verstanden, Zahlen und Diagramme mit dem eigenen Höreindruck in Einklang zu bringen. Man lernt dabei, warum ein billiger Verstärker, der auf dem Bildschirm schlecht aussieht, im Wohnzimmer mehr als ausreichend funktioniert, während ein sorgfältiger konstruierter Verstärker in den Diagrammen offenbart, warum er so klar und kontrolliert klingt.