- Razumijevanje impedancije, izobličenja, frekvencijskog odziva i harmonika ključno je za tumačenje onoga što osciloskop pokazuje u audio pojačalu.
- S domaćim mini-laboratorijem (osciloskop, generator ili softver i opterećenja) možete mjeriti ulaz, izlaz, THD, zasićenje, šum i brujanje u cijevnim, tranzistorskim i pojačalima klase D.
- FFT analiza i frekvencijski odziv otkrivaju harmonijsku raspodjelu i tonalno ponašanje, ali ih uvijek treba interpretirati u kontekstu stvarnog slušanja.
- Kombinacija osciloskopa i besplatnog softvera pretvara zvučnu karticu u učinkovit audio analizator za otkrivanje oscilacija, smetnji i problema u dizajnu.
Kada počnemo petljati s pojačalima, prije ili kasnije prelazimo granice tipičnog "zvuči glasno" i počinjemo željeti znati što sklopovi zapravo rade unutra . Pogotovo kada kupujemo jeftino pojačalo klase D online ili sastavljamo domaće cijevno pojačalo, normalno je pitati se znače li valni oblici koje vidimo na osciloskopu da je uređaj dobar, loš ili jednostavno "pristojan za tu cijenu".
Mnogi audiofili su iznenađeni kada vide da pojačalo od deset eura kupljeno na AliExpressu prikazuje prilično "prljav" signal na osciloskopu, s ostacima preklapanja i visokofrekventnim šumom, no kada se reproducira uz pravu glazbu, zvuk je više nego prihvatljiv. Ovakva situacija nas prisiljava da shvatimo da mjerenje audio pojačala osciloskopom nije samo provjera izgleda li valni oblik dobro , već i interpretacija onoga što vidimo, poznavanje toga koji su testovi značajni i kako ih staviti u kontekst s onim što naše uši zapravo čuju.
Zašto je smisleno mjeriti audio pojačala osciloskopom
Kada tek počinjete u svijetu audiofila ili samostalnog sastavljanja pojačala, uobičajeno je pomisliti da je dovoljno dobro sve dok nešto "ne izobličuje zvuk za uho". No, ubrzo se javlja znatiželja da se provjeri je li pojačalo "clipping" (oštećuje) zvuk, koliko šuma unosi, kako se nosi s različitim frekvencijama ili oscilira li tamo gdje ne bi trebalo. Tu nastupa osciloskop, zajedno s generatorom signala ili, ako to nije moguće, besplatnim softverom koji djeluje i kao generator i kao analizator.
Ključno je postaviti neku vrstu kućnog mini-laboratorija gdje možemo provoditi testove prilično slične onima na profesionalnom ispitnom stolu, ali s lako dostupnim alatima: fizičkim osciloskopom (ili softverskim osciloskopom koji koristi zvučnu karticu), generatorom funkcija ili računalom koje daje oscilacije i tonove kroz audio izlaz, te nekim opterećenjima i atenuatorima. S tim možete dobiti vrlo korisne podatke iz bilo kojeg pojačala, od visokokvalitetnog cijevnog pojačala do jeftinog modula klase D.
Nadalje, ove vrste mjerenja pomažu u razbijanju mita da je svaki "ružan" valni oblik sinonim za loš zvuk. Ponekad je istina suprotna: grafovi mogu biti alarmantni, ali rezultirajući zvuk savršeno odgovara onome što očekujemo od jeftinog ili početnog sustava. Naravno, vrhunska oprema zahtijeva besprijekorne valne oblike i brojke distorzije, ali kontekst je ključan.
Još jedna zanimljiva stvar je da se mnogi od ovih testova oslanjaju na besplatni softver za analizu zvuka dizajniran za rad sa zvučnom karticom računala. Ovi programi omogućuju vam pregled spektra, harmonika, frekvencijskog odziva, razina THD-a i još mnogo toga na vrlo vizualan način, što ih čini idealnim dodatkom tradicionalnom osciloskopu.
Ukratko, mjerenje osciloskopom i softverom nije samo za inženjere: svaki hobist s malo pažnje i spremnošću za učenje može izvući puno više iz svojih pojačala , fino podesiti dizajn, otkriti greške i, prije svega, razumjeti zašto njihova oprema zvuči onako kako zvuči.
Osnovni koncepti prije spajanja osciloskopa
Prije nego što počnete ubadati sondu osciloskopa u bilo koji dio strujnog kruga, dobro je razumjeti nekoliko električnih koncepata koji će se često pojavljivati : impedancija, izobličenje, frekvencijski odziv, harmonici, zasićenje, pozadinska buka, brujanje iz mreže itd. Ne morate biti inženjer, ali morate znati što pokušavate izmjeriti.
Prilikom testiranja audio pojačala uvijek razlikujemo dio niske frekvencije signala (sam zvuk) i, u nekim postavkama, radiofrekvencijski (RF) dio, na primjer, kada se radi s pojačalima koja rade oko 1 MHz. U tim scenarijima koriste se komponente poput DC blokatora, terminatora od 50 Ω, a ponekad i namjenskih RF atenuatora.
U RF-u, tipičan lanac može izgledati ovako: RF pojačalo → DC blokator → opterećenje ili terminator od 50 Ω . Razumijevanje funkcije svake komponente sprječava skupe pogreške, jer se bavimo razinama snage i frekvencijama gdje jedan propust može nešto oštetiti u trenutku. Međutim, u čistom zvuku situacija se mijenja i umjesto da se brinemo o linijama od 50 Ω, usredotočujemo se na ulazne i izlazne impedancije, izobličenje, kliping i šum.
Čak i jednostavan osciloskop omogućuje nam pregled valnih oblika tijekom vremena, otkrivanje prekida, oscilacija, neobičnih vrhova, brujanja ili visokofrekventnog šuma . Ako ima i FFT funkciju ili ako je kombiniramo sa softverom za analizu, možemo vidjeti i frekvencijski sadržaj i harmonijsku raspodjelu, što otvara vrata prilično točnim mjerenjima THD-a i frekvencijskog odziva.
Konačno, potrebno je uzeti u obzir ograničenja same mjerne opreme: dopušteni raspon napona, ulaznu impedanciju, propusnost, vrstu sonde itd. Poznavanje ovih podataka ključno je za odlučivanje možemo li osciloskop izravno spojiti na izlaz pojačala ili nam je potrebna sonda s atenuatorom 10:1 ili dodatni atenuator kako bismo izbjegli prekoračenje raspona ili pretjeranu promjenu ispitivanog kruga.
Osnovni testovi audio pojačala: što vrijedi mjeriti
Ako želite ići dalje od pukog izgovaranja "zvuči dobro", trebali biste razmotriti relativno standardni niz testova koji će vam dati tehničko razumijevanje performansi pojačala. U profesionalnom svijetu mjeri se mnogo parametara, ali s kućnom opremom možete se usredotočiti na nekoliko koji pružaju puno informacija bez prevelikog kompliciranja stvari.
Među najkorisnijim testovima nalazimo mjerenje ulazne impedancije (kako bismo znali kakvo opterećenje prima izvor signala), izlazne impedancije (kako bismo razumjeli kako se zvučnik kontrolira i faktor prigušenja), impedancije između stupnjeva (vrlo zanimljivo kod cijevnih pojačala s nekoliko stupnjeva pojačanja), kao i različitih vrsta harmonijskog izobličenja, i sa spojenom negativnom povratnom vezom i bez nje.
Također je vrlo ilustrativno proučavati zasićenje pojačala sinusnim valom : do koje ulazne razine signal ostaje čist i od koje točke pojačalo počinje s prekidima. Osciloskop jasno pokazuje prijelaz iz "okruglog" sinusnog vala u signal s ravnim vrhovima, simetričnim ili asimetričnim, ovisno o dizajnu kruga.
Uz ove testove usmjerene na linearnost, vrijedi odvojiti vrijeme za mjerenje šuma, brujanja iz mreže, radiofrekventnih smetnji i svih izvanfrekventnih oscilacija. Mnoga naizgled tiha pojačala zapravo osciliraju u ultrazvučnom rasponu, što može zagrijati komponente, uzrokovati nestabilnosti ili ometati drugu opremu, čak i ako je to neprimjetno uhu.
Konačno, mogu se provesti analize frekvencijskog odziva i spektra , provjeravajući kako se pojačanje mijenja u basu, srednjim i visokim frekvencijama, gdje razina počinje padati, postoje li neželjene rezonancije itd. U cijevnim pojačalima s izlaznim transformatorom, na primjer, ovi testovi pomažu vidjeti u kojoj mjeri transformator ograničava ekstremne dijelove pojasa.
Upotreba osciloskopa u RF postavkama: DC blokator, terminator i atenuator
Kada pojačalo s kojim radimo nije samo audio pojačalo, već RF pojačalo koje radi na oko 1 MHz ili više, javlja se niz dodatnih razmatranja u vezi s usklađivanjem impedancije i zaštitom mjerne opreme. U tim slučajevima vrlo je uobičajeno pronaći postavke koje uključuju DC blokatore i terminatore od 50 Ω na izlazu.
DC blokator se ugrađuje kako bi se uklonila bilo koja DC komponenta koja bi mogla dolaziti iz pojačala i oštetiti i opterećenje i nizvodnu opremu. To je u biti kondenzator dimenzioniran za rad u željenom frekvencijskom pojasu bez primjetnog pada signala.
Zatim se obično spaja RF terminator, obično otpornik od 50 Ω koji djeluje kao usklađeno opterećenje . To sprječava refleksiju signala duž linije i stvara stabilne radne uvjete za pojačalo. Ako je sustav dizajniran za 50 Ω, korištenje ove vrste terminatora je praktički obavezno.
Tipično pitanje je može li se osciloskop izravno spojiti na ovu RF liniju ili je potreban specifični atenuator. Odgovor ovisi o razini napona i izlaznoj impedanciji pojačala, kao i o kapacitetu kanala osciloskopa. U mnogim slučajevima, sonda 10:1 već djeluje kao atenuator i smanjuje utjecaj na krug , ali u čistom RF-u također je vrlo uobičajeno koristiti kalibrirane atenuatore koji održavaju usklađenje impedancije od 50 Ω u cijelom lancu.
Ako koristimo jeftino pojačalo za rad sa skupom opremom , bitno je znati maksimalni napon koji stupanj može isporučiti, vrstu opterećenja za koje je dizajniran i ograničenja našeg osciloskopa. Na temelju toga možemo odlučiti je li dovoljna atenuirana sonda, je li potreban fiksni atenuator od, na primjer, 10 dB ili 20 dB, ili je li korisno podijeliti dio signala pomoću razdjelnika ili usmjerenog sprežnika.
Mjerna cijevna pojačala: tipični testovi i kako ih interpretirati
Cijevna pojačala imaju poseban šarm: spajaju vještinu izrade, klasični dizajn i zdravu dozu zvučne subjektivnosti . Međutim, osim što samo dobro zvuče, vrlo je korisno podvrgnuti ih nizu standardnih testova kako bi se razumjelo što zapravo rade i koliko prostora imaju za poboljšanje.
Jedno od prvih preporučenih mjerenja je ulazna impedancija . Poznavanje otpora koji ima izvor signala (pretpojačalo, DAC, pedala itd.) pomaže u izbjegavanju pretjerano niskih opterećenja koja bi mogla opteretiti prethodni stupanj, promijeniti njegov frekvencijski odziv ili unijeti dodatna izobličenja. Visoka ulazna impedancija obično je ugodna za izvor, iako također može učiniti sklop osjetljivijim na šum i duge kabele.
Izlazna impedancija je jednako važna jer određuje u kojoj mjeri pojačalo kontrolira kretanje zvučnika. U cijevnim pojačalima, izlazni transformator igra ključnu ulogu, a njegov dizajn utječe i na faktor prigušenja i na proširenje basa i visokih tonova. Mjerenjem ponašanja izlaza pod različitim opterećenjima možemo dobiti ideju o stvarnoj usklađenosti između pojačala i zvučnika.
Također je zanimljivo analizirati impedancije između stupnjeva unutar samog pojačala , posebno u izvedbama s više pojačalnih cijevi i katodnih pratitelja. Loše usklađivanje impedancije između stupnjeva može uzrokovati padove razine, skraćivanje visokopojasnog pojasa ili čak nestabilnosti, dok pravilno dimenzioniranje osigurava čist i predvidljiv prijenos signala.
Još jedno ključno područje je proučavanje ukupnog harmonijskog izobličenja (THD) sa i bez negativne povratne sprege . Povratna sprega značajno smanjuje izobličenje i obično izravnava frekvencijski odziv, ali također mijenja harmonijsku raspodjelu (parna, neparna, višeg reda itd.). Mjerenjem čistim sinusnim valom i promatranjem spektra možemo vidjeti koji harmonici prevladavaju i kako se njihova razina mijenja kada je povratna sprega spojena ili odspojena.
Konačno, testovi zasićenja i odrezivanja sinusoidnim signalima pokazuju nam kako se pojačalo ponaša dok se približava svojoj granici. Amplituda ulaznog signala postupno se povećava sve dok se na osciloskopu ne pojave spljošteni vrhovi. Vrsta odrezivanja (meko, tvrdo, simetrično, asimetrično) otkriva mnogo o karakteru uređaja i pomaže objasniti zašto se određena pojačala ugodnije "raspadaju" od drugih kada se preopterete.
Frekvencijski odziv i korištenje besplatnog softvera
Jedan od najisplativijih testova, čak i s vrlo osnovnom opremom, jest mjerenje frekvencijskog odziva pojačala . Cilj je razumjeti kako se pojačanje mijenja u cijelom audio rasponu (na primjer, od 20 Hz do 20 kHz) i otkriti padove, vrhove ili nepravilnosti koje se zatim pretvaraju u tamniji, svjetliji ili "pojačani" zvuk.
Za izvođenje ovog testa možete koristiti generator funkcija koji izvodi frekvencijsko pomicanje, ali mnogi ljudi koriste besplatni softver koji generira pomicanje ili ružičasto/bijeli šum s računala i šalje ga kroz zvučnu karticu. Druga mogućnost je reprodukcija unaprijed napravljenih WAV datoteka sa pomicanjem ili testnim šumovima i analiza izlaza pojačala.
Mjerenje se može izvršiti izravno osciloskopom na izlazu pojačala, bilježeći amplitudu signala na različitim frekvencijama, a zatim konstruirajući krivulju. Međutim, puno je praktičnije koristiti samu zvučnu karticu kao mjerni instrument , spajajući izlaz pojačala na njegov linijski ulaz (uvijek s odgovarajućim atenuatorima i zaštitom) i puštajući softver da crta grafove magnitude, pa čak i faze.
Postoji mnogo besplatnih programa dizajniranih za mjerenje audio opreme: omogućuju vam pregled krivulje frekvencijskog odziva, analizu spektra šuma, izračun THD-a i još mnogo toga. U kombinaciji s minimalnom pažnjom kako bi se izbjeglo preopterećenje ulaza računala, mogu transformirati obično računalo u jeftin audio analizator . Važno je zapamtiti da zvučna kartica također ima svoja ograničenja, ali za većinu DIY primjena više je nego dovoljna.
Ove vrste testova mogu lako otkriti padove basa uzrokovane izlaznim transformatorom , progresivne gubitke visokih tonova zbog parazitskih kapacitivnosti, neželjene rezonancije u određenim pojasevima, pa čak i učinak povratne veze na ravnost frekvencijskog odziva. Nakon toga, mogu se napraviti modifikacije u krugu, ožičenju ili odabiru komponenti kako bi se fino podesile performanse.
Harmonici, FFT-ovi i njihov odnos s onim što zapravo čujemo
Drugi vrlo moćan skup testova vrti se oko harmonika i spektralnog sadržaja signala . Obično to uključuje primjenu najčišćeg mogućeg sinusnog vala na ulaz pojačala i analizu izlaza pomoću FFT-a, bilo korištenjem samog osciloskopa (ako uključuje ovu funkciju) ili softvera koji koristi zvučnu karticu kao prednji dio za snimanje.
U frekvencijskoj domeni cilj je identificirati koji se harmonici pojavljuju uz osnovni ton i njihove relativne razine. Zanima nas razlikovanje parnih i neparnih harmonika , koje sluh često percipira drugačije, kao i između distorzije nižeg reda (koja je često ugodna ili "glazbena") i distorzije višeg reda, koja je agresivnija i zamornija.
Tu dolazi do izražaja zanimljiv aspekt: ono što izgleda užasno na ekranu ne odgovara uvijek onome što doživljavamo kao loše kada slušamo . Na primjer, vrlo jeftino, malo pojačalo klase D moglo bi prikazati prilično ružan valni oblik na osciloskopu, s ostacima frekvencije prebacivanja, visokofrekventnim šumom i manjim nepravilnostima. Međutim, kada se stvarno testira slušanjem glazbe preko zvučnika, zvuk bi mogao biti sasvim prihvatljiv za taj cjenovni rang.
To je dijelom zato što ljudsko uho filtrira mnoge od tih nesavršenosti, posebno kada su izvan čujnog raspona ili na vrlo niskim razinama. Nadalje, zvučnici i vlastiti izlazni filtri pojačala smanjuju velik dio šuma preklapanja. Stoga je, posebno kod jeftinih pojačala ili jednostavnih DIY projekata , najbolje ne opterećivati se svakim malim FFT vrhom ako praktični rezultat zadovoljava naše potrebe.
Kod vrhunske opreme, naravno, priča se mijenja: očekuje se da će valni oblik biti uzoran, harmonijski sadržaj strogo kontroliran, a razine THD-a izuzetno niske. Ali čak i u tom kontekstu, razumijevanje koja se vrsta izobličenja generira pomaže objasniti zašto određena pojačala, s vrlo sličnim specifikacijama, zvuče drugačije kada ih zapravo slušamo.
Buka, brujanje, radiofrekvencija i oscilacije koje prolaze nezapaženo
Osim harmonijskog izobličenja, osciloskop je izvrstan alat za praćenje šumova i oscilacija koji se ponekad pogrešno smatraju "normalnim" šumovima ili su jedva primjetni, ali su ipak prisutni, zagrijavaju komponente ili ometaju druge uređaje. Mnogi od ovih problema povezani su s napajanjem, uzemljenjem i unutarnjim ožičenjem.
Među najčešćim pojavama nalazimo termalnu pozadinsku buku i buku samih aktivnih komponenti , koja se na ekranu pojavljuje kao vrsta slučajne magle; klasično brujanje od 50/60 Hz i njegove harmonike, uzrokovane loše filtriranim izvorima ili petljama uzemljenja; radiofrekventne smetnje spojene zrakom ili loše zaštićenim kabelima; i visokofrekventne oscilacije proizvedene loše kompenziranom povratnom vezom ili nepažljivim dizajnom PCB-a.
Za ovu vrstu testiranja, ulaz pojačala je obično kratko spojen (na masu) , izlaz je spojen na odgovarajuće opterećenje, a osciloskop se koristi za promatranje izlaza s različitim vremenskim skalama i osjetljivostima. Promjena vremenske baze otkriva i niskofrekventno brujanje i moguće oscilacije u kHz ili čak MHz rasponu, koje mogu biti neprimjetne uhu.
Ovi problemi su posebno česti kod cijevnih pojačala, jer uključuju visoke napone, glomazne transformatore, ožičenje od točke do točke i distribuirana uzemljenja koja, ako nisu pažljivo projektirana, stvaraju plodno tlo za brujanje, sprege i RF podizanje . Osciloskop pomaže u određivanju gdje se u krugu problem javlja i koje modifikacije (preuređenje uzemljenja, uvrtanje parova žica, poboljšanje zaštite itd.) zapravo čine razliku.
Ako se osciloskop kombinira sa softverom za analizu spektra, dobiva se vrlo jasna slika frekvencija na kojima je šum koncentriran. To nam omogućuje da razlikujemo je li izvor električna mreža (50/60 Hz i višekratnici), sami poluvodiči, izlazni transformator, loš dizajn ploče ili vanjske smetnje od radio uređaja, usmjerivača, bežičnih telefona itd. Na taj se način poboljšanja više ne rade "naslijepo", već počinjemo raditi s objektivnim testovima koji potvrđuju je li modifikacija bila učinkovita ili ne.
Konačno, s osnovnim osciloskopom, nekim besplatnim softverom, nekoliko testnih opterećenja i spremnošću za eksperimentiranje, možete postaviti iznenađujuće sposoban kućni mini-laboratorij . Bilo da je cilj pogurati krajnje granice jeftinog modula klase D ili fino podesiti projekt visokonaponske cijevi, iste tehnike mjerenja, kada se pravilno razumiju, omogućuju vam usklađivanje brojeva i grafova s onim što vam uši govore. Usput ćete naučiti zašto jeftino pojačalo koje na ekranu izgleda užasno radi više nego adekvatno u dnevnoj sobi, dok pažljivije dizajnirano pojačalo otkriva u grafovima zašto zvuči tako čisto i kontrolirano.