- Az impedancia, a torzítás, a frekvenciaátvitel és a harmonikusok megértése kulcsfontosságú az oszcilloszkóp által mutatott értékek értelmezéséhez egy audioerősítőben.
- Egy házilag készített mini laboratóriummal (oszcilloszkóp, generátor vagy szoftver és terhelések) mérheted a bemenetet, a kimenetet, a THD-t, a telítettséget, a zajt és a brummot csöves, tranzisztoros és D osztályú erősítőkben.
- Az FFT analízis és a frekvenciaátvitel feltárja a harmonikus eloszlást és a hangszín viselkedését, de ezt mindig a tényleges hallgatási körülmények kontextusában kell értelmezni.
- Egy oszcilloszkóp és egy ingyenes szoftver kombinációja a hangkártyát hatékony hangelemzővé alakítja az oszcillációk, interferencia és tervezési problémák észlelésére.
Amikor elkezdünk babrálni az erősítőkkel, előbb-utóbb túllépünk a tipikus „hangosan szól”, és elkezdjük tudni, hogy mit csinál valójában a benne lévő áramkör . Különösen akkor, amikor olcsó D osztályú erősítőt veszünk online, vagy házilag építünk egy csöves erősítőt, normális, hogy azon tűnődünk, hogy az oszcilloszkópon látható hullámalakok azt jelentik-e, hogy az eszköz jó, rossz, vagy egyszerűen csak „ár-érték arányban megfelelő”.
Sok audiofil meglepődik, amikor egy tízeurós, AliExpressen vásárolt erősítő meglehetősen „piszkos” jelet jelenít meg az oszcilloszkópon, kapcsolási maradványokkal és nagyfrekvenciás zajjal, míg valódi zenével hallgatva a hang több mint elfogadható. Ez a fajta helyzet arra kényszerít minket, hogy megértsük, egy audioerősítő oszcilloszkóppal történő mérése nem csak arról szól, hogy ellenőrizzük, hogy a hullámforma jól néz-e ki , hanem arról is, hogy értelmezzük, amit látunk, tudjuk, mely tesztek értelmesek, és hogyan helyezzük ezeket kontextusba azzal, amit a fülünk valójában hall.
Miért van értelme oszcilloszkóppal mérni az audioerősítőket?
Amikor az audiofilek vagy a barkácserősítő-építés világában kezdünk el foglalkozni, gyakori, hogy azt gondoljuk, amíg valami „nem torzít a fülben”, addig elég jó. De hamar felmerül a kíváncsiság, hogy ellenőrizzük, vajon az erősítő zajos-e, mennyi zajt okoz, hogyan kezeli a különböző frekvenciákat , vagy hogy ott oszcillál-e, ahol nem kellene. Itt jön képbe az oszcilloszkóp, egy jelgenerátorral, vagy ennek hiányában egy ingyenes szoftverrel együtt, amely generátorként és analizátorként is funkcionál.
A lényeg egy otthoni minilabor létrehozása, ahol a professzionális tesztpadon végzettekhez hasonló teszteket végezhetünk, de könnyen elérhető eszközökkel: egy fizikai oszcilloszkóppal (vagy egy szoftveres oszcilloszkóppal a hangkártya segítségével), egy függvénygenerátorral vagy egy PC-vel, amely sweep-jeleket és hangokat ad ki az audiokimeneten keresztül, valamint néhány terheléssel és csillapítóval. Ezzel nagyon hasznos adatokat nyerhetünk bármilyen erősítőből, a nagy pontosságú csöves erősítőtől az olcsó D osztályú modulig.
Továbbá az ilyen típusú mérések segítenek lerombolni azt a mítoszt, hogy minden „csúnya” hullámforma a rossz hangzás szinonimája. Néha az ellenkezője igaz: a grafikonok riasztóak lehetnek, de a kapott hang tökéletesen megfelel annak, amit egy olcsó vagy belépő szintű rendszertől elvárunk. Természetesen a csúcskategóriás berendezések kifogástalan hullámformákat és torzítási értékeket igényelnek, de a kontextus kulcsfontosságú.
Egy másik érdekes szempont, hogy ezek közül a tesztek közül sok ingyenes hangelemző szoftverre támaszkodik , amelyeket számítógép hangkártyájával való működésre terveztek. Ezek a programok lehetővé teszik a spektrumok, harmonikusok, frekvenciaátvitel, THD-szintek és egyebek nagyon vizuális megtekintését, így ideális kiegészítői a hagyományos oszcilloszkópnak.
Röviden, az oszcilloszkóppal és szoftverrel történő mérés nem csak a mérnököknek való: bármelyik hobbiember, egy kis odafigyeléssel és tanulási hajlandósággal, sokkal többet hozhat ki az erősítőiből , finomhangolhatja a terveket, hibákat észlelhet, és mindenekelőtt megértheti, miért szól úgy a berendezése, ahogy.
Alapfogalmak az oszcilloszkóp csatlakoztatása előtt
Mielőtt elkezdenéd az oszcilloszkóp mérőfejét az áramkör bármely részébe bedugni, érdemes megérteni néhány elektromos fogalmat, amelyek gyakran felmerülnek : impedancia, torzítás, frekvenciaátvitel, harmonikusok, telítettség, háttérzaj, hálózati brummolás stb. Nem kell mérnöknek lenned, de tudnod kell, hogy mit próbálsz mérni.
Az audioerősítők tesztelése során mindig különbséget teszünk az alacsony frekvenciájú jelrész (maga a hang) és – bizonyos beállításokban – a rádiófrekvenciás (RF) rész között, például amikor körülbelül 1 MHz-es erősítőkkel dolgozunk. Ilyen esetekben olyan alkatrészeket használunk, mint az egyenáramú blokkolók, az 50 Ω-os terminátorok és néha dedikált RF csillapítók.
RF esetében a tipikus lánc valahogy így nézhet ki: RF erősítő → DC blokkoló → 50 Ω terhelés vagy terminátor . Az egyes komponensek funkciójának megértése elkerüli a költséges hibákat, mivel olyan teljesítményszintekkel és frekvenciákkal foglalkozunk, ahol egyetlen hiba is egy pillanat alatt károsíthat valamit. A tiszta hangzásban azonban a helyzet megváltozik, és az 50 Ω-os vonalak helyett a bemeneti és kimeneti impedanciákra, a torzításra, a túlfeszültségre és a zajra koncentrálunk.
Már egy egyszerű oszcilloszkóp is lehetővé teszi számunkra, hogy időbeli lefolyásban vizsgáljuk a hullámalakokat, észleljük a túlcsordulásokat, oszcillációkat, szokatlan csúcsokat, brummot vagy nagyfrekvenciás zajt . Ha FFT funkcióval is rendelkezik, vagy ha elemző szoftverrel kombináljuk, akkor a frekvenciatartalmat és a harmonikus eloszlást is láthatjuk, ami meglehetősen pontos THD- és frekvenciaátviteli méréseket tesz lehetővé.
Végül figyelembe kell venni a mérőberendezés korlátait is: a megengedett feszültségtartományt, a bemeneti impedanciát, a sávszélességet, a mérőfej típusát stb. Ezen adatok ismerete elengedhetetlen annak eldöntéséhez, hogy az oszcilloszkópot közvetlenül az erősítő kimenetére csatlakoztathatjuk-e, vagy szükségünk van egy 10:1-es csillapító mérőfejre, esetleg egy további csillapítóra, hogy elkerüljük a tartomány túllépését vagy a vizsgált áramkör túlzott megváltoztatását.
Audioerősítők alapvető tesztjei: mit érdemes mérni
Ha túl akarsz lépni azon, hogy egyszerűen csak azt mondod, hogy „jól hangzik”, akkor érdemes megfontolnod egy viszonylag szabványos tesztsorozatot, amely technikai képet ad az erősítő teljesítményéről. A professzionális világban számos paramétert mérnek, de az otthoni eszközökkel néhányra koncentrálhatsz, amelyek sok információt nyújtanak anélkül, hogy túlbonyolítanád a dolgokat.
A leghasznosabb tesztek között találjuk a bemeneti impedancia mérését (annak megállapítására, hogy a jelforrás milyen terhelést érzékel), a kimeneti impedancia mérését (annak megértéséhez, hogyan szabályoz a hangszóró, és milyen a csillapítási tényező), a fokozatok közötti impedanciák mérését (ami nagyon érdekes a több erősítésű fokozattal rendelkező csőerősítőknél), valamint a különböző típusú harmonikus torzítás mérését, negatív visszacsatolással és anélkül is.
Az erősítő telítettségének szinuszhullámmal történő vizsgálata is nagyon szemléletes : milyen bemeneti szintig marad tiszta a jel, és melyik ponttól kezd el az erősítő lecsengeni. Az oszcilloszkóp világosan mutatja az átmenetet a "kerek" szinuszhullámról egy lapított csúcsokkal rendelkező jelre, amely szimmetrikus vagy aszimmetrikus lehet az áramköri kialakítástól függően.
A linearitásra összpontosító tesztek mellett érdemes időt szánni a zaj, a hálózati brumm, a rádiófrekvenciás interferencia és a sávon kívüli oszcillációk mérésére is. Sok látszólag csendes erősítő valójában ultrahangos tartományban oszcillál, ami felmelegítheti az alkatrészeket, instabilitást okozhat, vagy zavarhatja más berendezéseket, még akkor is, ha ez a fül számára nem érzékelhető.
Végül frekvenciaátviteli és spektrumanalíziseket is lehet végezni , ellenőrizve, hogyan változik az erősítés a mély, közép és magas frekvenciákon, hol kezd csökkenni a szint, vannak-e nem kívánt rezonanciák stb. Például kimeneti transzformátorral ellátott csőerősítőkben ezek a tesztek segítenek megállapítani, hogy a transzformátor milyen mértékben korlátozza a sáv szélső értékeit.
Az oszcilloszkóp használata RF beállításokban: DC blokkoló, terminátor és csillapító
Amikor az erősítő, amivel dolgozunk, nem csupán egy audioerősítő, hanem egy körülbelül 1 MHz-es vagy annál magasabb frekvencián működő RF erősítő, számos további szempontot kell figyelembe venni az impedancia illesztéssel és a mérőberendezés védelmével kapcsolatban. Ilyen esetekben nagyon gyakoriak az olyan beállítások, amelyek DC-blokkolókat és 50 Ω-os terminátorokat tartalmaznak a kimeneten.
Az egyenáramú blokkoló célja, hogy kiküszöbölje az erősítőből származó egyenáramú komponenseket , amelyek károsíthatják mind a terhelést, mind a downstream berendezéseket. Lényegében egy olyan kondenzátorról van szó, amelyet úgy méreteztek, hogy a kívánt frekvenciasávban működjön anélkül, hogy észrevehető jelcsökkenést okozna.
Ezután jellemzően egy RF terminátort csatlakoztatnak, általában egy 50 Ω-os ellenállást, amely illesztett terhelésként működik . Ez megakadályozza a jel visszaverődését a vonal mentén, és stabil működési feltételeket teremt az erősítő számára. Ha a rendszer 50 Ω-ra van tervezve, akkor az ilyen típusú terminátor használata gyakorlatilag kötelező.
A tipikus kérdés az, hogy az oszcilloszkóp közvetlenül csatlakoztatható-e ehhez az RF vonalhoz, vagy szükség van-e egy speciális csillapítóra. A válasz az erősítő feszültségszintjétől és kimeneti impedanciájától, valamint az oszcilloszkóp csatornakapacitásától függ. Sok esetben egy 10:1-es mérőfej már csillapítóként működik, és csökkenti az áramkörre gyakorolt hatást , de tiszta RF esetén nagyon gyakori a kalibrált csillapítók használata is, amelyek 50 Ω impedancia-egyezést biztosítanak a teljes láncban.
Ha egy olcsó erősítőt használunk drága berendezésekhez , elengedhetetlen ismernünk a fokozat által leadható maximális feszültséget, a terhelés típusát, amelyet terveztek, és az oszcilloszkóp korlátait. Ebből kiindulva eldönthetjük, hogy elegendő-e egy csillapított mérőfej, szükség van-e egy fix, például 10 dB-es vagy 20 dB-es csillapítóra, vagy előnyös-e a jel egy részét elosztóval vagy iránycsatolóval szétválasztani.
Csöves erősítők mérése: tipikus tesztek és azok értelmezése
A csöves erősítőknek különleges bája van: ötvözik a kézművességet, a klasszikus dizájnt és az egészséges adag hangzásbeli szubjektivitást . Azonban azon túl, hogy egyszerűen jól szólnak, nagyon hasznos, ha egy sor standard tesztnek vetjük alá őket, hogy megértsük, mit is csinálnak valójában, és milyen fejlesztési lehetőségek vannak.
Az egyik első ajánlott mérés a bemeneti impedancia . A jelforrás (előerősítő, DAC, pedál stb.) ellenállásának ismerete segít elkerülni a túlzottan alacsony terheléseket, amelyek megterhelhetik az előző fokozatot, megváltoztathatják annak frekvenciaátvitelét, vagy további torzítást okozhatnak. A magas bemeneti impedancia általában kényelmes a forrás számára, bár érzékenyebbé is teheti az áramkört a zajra és a hosszú kábelekre.
A kimeneti impedancia ugyanilyen fontos , mivel ez határozza meg, hogy az erősítő milyen mértékben szabályozza a hangszóró mozgását. A csöves erősítőkben a kimeneti transzformátor kulcsszerepet játszik, és kialakítása befolyásolja mind a csillapítási tényezőt, mind a mély és magas frekvenciák kiterjesztését. Azzal, hogy megmérjük, hogyan viselkedik a kimenet különböző terhelések alatt, képet kaphatunk az erősítő és a hangszórók közötti tényleges illeszkedésről.
Érdekes elemezni az erősítőn belüli fokozatok közötti impedanciákat is , különösen a több erősítőcsövet és katódkövetőt tartalmazó kialakításoknál. A fokozatok közötti rossz impedanciaillesztés szinteséseket, magas sávú túlfeszültséget vagy akár instabilitást okozhat, míg a megfelelő méretezés tiszta és kiszámítható jelátvitelt biztosít.
Egy másik kulcsfontosságú terület a teljes harmonikus torzítás (THD) vizsgálata negatív visszacsatolással és anélkül . A visszacsatolás jelentősen csökkenti a torzítást, és általában ellaposítja a frekvenciaátvitelt, de megváltoztatja a harmonikus eloszlást is (páros, páratlan, magasabb rendű stb.). Tiszta szinuszhullámmal mérve és megfigyelve a spektrumot, láthatjuk, mely harmonikusok dominálnak, és hogyan változik a szintjük, amikor a visszacsatoló hurok be- vagy kikapcsol.
Végül, a szinuszos jelekkel végzett telítési és levágási tesztek megmutatják, hogyan viselkedik az erősítő a határához közeledve. A bemeneti jel amplitúdója fokozatosan növekszik, amíg ellaposodó csúcsok nem jelennek meg az oszcilloszkópon. A levágás típusa (lágy, kemény, szimmetrikus, aszimmetrikus) sokat elárul az eszköz jellegéről, és segít megmagyarázni, hogy bizonyos erősítők miért "bomlanak le" kellemesebben, mint mások, ha nyomást gyakorolnak rájuk.
Frekvenciaátvitel és szabad szoftverek használata
Az egyik legkielégítőbb teszt, még nagyon alapvető felszereléssel is, az erősítő frekvenciaátvitelének mérése . A cél az, hogy megértsük, hogyan változik az erősítés a teljes hangtartományban (például 20 Hz-től 20 kHz-ig), és hogy észleljük a letöréseket, csúcsokat vagy szabálytalanságokat, amelyek aztán sötétebb, világosabb vagy „felerősített” hangzást eredményeznek.
A teszt elvégzéséhez használhatsz egy függvénygenerátort, amely frekvencia sweepet hajt végre, de sokan ingyenes szoftvereket használnak, amelyek sweepet vagy rózsaszín/fehér zajt generálnak a számítógépből, és a hangkártyán keresztül küldik. Egy másik lehetőség az előre elkészített WAV fájlok lejátszása sweepekkel vagy tesztzajokkal, és az erősítő kimenetének elemzése.
A mérés közvetlenül elvégezhető egy oszcilloszkóppal az erősítő kimenetén, feljegyezve a jel amplitúdóját különböző frekvenciákon, majd megrajzolva a görbét. Sokkal kényelmesebb azonban magát a hangkártyát használni mérőműszerként , az erősítő kimenetét a vonali bemenetéhez csatlakoztatva (mindig megfelelő csillapítókkal és védelemmel), és hagyni, hogy a szoftver ábrázolja a nagyságrendet és az akár fázisdiagramokat is.
Számos ingyenes program létezik audioeszközök mérésére: ezek lehetővé teszik a frekvenciaátviteli görbe megtekintését, a zajspektrum elemzését, a THD kiszámítását és egyebeket. A PC bemenetének túlterhelésének elkerülésére fordított minimális odafigyeléssel kombinálva egy átlagos számítógépet olcsó audio analizátorrá alakíthatnak . Fontos megjegyezni, hogy a hangkártyának is megvannak a maga korlátai, de a legtöbb barkácsalkalmazáshoz több mint elegendő.
Az ilyen típusú tesztek könnyen kimutathatják a kimeneti transzformátor által okozott basszuseséseket , a parazita kapacitások miatti progresszív magas hangveszteséget, bizonyos sávokban fellépő nemkívánatos rezonanciákat, sőt még a visszacsatolás hatását is a frekvenciaátvitel síkosságára. Innentől kezdve módosításokat lehet végezni az áramkörön, a kábelezésen vagy az alkatrészek kiválasztásán a teljesítmény finomhangolása érdekében.
Felharmonikusok, FFT-k és kapcsolatuk azzal, amit valójában hallunk
Egy másik nagyon hatékony tesztkészlet a harmonikusok és a jel spektrális tartalma körül forog . Ez jellemzően a lehető legtisztább szinuszhullám alkalmazását jelenti az erősítő bemenetére, és a kimenet FFT-vel történő elemzését, akár magát az oszcilloszkópot (ha rendelkezik ezzel a funkcióval), akár egy olyan szoftvert használva, amely a hangkártyát használja rögzítő front-endként.
A frekvenciatartományban a cél annak azonosítása, hogy mely felharmonikusok jelennek meg az alapharmonikuson kívül, és azok relatív szintjei. Arra vagyunk kíváncsiak, hogy megkülönböztessük a páros és páratlan felharmonikusokat , amelyeket a fül gyakran eltérően érzékel, valamint az alacsony rendű torzítást (amely gyakran kellemes vagy "zenei") és a magasabb rendű torzítást, amely agresszívabb és fárasztóbb.
Itt jön képbe egy érdekes aspektus: ami a képernyőn szörnyen néz ki, az nem mindig egyezik azzal, amit hallgatás közben rossznak érzékelünk . Például egy nagyon olcsó, kis D osztályú erősítő meglehetősen csúnya hullámformát jeleníthet meg az oszcilloszkópon, a kapcsolási frekvencia maradványaival, nagyfrekvenciás zajjal és apróbb szabálytalanságokkal. Azonban, amikor a tényleges tesztelés során hangszórókon keresztül hallgatunk zenét, a hangzás tökéletesen elfogadható lehet az árkategóriában.
Ez részben azért van, mert az emberi fül kiszűri ezen hibák nagy részét, különösen, ha azok a hallható tartományon kívül esnek, vagy nagyon alacsony szinten vannak. Továbbá, a hangszórók és az erősítő saját kimeneti szűrői a kapcsolási zaj nagy részét csillapítják. Ezért, különösen az olcsó erősítők vagy az egyszerű barkácsprojektek esetében , a legjobb, ha nem foglalkozunk minden apró FFT-csúccsal, ha a gyakorlati eredmény megfelel az igényeinknek.
A csúcskategóriás berendezésekben természetesen más a helyzet: a hullámformától elvárják, hogy példaértékű legyen, a harmonikus tartalom szigorúan szabályozott, a THD-szintek pedig rendkívül alacsonyak. De még ebben az összefüggésben is, ha megértjük, hogy milyen típusú torzítás keletkezik, az segít megmagyarázni, hogy miért szólnak másképp bizonyos, nagyon hasonló specifikációjú erősítők, amikor ténylegesen meghallgatjuk őket.
Zaj, búgás, rádiófrekvencia és észrevétlen oszcillációk
A harmonikus torzításon túl az oszcilloszkóp kiváló eszköz a zajok és rezgések felderítésére, amelyeket néha „normális” zajoknak tekintenek , vagy alig észrevehetők, de ennek ellenére jelen vannak, melegítik az alkatrészeket vagy zavarják más eszközöket. Ezen problémák közül sok a tápegységgel, a földeléssel és a belső kábelezéssel kapcsolatos.
A leggyakoribb jelenségek között találjuk a termikus háttérzajt és maguknak az aktív komponenseknek a zaját , amely a képernyőn egyfajta véletlenszerű ködként jelenik meg; a klasszikus 50/60 Hz-es búgást és felharmonikusait, amelyeket rosszul szűrt források vagy földhurkok okoznak; a levegőn vagy rosszul árnyékolt kábeleken keresztül becsatolt rádiófrekvenciás interferenciát; valamint a rosszul kompenzált visszacsatolás vagy gondatlan NYÁK-tervezés által előidézett nagyfrekvenciás rezgéseket.
Az ilyen típusú teszteléshez az erősítő bemenetét jellemzően rövidre zárják (földelnek) , a kimenetet egy megfelelő terheléshez csatlakoztatják, és az oszcilloszkóp segítségével megfigyelik a kimenetet különböző időskálákkal és érzékenységekkel. Az időalap változtatása során alacsony frekvenciájú búgás és esetleges kHz-es vagy akár MHz-es oszcillációk is észlelhetők, amelyek a fül számára esetleg nem érzékelhetők.
Ezek a problémák különösen gyakoriak a csöves erősítőkben, mivel nagy feszültségeket, nagyméretű transzformátorokat, pont-pont kábelezést és elosztott földelést foglalnak magukban, amelyek – ha nem gondosan megtervezettek – melegágyat teremtenek a brumm, a csatolás és az RF-jelvétel számára . Egy oszcilloszkóp segít meghatározni, hogy az áramkörben hol jelentkezik a probléma, és milyen módosítások (földelések átrendezése, vezetékpárok csavarása, árnyékolás javítása stb.) okoznak ténylegesen változást.
Ha az oszcilloszkópot spektrumelemző szoftverrel kombináljuk, nagyon tiszta kép alakul ki azokról a frekvenciákról, amelyeken a zaj koncentrálódik. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy megkülönböztessük, hogy a forrás az elektromos hálózat (50/60 Hz és többszörösei), maguk a félvezetők, a kimeneti transzformátor, egy rossz áramköri kialakítás, vagy külső interferencia rádiókból, routerekből, vezeték nélküli telefonokból stb. Ily módon a fejlesztések már nem "vakon" történnek, és objektív tesztekkel kezdünk dolgozni, amelyek megerősítik, hogy egy módosítás hatékony volt-e vagy sem.
Végső soron egy alapvető oszcilloszkóppal, néhány ingyenes szoftverrel, néhány tesztterheléssel és a kísérletezés iránti vággyal meglepően sokoldalú otthoni minilabort hozhatsz létre . Akár egy filléres D osztályú modul határainak feszegetése, akár egy nagyfeszültségű csőprojekt finomhangolása a cél, ugyanazok a mérési technikák, ha megfelelően értik őket, lehetővé teszik a számok és grafikonok összeegyeztetését azzal, amit a füled mond. Útközben megtudod, miért teljesít jobban egy olcsó erősítő, ami a képernyőn szörnyen néz ki, a nappaliban több mint megfelelően, míg egy gondosabban tervezett erősítő a grafikonokon felfedi, miért szól olyan tisztán és kontrolláltan.