Panduan lengkap untuk menguji penguat audio dengan osiloskop

Informatec Digital » Sumber daya » Panduan lengkap untuk menguji penguat audio dengan osiloskop

Ketika kita mulai bereksperimen dengan amplifier, cepat atau lambat kita akan melampaui anggapan umum "suaranya keras" dan mulai ingin tahu apa yang sebenarnya dilakukan oleh rangkaian di dalamnya . Terutama ketika kita membeli amplifier Kelas D murah secara online atau membuat amplifier tabung buatan sendiri, wajar untuk bertanya-tanya apakah bentuk gelombang yang kita lihat pada osiloskop berarti perangkat tersebut bagus, buruk, atau sekadar "lumayan untuk harganya."

Banyak pencinta audio terkejut melihat bahwa amplifier seharga sepuluh euro yang dibeli di AliExpress menampilkan sinyal yang agak "kotor" pada osiloskop, dengan residu switching dan noise frekuensi tinggi, namun ketika diputar dengan musik sungguhan, suaranya lebih dari dapat diterima. Situasi seperti ini memaksa kita untuk memahami bahwa mengukur amplifier audio dengan osiloskop bukan hanya tentang memeriksa apakah bentuk gelombangnya terlihat bagus , tetapi tentang menafsirkan apa yang kita lihat, mengetahui tes mana yang bermakna, dan bagaimana menempatkannya dalam konteks dengan apa yang sebenarnya didengar telinga kita.

Mengapa mengukur penguat audio dengan osiloskop masuk akal?

Saat Anda baru memulai di dunia audiophile atau membangun amplifier sendiri, biasanya Anda berpikir bahwa selama sesuatu "tidak menimbulkan distorsi di telinga," itu sudah cukup baik. Tetapi rasa ingin tahu segera muncul untuk memeriksa apakah amplifier mengalami clipping, seberapa banyak noise yang ditimbulkannya, bagaimana ia menangani frekuensi yang berbeda , atau apakah ia berosilasi di tempat yang seharusnya tidak. Di situlah osiloskop berperan, bersama dengan generator sinyal atau, jika tidak ada, perangkat lunak gratis yang berfungsi sebagai generator dan penganalisis.

Kuncinya adalah membuat semacam laboratorium mini rumahan tempat kita dapat melakukan pengujian yang cukup mirip dengan yang dilakukan pada bangku uji profesional, tetapi dengan alat-alat yang mudah didapat: osiloskop fisik (atau osiloskop perangkat lunak menggunakan kartu suara), generator fungsi atau PC yang mengeluarkan sinyal dan nada melalui output audio, serta beberapa beban dan attenuator. Dengan itu, Anda dapat memperoleh data yang sangat berguna dari amplifier apa pun, mulai dari amplifier tabung fidelitas tinggi hingga modul Kelas D berbiaya rendah.

Selain itu, jenis pengukuran ini membantu membantah mitos bahwa setiap bentuk gelombang yang "jelek" identik dengan suara yang buruk. Terkadang justru sebaliknya: grafik mungkin mengkhawatirkan, tetapi suara yang dihasilkan sangat sesuai dengan apa yang kita harapkan dari sistem yang murah atau kelas pemula. Tentu saja, peralatan kelas atas memang membutuhkan bentuk gelombang dan angka distorsi yang sempurna, tetapi konteks sangat penting.

Hal menarik lainnya adalah banyak dari pengujian ini bergantung pada perangkat lunak analisis audio gratis yang dirancang untuk bekerja dengan kartu suara komputer. Program-program ini memungkinkan Anda untuk melihat spektrum, harmonik, respons frekuensi, tingkat THD, dan banyak lagi secara visual, menjadikannya pelengkap ideal untuk osiloskop tradisional.

Singkatnya, pengukuran dengan osiloskop dan perangkat lunak bukan hanya untuk para insinyur: setiap penghobi dengan sedikit perhatian dan kemauan untuk belajar dapat memperoleh hasil yang jauh lebih baik dari amplifier mereka , menyempurnakan desain, mendeteksi kesalahan, dan, yang terpenting, memahami mengapa peralatan mereka berbunyi seperti itu.

Konsep dasar sebelum menghubungkan osiloskop

Sebelum Anda mulai memasukkan probe osiloskop ke bagian mana pun dari rangkaian, ada baiknya Anda memahami beberapa konsep kelistrikan yang akan muncul berulang kali : impedansi, distorsi, respons frekuensi, harmonik, saturasi, kebisingan latar belakang, dengung listrik, dll. Anda tidak perlu menjadi seorang insinyur, tetapi Anda perlu tahu apa yang ingin Anda ukur.

Dalam pengujian penguat audio, kita selalu membedakan antara bagian sinyal frekuensi rendah (audio itu sendiri) dan, dalam beberapa pengaturan, bagian frekuensi radio (RF), misalnya, ketika bekerja dengan penguat yang beroperasi sekitar 1 MHz. Dalam skenario ini, komponen seperti penghambat DC, terminator 50 Ω, dan terkadang attenuator RF khusus digunakan.

Dalam RF, rangkaian tipikal mungkin terlihat seperti ini: penguat RF → penghambat DC → beban atau terminator 50 Ω . Memahami fungsi setiap komponen mencegah kesalahan yang mahal, karena kita berurusan dengan tingkat daya dan frekuensi di mana satu kelalaian saja dapat merusak sesuatu dalam sekejap. Namun, dalam audio murni, situasinya berubah, dan alih-alih mengkhawatirkan saluran 50 Ω, kita fokus pada impedansi input dan output, distorsi, clipping, dan noise.

Bahkan osiloskop sederhana memungkinkan kita untuk melihat bentuk gelombang dari waktu ke waktu, mendeteksi pemotongan, osilasi, puncak yang tidak biasa, dengung, atau kebisingan frekuensi tinggi . Jika osiloskop tersebut juga memiliki fungsi FFT, atau jika kita menggabungkannya dengan perangkat lunak analisis, kita juga dapat melihat kandungan frekuensi dan distribusi harmonik, yang membuka pintu untuk pengukuran THD dan respons frekuensi yang cukup akurat.

Terakhir, perlu mempertimbangkan keterbatasan peralatan pengukuran itu sendiri: rentang tegangan yang diizinkan, impedansi input, bandwidth, jenis probe, dll. Mengetahui data ini sangat penting untuk memutuskan apakah kita dapat menghubungkan osiloskop langsung ke output amplifier atau apakah kita memerlukan probe attenuator 10:1 atau attenuator tambahan untuk menghindari melebihi rentang atau mengubah rangkaian yang sedang diuji secara berlebihan.

Pengujian dasar pada penguat audio: apa yang perlu diukur?

Jika Anda ingin lebih dari sekadar mengatakan "kedengarannya bagus," Anda harus mempertimbangkan serangkaian tes standar yang akan memberi Anda pemahaman teknis tentang kinerja amplifier. Di dunia profesional, banyak parameter yang diukur, tetapi dengan peralatan rumahan, Anda dapat fokus pada beberapa parameter yang memberikan banyak informasi tanpa terlalu memperumit masalah.

Di antara pengujian yang paling bermanfaat, kita menemukan pengukuran impedansi input (untuk mengetahui beban yang dilihat oleh sumber sinyal), impedansi output (untuk memahami bagaimana speaker mengontrol dan faktor redamannya), impedansi antar tahap (sangat menarik pada amplifier tabung dengan beberapa tahap penguatan), serta berbagai jenis distorsi harmonik, baik dengan umpan balik negatif yang terhubung maupun tanpa umpan balik negatif.

Mempelajari saturasi penguat dengan gelombang sinus juga sangat ilustratif : hingga tingkat input berapa sinyal tetap bersih dan dari titik mana penguat mulai mengalami clipping. Osiloskop dengan jelas menunjukkan transisi dari gelombang sinus yang "bulat" ke sinyal dengan puncak yang rata, simetris atau asimetris tergantung pada desain rangkaian.

Selain pengujian yang berfokus pada linearitas ini, ada baiknya meluangkan waktu untuk mengukur kebisingan, dengungan listrik, interferensi frekuensi radio, dan osilasi di luar pita frekuensi. Banyak amplifier yang tampak tenang sebenarnya berosilasi dalam rentang ultrasonik, yang dapat memanaskan komponen, menyebabkan ketidakstabilan, atau mengganggu peralatan lain, meskipun tidak terdengar oleh telinga.

Terakhir, analisis respons frekuensi dan spektrum dapat dilakukan , memeriksa bagaimana penguatan bervariasi pada frekuensi bass, midrange, dan treble, di mana level mulai menurun, apakah ada resonansi yang tidak diinginkan, dan lain sebagainya. Pada amplifier tabung dengan transformator output, misalnya, pengujian ini membantu untuk melihat sejauh mana transformator membatasi batas ekstrem pita frekuensi.

Penggunaan osiloskop dalam pengaturan RF: pemblokir DC, terminator, dan attenuator

Ketika penguat yang kita gunakan bukan hanya penguat audio, tetapi penguat RF yang beroperasi sekitar 1 MHz atau lebih tinggi, sejumlah pertimbangan tambahan muncul terkait pencocokan impedansi dan perlindungan peralatan pengukuran. Dalam kasus ini, sangat umum untuk menemukan pengaturan yang mencakup penghambat DC dan terminator 50 Ω pada output.

Pemblokir DC dipasang untuk menghilangkan komponen DC apa pun yang mungkin berasal dari penguat dan dapat merusak beban serta peralatan hilir. Pada dasarnya, ini adalah kapasitor yang ukurannya disesuaikan untuk beroperasi pada pita frekuensi yang diinginkan tanpa menimbulkan penurunan sinyal yang signifikan.

Selanjutnya, biasanya dihubungkan terminator RF, biasanya resistor 50 Ω yang berfungsi sebagai beban yang sesuai . Ini mencegah refleksi sinyal di sepanjang saluran dan menciptakan kondisi operasi yang stabil untuk penguat. Jika sistem dirancang untuk 50 Ω, penggunaan jenis terminator ini praktis wajib.

Pertanyaan umum yang muncul adalah apakah osiloskop dapat dihubungkan langsung ke saluran RF ini atau apakah diperlukan attenuator khusus. Jawabannya bergantung pada tingkat tegangan dan impedansi keluaran penguat, serta kapasitas saluran osiloskop. Dalam banyak kasus, probe 10:1 sudah berfungsi sebagai attenuator dan mengurangi dampak pada rangkaian , tetapi dalam RF murni juga sangat umum untuk menggunakan attenuator terkalibrasi yang mempertahankan kesesuaian impedansi 50 Ω di seluruh rangkaian.

Jika kita menggunakan penguat berbiaya rendah untuk bekerja dengan peralatan mahal , sangat penting untuk mengetahui tegangan maksimum yang dapat diberikan oleh penguat tersebut, jenis beban yang dirancang untuknya, dan keterbatasan osiloskop kita. Dari situ, kita dapat memutuskan apakah probe yang dilemahkan sudah cukup, apakah diperlukan attenuator tetap, misalnya, 10 dB atau 20 dB, atau apakah bermanfaat untuk membagi sebagian sinyal menggunakan splitter atau directional coupler.

Mengukur penguat tabung: pengujian tipikal dan cara menafsirkan hasilnya

Amplifier tabung memiliki daya tarik tersendiri: mereka memadukan keahlian, desain klasik, dan sejumlah besar subjektivitas suara . Namun, di luar sekadar terdengar bagus, sangat berguna untuk mengujinya dengan serangkaian tes standar untuk memahami apa yang sebenarnya mereka lakukan dan di mana ruang untuk perbaikan masih ada.

Salah satu pengukuran pertama yang direkomendasikan adalah impedansi input . Mengetahui resistansi yang dilihat oleh sumber sinyal (preamp, DAC, pedal, dll.) membantu menghindari beban yang terlalu rendah yang dapat memberi tekanan pada tahap sebelumnya, mengubah respons frekuensinya, atau menimbulkan distorsi tambahan. Impedansi input yang tinggi biasanya nyaman untuk sumber, meskipun juga dapat membuat rangkaian lebih sensitif terhadap noise dan kabel yang panjang.

Impedansi keluaran sama pentingnya, karena menentukan sejauh mana amplifier mengontrol pergerakan speaker. Pada amplifier tabung, transformator keluaran memainkan peran kunci, dan desainnya memengaruhi faktor redaman serta jangkauan frekuensi bass dan treble. Dengan mengukur bagaimana keluaran berperilaku di bawah beban yang berbeda, kita dapat memperoleh gambaran tentang kesesuaian sebenarnya antara amplifier dan speaker.

Menarik juga untuk menganalisis impedansi antar tahapan di dalam penguat itu sendiri , terutama pada desain dengan beberapa tabung penguat dan pengikut katoda. Ketidaksesuaian impedansi antar tahapan dapat menyebabkan penurunan level, pemotongan pita frekuensi tinggi, atau bahkan ketidakstabilan, sementara ukuran yang tepat memastikan transfer sinyal yang bersih dan dapat diprediksi.

Bidang penting lainnya adalah studi tentang distorsi harmonik total (THD) dengan dan tanpa umpan balik negatif . Umpan balik secara signifikan mengurangi distorsi dan biasanya meratakan respons frekuensi, tetapi juga mengubah distribusi harmonik (genap, ganjil, orde lebih tinggi, dll.). Dengan mengukur menggunakan gelombang sinus murni dan mengamati spektrumnya, kita dapat melihat harmonik mana yang dominan dan bagaimana tingkatnya berubah ketika loop umpan balik dihubungkan atau diputus.

Terakhir, pengujian saturasi dan pemotongan dengan sinyal sinusoidal menunjukkan kepada kita bagaimana perilaku penguat saat mendekati batasnya. Amplitudo sinyal masukan secara bertahap ditingkatkan hingga puncak yang rata muncul pada osiloskop. Jenis pemotongan (lunak, keras, simetris, asimetris) mengungkapkan banyak hal tentang karakter perangkat dan membantu menjelaskan mengapa penguat tertentu "rusak" lebih menyenangkan daripada yang lain ketika didorong hingga batasnya.

Respons frekuensi dan penggunaan perangkat lunak gratis

Salah satu pengujian yang paling bermanfaat, bahkan dengan peralatan yang sangat mendasar, adalah mengukur respons frekuensi amplifier . Tujuannya adalah untuk memahami bagaimana penguatan bervariasi di seluruh rentang audio (misalnya, dari 20 Hz hingga 20 kHz) dan mendeteksi penurunan, puncak, atau ketidakaturan yang kemudian diterjemahkan menjadi suara yang lebih gelap, lebih terang, atau "ditingkatkan".

Untuk melakukan pengujian ini, Anda dapat menggunakan generator fungsi yang melakukan sapuan frekuensi, tetapi banyak orang menggunakan perangkat lunak gratis yang menghasilkan sapuan atau derau merah muda/putih dari komputer dan mengirimkannya melalui kartu suara. Pilihan lain adalah memutar file WAV yang sudah jadi dengan sapuan atau derau uji dan mengambil output amplifier untuk dianalisis.

Pengukuran dapat dilakukan langsung dengan osiloskop pada output amplifier, dengan mencatat amplitudo sinyal pada frekuensi yang berbeda dan kemudian membuat kurva. Namun, jauh lebih mudah menggunakan kartu suara itu sendiri sebagai instrumen pengukuran , dengan menghubungkan output amplifier ke input salurannya (selalu dengan attenuator dan proteksi yang sesuai) dan membiarkan perangkat lunak memplot grafik magnitudo dan bahkan fase.

Terdapat banyak program gratis yang dirancang untuk mengukur peralatan audio: program-program ini memungkinkan Anda untuk melihat kurva respons frekuensi, menganalisis spektrum kebisingan, menghitung THD, dan banyak lagi. Dikombinasikan dengan sedikit kehati-hatian untuk menghindari kelebihan beban input PC, program-program ini dapat mengubah komputer biasa menjadi penganalisis audio berbiaya rendah . Penting untuk diingat bahwa kartu suara juga memiliki keterbatasan, tetapi untuk sebagian besar aplikasi DIY, kartu suara sudah lebih dari cukup.

Jenis pengujian ini dapat dengan mudah mendeteksi penurunan bass yang disebabkan oleh transformator output , kehilangan treble progresif karena kapasitansi parasit, resonansi yang tidak diinginkan pada pita frekuensi tertentu, dan bahkan efek umpan balik pada kerataan respons frekuensi. Dari situ, modifikasi dapat dilakukan pada rangkaian, pengkabelan, atau pemilihan komponen untuk menyempurnakan kinerja.

Harmonik, FFT, dan hubungannya dengan apa yang sebenarnya kita dengar

Serangkaian pengujian lain yang sangat ampuh berkisar pada harmonik dan konten spektral sinyal . Biasanya, ini melibatkan penerapan gelombang sinus paling murni ke input amplifier dan menganalisis output dengan FFT, baik menggunakan osiloskop itu sendiri (jika memiliki fungsi ini) atau perangkat lunak yang menggunakan kartu suara sebagai antarmuka penangkap sinyal.

Dalam domain frekuensi, tujuannya adalah untuk mengidentifikasi harmonik mana yang muncul selain harmonik fundamental dan tingkat relatifnya. Kita tertarik untuk membedakan antara harmonik genap dan ganjil , yang seringkali dirasakan berbeda oleh telinga, serta antara distorsi orde rendah (yang seringkali menyenangkan atau "musikal") dan distorsi orde tinggi, yang lebih agresif dan melelahkan.

Di sinilah muncul aspek yang menarik: apa yang terlihat buruk di layar tidak selalu sesuai dengan apa yang kita anggap buruk saat mendengarkan . Misalnya, amplifier Kelas D yang sangat murah dan kecil mungkin menampilkan bentuk gelombang yang agak jelek pada osiloskop, dengan sisa-sisa frekuensi switching, noise frekuensi tinggi, dan sedikit ketidakberaturan. Namun, ketika benar-benar diuji dengan mendengarkan musik melalui speaker, suaranya mungkin sangat dapat diterima untuk kisaran harga tersebut.

Hal ini sebagian disebabkan karena telinga manusia menyaring banyak ketidaksempurnaan ini, terutama ketika berada di luar rentang pendengaran atau pada tingkat yang sangat rendah. Selain itu, speaker dan filter output amplifier sendiri meredam sebagian besar noise switching. Oleh karena itu, terutama dengan amplifier murah atau proyek DIY sederhana , sebaiknya jangan terlalu terpaku pada setiap puncak FFT kecil jika hasil praktisnya memenuhi kebutuhan kita.

Pada peralatan kelas atas, tentu saja, ceritanya berbeda: bentuk gelombang diharapkan sempurna, kandungan harmonik dikontrol dengan ketat, dan tingkat THD sangat rendah. Tetapi bahkan dalam konteks itu, memahami jenis distorsi apa yang dihasilkan membantu menjelaskan mengapa amplifier tertentu, dengan spesifikasi yang sangat mirip, terdengar berbeda ketika kita benar-benar mendengarkannya.

Kebisingan, dengungan, frekuensi radio, dan osilasi yang tidak disadari

Selain distorsi harmonik, osiloskop adalah alat yang luar biasa untuk melacak kebisingan dan osilasi yang terkadang disalahartikan sebagai kebisingan "normal" atau hampir tidak terlihat tetapi tetap ada, memanaskan komponen atau mengganggu perangkat lain. Banyak dari masalah ini terkait dengan catu daya, pentanahan, dan kabel internal.

Di antara fenomena yang paling sering kita temukan adalah kebisingan latar belakang termal dan kebisingan dari komponen aktif itu sendiri , yang muncul di layar sebagai semacam kabut acak; dengungan klasik 50/60 Hz dan harmoniknya, yang disebabkan oleh sumber yang difilter dengan buruk atau loop ground; interferensi frekuensi radio yang merambat melalui udara atau kabel yang tidak terlindungi dengan baik; dan osilasi frekuensi tinggi yang dihasilkan oleh umpan balik yang tidak dikompensasi dengan baik atau desain PCB yang ceroboh.

Untuk jenis pengujian ini, input penguat biasanya dihubung singkat (ke ground) , output dihubungkan ke beban yang sesuai, dan osiloskop digunakan untuk mengamati output dengan skala waktu dan sensitivitas yang berbeda. Mengubah basis waktu akan mengungkapkan dengungan frekuensi rendah dan kemungkinan osilasi dalam rentang kHz atau bahkan MHz, yang mungkin tidak dapat dirasakan oleh telinga.

Masalah-masalah ini sangat umum terjadi pada amplifier tabung, karena melibatkan tegangan tinggi, transformator besar, pengkabelan titik-ke-titik, dan ground terdistribusi yang, jika tidak dirancang dengan cermat, menciptakan lahan subur untuk dengung, kopling, dan penangkapan RF . Osiloskop membantu menentukan di mana masalah terjadi dalam rangkaian dan modifikasi apa (mengatur ulang ground, memutar pasangan kabel, meningkatkan pelindung, dll.) yang benar-benar membuat perbedaan.

Jika osiloskop dikombinasikan dengan perangkat lunak analisis spektrum, akan muncul gambaran yang sangat jelas tentang frekuensi di mana kebisingan terkonsentrasi. Hal ini memungkinkan kita untuk membedakan apakah sumbernya adalah jaringan listrik (50/60 Hz dan kelipatannya), semikonduktor itu sendiri, transformator keluaran, desain papan yang buruk, atau interferensi eksternal dari radio, router, telepon nirkabel, dll. Dengan cara ini, perbaikan tidak lagi dilakukan secara "buta", dan kita mulai bekerja dengan pengujian objektif yang mengkonfirmasi apakah modifikasi tersebut efektif atau tidak.

Pada akhirnya, dengan osiloskop sederhana, beberapa perangkat lunak gratis, beberapa beban uji, dan kemauan untuk bereksperimen, Anda dapat menyiapkan laboratorium mini rumahan yang sangat mumpuni . Baik tujuannya untuk mendorong modul Kelas D yang sangat murah hingga batas kemampuannya atau menyempurnakan proyek tabung tegangan tinggi, teknik pengukuran yang sama, jika dipahami dengan benar, memungkinkan Anda untuk menyelaraskan angka dan grafik dengan apa yang didengar telinga Anda. Anda akan belajar mengapa amplifier murah yang terlihat buruk di layar berkinerja lebih dari cukup di ruang tamu, sementara amplifier yang dirancang lebih cermat mengungkapkan dalam grafik mengapa suaranya begitu bersih dan terkontrol.