- Impedanso, iškraipymų, dažnio atsako ir harmonikų supratimas yra labai svarbus norint interpretuoti, ką osciloskopas rodo garso stiprintuve.
- Su savadarbe mini laboratorija (osciloskopu, generatoriumi arba programine įranga ir apkrovomis) galite išmatuoti įėjimą, išėjimą, THD, sodrumą, triukšmą ir ūžesį lempiniuose, tranzistoriniuose ir D klasės stiprintuvuose.
- FFT analizė ir dažninė charakteristika atskleidžia harmoninį pasiskirstymą ir toninį elgesį, tačiau tai visada reikėtų interpretuoti atsižvelgiant į faktinį klausymąsi.
- Osciloskopo ir nemokamos programinės įrangos derinys paverčia garso plokštę efektyviu garso analizatoriumi, skirtu aptikti virpesius, trukdžius ir projektavimo problemas.
Kai pradedame eksperimentuoti su stiprintuvais, anksčiau ar vėliau peržengiame įprastą „skamba garsiai“ ribą ir pradedame norėti sužinoti, ką iš tikrųjų veikia viduje esanti grandinė . Ypač kai internetu perkame pigų D klasės stiprintuvą arba patys pasigaminame vamzdinį stiprintuvą, normalu susimąstyti, ar osciloskope matomos bangos formos reiškia, kad įrenginys yra geras, blogas ar tiesiog „pakankamai geras už tokią kainą“.
Daugelis audiofilų nustemba pamatę, kad „AliExpress“ parduotuvėje pirktas dešimties eurų vertės stiprintuvas osciloskope rodo gana „nešvarų“ signalą su perjungimo likučiais ir aukšto dažnio triukšmu, tačiau grojant su tikra muzika garsas yra daugiau nei priimtinas. Tokia situacija verčia mus suprasti, kad garso stiprintuvo matavimas osciloskopu yra ne tik bangos formos patikrinimas , bet ir tai, ką matome, žinojimas, kurie testai yra reikšmingi, ir kaip juos susieti su tuo, ką mūsų ausys iš tikrųjų girdi.
Kodėl prasminga matuoti garso stiprintuvus osciloskopu
Kai pradedate audiofilų ar „pasidaryk pats“ stiprintuvų kūrimo pasaulį, įprasta manyti, kad tol, kol kažkas „neiškraipo ausies“, to pakanka. Tačiau netrukus kyla smalsumas patikrinti, ar stiprintuvas skleidžia garsą, kiek triukšmo, kaip jis susidoroja su skirtingais dažniais ir ar jis svyruoja ten, kur neturėtų. Štai čia ir praverčia osciloskopas kartu su signalo generatoriumi arba, jei jo nėra, nemokama programine įranga, kuri veikia ir kaip generatorius, ir kaip analizatorius.
Svarbiausia – įsirengti savotišką namų mini laboratoriją , kurioje galėtume atlikti bandymus, gana panašius į atliekamus profesionaliame bandymų stende, tačiau naudodami lengvai prieinamus įrankius: fizinį osciloskopą (arba programinės įrangos osciloskopą, naudojant garso plokštę), funkcijų generatorių arba kompiuterį, kuris per garso išvestį išveda signalus ir tonus, bei kai kurias apkrovas ir slopintuvus. Taip galima gauti labai naudingų duomenų iš bet kurio stiprintuvo – nuo aukštos kokybės lempinio stiprintuvo iki nebrangaus D klasės modulio.
Be to, tokio tipo matavimai padeda paneigti mitą, kad bet kokia „negraži“ bangos forma yra blogo garso sinonimas. Kartais yra priešingai: grafikai gali būti nerimą keliantys, tačiau gaunamas garsas puikiai atitinka tai, ko tikimės iš nebrangios ar pradinio lygio sistemos. Žinoma, aukščiausios klasės įrangai reikalingos nepriekaištingos bangos formos ir iškraipymo rodikliai, tačiau kontekstas yra labai svarbus.
Dar vienas įdomus aspektas yra tai, kad daugelis šių testų remiasi nemokama garso analizės programine įranga, sukurta darbui su kompiuterio garso plokšte. Šios programos leidžia labai vizualiai peržiūrėti spektrus, harmonikas, dažnio atsaką, THD lygius ir kt., todėl jos idealiai papildo tradicinį osciloskopą.
Trumpai tariant, matavimas osciloskopu ir programine įranga skirtas ne tik inžinieriams: bet kuris mėgėjas, turintis šiek tiek rūpestingumo ir noro mokytis, gali gauti daug daugiau naudos iš savo stiprintuvų , tiksliai suderinti konstrukcijas, aptikti gedimus ir, svarbiausia, suprasti, kodėl jų įranga skamba taip, kaip skamba.
Pagrindinės sąvokos prieš prijungiant osciloskopą
Prieš pradėdami kišti osciloskopo zondą į bet kurią grandinės dalį, pravartu suprasti keletą elektros sąvokų, kurios kartosis nuolat : varža, iškraipymai, dažnio atsakas, harmonikos, sodrumas, foninis triukšmas, tinklo triukšmas ir kt. Jums nereikia būti inžinieriumi, bet turite žinoti, ką bandote išmatuoti.
Testuodami garso stiprintuvus, visada skiriame žemo dažnio signalo dalį (patį garsą) ir, kai kuriais atvejais, radijo dažnio (RF) dalį, pavyzdžiui, dirbant su stiprintuvais, veikiančiais maždaug 1 MHz dažniu. Tokiais atvejais naudojami tokie komponentai kaip nuolatinės srovės blokatoriai, 50 Ω terminatoriai ir kartais specialūs RF slopintuvai.
RF srityje tipinė grandinė gali atrodyti maždaug taip: RF stiprintuvas → nuolatinės srovės blokatorius → 50 Ω apkrova arba terminatorius . Supratimas apie kiekvieno komponento funkciją padeda išvengti brangiai kainuojančių klaidų, nes dirbame su galios lygiais ir dažniais, kur viena klaida gali akimirksniu ką nors sugadinti. Tačiau gryno garso srityje situacija pasikeičia ir užuot nerimavę dėl 50 Ω linijų, mes sutelkiame dėmesį į įvesties ir išvesties varžas, iškraipymus, iškraipymus ir triukšmą.
Net paprastas osciloskopas leidžia mums stebėti bangų formas laikui bėgant, aptikti iškraipymus, svyravimus, neįprastus pikus, dūzgimą ar aukšto dažnio triukšmą . Jei jis taip pat turi FFT funkciją arba jei jį sujungiame su analizės programine įranga, galime matyti ir dažnio turinį bei harmoninį pasiskirstymą, o tai atveria duris gana tiksliems THD ir dažnio atsako matavimams.
Galiausiai būtina atsižvelgti į pačios matavimo įrangos apribojimus: leistiną įtampos diapazoną, įėjimo varžą, pralaidumą, zondo tipą ir kt. Šių duomenų žinojimas yra būtinas norint nuspręsti, ar galime osciloskopą prijungti tiesiai prie stiprintuvo išėjimo, ar mums reikia 10:1 slopintuvo zondo arba papildomo slopintuvo, kad neviršytume diapazono ar per daug nepakeistume tiriamos grandinės.
Pagrindiniai garso stiprintuvų bandymai: ką verta išmatuoti
Jei norite daugiau nei tiesiog pasakyti „skamba gerai“, turėtumėte apsvarstyti gana standartinį testų rinkinį, kuris suteiks jums techninį supratimą apie stiprintuvo veikimą. Profesionaliame pasaulyje matuojama daug parametrų, tačiau su buitine įranga galite sutelkti dėmesį į kelis, kurie suteikia daug informacijos, nepersistengdami.
Tarp naudingiausių testų randame įėjimo varžos matavimą (norint sužinoti, kokią apkrovą mato signalo šaltinis), išėjimo varžos matavimą (norint suprasti, kaip valdomas garsiakalbis ir koks slopinimo koeficientas), varžų tarp pakopų matavimą (labai įdomu vamzdiniuose stiprintuvuose su keliais stiprinimo etapais), taip pat įvairių tipų harmoninių iškraipymų matavimą, tiek su prijungtu neigiamu grįžtamuoju ryšiu, tiek be jo.
Taip pat labai iliustratyviai galima ištirti stiprintuvo prisotinimą sinusoidės signalu : iki kokio įėjimo lygio signalas išlieka švarus ir nuo kurio taško stiprintuvas pradeda trūkčioti. Oscilloskopas aiškiai rodo perėjimą iš „apvalios“ sinusoidės į signalą su suplokštėjusiais smailėmis, simetriškomis arba asimetriškomis, priklausomai nuo grandinės konstrukcijos.
Be šių tiesiškumo bandymų, verta skirti laiko triukšmo, tinklo ūžesio, radijo dažnių trukdžių ir bet kokių už diapazono ribų esančių virpesių matavimui. Daugelis, atrodytų, tylių stiprintuvų iš tikrųjų virpesuoja ultragarso diapazone, o tai gali įkaitinti komponentus, sukelti nestabilumą arba trikdyti kitos įrangos veikimą, net jei tai negirdima ausimi.
Galiausiai galima atlikti dažnio atsako ir spektro analizę , tikrinant, kaip kinta žemųjų, vidutinių ir aukštų dažnių stiprinimas, kur pradeda mažėti lygis, ar nėra nepageidaujamų rezonansų ir pan. Pavyzdžiui, vamzdiniuose stiprintuvuose su išėjimo transformatoriumi šie bandymai padeda pamatyti, kiek transformatorius riboja juostos kraštutinumus.
Osciloskopo naudojimas RF sistemose: nuolatinės srovės blokatorius, terminatorius ir slopintuvas
Kai naudojamas stiprintuvas yra ne tik garso stiprintuvas, bet ir RF stiprintuvas, veikiantis maždaug 1 MHz ar didesniu dažniu, kyla papildomų aspektų, susijusių su impedanso suderinimu ir matavimo įrangos apsauga. Tokiais atvejais labai dažnai pasitaiko konfigūracijų, kuriose yra nuolatinės srovės blokatoriai ir 50 Ω varžos izoliatoriai išėjime.
Nuolatinės srovės blokatorius įrengiamas siekiant pašalinti bet kokius nuolatinės srovės komponentus , kurie gali ateiti iš stiprintuvo ir sugadinti tiek apkrovą, tiek ir žemesniąją įrangą. Iš esmės tai yra kondensatorius, kurio dydis yra pritaikytas veikti norimoje dažnių juostoje nesukeliant pastebimo signalo kritimo.
Toliau paprastai prijungiamas RF terminatorius, dažniausiai 50 Ω rezistorius, kuris veikia kaip suderinta apkrova . Tai apsaugo nuo signalo atspindžio linijoje ir sukuria stabilias stiprintuvo veikimo sąlygas. Jei sistema skirta 50 Ω varžai, tokio tipo terminatoriaus naudojimas yra praktiškai privalomas.
Tipiškas klausimas yra, ar osciloskopą galima tiesiogiai prijungti prie šios RF linijos, ar reikalingas specialus slopintuvas. Atsakymas priklauso nuo stiprintuvo įtampos lygio ir išėjimo varžos, taip pat nuo osciloskopo kanalų talpos. Daugeliu atvejų 10:1 zondas jau veikia kaip slopintuvas ir sumažina poveikį grandinei , tačiau gryname RF taip pat labai dažnai naudojami kalibruoti slopintuvai, kurie palaiko 50 Ω varžos atitikimą visoje grandinėje.
Jei darbui su brangia įranga naudojame pigų stiprintuvą , labai svarbu žinoti maksimalią įtampą, kurią gali tiekti stiprintuvas, apkrovos tipą, kuriam jis skirtas, ir mūsų osciloskopo apribojimus. Remiantis tuo, galime nuspręsti, ar pakanka slopinto zondo, ar reikalingas fiksuotas, pavyzdžiui, 10 dB arba 20 dB slopintuvas, ar naudinga dalį signalo padalyti naudojant skirstytuvą arba kryptinį jungiklio elementą.
Matavimo vamzdiniai stiprintuvai: tipiniai bandymai ir kaip juos interpretuoti
Lempiniai stiprintuvai pasižymi ypatingu žavesiu: juose dera meistriškumas, klasikinis dizainas ir sveika dozė garsinio subjektyvumo . Tačiau be to, kad jie tiesiog gerai skambėtų, labai naudinga atlikti seriją standartinių bandymų, kad suprastumėte, ką jie iš tikrųjų daro ir kur juos galima patobulinti.
Vienas iš pirmųjų rekomenduojamų matavimų yra įėjimo varža . Žinant signalo šaltinio (priešstiprintuvo, DAC, pedalo ir kt.) patiriamą varžą, galima išvengti pernelyg mažų apkrovų, kurios galėtų apkrauti ankstesnįjį etapą, pakeisti jo dažnio atsaką arba sukelti papildomų iškraipymų. Didelė įėjimo varža paprastai yra patogi šaltiniui, nors ji taip pat gali padaryti grandinę jautresnę triukšmui ir ilgiems laidams.
Išėjimo varža yra ne mažiau svarbi, nes ji lemia, kiek stiprintuvas kontroliuoja garsiakalbio judėjimą. Lempiniuose stiprintuvuose pagrindinį vaidmenį atlieka išėjimo transformatorius, kurio konstrukcija turi įtakos tiek slopinimo koeficientui, tiek žemųjų ir aukštųjų dažnių išplėtimui. Matuodami, kaip išėjimas elgiasi esant skirtingoms apkrovoms, galime susidaryti vaizdą apie tikrąjį stiprintuvo ir garsiakalbių suderinamumą.
Taip pat įdomu išanalizuoti varžas tarp pakopų pačiame stiprintuve , ypač konstrukcijose su keliais stiprinimo vamzdeliais ir katodo sekikliais. Prasta varžos atitiktis tarp pakopų gali sukelti lygio kritimus, aukštų dažnių juostos iškraipymus ar net nestabilumą, o tinkamas dydžio parinkimas užtikrina švarų ir nuspėjamą signalo perdavimą.
Kita svarbi sritis yra visiško harmoninio iškraipymo (THD) tyrimas su neigiamu grįžtamuoju ryšiu ir be jo . Grįžtamasis ryšys žymiai sumažina iškraipymus ir paprastai išlygina dažninę atsaką, tačiau jis taip pat pakeičia harmonikų pasiskirstymą (lyginis, nelyginis, aukštesnės eilės ir kt.). Matuodami gryna sinusine banga ir stebėdami spektrą, galime matyti, kurios harmonikos vyrauja ir kaip keičiasi jų lygis, kai grįžtamasis ryšys yra įjungtas arba atjungtas.
Galiausiai, sinusoidinių signalų sodrumo ir iškirpimo testai parodo, kaip stiprintuvas elgiasi artėdamas prie savo ribos. Įėjimo signalo amplitudė palaipsniui didinama, kol osciloskope atsiranda plokščios viršūnės. Iškirpimo tipas (švelnus, stiprus, simetriškas, asimetrinis) daug pasako apie įrenginio charakterį ir padeda paaiškinti, kodėl kai kurie stiprintuvai, kai yra spaudžiami, „sugenda“ maloniau nei kiti.
Dažnio atsakas ir nemokamos programinės įrangos naudojimas
Vienas iš naudingiausių bandymų, net ir naudojant labai paprastą įrangą, yra stiprintuvo dažnio atsako matavimas . Tikslas – suprasti, kaip stiprinimas kinta visame garso diapazone (pavyzdžiui, nuo 20 Hz iki 20 kHz), ir aptikti kritimus, pikus ar netolygumus, kurie vėliau virsta tamsesniu, ryškesniu ar „sustiprintu“ garsu.
Šiam bandymui atlikti galite naudoti funkcijų generatorių, kuris atlieka dažnio peržvalgą, tačiau daugelis žmonių naudoja nemokamą programinę įrangą, kuri iš kompiuterio generuoja peržvalgą arba rausvą/baltą triukšmą ir siunčia jį per garso plokštę. Kita galimybė – leisti iš anksto paruoštus WAV failus su peržvalgomis arba bandymo triukšmais ir paimti stiprintuvo išvestį analizei.
Matavimą galima atlikti tiesiogiai osciloskopu stiprintuvo išėjime, užfiksuojant signalo amplitudę skirtingais dažniais ir tada nubraižant kreivę. Tačiau daug patogiau naudoti pačią garso plokštę kaip matavimo prietaisą , prijungiant stiprintuvo išėjimą prie jo linijinio įėjimo (visada su atitinkamais slopintuvais ir apsauga) ir leidžiant programinei įrangai nubraižyti signalo dydžio ir net fazės grafikus.
Yra daug nemokamų programų, skirtų garso įrangai matuoti: jos leidžia peržiūrėti dažnio atsako kreivę, analizuoti triukšmo spektrą, apskaičiuoti THD ir dar daugiau. Kartu su minimaliomis atsargumo priemonėmis, siekiant išvengti kompiuterio įvesties perkrovos, jos gali paversti įprastą kompiuterį nebrangiu garso analizatoriumi . Svarbu atsiminti, kad garso plokštė taip pat turi savo apribojimų, tačiau daugumai „pasidaryk pats“ programų jos daugiau nei pakanka.
Šio tipo bandymai gali lengvai aptikti išėjimo transformatoriaus sukeltus žemųjų dažnių kritimus , laipsniškus aukštų dažnių nuostolius dėl parazitinių talpų, nepageidaujamus rezonansus tam tikrose juostose ir net grįžtamojo ryšio įtaką dažnio atsako plokštumui. Remiantis tuo, galima modifikuoti grandinę, laidus ar komponentus, kad būtų galima tiksliai suderinti našumą.
Harmonikos, FFT ir jų ryšys su tuo, ką iš tikrųjų girdime
Kitas labai veiksmingas testų rinkinys susijęs su harmonikomis ir signalo spektriniu turiniu . Paprastai tai apima kuo grynesnės sinusinės bangos taikymą stiprintuvo įėjimui ir išėjimo analizę FFT metodu, naudojant patį osciloskopą (jei jame yra ši funkcija) arba programinę įrangą, kuri naudoja garso plokštę kaip fiksavimo priekinę dalį.
Dažnių srityje tikslas yra nustatyti, kurios harmonikos atsiranda papildomai prie pagrindinių ir jų santykinius lygius. Mus domina skirtumai tarp lyginių ir nelyginių harmonikų , kurias ausis dažnai suvokia skirtingai, taip pat tarp žemos eilės iškraipymų (kurie dažnai yra malonūs arba „muzikalūs“) ir aukštos eilės iškraipymų, kurie yra agresyvesni ir varginantys.
Čia išryškėja įdomus aspektas: tai, kas ekrane atrodo siaubingai, ne visada atitinka tai, ką mes suvokiame kaip blogą klausydamiesi . Pavyzdžiui, labai pigus, mažas D klasės stiprintuvas osciloskope gali rodyti gana negražią bangos formą su perjungimo dažnio likučiais, aukšto dažnio triukšmu ir nedideliais netikslumais. Tačiau išbandžius garsą klausantis muzikos per garsiakalbius, jis gali būti visiškai priimtinas tokiai kainų kategorijai.
Iš dalies taip yra todėl, kad žmogaus ausis filtruoja daugelį šių netobulumų, ypač kai jie yra už girdimo diapazono ribų arba labai žemo lygio. Be to, garsiakalbiai ir paties stiprintuvo išvesties filtrai slopina didelę dalį perjungimo triukšmo. Todėl, ypač naudojant nebrangius stiprintuvus ar paprastus „pasidaryk pats“ projektus , geriausia nesigilinti į kiekvieną mažiausią FFT piką, jei praktinis rezultatas atitinka mūsų poreikius.
Žinoma, kalbant apie aukščiausios klasės įrangą, situacija pasikeičia: tikimasi, kad bangos forma bus pavyzdinė, harmonikų kiekis bus griežtai kontroliuojamas, o THD lygiai – itin žemi. Tačiau net ir tokiame kontekste supratimas, kokio tipo iškraipymas generuojamas, padeda paaiškinti, kodėl tam tikri stiprintuvai, turintys labai panašias specifikacijas, skamba skirtingai, kai jų iš tikrųjų klausomės.
Triukšmas, dūzgimas, radijo dažnis ir nepastebimi virpesiai
Be harmoninio iškraipymo, osciloskopas yra puikus įrankis aptikti triukšmus ir virpesius, kurie kartais klaidingai laikomi „įprastais“ triukšmais arba yra vos pastebimi, bet vis dėlto yra, kaitina komponentus arba trukdo kitiems įrenginiams. Daugelis šių problemų yra susijusios su maitinimo šaltiniu, įžeminimu ir vidiniais laidais.
Tarp dažniausių reiškinių randame šiluminį foninį triukšmą ir pačių aktyviųjų komponentų keliamą triukšmą , kuris ekrane pasirodo kaip savotiškas atsitiktinis rūkas; klasikinį 50/60 Hz dūzgimą ir jo harmonikas, kuriuos sukelia prastai filtruoti šaltiniai arba įžeminimo kilpos; radijo dažnių trukdžius, perduodamus per orą arba prastai ekranuotus kabelius; ir aukšto dažnio virpesius, kuriuos sukelia prastai kompensuojamas grįžtamasis ryšys arba neatsargus spausdintinių plokščių projektavimas.
Šio tipo bandymams stiprintuvo įėjimas paprastai sujungiamas trumpai (įžeminamas) , išėjimas prijungiamas prie tinkamos apkrovos, o osciloskopas naudojamas išėjimui stebėti esant skirtingoms laiko skalėms ir jautrumui. Keičiant laiko bazę, pastebimas ir žemo dažnio ūžesys, ir galimi svyravimai kHz ar net MHz diapazone, kurie gali būti nepastebimi ausiai.
Šios problemos ypač dažnos lempiniuose stiprintuvuose, nes jos susijusios su aukšta įtampa, dideliais transformatoriais, taškiniais laidais ir paskirstytais įžeminimais, kurie, jei nėra kruopščiai suprojektuoti, sukuria terpę ūžesiui, sujungimui ir radijo dažnių signalų įsisavinimui . Oscilloskopas padeda tiksliai nustatyti, kur grandinėje kyla problema ir kokie pakeitimai (įžeminimų pertvarkymas, laidų porų susukimas, ekranavimo gerinimas ir kt.) iš tikrųjų turi įtakos.
Jei osciloskopas sujungiamas su spektro analizės programine įranga, susidaro labai aiškus vaizdas apie dažnius, kuriuose sutelktas triukšmas. Tai leidžia mums atskirti, ar šaltinis yra elektros tinklas (50/60 Hz ir kartotiniai), patys puslaidininkiai, išėjimo transformatorius, prasta plokštės konstrukcija ar išoriniai trukdžiai iš radijo imtuvų, maršrutizatorių, belaidžių telefonų ir kt. Tokiu būdu patobulinimai nebeatliekami „aklai“, ir mes pradedame dirbti su objektyviais bandymais, kurie patvirtina, ar modifikacija buvo veiksminga , ar ne.
Galiausiai, turėdami paprastą osciloskopą, nemokamą programinę įrangą, keletą bandomųjų apkrovų ir norą eksperimentuoti, galite susikurti stebėtinai pajėgią namų mini laboratoriją . Nesvarbu, ar tikslas yra išbandyti itin pigų D klasės modulį iki galo, ar tiksliai suderinti aukštos įtampos lempos projektą, tie patys matavimo metodai, tinkamai suprantami, leidžia suderinti skaičius ir grafikus su tuo, ką jums sako jūsų ausis. Pakeliui sužinosite, kodėl pigus stiprintuvas, kuris ekrane atrodo siaubingai, svetainėje veikia daugiau nei tinkamai, o kruopščiau suprojektuotas stiprintuvas grafikuose atskleidžia, kodėl jis skamba taip švariai ir kontroliuojamai.