- Impedances, kropļojumu, frekvences raksturlīknes un harmoniku izpratne ir būtiska, lai interpretētu to, ko osciloskops rāda audio pastiprinātājā.
- Ar paštaisītu mini laboratoriju (osciloskopu, ģeneratoru vai programmatūru un slodzes) var izmērīt ieeju, izeju, THD, piesātinājumu, troksni un dūkoņu lampu, tranzistoru un D klases pastiprinātājos.
- FFT analīze un frekvenču raksturlīkne atklāj harmonisko sadalījumu un tonālo uzvedību, taču tā vienmēr jāinterpretē faktiskās klausīšanās kontekstā.
- Osciloskopa un bezmaksas programmatūras kombinācija pārvērš skaņas karti par efektīvu audio analizatoru svārstību, traucējumu un dizaina problēmu noteikšanai.
Kad sākam eksperimentēt ar pastiprinātājiem, agrāk vai vēlāk mēs pārsniedzam tipisko "tas skan skaļi" un sākam vēlēties zināt, ko patiesībā dara iekšpusē esošā shēma . Īpaši, ja tiešsaistē pērkam lētu D klases pastiprinātāju vai paštaisām lampu pastiprinātāju, ir normāli domāt, vai osciloskopā redzamās viļņu formas nozīmē, ka ierīce ir laba, slikta vai vienkārši "pieņemama par šo cenu".
Daudzi audiofili ir pārsteigti, redzot, ka AliExpress iegādāts desmit eiro vērts pastiprinātājs osciloskopā parāda diezgan "netīru" signālu ar pārslēgšanās atlikumiem un augstfrekvences troksni, tomēr, atskaņojot to ar īstu mūziku, skaņa ir vairāk nekā pieņemama. Šāda situācija liek mums saprast, ka audio pastiprinātāja mērīšana ar osciloskopu nav tikai par to, lai pārbaudītu, vai viļņu forma izskatās labi , bet gan par to, lai interpretētu to, ko mēs redzam, zinot, kuri testi ir jēgpilni, un kā tos ievietot kontekstā ar to, ko mūsu ausis faktiski dzird.
Kāpēc ir lietderīgi mērīt audio pastiprinātājus ar osciloskopu
Sākot darboties audiofilu pasaulē vai būvējot pastiprinātājus pašrocīgi, ir ierasts domāt, ka, ja vien kaut kas "nekrotē ausij", tas ir pietiekami labs. Taču drīz vien rodas ziņkāre pārbaudīt, vai pastiprinātājs neveic frekvenču palielināšanu, cik daudz trokšņa tas rada, kā tas tiek galā ar dažādām frekvencēm vai vai tas svārstās tur, kur tam nevajadzētu. Šeit noder osciloskops kopā ar signāla ģeneratoru vai, ja tas nav iespējams, bezmaksas programmatūru, kas darbojas gan kā ģenerators, gan analizators.
Galvenais ir izveidot sava veida mājas mini laboratoriju , kur mēs varētu veikt testus, kas ir diezgan līdzīgi tiem, ko veic profesionālā testa stendā, bet ar viegli pieejamiem rīkiem: fizisku osciloskopu (vai programmatūras osciloskopu, izmantojot skaņas karti), funkciju ģeneratoru vai datoru, kas izvada svārstības un toņus caur audio izeju, kā arī dažas slodzes un vājinātājus. Ar to jūs varat iegūt ļoti noderīgus datus no jebkura pastiprinātāja, sākot no augstas precizitātes lampu pastiprinātāja līdz lētam D klases modulim.
Turklāt šāda veida mērījumi palīdz atspēkot mītu, ka jebkura "neglīta" viļņu forma ir sinonīms sliktai skaņai. Dažreiz ir tieši pretēji: grafiki var būt satraucoši, bet iegūtā skaņa lieliski atbilst tam, ko mēs sagaidām no lētas vai sākuma līmeņa sistēmas. Protams, augstas klases iekārtām ir nepieciešamas nevainojamas viļņu formas un deformācijas rādītāji, taču konteksts ir izšķirošs.
Vēl viens interesants aspekts ir tas, ka daudzi no šiem testiem balstās uz bezmaksas audio analīzes programmatūru, kas paredzēta darbam ar datora skaņas karti. Šīs programmas ļauj ļoti vizuāli apskatīt spektrus, harmonikas, frekvenču raksturlīkni, THD līmeņus un citus rādītājus, padarot tās par ideālu papildinājumu tradicionālajam osciloskopam.
Īsāk sakot, mērīšana ar osciloskopu un programmatūru nav paredzēta tikai inženieriem: jebkurš hobijists ar nelielu rūpību un vēlmi mācīties var iegūt daudz vairāk no saviem pastiprinātājiem , precizēt konstrukcijas, atklāt kļūdas un, pats galvenais, saprast, kāpēc viņu aprīkojums skan tā, kā tas skan.
Pamatjēdzieni pirms osciloskopa pievienošanas
Pirms sākat ievietot osciloskopa zondi jebkurā ķēdes daļā, ir ieteicams izprast dažus elektrības jēdzienus, kas parādīsies atkārtoti : impedance, kropļojumi, frekvences reakcija, harmonikas, piesātinājums, fona troksnis, tīkla dūkoņa utt. Jums nav jābūt inženierim, taču jums ir jāzina, ko mēģināt izmērīt.
Audio pastiprinātāja testēšanā mēs vienmēr nošķiram zemfrekvences signāla daļu (pašu audio) un, dažos iestatījumos, radiofrekvences (RF) daļu, piemēram, strādājot ar pastiprinātājiem, kas darbojas aptuveni 1 MHz frekvencē. Šādos gadījumos tiek izmantoti tādi komponenti kā līdzstrāvas blokatori, 50 Ω terminatori un dažreiz arī speciāli RF vājinātāji.
RF tehnoloģijā tipiska ķēde varētu izskatīties šādi: RF pastiprinātājs → līdzstrāvas bloķētājs → 50 Ω slodze vai terminators . Izpratne par katra komponenta funkciju novērš dārgas kļūdas, jo mēs strādājam ar jaudas līmeņiem un frekvencēm, kur viena neuzmanība var acumirklī kaut ko sabojāt. Tomēr tīrā audio tehnoloģijā situācija mainās, un tā vietā, lai uztrauktos par 50 Ω līnijām, mēs koncentrējamies uz ieejas un izejas impedancēm, kropļojumiem, nobīdēm un troksni.
Pat vienkāršs osciloskops ļauj mums aplūkot viļņu formas laika gaitā, noteikt nobīdes, svārstības, neparastas virsotnes, dūkoņu vai augstfrekvences troksni . Ja tam ir arī FFT funkcija vai ja mēs to apvienojam ar analīzes programmatūru, mēs varam redzēt arī frekvences saturu un harmonisko sadalījumu, kas paver durvis uz diezgan precīziem THD un frekvences raksturlīknes mērījumiem.
Visbeidzot, ir jāņem vērā pašas mēriekārtas ierobežojumi: pieļaujamais sprieguma diapazons, ieejas pretestība, joslas platums, zondes tips utt. Šo datu zināšana ir būtiska, lai izlemtu, vai osciloskopu varam pieslēgt tieši pastiprinātāja izejai, vai arī mums ir nepieciešama 10:1 vājinātāja zonde vai papildu vājinātājs , lai izvairītos no diapazona pārsniegšanas vai pārmērīgas testējamās ķēdes pārveidošanas.
Audio pastiprinātāju pamattesti: kas ir vērts izmērīt
Ja vēlaties neaprobežoties tikai ar vienkāršu "tas izklausās labi", jums vajadzētu apsvērt relatīvi standarta testu komplektu, kas sniegs jums tehnisku izpratni par pastiprinātāja veiktspēju. Profesionālajā pasaulē tiek mērīti daudzi parametri, taču ar mājas aprīkojumu varat koncentrēties uz dažiem, kas sniedz daudz informācijas, nepārspīlējot.
Starp visnoderīgākajiem testiem mēs atrodam ieejas impedances mērīšanu (lai zinātu, kādu slodzi redz signāla avots), izejas impedances mērīšanu (lai saprastu, kā skaļrunis kontrolē un kāds ir slāpēšanas koeficients), impedances starp pakāpēm (ļoti interesanti lampu pastiprinātājos ar vairākiem pastiprinājuma pakāpēm), kā arī dažādu veidu harmonisko kropļojumu mērīšanu gan ar pievienotu negatīvu atgriezenisko saiti, gan bez tās.
Ļoti ilustratīvi ir arī pētīt pastiprinātāja piesātinājumu ar sinusoidālu vilni : līdz kādam ieejas līmenim signāls paliek tīrs un no kura brīža pastiprinātājs sāk cirpties. Oscilloskops skaidri parāda pāreju no "apaļa" sinusoidāla viļņa uz signālu ar saplacinātiem pīķiem, kas ir simetriski vai asimetriski atkarībā no shēmas konstrukcijas.
Papildus šiem testiem, kas vērsti uz linearitāti, ir vērts veltīt laiku trokšņa, tīkla dūkoņas, radiofrekvenču traucējumu un jebkādu ārpusjoslas svārstību mērīšanai. Daudzi šķietami klusi pastiprinātāji faktiski svārstās ultraskaņas diapazonā, kas var sakarst komponentes, izraisīt nestabilitāti vai traucēt citu iekārtu darbību, pat ja tas ar ausi nav dzirdams.
Visbeidzot, var veikt frekvenču raksturlīknes un spektra analīzi , pārbaudot, kā mainās pastiprinājums basa, vidējā un augstā frekvencē, kur līmenis sāk kristies, vai ir nevēlamas rezonanses utt. Piemēram, lampu pastiprinātājos ar izejas transformatoru šie testi palīdz redzēt, cik lielā mērā transformators ierobežo joslas galējības.
Osciloskopa izmantošana RF iestatījumos: līdzstrāvas bloķētājs, terminators un vājinātājs
Ja pastiprinātājs, ar kuru mēs strādājam, nav tikai audio pastiprinātājs, bet gan RF pastiprinātājs, kas darbojas ar frekvenci aptuveni 1 MHz vai vairāk, rodas vairāki papildu apsvērumi attiecībā uz impedances saskaņošanu un mēriekārtu aizsardzību. Šādos gadījumos ļoti bieži ir sastopamas konfigurācijas, kurās izejā ir iekļauti līdzstrāvas blokatori un 50 Ω terminatori.
Līdzstrāvas bloķētājs ir uzstādīts, lai novērstu jebkādu līdzstrāvas komponentu , kas varētu nākt no pastiprinātāja un varētu sabojāt gan slodzi, gan lejupējās iekārtas. Tas būtībā ir kondensators, kura izmērs ir paredzēts darbībai vēlamajā frekvenču joslā, neradot ievērojamu signāla kritumu.
Pēc tam parasti tiek pievienots RF terminators, parasti 50 Ω rezistors, kas darbojas kā saskaņota slodze . Tas novērš signāla atstarošanos pa līniju un rada stabilus darbības apstākļus pastiprinātājam. Ja sistēma ir paredzēta 50 Ω pretestībai, šāda veida terminatora izmantošana ir praktiski obligāta.
Tipisks jautājums ir, vai osciloskopu var tieši pieslēgt šai RF līnijai vai arī ir nepieciešams īpašs vājinātājs. Atbilde ir atkarīga no pastiprinātāja sprieguma līmeņa un izejas pretestības, kā arī no osciloskopa kanāla kapacitātes. Daudzos gadījumos 10:1 zonde jau darbojas kā vājinātājs un samazina ietekmi uz ķēdi , taču tīrā RF ir arī ļoti bieži izmantoti kalibrēti vājinātāji, kas uztur 50 Ω pretestības atbilstību visā ķēdē.
Ja darbam ar dārgu aprīkojumu izmantojam lētu pastiprinātāju , ir svarīgi zināt maksimālo spriegumu, ko pakāpe var nodrošināt, slodzes veidu, kurai tā ir paredzēta, un mūsu osciloskopa ierobežojumus. No tā mēs varam izlemt, vai pietiek ar vājinātu zondi, vai ir nepieciešams fiksēts vājinātājs, piemēram, 10 dB vai 20 dB, vai arī ir lietderīgi sadalīt daļu signāla, izmantojot sadalītāju vai virziena savienotāju.
Mērlampu pastiprinātāji: tipiski testi un to interpretācija
Cauruļu pastiprinātājiem piemīt īpašs šarms: tie apvieno meistarību, klasisku dizainu un veselīgu devu skaņas subjektivitātes . Tomēr, ne tikai lai tie skanētu labi, ir ļoti noderīgi tos pakļaut virknei standarta testu, lai saprastu, ko tie patiesībā dara un kādas ir iespējas uzlabot.
Viens no pirmajiem ieteicamajiem mērījumiem ir ieejas pretestība . Zinot signāla avota (priekšpastiprinātāja, DAC, pedāļa utt.) pretestību, var izvairīties no pārmērīgi zemām slodzēm, kas varētu noslogot iepriekšējo pakāpi, mainīt tās frekvences raksturlīkni vai radīt papildu kropļojumus. Augsta ieejas pretestība parasti ir ērta avotam, lai gan tā var arī padarīt ķēdi jutīgāku pret troksni un gariem kabeļiem.
Izejas pretestība ir tikpat svarīga, jo tā nosaka, cik lielā mērā pastiprinātājs kontrolē skaļruņa kustību. Caurules pastiprinātājos izejas transformatoram ir galvenā loma, un tā konstrukcija ietekmē gan slāpēšanas koeficientu, gan basa un augsto frekvenču paplašinājumu. Izmērot, kā izeja uzvedas pie dažādām slodzēm, mēs varam iegūt priekšstatu par faktisko atbilstību starp pastiprinātāju un skaļruņiem.
Interesanti ir arī analizēt impedances starp pakāpēm pašā pastiprinātājā , īpaši konstrukcijās ar vairākām pastiprinājuma lampām un katoda sekotājiem. Slikta impedances saskaņošana starp pakāpēm var izraisīt līmeņa kritumus, augstas joslas nobīdes vai pat nestabilitāti, savukārt pareizs izmēra noteikšana nodrošina tīru un paredzamu signāla pārraidi.
Vēl viena svarīga joma ir kopējā harmoniskā kropļojuma (THD) izpēte ar un bez negatīvas atgriezeniskās saites . Atgriezeniskā saite ievērojami samazina kropļojumus un parasti izlīdzina frekvences raksturlīkni, taču tā arī maina harmonisko sadalījumu (pāra, nepāra, augstākas kārtas utt.). Mērot ar tīru sinusoidālu vilni un novērojot spektru, mēs varam redzēt, kuras harmonikas dominē un kā mainās to līmenis, kad atgriezeniskās saites cilpa ir pievienota vai atvienota.
Visbeidzot, piesātinājuma un nobīdes testi ar sinusoidāliem signāliem parāda, kā pastiprinātājs uzvedas, tuvojoties tā robežai. Ieejas signāla amplitūda pakāpeniski palielinās, līdz osciloskopā parādās saplacināti pīķi. Nobīdes veids (maigs, ciets, simetrisks, asimetrisks) daudz ko atklāj par ierīces raksturu un palīdz izskaidrot, kāpēc daži pastiprinātāji "sabojājas" patīkamāk nekā citi, kad tie tiek nospiesti.
Frekvences raksturlīkne un bezmaksas programmatūras izmantošana
Viens no visvērtīgākajiem testiem, pat ar ļoti vienkāršu aprīkojumu, ir pastiprinātāja frekvences raksturlīknes mērīšana . Mērķis ir saprast, kā pastiprinājums mainās visā audio diapazonā (piemēram, no 20 Hz līdz 20 kHz), un noteikt kritumus, maksimumus vai nelīdzenumus, kas pēc tam pārvēršas tumšākā, gaišākā vai "pastiprinātā" skaņā.
Lai veiktu šo testu, varat izmantot funkciju ģeneratoru, kas veic frekvences skenēšanu, taču daudzi cilvēki izmanto bezmaksas programmatūru, kas ģenerē skenēšanu vai rozā/baltu troksni no datora un nosūta to caur skaņas karti. Vēl viena iespēja ir atskaņot iepriekš sagatavotus WAV failus ar skenējumiem vai testa trokšņiem un ņemt pastiprinātāja izeju analīzei.
Mērījumu var veikt tieši ar osciloskopu pie pastiprinātāja izejas, atzīmējot signāla amplitūdu dažādās frekvencēs un pēc tam konstruējot līkni. Tomēr daudz ērtāk ir izmantot pašu skaņas karti kā mērinstrumentu , pievienojot pastiprinātāja izeju tā līnijas ieejai (vienmēr ar atbilstošiem vājinātājiem un aizsardzību) un ļaujot programmatūrai uzzīmēt lieluma un pat fāzes grafikus.
Ir daudz bezmaksas programmu, kas paredzētas audioiekārtu mērīšanai: tās ļauj apskatīt frekvences raksturlīkni, analizēt trokšņu spektru, aprēķināt THD un veikt citas darbības. Apvienojumā ar minimālu rūpību, lai izvairītos no datora ieejas pārslodzes, tās var pārveidot parastu datoru par lētu audio analizatoru . Ir svarīgi atcerēties, ka arī skaņas kartei ir savi ierobežojumi, taču lielākajai daļai "dari pats" lietojumprogrammu tā ir vairāk nekā pietiekama.
Šāda veida testi var viegli noteikt izejas transformatora izraisītos basu kritumus , progresīvos augsto frekvenču zudumus parazītisku kapacitatīvu dēļ, nevēlamas rezonanses noteiktās joslās un pat atgriezeniskās saites ietekmi uz frekvences raksturlīknes vienmērīgumu. Pēc tam var veikt izmaiņas ķēdē, elektroinstalācijā vai komponentu izvēlē, lai precīzi noregulētu veiktspēju.
Harmonikas, FFT un to saistība ar to, ko mēs patiesībā dzirdam
Vēl viens ļoti spēcīgs testu kopums ir saistīts ar harmonikām un signāla spektrālo saturu . Parasti tas ietver pēc iespējas tīrāka sinusa viļņa pielietošanu pastiprinātāja ieejai un izejas analīzi ar FFT, izmantojot vai nu pašu osciloskopu (ja tam ir šī funkcija), vai programmatūru, kas skaņas karti izmanto kā uztveršanas priekšgalu.
Frekvenču jomā mērķis ir noteikt, kuras harmonikas parādās papildus pamatharmonikai, un to relatīvos līmeņus. Mūs interesē atšķirt pāra un nepāra harmonikas , kuras auss bieži uztver atšķirīgi, kā arī zemas kārtas kropļojumus (kas bieži vien ir patīkami vai "muzikāli") no augstas kārtas kropļojumiem, kas ir agresīvāki un nogurdinošāki.
Šeit spēlē lomu kāds kuriozs aspekts: tas, kas ekrānā izskatās briesmīgi, ne vienmēr atbilst tam, ko mēs uztveram kā sliktu, klausoties . Piemēram, ļoti lēts, mazs D klases pastiprinātājs osciloskopā var parādīt diezgan neglītu viļņu formu ar pārslēgšanās frekvences paliekām, augstfrekvences troksni un nelielām neatbilstībām. Tomēr, faktiski pārbaudot mūziku, izmantojot skaļruņus, skaņa varētu būt pilnīgi pieņemama šajā cenu diapazonā.
Tas daļēji ir tāpēc, ka cilvēka auss filtrē daudzas no šīm nepilnībām, īpaši, ja tās atrodas ārpus dzirdamā diapazona vai ļoti zemā līmenī. Turklāt skaļruņi un pastiprinātāja izejas filtri ievērojami samazina pārslēgšanās troksni. Tāpēc, īpaši ar lētiem pastiprinātājiem vai vienkāršiem "dari pats" projektiem , vislabāk nav pievērst uzmanību katram mazākajam FFT maksimumam, ja praktiskais rezultāts atbilst mūsu vajadzībām.
Augstas klases iekārtās, protams, situācija mainās: tiek sagaidīts, ka viļņu forma būs priekšzīmīga, harmonisko elementu saturs būs stingri kontrolēts, un THD līmeņi būs ārkārtīgi zemi. Taču pat šādā kontekstā izpratne par radītā kropļojuma veidu palīdz izskaidrot, kāpēc daži pastiprinātāji ar ļoti līdzīgām specifikācijām skan atšķirīgi, kad tos faktiski klausāmies.
Troksnis, dūkoņa, radiofrekvence un svārstības, kas paliek nepamanītas
Papildus harmoniskajiem kropļojumiem osciloskops ir lielisks instruments, lai izsekotu trokšņus un svārstības, kas dažreiz tiek sajauktas ar "normāliem" trokšņiem vai ir tik tikko pamanāmas, bet tomēr ir klātesošas, sildot komponentus vai traucējot citu ierīču darbību. Daudzas no šīm problēmām ir saistītas ar barošanas avotu, zemējumu un iekšējo elektroinstalāciju.
Starp visbiežāk sastopamajām parādībām mēs atrodam termisko fona troksni un troksni no pašiem aktīvajiem komponentiem , kas ekrānā parādās kā sava veida nejauša migla; klasisko 50/60 Hz dūkoņu un tā harmonikas, ko rada slikti filtrēti avoti vai zemējuma cilpas; radiofrekvenču traucējumus, kas rodas caur gaisu vai slikti ekranētiem kabeļiem; un augstfrekvences svārstības, ko rada slikti kompensēta atgriezeniskā saite vai neuzmanīga PCB konstrukcija.
Šāda veida testēšanai pastiprinātāja ieeja parasti tiek īsslēgta (ar zemi) , izeja tiek savienota ar piemērotu slodzi, un osciloskops tiek izmantots, lai novērotu izeju ar dažādām laika skalām un jutībām. Mainot laika bāzi, atklājas gan zemas frekvences dūkšana, gan iespējamas svārstības kHz vai pat MHz diapazonā, kas ar ausi var būt nemanāmas.
Šīs problēmas ir īpaši izplatītas lampu pastiprinātājos, jo tās ir saistītas ar augstu spriegumu, lielgabarīta transformatoriem, punktveida elektroinstalāciju un izkliedētiem zemējumiem, kas, ja tie netiek rūpīgi projektēti, rada augsni dūkoņai , sasaistei un RF uztveršanai . Osciloskops palīdz precīzi noteikt, kur ķēdē rodas problēma un kādas modifikācijas (zemējumu pārkārtošana, vadu pāru savīšana, ekranēšanas uzlabošana utt.) faktiski rada atšķirību.
Ja osciloskopu apvieno ar spektra analīzes programmatūru, rodas ļoti skaidrs priekšstats par frekvencēm, kurās troksnis ir koncentrēts. Tas ļauj mums atšķirt, vai avots ir elektrotīkls (50/60 Hz un daudzkārtņi), paši pusvadītāji, izejas transformators, slikts plates dizains vai ārēji traucējumi no radioaparātiem, maršrutētājiem, bezvadu tālruņiem utt. Tādā veidā uzlabojumi vairs netiek veikti "akli", un mēs sākam strādāt ar objektīviem testiem, kas apstiprina, vai modifikācija ir bijusi efektīva vai nē.
Galu galā, ar vienkāršu osciloskopu, bezmaksas programmatūru, dažām testa slodzēm un vēlmi eksperimentēt, jūs varat izveidot pārsteidzoši spējīgu mājas mini laboratoriju . Neatkarīgi no tā, vai mērķis ir pārbaudīt ļoti lēta D klases moduļa iespējas līdz galam vai precīzi noregulēt augstsprieguma lampas projektu, tās pašas mērīšanas metodes, pareizi izprastas, ļauj saskaņot skaitļus un grafikus ar to, ko jums saka jūsu ausis. Pa ceļam jūs uzzināsiet, kāpēc lēts pastiprinātājs, kas ekrānā izskatās briesmīgi, viesistabā darbojas vairāk nekā pietiekami, savukārt rūpīgāk konstruēts pastiprinātājs grafikos atklāj, kāpēc tas skan tik tīri un kontrolēti.