Complete handleiding voor het testen van audioversterkers met een oscilloscoop

Informatic Digital » Middelen » Complete handleiding voor het testen van audioversterkers met een oscilloscoop

Als we eenmaal met versterkers gaan experimenteren, komt er vroeg of laat een moment waarop we verder kijken dan de gebruikelijke opmerking "het klinkt hard" en meer willen weten. Wat doet het circuit nu eigenlijk intern?Vooral wanneer we een goedkope klasse D-versterker via internet kopen of zelf een buizenversterker bouwen, is het normaal om ons af te vragen of de golfvormen die we op de oscilloscoop zien, betekenen dat het apparaat goed, slecht of gewoon "deugdelijk voor de prijs" is.

Veel liefhebbers zijn verbaasd als ze zien dat een versterker van tien euro, gekocht op AliExpress, een nogal "vervuild" signaal op de oscilloscoop weergeeft, met schakelresten en hoogfrequente ruis, terwijl het geluid bij het afspelen van echte muziek meer dan acceptabel is. Dit soort situaties dwingt ons te begrijpen dat Het meten van een audioversterker met een oscilloscoop gaat niet alleen over controleren of de golfvorm er mooi uitziet.maar veeleer om te interpreteren wat we zien, om te weten welk bewijs logisch is en hoe we het in de juiste context kunnen plaatsen met wat we horen.

Waarom het zinvol is om audioversterkers met een oscilloscoop te meten

Als je net begint in de wereld van audiofielen of het zelf bouwen van versterkers, denk je al snel dat iets goed genoeg is zolang het maar "niet vervormt". Maar al snel ontstaat de nieuwsgierigheid om het te testen. Als de versterker uitvalt, hoeveel ruis produceert hij dan, en hoe gaat hij om met verschillende frequenties? Of als het signaal oscilleert waar het niet zou moeten. Daarvoor is de oscilloscoop handig, samen met een signaalgenerator of, als dat niet lukt, gratis software die zowel als generator als analyzer fungeert.

De sleutel is om een ​​soort van mini-laboratorium voor thuis Waar we tests kunnen uitvoeren die sterk lijken op die op een professionele testbank, maar dan met gemakkelijk verkrijgbare hulpmiddelen: een fysieke oscilloscoop (of een software-oscilloscoop via de geluidskaart), een functiegenerator of een pc die sweeps en tonen via de audio-uitgang uitvoert, en enkele belastingen en verzwakkers. Daarmee kunnen we zeer nuttige gegevens verkrijgen van elke versterker, van een hoogwaardige buizenversterker tot een goedkope klasse D-module.

Bovendien helpen dit soort metingen de mythe te ontkrachten dat elke "lelijke" golfvorm synoniem is met slecht geluid. Soms is het tegendeel waar: De beelden zijn misschien eng, maar het geluid past er perfect bij. met wat we verwachten van een goedkoop of instapmodel. Natuurlijk vereist hoogwaardige apparatuur onberispelijke golfvormen en vervormingswaarden, maar context is cruciaal.

Een ander interessant punt is dat veel van deze tests afhankelijk zijn van Gratis software voor audioanalyseDeze programma's zijn ontworpen om te werken met de geluidkaart van een computer en stellen je in staat om spectra, harmonischen, frequentierespons, THD-niveaus, enzovoort, op een zeer visuele manier te bekijken, waardoor ze een ideale aanvulling vormen op de klassieke oscilloscoop.

Kortom, metingen uitvoeren met een oscilloscoop en software is niet alleen voor ingenieurs: elke hobbyist met een beetje zorg en de bereidheid om te leren, kan het. Haal veel meer uit je versterkers.Ontwerpen aanpassen, fouten opsporen en, bovenal, begrijpen waarom uw apparatuur klinkt zoals hij klinkt.

Basisbegrippen voordat u de oscilloscoop aansluit

Voordat je de oscilloscoopsonde in een willekeurig onderdeel van het circuit steekt, is het verstandig om eerst een paar dingen te verduidelijken. elektrische concepten die steeds weer terugkomenImpedantie, vervorming, frequentierespons, harmonischen, verzadiging, achtergrondruis, netbrom, enzovoort. Je hoeft geen ingenieur te zijn, maar je moet wel weten wat je probeert te meten.

Bij het testen van audioversterkers maken we altijd onderscheid tussen het onderdeel laagfrequente signalen (eigenlijk audio) En in sommige configuraties is er een radiofrequentiecomponent (RF), bijvoorbeeld bij versterkers die rond de 1 MHz werken. In deze gevallen worden elementen zoals de DC-blokkering, de 50 Ω-terminator en soms specifieke RF-verzwakkers gebruikt.

In RF zou een typische tekenreeks er ongeveer zo uit kunnen zien: RF-versterker → DC-blokkering → 50 Ω belasting of terminatorInzicht in de functie van elk onderdeel voorkomt kostbare fouten, aangezien we te maken hebben met vermogensniveaus en frequenties waarbij een enkele misstap in een oogwenk iets kan verpesten. Bij pure audio is de situatie echter anders, en in plaats van ons zorgen te maken over 50 Ω-lijnen, richten we ons op ingangs- en uitgangsimpedanties, vervorming, clipping en ruis.

Een oscilloscoop, hoe eenvoudig ook, stelt ons in staat om de golfvorm in de loop van de tijd te bekijken en te detecteren. Vervorming, oscillaties, vreemde pieken, brom of hoogfrequent geluidAls het apparaat ook een FFT-functie heeft, of als we het combineren met analysesoftware, kunnen we ook de frequentie-inhoud en harmonische verdeling bekijken, wat de weg opent naar behoorlijk serieuze THD- en frequentieresponsmetingen.

Tot slot is het belangrijk om rekening te houden met de beperkingen van de meetapparatuur zelf: het toegestane spanningsbereik, de ingangsimpedantie, de bandbreedte, het type meetsonde, enzovoort. Deze informatie is essentieel om te bepalen of we de oscilloscoop rechtstreeks op de versterkeruitgang kunnen aansluiten of dat we een tussenliggende meetmethode nodig hebben. een 10:1 verzwakkingssonde of een extra verzwakker om te voorkomen dat het bereik wordt overschreden of dat het te testen circuit te veel wordt gewijzigd.

Basistests voor audioversterkers: wat is de moeite waard om te meten?

Als je verder wilt gaan dan alleen "het klinkt goed", is het raadzaam om een ​​aantal standaardtests uit te voeren die je een technisch beeld geven van de prestaties van de versterker. In de professionele wereld worden veel parameters gemeten, maar bij apparatuur voor thuisgebruik kunnen we ons richten op... Een paar die veel informatie geven zonder de zaken te ingewikkeld te maken..

Tot de meest nuttige tests behoort de meting van ingangsimpedantie (om te weten welke belasting de signaalbron ziet), uitgangsimpedantie (om te begrijpen hoe het de luidspreker en de dempingsfactor aanstuurt), impedanties tussen fasen (zeer interessant bij buizenversterkers met meerdere versterkingstrappen), evenals verschillende soorten harmonische vervorming, zowel met als zonder negatieve terugkoppeling.

Het is ook zeer leerzaam om de te bestuderen versterkerverzadiging met een sinusgolfDit laat het ingangsniveau zien tot waar het signaal zuiver blijft en op welk punt de versterker begint te clippen. De oscilloscoop toont duidelijk de overgang van een ronde sinusgolf naar een signaal met afgevlakte pieken, symmetrisch of asymmetrisch, afhankelijk van het circuitontwerp.

Naast deze tests die meer gericht zijn op lineariteit, is het de moeite waard om tijd te besteden aan metingen van ruis, netbrom, radiofrequentie-interferentie en mogelijke oscillaties buiten de audioband. Veel ogenschijnlijk stille versterkers oscilleren in werkelijkheid in het ultrasone frequentiebereik, wat componenten kan verhitten, instabiliteit kan veroorzaken of andere apparatuur kan storen, zelfs als er niets hoorbaar is.

Ten slotte kunnen analyses worden uitgevoerd op frequentierespons en spectraHet controleren van de versterking in het bas-, midden- en hooggebied, waar het niveau begint te dalen, of er ongewenste resonanties zijn, enzovoort. Bij buizenversterkers met een uitgangstransformator helpen deze tests bijvoorbeeld om te zien in hoeverre de transformator de frequentiebereiken beperkt.

Gebruik van de oscilloscoop in RF-opstellingen: DC-blokkering, terminator en verzwakker.

Wanneer de versterker waarmee we werken niet alleen voor audio is, maar ook voor andere doeleinden dan audio, RF-versterker werkend rond 1 MHz Bij hogere vermogens ontstaan ​​er een aantal extra overwegingen met betrekking tot impedantieaanpassing en de bescherming van de meetapparatuur. In deze gevallen is het heel gebruikelijk om opstellingen te vinden die DC-blokkers en 50 Ω-terminatoren aan de uitgang bevatten.

De DC-blokker wordt geplaatst om verwijder elk continu onderdeel Dat kan afkomstig zijn van de versterker en kan zowel de belasting als de aangesloten apparatuur beschadigen. Het is in principe een condensator die zo is gedimensioneerd dat hij in de gewenste frequentieband werkt zonder een merkbare signaalvermindering te veroorzaken.

Vervolgens wordt er meestal een RF-terminator aangesloten, doorgaans een Een weerstand van 50 Ω fungeert als een aangepaste belasting.Dit voorkomt dat het signaal via de lijn reflecteert en zorgt voor stabiele bedrijfsomstandigheden voor de versterker. Als het systeem is ontworpen voor 50 Ω, is het gebruik van dit type terminator praktisch onmisbaar.

De meest gestelde vraag is of de oscilloscoop rechtstreeks op deze RF-lijn kan worden aangesloten of dat er een specifieke verzwakker nodig is. Het antwoord hangt af van het spanningsniveau en de uitgangsimpedantie van de versterker, evenals de kanaalcapaciteit van de oscilloscoop. In veel gevallen is een De 10:1-sonde fungeert al als verzwakker en vermindert de impact op het circuit.Bij zuivere RF-toepassingen is het echter ook heel gebruikelijk om gekalibreerde verzwakkers te gebruiken die de 50 Ω-aanpassing over de hele keten behouden.

Als we gebruikmaken van een Voordelige versterker voor gebruik met dure apparatuurHet is essentieel om de maximale spanning te kennen die de trap kan leveren, het type belasting waarvoor deze is ontworpen en de beperkingen van uw oscilloscoop. Dit bepaalt of een eenvoudige verzwakkingssonde voldoende is, of een vaste verzwakker van bijvoorbeeld 10 dB of 20 dB nodig is, of dat het voordelig is om een ​​deel van het signaal te splitsen met behulp van een splitter of een richtingskoppelaar.

Het meten van buizenversterkers: typische tests en hoe de resultaten te interpreteren.

Buizenversterkers hebben een bijzondere charme: ze combineren Vakmanschap, klassiek design en een flinke dosis subjectiviteit in de klank.Maar afgezien van het feit dat het resultaat "gaaf" klinkt, is het erg nuttig om ze aan een reeks standaardtests te onderwerpen om te begrijpen wat ze werkelijk doen en waar ze verbeterd kunnen worden.

Een van de eerste aanbevolen metingen is de ingangsimpedantieHet kennen van de ingangsimpedantie van de signaalbron (een voorversterker, DAC, pedaal, enz.) helpt om te lage belastingen te vermijden die de voorgaande trap kunnen belasten, de frequentierespons kunnen veranderen of extra vervorming kunnen introduceren. Een hoge ingangsimpedantie is over het algemeen gunstig voor de bron, hoewel het circuit daardoor ook gevoeliger kan worden voor ruis en lange kabels.

La uitgangsimpedantie Dit is eveneens belangrijk, omdat het bepaalt in hoeverre de versterker de beweging van de luidspreker aanstuurt. Bij buizenversterkers speelt de uitgangstransformator een cruciale rol; het ontwerp ervan beïnvloedt zowel de dempingsfactor als de weergave van lage en hoge frequenties. Door te meten hoe de uitgang zich gedraagt ​​onder verschillende belastingen, kunnen we een idee krijgen van de daadwerkelijke afstemming tussen de versterker en de luidsprekers.

Het is ook interessant om de analyse uit te voeren impedanties tussen trappen binnen de versterker zelfDit geldt met name voor ontwerpen met meerdere versterkingsbuizen en kathodevolgers. Een slechte koppeling tussen de trappen kan leiden tot signaalverlies, clipping in het hoge frequentiebereik of zelfs instabiliteit, terwijl een juiste dimensionering zorgt voor een zuivere en voorspelbare signaaloverdracht.

Een ander belangrijk onderzoeksgebied is de studie van de totale harmonische vervorming (THD) met en zonder negatieve feedbackFeedback vermindert de vervorming aanzienlijk en vlakt meestal de frequentierespons af, maar verandert ook de harmonische verdeling (even, oneven, hogere orde, enz.). Door te meten met een zuivere sinusgolf en het spectrum te observeren, kunnen we zien welke harmonischen overheersen en hoe hun niveau verandert wanneer de feedbacklus is aangesloten of losgekoppeld.

Tot slot de tests van verzadiging en clipping bij sinusvormige signalen Ze laten ons zien hoe de versterker zich gedraagt ​​wanneer hij zijn limiet nadert. De amplitude van het ingangssignaal wordt geleidelijk verhoogd totdat er afgevlakte pieken op de oscilloscoop verschijnen. Het type clipping (zacht, hard, symmetrisch, asymmetrisch) onthult veel over het karakter van het apparaat en helpt te begrijpen waarom bepaalde versterkers prettiger "doorslaan" dan andere wanneer ze tot het uiterste worden gedreven.

Frequentierespons en gebruik van gratis software

Een van de meest lonende tests, zelfs met zeer eenvoudige apparatuur, is de meting van de frequentierespons van de versterkerHet doel is om te begrijpen hoe de versterking varieert over het gehele audiobereik (bijvoorbeeld van 20 Hz tot 20 kHz) en om dalingen, pieken of onregelmatigheden te detecteren die zich vervolgens vertalen in een donkerder, helderder of "opgeblazen" geluid.

Om deze test uit te voeren, kunt u een functiegenerator gebruiken die een frequentiesweep uitvoert, maar veel mensen grijpen naar... Gratis software die een sweep genereert Ofwel roze/witte ruis vanaf de computer, die via de geluidkaart wordt doorgestuurd. Een andere optie is om vooraf gemaakte WAV-bestanden met sweeps of testgeluiden af ​​te spelen en de output van de versterker te analyseren.

De meting kan direct met een oscilloscoop bij de uitgang van de versterker worden uitgevoerd, waarbij de signaalamplitude bij verschillende frequenties wordt genoteerd en vervolgens de curve wordt geconstrueerd. Het is echter veel handiger om gebruik te maken van de geluidskaart zelf als meetinstrumentDe versterkeruitgang aansluiten op de lijningang (altijd met de juiste verzwakkers en beveiligingen) en de software de amplitude- en zelfs fasegrafiek laten genereren.

Er zijn veel gratis programma's beschikbaar voor het meten van audioapparatuur: hiermee kunt u de frequentieresponscurve bekijken, het ruisspectrum analyseren, de THD berekenen, enzovoort. In combinatie met minimale voorzorgsmaatregelen om overbelasting van de pc-ingang te voorkomen, kunnen ze een gewone computer transformeren in een goedkope audio-analysatorHet is belangrijk om te onthouden dat de geluidkaart ook zijn beperkingen heeft, maar voor de meeste doe-het-zelf-projecten is hij meer dan voldoende.

Dit soort tests kan ze moeiteloos opsporen. De uitgangstransformator is in ernstige staat.Progressief verlies van hoge frequenties door parasitaire capaciteiten, ongewenste resonanties in bepaalde frequentiebanden en zelfs het effect van feedback op de vlakheid van de curve. Van daaruit kunnen aanpassingen worden gedaan aan het circuit, de bedrading of de componentkeuze om de prestaties te verfijnen.

Harmonischen, FFT's en hun relatie tot wat we daadwerkelijk horen.

Een andere zeer krachtige testfamilie draait om de harmonischen en spectrale inhoud van het signaalDe gebruikelijke aanpak is om een ​​zo zuiver mogelijke sinusgolf aan te leggen op de ingang van de versterker en de uitvoer te analyseren met een FFT, hetzij met de oscilloscoop zelf (indien deze deze functie heeft) of met software die de geluidkaart als opname-interface gebruikt.

In het frequentiedomein is het doel te zien welke harmonischen er naast de grondtoon verschijnen en wat hun relatieve niveaus zijn. We zijn geïnteresseerd in het onderscheiden van... even en oneven harmonischendie doorgaans verschillend worden waargenomen door het oor, evenals tussen laagfrequente vervorming (die vaak aangenaam of "muzikaal" is) en hoogfrequente vervorming, die agressiever en vermoeiender is.

Hier komt een merkwaardig aspect in beeld: Wat op het scherm afschuwelijk klinkt, komt niet altijd overeen met wat we als slecht ervaren wanneer we het horen.Een zeer goedkope, kleine klasse D-versterker kan bijvoorbeeld een nogal onaangename golfvorm op een oscilloscoop weergeven, met restanten van de schakelfrequentie, hoogfrequente ruis en kleine onregelmatigheden. Wanneer je de versterker echter daadwerkelijk test door naar muziek te luisteren via luidsprekers, kan het geluid voor die prijsklasse perfect acceptabel blijken.

Dit komt deels doordat het menselijk oor veel van deze onvolkomenheden filtert, vooral wanneer ze buiten het hoorbare bereik vallen of op zeer lage niveaus voorkomen. Bovendien dempen de luidsprekers en de uitgangsfilters van de versterker zelf een groot deel van het schakelgeluid. Vandaar, vooral in goedkope versterkers of eenvoudige doe-het-zelfprojectenHet is beter om niet te veel aandacht te besteden aan elke kleine FFT-piek als het praktische resultaat aan onze behoeften voldoet.

Bij hoogwaardige apparatuur is het verhaal natuurlijk anders: van een voorbeeldige golfvorm wordt verwacht dat het harmonische gehalte strak gecontroleerd is en de THD-niveaus extreem laag. Maar zelfs in die context helpt inzicht in het type vervorming te verklaren waarom bepaalde versterkers met zeer vergelijkbare specificaties anders klinken wanneer we er daadwerkelijk naar luisteren.

Geluid, gezoem, radiofrequentie en trillingen die onopgemerkt blijven.

Naast harmonische vervorming is de oscilloscoop een fantastisch instrument voor het onderzoeken van Geluiden en trillingen die soms ten onrechte worden aangezien voor "normale dingen". Of ze zijn nauwelijks merkbaar, maar ze zijn er wel degelijk en zorgen voor oververhitting van componenten of interfereren met andere apparaten. Veel van deze problemen houden verband met de voeding, aarding en interne bedrading.

Tot de meest voorkomende verschijnselen behoren de achtergrondruis door warmteontwikkeling en ruis van de actieve componenten zelf.Dit verschijnt op het scherm als een soort willekeurige mist; de klassieke brom van 50/60 Hz en de bijbehorende harmonischen, veroorzaakt door slecht gefilterde bronnen of aardlussen; radiofrequentie-interferentie die via de lucht of slecht afgeschermde kabels wordt overgedragen; en hoogfrequente oscillaties geproduceerd door slecht gecompenseerde feedback of onzorgvuldige PCB-ontwerpen.

Bij dit soort tests wordt de ingang van de versterker meestal open gelaten. kortgesloten (naar aarde)De uitgang wordt aangesloten op een geschikte belasting en de oscilloscoop wordt gebruikt om deze uitgang te observeren met verschillende tijdschalen en gevoeligheden. Door de tijdbasis te wijzigen, worden zowel een laagfrequent gezoem als mogelijke oscillaties in het kHz- of zelfs MHz-bereik zichtbaar, die mogelijk niet met het oor waarneembaar zijn.

Deze problemen komen vooral vaak voor bij buizenversterkers, omdat ze te maken hebben met hoge spanningen, omvangrijke transformatoren, punt-na-punt bedrading en gedistribueerde aarding die, indien niet zorgvuldig ontworpen, een voedingsbodem vormen voor storingen. brom, koppelingen en RF-opnameDe oscilloscoop helpt om te bepalen waar in het circuit het probleem zich voordoet en welke aanpassingen (het herschikken van massa-aansluitingen, het verdraaien van draadparen, het verbeteren van de afscherming, enz.) daadwerkelijk effect hebben.

Als de oscilloscoop wordt gecombineerd met spectrumanalysesoftware, ontstaat een zeer duidelijk beeld van de frequenties waarop de ruis geconcentreerd is. Hierdoor kunnen we onderscheiden of de bron het elektriciteitsnet is (50/60 Hz en veelvouden), de halfgeleiders zelf, de uitgangstransformator, een slecht printplaatontwerp of externe interferentie van radio's, routers, draadloze telefoons, enz. Op deze manier worden verbeteringen niet langer "blindelings" doorgevoerd en kunnen we gericht aan de slag... objectieve tests die bevestigen of een aanpassing nuttig is geweest of niet

Uiteindelijk kun je met een eenvoudige oscilloscoop, wat gratis software, een paar testbelastingen en de bereidheid om te experimenteren een systeem in elkaar zetten. Verrassend capabel mini-thuislaboratoriumOf het nu gaat om het maximaliseren van de prestaties van een spotgoedkope klasse D-module of het finetunen van een hoogspanningsbuizenversterker, dezelfde meettechnieken stellen ons, mits goed begrepen, in staat om getallen en grafieken te vergelijken met wat onze oren ons vertellen. Zo leren we gaandeweg waarom een ​​goedkope versterker die er op het scherm als een ramp uitziet, in de woonkamer meer dan voldoende presteert, terwijl een zorgvuldiger ontwerp in de grafieken laat zien waarom het geluid zo helder en gecontroleerd is.