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 beginnen te knutselen met versterkers, gaan we vroeg of laat verder dan de gebruikelijke "het klinkt hard" en willen we weten wat de schakelingen nu eigenlijk doen . Vooral als we online een goedkope klasse D-versterker kopen of zelf een buizenversterker bouwen, is het normaal om je af te vragen of de golfvormen die we op de oscilloscoop zien, betekenen dat het apparaat goed, slecht of gewoon "redelijk voor de prijs" is.

Veel audiofielen 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 niet alleen draait om het controleren of de golfvorm er goed uitziet , maar ook om het interpreteren van wat we zien, weten welke tests zinvol zijn en hoe we ze in de juiste context kunnen plaatsen met wat onze oren daadwerkelijk horen.

Waarom het zinvol is om audioversterkers met een oscilloscoop te meten

Als je net begint met audio of zelf versterkers bouwt, denk je al snel dat iets goed genoeg is zolang het maar niet vervormt. Maar al snel ontstaat de nieuwsgierigheid om te controleren of de versterker clipt, hoeveel ruis hij produceert, hoe hij omgaat met verschillende frequenties , of dat hij oscilleert waar dat niet de bedoeling is. Dat is waar de oscilloscoop van pas komt, samen met een signaalgenerator of, als dat niet lukt, gratis software die zowel als generator als analyzer fungeert.

De sleutel is het opzetten van een soort mini-lab thuis, waar we tests kunnen uitvoeren die sterk lijken op die op een professionele testbank, maar dan met gemakkelijk verkrijgbare apparatuur: 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 een aantal belastingen en verzwakkers. Daarmee kun je 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 grafieken kunnen alarmerend zijn, maar het resulterende geluid voldoet perfect aan wat we verwachten van een goedkoop of instapmodel systeem. Natuurlijk vereist hoogwaardige apparatuur onberispelijke golfvormen en vervormingscijfers, maar context is cruciaal.

Een ander interessant punt is dat veel van deze tests gebruikmaken van gratis audioanalysesoftware die is ontworpen om te werken met de geluidkaart van een computer. Met deze programma's kun je spectra, harmonischen, frequentierespons, THD-niveaus en meer op een zeer visuele manier bekijken, waardoor ze een ideale aanvulling vormen op de traditionele oscilloscoop.

Kortom, meten met een oscilloscoop en software is niet alleen voor ingenieurs: elke hobbyist met een beetje zorg en de bereidheid om te leren kan veel meer uit zijn versterkers halen , ontwerpen verfijnen, fouten opsporen en, bovenal, begrijpen waarom zijn apparatuur klinkt zoals hij klinkt.

Basisbegrippen voordat u de oscilloscoop aansluit

Voordat je de oscilloscoopsonde in een willekeurig deel van het circuit steekt, is het verstandig om een ​​paar elektrische concepten te begrijpen die regelmatig terugkomen : impedantie, 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 laagfrequente signaalgedeelte (het geluid zelf) en, in sommige opstellingen, een radiofrequent (RF) gedeelte, bijvoorbeeld bij versterkers die rond de 1 MHz werken. In deze gevallen worden componenten zoals DC-blokkers, 50 Ω-terminators en soms speciale RF-verzwakkers gebruikt.

Bij RF ziet de typische keten er ongeveer zo uit: RF-versterker → DC-blokkering → 50 Ω-belasting of -terminator . Inzicht 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 schade kan veroorzaken. Bij pure audio is de situatie echter anders. In plaats van ons zorgen te maken over 50 Ω-lijnen, richten we ons op ingangs- en uitgangsimpedanties, vervorming, clipping en ruis.

Zelfs met een eenvoudige oscilloscoop kunnen we golfvormen in de tijd bekijken en clipping, oscillaties, ongebruikelijke pieken, brom of hoogfrequente ruis detecteren . Als de oscilloscoop ook een FFT-functie heeft, of als we hem combineren met analysesoftware, kunnen we ook de frequentie-inhoud en harmonische verdeling zien, wat de weg opent naar vrij nauwkeurige 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 gegevens zijn essentieel om te bepalen of we de oscilloscoop rechtstreeks op de versterkeruitgang kunnen aansluiten, of dat we een 10:1 verzwakkingssonde of een extra verzwakker nodig hebben om te voorkomen dat we het bereik overschrijden of het te testen circuit te veel beïnvloeden.

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

Als je meer wilt dan alleen zeggen "het klinkt goed", is het verstandig om een ​​aantal standaardtests uit te voeren die je een technisch inzicht geven in de prestaties van de versterker. In de professionele wereld worden veel parameters gemeten, maar bij apparatuur voor thuisgebruik kun je je concentreren op een paar parameters die veel informatie opleveren zonder het onnodig ingewikkeld te maken.

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

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

Naast deze tests die gericht zijn op lineariteit, is het de moeite waard om ook ruis, netbrom, radiofrequentie-interferentie en eventuele oscillaties buiten de band te meten. 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 dit voor het oor onmerkbaar is.

Ten slotte kunnen frequentierespons- en spectrumanalyses worden uitgevoerd , waarbij wordt gecontroleerd hoe de versterking varieert in de lage, midden- en hoge frequenties, 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 uiterste frequenties van de band beperkt.

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

Wanneer de versterker waarmee we werken niet alleen een audioversterker is, maar een RF-versterker die werkt op ongeveer 1 MHz of hoger, komen er een aantal extra aandachtspunten bij kijken 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-terminators aan de uitgang bevatten.

De DC-blokkering is geïnstalleerd om alle DC-componenten te elimineren die afkomstig kunnen zijn van de versterker en die zowel de belasting als de aangesloten apparatuur kunnen beschadigen. Het is in feite een condensator die is gedimensioneerd om in de gewenste frequentieband te werken zonder een merkbare signaalvermindering te veroorzaken.

Vervolgens wordt er doorgaans een RF-terminator aangesloten, meestal een weerstand van 50 Ω die als aangepaste belasting fungeert . Dit voorkomt signaalreflectie langs de lijn en zorgt voor stabiele bedrijfsomstandigheden voor de versterker. Als het systeem is ontworpen voor 50 Ω, is het gebruik van dit type terminator praktisch verplicht.

De meest gestelde vraag is of de oscilloscoop rechtstreeks op deze RF-lijn kan worden aangesloten of dat 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 fungeert een 10:1-sonde al als verzwakker en vermindert deze de invloed op het circuit , maar bij zuivere RF-signalen is het ook heel gebruikelijk om gekalibreerde verzwakkers te gebruiken die een impedantieaanpassing van 50 Ω over de hele keten handhaven.

Als we een goedkope versterker gebruiken om met dure apparatuur te werken , is het essentieel om de maximale spanning te kennen die de trap kan leveren, het type belasting waarvoor deze is ontworpen en de beperkingen van onze oscilloscoop. Van daaruit kunnen we bepalen of een verzwakte probe 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 gezonde dosis subjectiviteit op het gebied van klank . Maar behalve dat ze gewoon goed klinken, is het erg nuttig om ze aan een reeks standaardtests te onderwerpen om te begrijpen wat ze precies doen en waar ze nog verbeterd kunnen worden.

Een van de eerste aanbevolen metingen is de ingangsimpedantie . Door de weerstand te kennen die de signaalbron (een voorversterker, een DAC, een pedaal, enz.) ziet, kun je te lage belastingen vermijden die de voorgaande trap kunnen belasten, de frequentierespons kunnen veranderen of extra vervorming kunnen introduceren. Een hoge ingangsimpedantie is meestal prima voor de bron, hoewel het circuit daardoor ook gevoeliger kan worden voor ruis en lange kabels.

De uitgangsimpedantie is eveneens belangrijk, omdat deze 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 impedanties tussen de verschillende trappen binnen de versterker zelf te analyseren , vooral bij ontwerpen met meerdere versterkingsbuizen en kathodevolgers. Een slechte impedantieaanpassing 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 terugkoppeling . Terugkoppeling 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 terugkoppelingslus is aangesloten of losgekoppeld.

Ten slotte laten verzadigings- en clippingtests met sinusvormige signalen ons zien hoe de versterker zich gedraagt ​​wanneer hij zijn limiet nadert. De amplitude van het ingangssignaal wordt geleidelijk verhoogd totdat afgevlakte pieken op de oscilloscoop verschijnen. Het type clipping (zacht, hard, symmetrisch, asymmetrisch) onthult veel over het karakter van het apparaat en helpt verklaren 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 het meten van de frequentierespons van de versterker . Het doel is om te begrijpen hoe de versterking varieert over het gehele audiobereik (bijvoorbeeld van 20 Hz tot 20 kHz) en om dipjes, pieken of onregelmatigheden te detecteren die zich vervolgens vertalen in een donkerder, helderder of "versterkt" geluid.

Om deze test uit te voeren, kunt u een functiegenerator gebruiken die een frequentiesweep uitvoert, maar veel mensen gebruiken gratis software die een sweep of roze/witte ruis genereert vanaf de computer en deze via de geluidkaart stuurt. Een andere optie is om vooraf gemaakte WAV-bestanden met sweeps of testruis af te spelen en de uitvoer van de versterker te analyseren.

De meting kan direct met een oscilloscoop worden uitgevoerd bij de uitgang van de versterker, waarbij de signaalamplitude bij verschillende frequenties wordt genoteerd en vervolgens de curve wordt geconstrueerd. Het is echter veel handiger om de geluidskaart zelf als meetinstrument te gebruiken , door de uitgang van de versterker aan te sluiten op de lijningang (altijd met de juiste verzwakkers en beveiliging) en de software de amplitude- en zelfs fasegrafieken te laten plotten.

Er zijn veel gratis programma's beschikbaar voor het meten van audioapparatuur: hiermee kun je de frequentieresponscurve bekijken, het ruisspectrum analyseren, de THD berekenen en meer. In combinatie met een beetje voorzichtigheid om overbelasting van de pc-ingang te voorkomen, kunnen ze een gewone computer omtoveren tot een goedkope audio-analysator . Het is belangrijk om te onthouden dat de geluidkaart ook zijn beperkingen heeft, maar voor de meeste doe-het-zelf-toepassingen is deze meer dan voldoende.

Met dit soort tests kunnen gemakkelijk basverminderingen door de uitgangstransformator , progressieve hoge tonenverliezen door parasitaire capaciteiten, ongewenste resonanties in bepaalde frequentiebanden en zelfs het effect van feedback op de vlakheid van de frequentierespons worden opgespoord. Op basis daarvan kunnen aanpassingen aan het circuit, de bedrading of de componentkeuze worden gedaan om de prestaties te optimaliseren.

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

Een andere zeer krachtige reeks tests draait om harmonischen en de spectrale inhoud van het signaal . Dit houdt doorgaans in dat de zuiverst mogelijke sinusgolf wordt aangelegd aan de ingang van de versterker en dat de uitvoer wordt geanalyseerd met een FFT, hetzij met behulp van de oscilloscoop zelf (indien deze deze functie heeft) of met software die de geluidkaart als opname-front-end gebruikt.

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

Hier komt een merkwaardig aspect naar voren: wat er op het scherm verschrikkelijk uitziet, komt niet altijd overeen met wat we als slecht ervaren tijdens het luisteren . Een zeer goedkope, kleine klasse D-versterker kan bijvoorbeeld een nogal lelijke golfvorm op de oscilloscoop weergeven, met restanten van de schakelfrequentie, hoogfrequente ruis en kleine onregelmatigheden. Maar wanneer je de versterker daadwerkelijk test door naar muziek te luisteren via luidsprekers, kan het geluid perfect acceptabel zijn voor die prijsklasse.

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 de schakelruis. Daarom is het, vooral bij goedkope versterkers of eenvoudige doe-het-zelfprojecten , het beste 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 uitstekend hulpmiddel voor het opsporen van ruis en oscillaties die soms worden aangezien voor "normale" ruis of die nauwelijks merkbaar zijn, maar desalniettemin aanwezig zijn en componenten verwarmen of andere apparaten storen. Veel van deze problemen houden verband met de voeding, aarding en interne bedrading.

Tot de meest voorkomende verschijnselen behoren thermische achtergrondruis en ruis van de actieve componenten zelf , die op het scherm verschijnt 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 die worden geproduceerd door slecht gecompenseerde feedback of onzorgvuldige PCB-ontwerpen.

Bij dit type test wordt de ingang van de versterker doorgaans kortgesloten (naar aarde) , de uitgang aangesloten op een geschikte belasting en de oscilloscoop gebruikt om het uitgangssignaal 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 onmerkbaar zijn voor het oor.

Deze problemen komen vooral vaak voor bij buizenversterkers, omdat ze te maken hebben met hoge spanningen, omvangrijke transformatoren, punt-na-punt bedrading en verdeelde massa-aansluitingen. Als deze niet zorgvuldig ontworpen zijn, vormen ze een voedingsbodem voor brom, koppeling en RF-interferentie . Een oscilloscoop helpt om de oorzaak van het probleem in het circuit te lokaliseren en te bepalen welke aanpassingen (zoals het herschikken van massa-aansluitingen, het verdraaien van draadparen, het verbeteren van de afscherming, enz.) daadwerkelijk een verschil maken.

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 objectieve tests uitvoeren die bevestigen of een aanpassing effectief is geweest.

Uiteindelijk kun je met een eenvoudige oscilloscoop, wat gratis software, een paar testbelastingen en de bereidheid om te experimenteren een verrassend capabel minilab thuis opzetten . Of het nu gaat om het tot het uiterste drijven van een spotgoedkope klasse D-module of het fijn afstellen van een hoogspanningsbuizenproject, dezelfde meettechnieken, mits goed begrepen, stellen je in staat om getallen en grafieken te vergelijken met wat je oren je vertellen. Gaandeweg leer je waarom een ​​goedkope versterker die er op het scherm verschrikkelijk uitziet, in de woonkamer meer dan voldoende presteert, terwijl een zorgvuldiger ontworpen versterker in de grafieken laat zien waarom hij zo helder en gecontroleerd klinkt.