Komplett guide til testing av lydforsterkere med et oscilloskop

Informatec Digital » Ressurser » Komplett guide til testing av lydforsterkere med et oscilloskop

Når vi begynner å fikle med forsterkere, går vi før eller siden ut av det typiske «det høres høyt ut» og begynner å ville vite hva kretsene faktisk gjør inni . Spesielt når vi kjøper en billig klasse D-forsterker på nettet eller bygger en hjemmelaget rørforsterker, er det normalt å lure på om bølgeformene vi ser på oscilloskopet betyr at enheten er bra, dårlig eller rett og slett «anstendig for prisen».

Mange audiofile blir overrasket over å se at en forsterker til ti euro kjøpt på AliExpress viser et ganske «skittent» signal på oscilloskopet, med bryterrester og høyfrekvent støy, men når den spilles av med ekte musikk, er lyden mer enn akseptabel. Denne typen situasjon tvinger oss til å forstå at det å måle en lydforsterker med et oscilloskop ikke bare handler om å sjekke om bølgeformen ser bra ut , men om å tolke hva vi ser, vite hvilke tester som er meningsfulle, og hvordan vi kan sette dem i kontekst med hva ørene våre faktisk hører.

Hvorfor det er fornuftig å måle lydforsterkere med et oscilloskop

Når man starter i audiofilverdenen eller bygger forsterkere selv, er det vanlig å tenke at så lenge noe «ikke forvrenger for øret», er det bra nok. Men nysgjerrigheten melder seg snart for å sjekke om forsterkeren klipper, hvor mye støy den introduserer, hvordan den håndterer forskjellige frekvenser , eller om den oscillerer der den ikke skal. Det er her oscilloskopet kommer inn i bildet, sammen med en signalgenerator eller, hvis det ikke fungerer, gratis programvare som fungerer som både generator og analysator.

Nøkkelen er å sette opp et slags hjemmebasert minilaboratorium hvor vi kan utføre tester ganske likt de på en profesjonell testbenk, men med lett tilgjengelige verktøy: et fysisk oscilloskop (eller et programvareoscilloskop som bruker lydkortet), en funksjonsgenerator eller en PC som sender ut sveip og toner gjennom lydutgangen, og noen laster og dempere. Med det kan du få svært nyttige data fra enhver forsterker, fra en Hi-Fi-rørforsterker til en rimelig klasse D-modul.

Dessuten bidrar denne typen målinger til å avkrefte myten om at enhver «stygg» bølgeform er synonymt med dårlig lyd. Noen ganger er det motsatte sant: grafene kan være alarmerende, men den resulterende lyden samsvarer perfekt med det vi forventer av et billig eller innstegssystem. Selvfølgelig krever avansert utstyr upåklagelige bølgeformer og forvrengningsfigurer, men kontekst er avgjørende.

Et annet interessant poeng er at mange av disse testene er avhengige av gratis programvare for lydanalyse som er utviklet for å fungere med datamaskinens lydkort. Disse programmene lar deg se spektre, harmoniske svingninger, frekvensrespons, THD-nivåer og mer på en svært visuell måte, noe som gjør dem til et ideelt supplement til det tradisjonelle oscilloskopet.

Kort sagt, måling med oscilloskop og programvare er ikke bare for ingeniører: enhver hobbyist med litt omhu og vilje til å lære kan få mye mer ut av forsterkerne sine , finjustere design, oppdage feil og fremfor alt forstå hvorfor utstyret deres høres ut som det gjør.

Grunnleggende konsepter før tilkobling av oscilloskopet

Før du begynner å stikke oscilloskopproben inn i noen del av kretsen, er det lurt å forstå noen elektriske konsepter som vil dukke opp gjentatte ganger : impedans, forvrengning, frekvensrespons, harmoniske, metning, bakgrunnsstøy, strømnettets summing osv. Du trenger ikke å være ingeniør, men du må vite hva du prøver å måle.

I testing av lydforsterkere skiller vi alltid mellom lavfrekvente signaldeler (selve lyden) og, i noen oppsett, en radiofrekvensdel (RF), for eksempel når vi arbeider med forsterkere som opererer rundt 1 MHz. I disse scenariene brukes komponenter som DC-blokkere, 50 Ω-terminatorer og noen ganger dedikerte RF-dempere.

I RF kan den typiske kjeden se omtrent slik ut: RF-forsterker → DC-blokker → 50 Ω last eller terminator . Å forstå funksjonen til hver komponent forhindrer kostbare feil, ettersom vi har å gjøre med effektnivåer og frekvenser der en enkelt forglemmelse kan skade noe på et øyeblikk. I ren lyd endrer imidlertid situasjonen seg, og i stedet for å bekymre oss om 50 Ω linjer, fokuserer vi på inngangs- og utgangsimpedanser, forvrengning, klipping og støy.

Selv et enkelt oscilloskop lar oss se bølgeformer over tid, oppdage klipping, oscillasjoner, uvanlige topper, summing eller høyfrekvent støy . Hvis det også har en FFT-funksjon, eller hvis vi kombinerer det med analyseprogramvare, kan vi også se frekvensinnholdet og den harmoniske fordelingen, noe som åpner døren for ganske nøyaktige THD- og frekvensresponsmålinger.

Til slutt er det nødvendig å vurdere begrensningene til selve måleutstyret: tillatt spenningsområde, inngangsimpedans, båndbredde, probetype osv. Å kjenne til disse dataene er viktig for å avgjøre om vi kan koble oscilloskopet direkte til forsterkerutgangen, eller om vi trenger en 10:1 dempningsprobe eller en ekstra demper for å unngå å overskride området eller endre kretsen som testes for mye.

Grunnleggende tester på lydforsterkere: hva er verdt å måle

Hvis du vil gå lenger enn å bare si «det høres bra ut», bør du vurdere et relativt standardisert batteri med tester som vil gi deg en teknisk forståelse av forsterkerens ytelse. I den profesjonelle verden måles mange parametere, men med hjemmeutstyr kan du fokusere på noen få som gir mye informasjon uten å komplisere ting for mye.

Blant de mest nyttige testene finner vi måling av inngangsimpedans (for å vite hvilken belastning signalkilden ser), utgangsimpedans (for å forstå hvordan høyttaleren styrer og dempningsfaktoren), impedanser mellom trinn (svært interessant i rørforsterkere med flere forsterkningstrinn), samt forskjellige typer harmonisk forvrengning, både med negativ tilbakekobling tilkoblet og uten.

Det er også svært illustrerende å studere forsterkermetning med en sinusbølge : opp til hvilket inngangsnivå signalet forblir rent, og fra hvilket punkt forsterkeren begynner å klippe. Oscilloskopet viser tydelig overgangen fra en "rund" sinusbølge til et signal med flate topper, symmetriske eller asymmetriske, avhengig av kretsdesignet.

I tillegg til disse testene som fokuserer på linearitet, er det verdt å ta seg tid til å måle støy, nettsumming, radiofrekvensforstyrrelser og eventuelle svingninger utenfor båndet. Mange tilsynelatende stille forsterkere svinger faktisk i ultralydområdet, noe som kan varme opp komponenter, forårsake ustabilitet eller forstyrre annet utstyr, selv om det er umerkelig for øret.

Til slutt kan frekvensrespons- og spektrumanalyser utføres , der man sjekker hvordan forsterkningen varierer i bass-, mellomtone- og diskantfrekvensene, hvor nivået begynner å synke, om det er uønskede resonanser osv. I rørforsterkere med en utgangstransformator, for eksempel, hjelper disse testene med å se i hvilken grad transformatoren begrenser ekstreme frekvenser i båndet.

Bruk av oscilloskopet i RF-oppsett: DC-blokker, terminator og attenuator

Når forsterkeren vi jobber med ikke bare er en lydforsterker, men en RF-forsterker som opererer på rundt 1 MHz eller høyere, oppstår det en rekke tilleggsvurderinger angående impedanstilpasning og beskyttelse av måleutstyret. I disse tilfellene er det veldig vanlig å finne oppsett som inkluderer DC-blokkere og 50 Ω-terminatorer på utgangen.

DC-blokkeren er installert for å eliminere eventuelle DC-komponenter som kan komme fra forsterkeren og skade både lasten og nedstrømsutstyret. Det er i hovedsak en kondensator dimensjonert for å operere i ønsket frekvensbånd uten å introdusere et merkbart signalfall.

Deretter kobles vanligvis en RF-terminator til, vanligvis en 50 Ω motstand som fungerer som en tilpasset last . Dette forhindrer signalrefleksjon langs linjen og skaper stabile driftsforhold for forsterkeren. Hvis systemet er designet for 50 Ω, er bruk av denne typen terminator praktisk talt obligatorisk.

Det typiske spørsmålet er om oscilloskopet kan kobles direkte til denne RF-linjen, eller om det er behov for en spesifikk demper. Svaret avhenger av spenningsnivået og utgangsimpedansen til forsterkeren, samt oscilloskopets kanalkapasitet. I mange tilfeller fungerer en 10:1-probe allerede som en demper og reduserer påvirkningen på kretsen , men i ren RF er det også veldig vanlig å bruke kalibrerte dempere som opprettholder en impedansmatch på 50 Ω gjennom hele kjeden.

Hvis vi bruker en rimelig forsterker for å jobbe med dyrt utstyr , er det viktig å vite den maksimale spenningen trinnet kan levere, hvilken type belastning det er designet for, og begrensningene til oscilloskopet vårt. Derfra kan vi avgjøre om en dempet probe er tilstrekkelig, om en fast demper på for eksempel 10 dB eller 20 dB er nødvendig, eller om det er fordelaktig å dele deler av signalet ved hjelp av en splitter eller en retningskopler.

Måling av rørforsterkere: typiske tester og hvordan man tolker dem

Rørforsterkere har en spesiell sjarm: de blander håndverk, klassisk design og en sunn dose sonisk subjektivitet . Men utover å bare høres bra ut, er det veldig nyttig å utsette dem for en rekke standardtester for å forstå hva de faktisk gjør og hvilket forbedringspotensial de har.

En av de første anbefalte målingene er inngangsimpedansen . Å kjenne motstanden signalkilden (en forforsterker, en DAC, en pedal osv.) opplever, bidrar til å unngå for lave belastninger som kan belaste det foregående trinnet, endre frekvensresponsen eller introdusere ytterligere forvrengning. En høy inngangsimpedans er vanligvis behagelig for kilden, selv om den også kan gjøre kretsen mer følsom for støy og lange kabler.

Utgangsimpedansen er like viktig, ettersom den bestemmer i hvilken grad forsterkeren kontrollerer høyttalerens bevegelse. I rørforsterkere spiller utgangstransformatoren en nøkkelrolle, og designet påvirker både dempningsfaktoren og forlengelsen av bass- og diskantfrekvenser. Ved å måle hvordan utgangen oppfører seg under forskjellige belastninger, kan vi få en idé om den faktiske samsvaringen mellom forsterkeren og høyttalerne.

Det er også interessant å analysere impedansene mellom trinnene i selve forsterkeren , spesielt i design med flere forsterkningsrør og katodefølgere. Dårlig impedanstilpasning mellom trinnene kan forårsake nivåfall, klipping av høye bånd eller til og med ustabilitet, mens riktig dimensjonering sikrer ren og forutsigbar signaloverføring.

Et annet nøkkelområde er studiet av total harmonisk forvrengning (THD) med og uten negativ tilbakekobling . Tilbakekobling reduserer forvrengning betydelig og flater vanligvis ut frekvensresponsen, men den endrer også den harmoniske fordelingen (partall, oddetoner, høyere orden osv.). Ved å måle med en ren sinusbølge og observere spekteret, kan vi se hvilke harmoniske som dominerer og hvordan nivået deres endres når tilbakekoblingssløyfen kobles til eller fra.

Til slutt viser metnings- og klippetester med sinusformede signaler oss hvordan forsterkeren oppfører seg når den nærmer seg grensen. Amplituden til inngangssignalet økes gradvis til flate topper vises på oscilloskopet. Typen klippeing (myk, hard, symmetrisk, asymmetrisk) avslører mye om enhetens karakter og bidrar til å forklare hvorfor visse forsterkere "bryter sammen" mer behagelig enn andre når de presses.

Frekvensrespons og bruk av gratis programvare

En av de mest givende testene, selv med svært grunnleggende utstyr, er å måle forsterkerens frekvensrespons . Målet er å forstå hvordan forsterkningen varierer over hele lydområdet (for eksempel fra 20 Hz til 20 kHz) og oppdage fall, topper eller uregelmessigheter som deretter oversettes til en mørkere, lysere eller "forsterket" lyd.

For å utføre denne testen kan du bruke en funksjonsgenerator som utfører et frekvenssveip, men mange bruker gratis programvare som genererer et sweep eller rosa/hvit støy fra datamaskinen og sender det gjennom lydkortet. Et annet alternativ er å spille av ferdiglagde WAV-filer med sweeps eller teststøy og ta forsterkerens utgang for analyse.

Målingen kan tas direkte med et oscilloskop på forsterkerens utgang, der signalamplituden ved forskjellige frekvenser registreres og deretter kurven konstrueres. Det er imidlertid mye mer praktisk å bruke selve lydkortet som et måleinstrument , koble forsterkerens utgang til linjeinngangen (alltid med passende dempere og beskyttelse) og la programvaren plotte størrelses- og fasegrafene.

Det finnes mange gratisprogrammer som er utviklet for måling av lydutstyr: de lar deg se frekvensresponskurven, analysere støyspekteret, beregne THD og mer. Kombinert med minimal forsiktighet for å unngå overbelastning av PC-ens inngang, kan de forvandle en vanlig datamaskin til en rimelig lydanalysator . Det er viktig å huske at lydkortet også har sine begrensninger, men for de fleste gjør-det-selv-applikasjoner er det mer enn tilstrekkelig.

Denne typen tester kan enkelt oppdage bassfall forårsaket av utgangstransformatoren , progressive diskanttap på grunn av parasittiske kapasitanser, uønskede resonanser i visse bånd, og til og med effekten av tilbakekobling på flatheten i frekvensresponsen. Derfra kan modifikasjoner gjøres i kretsen, ledningene eller komponentvalget for å finjustere ytelsen.

Harmoniske, FFT-er og deres forhold til det vi faktisk hører

Et annet svært kraftig sett med tester dreier seg om harmoniske og signalets spektrale innhold . Vanligvis innebærer dette å bruke den renest mulige sinusbølgen på forsterkerens inngang og analysere utgangen med en FFT, enten ved hjelp av selve oscilloskopet (hvis det inkluderer denne funksjonen) eller programvare som bruker lydkortet som et opptaksgrensesnitt.

I frekvensdomenet er målet å identifisere hvilke harmoniske som opptrer i tillegg til grunntonen og deres relative nivåer. Vi er interessert i å skille mellom like- og oddeharmoniske , som ofte oppfattes forskjellig av øret, samt mellom lavordensforvrengning (som ofte er behagelig eller "musikalsk") og høyordensforvrengning, som er mer aggressiv og slitsom.

Det er her et merkelig aspekt kommer inn i bildet: det som ser forferdelig ut på skjermen samsvarer ikke alltid med det vi oppfatter som dårlig når vi lytter . For eksempel kan en veldig billig, liten klasse D-forsterker vise en ganske stygg bølgeform på oscilloskopet, med rester av svitsjefrekvensen, høyfrekvent støy og mindre uregelmessigheter. Men når den faktisk testes ved å lytte til musikk gjennom høyttalere, kan lyden være helt akseptabel for prisklassen.

Dette er delvis fordi det menneskelige øret filtrerer ut mange av disse ufullkommenhetene, spesielt når de er utenfor det hørbare området eller på svært lave nivåer. Dessuten demper høyttalerne og forsterkerens egne utgangsfiltre mye av koblingsstøyen. Derfor, spesielt med rimelige forsterkere eller enkle gjør-det-selv-prosjekter , er det best å ikke bli besatt av hver minste FFT-topp hvis det praktiske resultatet oppfyller våre behov.

I high-end-utstyr endrer historien seg selvsagt: bølgeformen forventes å være eksemplarisk, det harmoniske innholdet strengt kontrollert og THD-nivåene ekstremt lave. Men selv i den sammenhengen bidrar forståelsen av hvilken type forvrengning som genereres til å forklare hvorfor visse forsterkere, med svært like spesifikasjoner, høres annerledes ut når vi faktisk lytter til dem.

Støy, summing, radiofrekvens og svingninger som går ubemerket hen

Utover harmonisk forvrengning er oscilloskopet et ypperlig verktøy for å spore opp støy og oscillasjoner som noen ganger forveksles med "normal" støy eller knapt er merkbare, men som likevel er til stede, varmer opp komponenter eller forstyrrer andre enheter. Mange av disse problemene er relatert til strømforsyning, jording og intern kabling.

Blant de vanligste fenomenene finner vi termisk bakgrunnsstøy og støy fra selve de aktive komponentene , som vises på skjermen som en slags tilfeldig tåke; den klassiske 50/60 Hz-summingen og dens harmoniske, forårsaket av dårlig filtrerte kilder eller jordsløyfer; radiofrekvensforstyrrelser koblet gjennom luften eller dårlig skjermede kabler; og høyfrekvente oscillasjoner produsert av dårlig kompensert tilbakekobling eller uforsiktig PCB-design.

For denne typen testing kortsluttes forsterkerens inngang vanligvis (til jord) , utgangen kobles til en passende last, og oscilloskopet brukes til å observere utgangen med forskjellige tidsskalaer og følsomheter. Endring av tidsbasen avslører både lavfrekvent summing og mulige svingninger i kHz- eller til og med MHz-området, som kan være umerkelige for øret.

Disse problemene er spesielt vanlige i rørforsterkere, ettersom de involverer høye spenninger, store transformatorer, punkt-til-punkt-kabling og distribuerte jordinger som, hvis de ikke er nøye utformet, skaper grobunn for summing, kobling og RF-opptak . Et oscilloskop hjelper med å finne ut hvor i kretsen problemet oppstår og hvilke modifikasjoner (omorganisering av jordinger, vridning av ledningspar, forbedring av skjerming osv.) som faktisk utgjør en forskjell.

Hvis oscilloskopet kombineres med programvare for spektrumanalyse, får vi et veldig tydelig bilde av frekvensene der støyen er konsentrert. Dette lar oss skille mellom om kilden er strømnettet (50/60 Hz og multipler), halvlederne selv, utgangstransformatoren, dårlig kortdesign eller ekstern interferens fra radioer, rutere, trådløse telefoner osv. På denne måten gjøres ikke forbedringer lenger "blindt", og vi begynner å jobbe med objektive tester som bekrefter om en modifikasjon har vært effektiv eller ikke.

Til syvende og sist, med et grunnleggende oscilloskop, litt gratis programvare, noen få testbelastninger og en vilje til å eksperimentere, kan du sette opp et overraskende kapabelt mini-laboratorium for hjemmet . Enten målet er å presse en billig klasse D-modul til det ytterste eller finjustere et høyspenningsrørprosjekt, lar de samme måleteknikkene deg, når de forstås riktig, forene tall og grafer med det ørene dine forteller deg. Du vil lære underveis hvorfor en billig forsterker som ser forferdelig ut på skjermen, yter mer enn tilstrekkelig i stuen, mens en mer nøye designet forsterker avslører i grafene hvorfor den høres så ren og kontrollert ut.