Ghid complet pentru testarea amplificatoarelor audio cu un osciloscop

Informatec Digital » Recursos » Ghid complet pentru testarea amplificatoarelor audio cu un osciloscop

Când începem să experimentăm cu amplificatoarele, mai devreme sau mai târziu vine momentul să trecem de la tipicul „sună tare” la dorința de a afla mai multe. Ce face de fapt circuitul în interior?Mai ales când cumpărăm un amplificator clasa D ieftin de pe internet sau construim un amplificator cu tuburi artizanal, este normal să ne întrebăm dacă formele de undă pe care le vedem pe osciloscop înseamnă că dispozitivul este bun, rău sau pur și simplu „decent pentru preț”.

Mulți entuziaști sunt surprinși să vadă că un amplificator de zece euro cumpărat de pe AliExpress afișează un semnal destul de „murdar” pe osciloscop, cu reziduuri de comutare și zgomot de înaltă frecvență, și totuși, atunci când este ascultat cu muzică reală, sunetul este mai mult decât acceptabil. Acest tip de situație ne obligă să înțelegem că Măsurarea unui amplificator audio cu un osciloscop nu înseamnă doar verificarea aspectului formei de undă.ci mai degrabă să interpretăm ceea ce vedem, să știm care dovezi au sens și cum să le punem în context cu ceea ce aud urechile noastre.

De ce este logic să măsori amplificatoarele audio cu un osciloscop

Când începi să te aventurezi în lumea audiofililor sau în construirea de amplificatoare DIY, este normal să crezi că, atâta timp cât ceva „nu distorsionează sunetul la ureche”, este suficient de bun. Dar curiozitatea de a-l testa apare curând. Dacă amplificatorul se întrerupe, cât zgomot introduce, cum gestionează diferite frecvențe sau dacă oscilează unde nu ar trebui. Aici intervine osciloscopul, împreună cu un generator de semnal sau, în caz contrar, un software gratuit care acționează atât ca generator, cât și ca analizor.

Cheia este să configurați un fel de mini-laborator de acasă unde putem efectua teste destul de similare cu cele de pe un banc de testare profesional, dar cu instrumente ușor disponibile: un osciloscop fizic (sau un osciloscop software care folosește placa de sunet), un generator de funcții sau un PC care emite variații de frecvență și tonuri prin ieșirea audio și câteva sarcini și atenuatoare. Cu acestea, putem obține date foarte utile de la orice amplificator, de la un amplificator cu tuburi de înaltă fidelitate până la un modul de clasă D low-cost.

În plus, aceste tipuri de măsurători ajută la demontarea mitului conform căruia orice formă de undă „urâtă” este sinonimă cu un sunet prost. Uneori, contrariul este adevărat: Grafica poate fi înfiorătoare, dar rezultatul sonor se potrivește perfect. cu ceea ce așteptăm de la un echipament ieftin sau de bază. Desigur, echipamentele de înaltă performanță necesită forme de undă și cifre de distorsiune impecabile, dar contextul este crucial.

Un alt aspect interesant este că multe dintre aceste teste se bazează pe Software gratuit de analiză audioConcepute pentru a funcționa cu placa de sunet a unui computer, aceste programe vă permit să vizualizați spectre, armonice, răspuns în frecvență, niveluri de THD etc., într-un mod foarte vizual, ceea ce le face un complement ideal pentru osciloscopul clasic.

Pe scurt, efectuarea măsurătorilor cu un osciloscop și software nu este doar pentru ingineri: orice pasionat cu puțină grijă și dorință de a învăța o poate face. Obțineți mult mai mult de la amplificatoarele dvs., ajustați proiectele, detectați defecțiunile și, mai presus de toate, înțelegeți de ce echipamentul dumneavoastră sună așa cum sună.

Concepte de bază înainte de conectarea osciloscopului

Înainte de a începe să introduceți sonda osciloscopului în orice parte a circuitului, este o idee bună să clarificați câteva lucruri. concepte electrice care vor apărea iar și iarImpedanță, distorsiune, răspuns în frecvență, armonice, saturație, zgomot de fundal, zumzet de rețea etc. Nu trebuie să fii inginer, dar trebuie să știi ce naiba încerci să măsori.

În testele de amplificatoare audio, distingem întotdeauna partea de semnale de joasă frecvență (audio propriu-zis) Și, în unele configurații, o componentă de radiofrecvență (RF), de exemplu atunci când se lucrează cu amplificatoare care funcționează în jurul a 1 MHz. În aceste scenarii, apar elemente precum blocantul de curent continuu, terminatorul de 50 Ω și uneori atenuatoare RF specifice.

În RF, un șir de caractere tipic ar putea arăta cam așa: Amplificator RF → blocator de curent continuu → sarcină sau terminator de 50 ΩÎnțelegerea funcției fiecărei componente previne greșelile costisitoare, deoarece avem de-a face cu niveluri de putere și frecvențe unde o singură omisiune poate strica ceva într-o clipă. În audio pur, însă, situația se schimbă și, în loc să ne facem griji pentru liniile de 50 Ω, ne concentrăm pe impedanțele de intrare și ieșire, distorsiuni, clipping și zgomot.

Un osciloscop, oricât de simplu ar fi, ne permite să vedem forma de undă în timp, să detectăm tăiere, oscilații, vârfuri ciudate, zumzet sau zgomot de înaltă frecvențăDacă are și o funcție FFT sau o combinăm cu un software de analiză, putem vedea și conținutul de frecvență și distribuția armonică, ceea ce deschide calea către măsurători destul de serioase ale THD-ului și ale răspunsului în frecvență.

În cele din urmă, este important să luăm în considerare limitele echipamentului de măsurare în sine: intervalul de tensiune admis, impedanța de intrare, lățimea de bandă, tipul de sondă etc. Cunoașterea acestor informații este esențială pentru a decide dacă putem conecta osciloscopul direct la ieșirea amplificatorului sau dacă trebuie să... o sondă atenuator 10:1 sau un atenuator suplimentar pentru a evita depășirea intervalului sau modificarea excesivă a circuitului testat.

Teste de bază pentru amplificatoarele audio: ce merită măsurat

Dacă vrei să mergi dincolo de „sună bine”, ar trebui să iei în considerare o baterie relativ standard de teste care îți vor oferi o idee tehnică despre performanța amplificatorului. În lumea profesională, se măsoară mulți parametri, dar în cazul echipamentelor de uz casnic, ne putem concentra pe... Câteva care oferă o mulțime de informații fără a complica prea mult lucrurile.

Printre cele mai utile teste se numără măsurarea impedanta de intrare (pentru a ști ce sarcină primește sursa de semnal), impedanta de iesire (pentru a înțelege cum controlează difuzorul și factorul de amortizare), impedanțe între etape (foarte interesant în amplificatoarele cu tuburi cu mai multe etape de amplificare), precum și diferite tipuri de distorsiuni armonice, atât cu, cât și fără feedback negativ conectat.

De asemenea, este foarte edificator să studiezi saturația amplificatorului cu o undă sinusoidalăAcesta arată nivelul de intrare până la care semnalul rămâne curat și în ce punct amplificatorul începe să se sature. Osciloscopul afișează clar tranziția de la o undă sinusoidală „rotundă” la un semnal cu vârfuri aplatizate, fie simetrice, fie asimetrice, în funcție de designul circuitului.

Pe lângă aceste teste axate mai mult pe liniaritate, merită să se dedice timp măsurătorilor de zgomot, zumzet de rețea, interferențe de radiofrecvență și posibile oscilații în afara benzii audio. Multe amplificatoare aparent silențioase oscilează de fapt în intervalul ultrasonic, ceea ce poate încălzi componentele, cauza instabilități sau interfera cu alte echipamente, chiar dacă urechea nu percepe nimic.

În cele din urmă, analizele pot fi efectuate asupra răspunsul în frecvență și spectreleVerificarea modului în care variază amplificarea în frecvențele joase, medii și înalte, unde începe să scadă nivelul, dacă există rezonanțe nedorite etc. În amplificatoarele cu tuburi cu transformator de ieșire, de exemplu, aceste teste ajută la vedea în ce măsură transformatorul limitează extremele benzilor.

Utilizarea osciloscopului în configurații RF: blocant, terminator și atenuator de curent continuu

Când amplificatorul cu care lucrăm nu este doar pentru audio, ci... Amplificator RF care funcționează în jurul a 1 MHz sau mai mult, apar o serie de considerații suplimentare legate de adaptarea impedanței și de protecția echipamentului de măsurare. În aceste cazuri, este foarte frecvent să se găsească configurații care includ blocante de curent continuu și terminatoare de 50 Ω la ieșire.

Blocatorul de curent continuu este plasat pentru a elimină orice componentă continuă care ar putea proveni de la amplificator și ar putea deteriora atât sarcina, cât și echipamentul din aval. Este, practic, un condensator dimensionat să funcționeze în banda de frecvență dorită fără a introduce o cădere vizibilă a semnalului.

Apoi, se conectează de obicei un terminator RF, de obicei un Rezistor de 50 Ω care acționează ca o sarcină adaptatăAcest lucru previne reflectarea semnalului de pe linie și creează condiții de funcționare stabile pentru amplificator. Dacă sistemul este proiectat pentru 50 Ω, utilizarea acestui tip de terminator este practic obligatorie.

Întrebarea tipică este dacă osciloscopul poate fi conectat direct la această linie RF sau dacă este necesar un atenuator specific. Răspunsul depinde de nivelul de tensiune și de impedanța de ieșire a amplificatorului, precum și de capacitatea canalului osciloscopului. În multe cazuri, un Sonda 10:1 acționează deja ca un atenuator și reduce impactul asupra circuituluiTotuși, în RF pură este, de asemenea, foarte obișnuit să se utilizeze atenuatoare calibrate care mențin potrivirea de 50 Ω pe tot lanțul.

Dacă folosim un amplificator ieftin pentru lucrul cu echipamente scumpeEste esențial să cunoașteți tensiunea maximă pe care o poate livra etapa, tipul de sarcină pentru care este proiectată și limitele osciloscopului dumneavoastră. Acest lucru va determina dacă o sondă atenuată simplă este suficientă, dacă este necesar un atenuator fix de, de exemplu, 10 dB sau 20 dB sau dacă este benefic să divizați o parte a semnalului folosind un splitter sau un cuplor direcțional.

Amplificatoare cu tuburi de măsurare: teste tipice și cum se interpretează acestea

Amplificatoarele cu tuburi au un farmec aparte: îmbină Măiestrie, design clasic și o doză bună de subiectivitate sonicăTotuși, dincolo de faptul că rezultatul sună „cool” la ureche, este foarte util să îi supui unei serii de teste standard pentru a înțelege ce fac cu adevărat și ce loc de îmbunătățire au.

Una dintre primele măsurători recomandate este impedanta de intrareCunoașterea impedanței de intrare a sursei de semnal (un preamplificator, DAC, pedală etc.) ajută la evitarea sarcinilor excesiv de mici care ar putea solicita etapa precedentă, altera răspunsul său în frecvență sau introduce distorsiuni suplimentare. O impedanță de intrare mare este în general confortabilă pentru sursă, deși poate face circuitul mai susceptibil la zgomot și cabluri lungi.

La impedanta de iesire Acest lucru este la fel de important, deoarece determină măsura în care amplificatorul controlează mișcarea difuzorului. În amplificatoarele cu tuburi, transformatorul de ieșire joacă un rol cheie, iar designul său influențează atât factorul de amortizare, cât și extensia frecvențelor joase și înalte. Măsurând modul în care se comportă ieșirea sub diferite sarcini, putem obține o idee despre potrivirea reală dintre amplificator și difuzoare.

De asemenea, este interesant de analizat impedanțele dintre etajele din amplificatorul în sineAcest lucru este valabil mai ales în cazul proiectelor cu multiple valve de amplificare și urmăritori de catod. Cuplarea slabă între etape poate duce la scăderi de nivel, clipping în bandă înaltă sau chiar instabilități, în timp ce dimensionarea corectă asigură un transfer curat și previzibil al semnalului.

Un alt domeniu cheie este studiul distorsiune armonică totală (THD) cu și fără feedback negativFeedback-ul reduce semnificativ distorsiunea și, de obicei, aplatizează răspunsul în frecvență, dar modifică și distribuția armonicelor (pară, impară, de ordin superior etc.). Măsurând cu o undă sinusoidală pură și observând spectrul, putem vedea ce armonice predomină și cum se modifică nivelul lor atunci când bucla de feedback este conectată sau deconectată.

În cele din urmă, testele de saturație și clipping cu semnale sinusoidale Acestea ne arată cum se comportă amplificatorul pe măsură ce se apropie de limita sa. Amplitudinea semnalului de intrare este crescută treptat până când pe osciloscop apar vârfuri aplatizate. Tipul de clipping (ușor, puternic, simetric, asimetric) dezvăluie multe despre caracterul dispozitivului și ajută la înțelegerea motivului pentru care anumite amplificatoare se „deteriorează” mai plăcut decât altele atunci când sunt solicitate.

Răspunsul în frecvență și utilizarea software-ului gratuit

Unul dintre cele mai satisfăcătoare teste, chiar și cu echipament foarte simplu, este măsurarea răspunsul în frecvență al amplificatoruluiScopul este de a înțelege cum variază amplificarea pe întreaga gamă audio (de exemplu, de la 20 Hz la 20 kHz) și de a detecta scăderi, vârfuri sau neregularități care apoi se traduc într-un sunet mai întunecat, mai luminos sau „umflat”.

Pentru a efectua acest test, puteți utiliza un generator de funcții care efectuează o baleiere de frecvență, dar mulți oameni recurg la Software gratuit care generează o scanare sau zgomot roz/alb de la computer și îl trimite prin placa de sunet. O altă opțiune este redarea fișierelor WAV predefinite cu variații de sunet sau zgomote de test și analizarea ieșirii amplificatorului.

Măsurarea poate fi efectuată direct cu un osciloscop la ieșirea amplificatorului, notând amplitudinea semnalului la diferite frecvențe și apoi construind curba. Cu toate acestea, este mult mai convenabil de utilizat placa de sunet în sine ca instrument de măsurare, conectând ieșirea amplificatorului la intrarea sa de linie (întotdeauna cu atenuatoare și protecții corespunzătoare) și lăsând software-ul să traseze graficul de magnitudine și chiar de fază.

Există numeroase programe gratuite concepute pentru măsurarea echipamentelor audio: acestea permit vizualizarea curbei de răspuns în frecvență, analizarea spectrului de zgomot, calcularea THD-ului etc. Combinate cu o atenție minimă pentru a evita supraîncărcarea intrării PC-ului, acestea pot transforma un computer obișnuit într-un... analizor audio ieftinEste important să rețineți că și placa de sunet are limitările ei, dar pentru majoritatea aplicațiilor DIY este mai mult decât suficientă.

Aceste tipuri de teste le pot detecta fără efort. căderi în stare gravă din cauza transformatorului de ieșirePierderi progresive ale frecvențelor înalte din cauza capacităților parazitare, a rezonanțelor nedorite în anumite benzi și chiar a efectului feedback-ului asupra planeității curbei. De acolo, se pot face modificări la circuit, la cablare sau la alegerea componentelor pentru a regla fin performanța.

Armonice, FFT-uri și relația lor cu ceea ce auzim de fapt

O altă familie foarte puternică de teste se învârte în jurul armonicele și conținutul spectral al semnaluluiAbordarea tipică aici este de a aplica cea mai pură undă sinusoidală posibilă la intrarea amplificatorului și de a analiza ieșirea cu o FFT, fie cu osciloscopul în sine (dacă include această funcție), fie cu un software care utilizează placa de sunet ca interface de captură.

În domeniul frecvenței, scopul este de a vedea ce armonice apar pe lângă fundamentală și care sunt nivelurile lor relative. Suntem interesați să distingem între armonice pare și imparecare sunt de obicei percepute diferit de ureche, precum și între distorsiunea de ordin inferior (care este adesea plăcută sau „muzicală”) și distorsiunea de ordin superior, care este mai agresivă și obositoare.

Aici intervine un aspect curios: Ceea ce pare oribil pe ecran nu corespunde întotdeauna cu ceea ce percepem ca fiind rău atunci când îl auzim.De exemplu, un amplificator de clasă D foarte ieftin și de dimensiuni reduse ar putea afișa o formă de undă destul de neplăcută pe un osciloscop, cu urme ale frecvenței de comutare, zgomot de înaltă frecvență și neregularități minore. Cu toate acestea, atunci când este testat ascultând muzică prin difuzoare, sunetul se poate dovedi perfect acceptabil pentru intervalul de preț.

Acest lucru se datorează parțial faptului că urechea umană filtrează multe dintre aceste imperfecțiuni, în special atunci când acestea sunt în afara intervalului audibil sau la niveluri foarte scăzute. În plus, difuzoarele și filtrele de ieșire ale amplificatorului atenuează o mare parte din zgomotul de comutare. Prin urmare, în special în amplificatoare ieftine sau proiecte DIY simpleCel mai bine este să nu ne agățăm prea mult de fiecare mică creștere a FFT dacă rezultatul practic ne satisface nevoile.

În echipamentele de înaltă performanță, desigur, povestea se schimbă: se așteaptă ca forma de undă să fie exemplară, conținutul armonic strict controlat, iar nivelurile THD extrem de scăzute. Dar chiar și în acest context, înțelegerea tipului de distorsiune generată ajută la explicarea motivului pentru care anumite amplificatoare, cu specificații foarte similare, sună diferit atunci când le ascultăm efectiv.

Zgomot, zumzet, radiofrecvență și oscilații care trec neobservate

Dincolo de distorsiunea armonică, osciloscopul este un instrument magnific pentru urmărirea zgomote și oscilații care sunt uneori confundate cu „lucruri normale” Sau sunt abia vizibile, dar sunt acolo, încălzind componente sau interferând cu alte dispozitive. Multe dintre aceste probleme sunt legate de alimentarea cu energie electrică, împământarea și cablajul intern.

Printre cele mai frecvente fenomene găsim zgomot termic de fond și zgomotul provenit de la componentele active în sine, care apare pe ecran ca un fel de ceață aleatorie; zumzetul clasic de 50/60 Hz și armonicele sale, cauzate de surse sau bucle de masă slab filtrate; interferențe de radiofrecvență cuplate prin aer sau cabluri prost ecranate; și oscilații de înaltă frecvență produse de feedback prost compensat sau proiectări neglijente ale PCB-urilor.

Pentru acest tip de testare, intrarea amplificatorului este de obicei lăsată deschisă. scurtcircuitat (la masă)Ieșirea este conectată la o sarcină adecvată, iar osciloscopul este utilizat pentru a observa această ieșire cu diferite scale de timp și sensibilități. Schimbarea bazei de timp face vizibile atât un zumzet de joasă frecvență, cât și posibile oscilații în intervalul kHz sau chiar MHz, care pot fi invizibile pentru ureche.

Aceste probleme sunt deosebit de frecvente în amplificatoarele cu tuburi, deoarece implică tensiuni ridicate, transformatoare voluminoase, cablaje punct-la-punct și împământări distribuite care, dacă nu sunt proiectate cu atenție, creează un mediu propice pentru... zumzet, cuplaje și recepție RFOsciloscopul ajută la localizarea locului în circuit unde apare problema și ce modificări (reordonarea maselor, răsucirea perechilor de fire, îmbunătățirea ecranării etc.) au un efect real.

Dacă osciloscopul este combinat cu un software de analiză spectrală, se obține o imagine foarte clară a frecvențelor la care este concentrat zgomotul. Acest lucru ne permite să distingem dacă sursa este rețeaua electrică (50/60 Hz și multipli), semiconductorii înșiși, transformatorul de ieșire, un design defectuos al plăcii sau interferențe externe de la radiouri, routere, telefoane fără fir etc. În acest fel, îmbunătățirile nu se mai fac „orbește” și începem să lucrăm cu... teste obiective care confirmă dacă o modificare a fost utilă sau nu

În final, cu un osciloscop de bază, niște software gratuit, câteva încărcări de testare și dorința de a experimenta, poți pune la punct un... Mini laborator de acasă surprinzător de capabilIndiferent dacă scopul este de a stoarce până la ultima picătură de performanță dintr-un modul Clasa D extrem de ieftin sau de a regla fin un proiect cu tuburi de înaltă tensiune, aceleași tehnici de măsurare, atunci când sunt înțelese corect, ne permit să reconciliem numerele și graficele cu ceea ce ne spun urechile noastre și să învățăm pe parcurs de ce un amplificator ieftin care arată ca un dezastru pe ecran funcționează mai mult decât adecvat în sufragerie, în timp ce un design mai atent dezvăluie în grafice de ce sună atât de curat și controlat.