Kompletný návod na testovanie audio zosilňovačov pomocou osciloskopu

Informatec Digital » Zdroje » Kompletný návod na testovanie audio zosilňovačov pomocou osciloskopu

Keď sa začneme hrať so zosilňovačmi, skôr či neskôr príde moment, kedy sa musíme posunúť od typického „znie to nahlas“ k túžbe dozvedieť sa viac. čo ten obvod vlastne robí vo vnútri?Najmä keď si kúpime lacný zosilňovač triedy D z internetu alebo si postavíme domáci elektrónkový zosilňovač, je normálne, že sa pýtame, či priebehy, ktoré vidíme na osciloskope, znamenajú, že zariadenie je dobré, zlé alebo jednoducho „slušné za tú cenu“.

Mnohých nadšencov prekvapí, že desaťeurový zosilňovač kúpený na AliExpress zobrazuje na osciloskope dosť „špinavý“ signál so zvyškami prepínania a vysokofrekvenčným šumom, a napriek tomu je pri hraní so skutočnou hudbou zvuk viac než prijateľný. Tento typ situácie nás núti pochopiť, že Meranie audio zosilňovača osciloskopom nie je len o kontrole pekného tvaru vlny.ale skôr interpretovať to, čo vidíme, vedieť, ktoré dôkazy dávajú zmysel a ako ich dať do kontextu s tým, čo počujú naše uši.

Prečo má zmysel merať audio zosilňovače osciloskopom

Keď začínate vo svete audiofilov alebo stavby zosilňovačov svojpomocne, je bežné si myslieť, že pokiaľ niečo „neskresľuje zvuk ucha“, je to dosť dobré. Zvedavosť to však čoskoro narastie. Ak sa zosilňovač vypína, koľko šumu produkuje a ako zvláda rôzne frekvencie? alebo ak osciluje tam, kde by nemal. Vtedy prichádza na rad osciloskop spolu s generátorom signálu alebo, ak to nie je možné, bezplatný softvér, ktorý funguje ako generátor aj analyzátor.

Kľúčom je nastaviť si určitý druh domáce minilaboratórium kde môžeme vykonávať testy veľmi podobné tým na profesionálnej testovacej stolici, ale s ľahko dostupnými nástrojmi: fyzickým osciloskopom (alebo softvérom používajúcim zvukovú kartu), generátorom funkcií alebo počítačom, ktorý vysiela rozmítanie a tóny cez audio výstup, a niektorými záťažami a atenuátormi. S tým môžeme získať veľmi užitočné údaje z akéhokoľvek zosilňovača, od vysoko presného elektrónkového zosilňovača až po lacný modul triedy D.

Okrem toho tieto typy meraní pomáhajú vyvrátiť mýtus, že akýkoľvek „škaredý“ priebeh je synonymom zlého zvuku. Niekedy je opak pravdou: Grafika môže byť strašidelná, ale zvukový výsledok sedí perfektne. s tým, čo očakávame od lacného alebo základného zariadenia. Samozrejme, špičkové zariadenia vyžadujú bezchybné priebehy a skreslenie, ale kontext je kľúčový.

Ďalším zaujímavým bodom je, že mnohé z týchto testov sa spoliehajú na Bezplatný softvér na analýzu zvukuTieto programy, navrhnuté pre prácu so zvukovou kartou počítača, umožňujú veľmi vizuálne zobraziť spektrá, harmonické, frekvenčnú odozvu, úrovne THD atď., vďaka čomu sú ideálnym doplnkom ku klasickému osciloskopu.

Stručne povedané, meranie pomocou osciloskopu a softvéru nie je len pre inžinierov: zvládne to každý amatér s trochou starostlivosti a ochotou učiť sa. vyťažte zo svojich zosilňovačov oveľa viac, upravovať návrhy, zisťovať chyby a predovšetkým pochopiť, prečo vaše zariadenie znie tak, ako znie.

Základné pojmy pred pripojením osciloskopu

Predtým, ako začnete zasúvať sondu osciloskopu do akejkoľvek časti obvodu, je dobré si ujasniť niekoľko vecí. elektrické koncepty, ktoré sa budú objavovať znova a znovaImpedancia, skreslenie, frekvenčná odozva, harmonické, saturácia, šum pozadia, brum zo siete atď. Nemusíte byť inžinier, ale musíte vedieť, čo sa vlastne snažíte merať.

Pri testoch audio zosilňovačov vždy rozlišujeme časť nízkofrekvenčné signály (vlastný zvuk) A v niektorých nastaveniach aj rádiofrekvenčná (RF) zložka, napríklad pri práci so zosilňovačmi, ktoré pracujú s frekvenciou okolo 1 MHz. V týchto scenároch sa objavujú prvky ako blokátor jednosmerného prúdu, terminátor 50 Ω a niekedy aj špecifické RF atenuátory.

V RF môže typický reťazec vyzerať takto: RF zosilňovač → DC blokátor → záťaž 50 Ω alebo terminátorPochopenie funkcie každej súčasti zabraňuje nákladným chybám, pretože sa zaoberáme úrovňami výkonu a frekvenciami, kde jediné prehliadnutie môže okamžite niečo pokaziť. V čistom audiu sa však situácia mení a namiesto obáv o 50 Ω linky sa zameriavame na vstupnú a výstupnú impedanciu, skreslenie, orezávanie a šum.

Osciloskop, nech je akokoľvek jednoduchý, nám umožňuje vidieť priebeh vlny v priebehu času, detekovať orezávanie, oscilácie, zvláštne hroty, hučanie alebo vysokofrekvenčný šumAk má aj funkciu FFT alebo ju skombinujeme s analytickým softvérom, môžeme vidieť aj frekvenčný obsah a harmonické rozloženie, čo otvára dvere k pomerne serióznym meraniam THD a frekvenčnej odozvy.

Nakoniec je dôležité zvážiť obmedzenia samotného meracieho zariadenia: povolený rozsah napätia, vstupná impedancia, šírka pásma, typ sondy atď. Znalosť týchto informácií je nevyhnutná pre rozhodnutie, či môžeme osciloskop pripojiť priamo k výstupu zosilňovača, alebo či potrebujeme... sonda s atenuátorom 10:1 alebo ďalší atenuátor aby sa predišlo prekročeniu rozsahu alebo prílišnej zmene testovaného obvodu.

Základné testy audio zosilňovačov: čo sa oplatí merať

Ak chcete ísť nad rámec „znie to dobre“, mali by ste zvážiť relatívne štandardnú sériu testov, ktoré vám poskytnú technickú predstavu o výkone zosilňovača. V profesionálnom svete sa meria veľa parametrov, ale pri domácich zariadeniach sa môžeme zamerať na... Niekoľko z nich poskytuje veľa informácií bez toho, aby veci príliš komplikovali.

Medzi najužitočnejšie testy patrí meranie vstupná impedancia (aby sa zistilo, akú záťaž vidí zdroj signálu), výstupná impedancia (aby ste pochopili, ako ovláda reproduktor a faktor tlmenia), impedancie medzi stupňami (veľmi zaujímavé v elektrónkových zosilňovačoch s niekoľkými stupňami zosilnenia), ako aj rôzne typy harmonického skreslenia, s pripojenou negatívnou spätnou väzbou aj bez nej.

Je tiež veľmi poučné študovať saturácia zosilňovača sínusovou vlnouToto zobrazuje vstupnú úroveň, po ktorú signál zostáva čistý a v akom bode zosilňovač začína „orezávať“. Osciloskop jasne zobrazuje prechod z „okrúhleho“ sínusového signálu na signál so sploštenými vrcholmi, buď symetrickými, alebo asymetrickými v závislosti od návrhu obvodu.

Okrem týchto testov viac zameraných na linearitu sa oplatí venovať čas aj meraniam šum, brum zo siete, rušenie rádiových frekvencií a možné oscilácie mimo zvukového pásma. Mnohé zdanlivo tiché zosilňovače v skutočnosti kmitajú v ultrazvukovom rozsahu, čo môže zahrievať súčiastky, spôsobovať nestability alebo rušiť iné zariadenia, aj keď to pre ucho nie je nič badateľné.

Nakoniec je možné vykonať analýzy na frekvenčná odozva a spektráKontrola zmeny zosilnenia v basoch, stredoch a výškach, kde začína úroveň klesať, či sa vyskytujú nežiaduce rezonancie atď. Napríklad v elektrónkových zosilňovačoch s výstupným transformátorom tieto testy pomáhajú zistiť, do akej miery transformátor obmedzuje extrémy pásma.

Použitie osciloskopu vo RF zostavách: DC blokátor, terminátor a atenuátor

Keď zosilňovač, s ktorým pracujeme, nie je len na zvuk, ale RF zosilňovač pracujúci okolo 1 MHz alebo viac, vzniká rad ďalších úvah týkajúcich sa prispôsobenia impedancie a ochrany meracieho zariadenia. V týchto prípadoch je veľmi bežné nájsť zostavy, ktoré obsahujú blokátory jednosmerného prúdu a terminátory 50 Ω na výstupe.

Blokátor jednosmerného prúdu je umiestnený tak, aby eliminovať akúkoľvek súvislú zložku ktorý by mohol pochádzať zo zosilňovača a mohol by poškodiť záťaž aj zariadenia za ním. V podstate ide o kondenzátor dimenzovaný tak, aby pracoval v požadovanom frekvenčnom pásme bez toho, aby spôsobil znateľný pokles signálu.

Ďalej sa zvyčajne pripojí RF terminátor, typicky Rezistor 50 Ω pôsobiaci ako prispôsobená záťažToto zabraňuje odrazu signálu od vedenia a vytvára stabilné prevádzkové podmienky pre zosilňovač. Ak je systém navrhnutý pre 50 Ω, použitie tohto typu terminátora je prakticky nevyhnutné.

Typická otázka znie, či je možné osciloskop pripojiť priamo k tejto RF linke, alebo či je potrebný špeciálny atenuátor. Odpoveď závisí od úrovne napätia a výstupnej impedancie zosilňovača, ako aj od kapacity kanála osciloskopu. V mnohých prípadoch... Sonda 10:1 už funguje ako atenuátor a znižuje vplyv na obvod.V čistej rádiofrekvenčnej sieti je však veľmi bežné používať kalibrované atenuátory, ktoré udržiavajú prispôsobenie 50 Ω v celom reťazci.

Ak používame lacný zosilňovač pre prácu s drahým vybavenímJe nevyhnutné poznať maximálne napätie, ktoré môže stupeň dodať, typ záťaže, pre ktorú je určený, a obmedzenia vášho osciloskopu. To určí, či postačuje jednoduchá útlumová sonda, či je potrebný pevný útlumový člen, napríklad 10 dB alebo 20 dB, alebo či je výhodné rozdeliť časť signálu pomocou rozbočovača alebo smerového väzobného člena.

Meracie elektrónkové zosilňovače: typické testy a ich interpretácia

Lampové zosilňovače majú zvláštne čaro: miešajú Remeselné spracovanie, klasický dizajn a poriadna dávka zvukovej subjektivityOkrem toho, že výsledok znie „skvele“ pre ucho, je však veľmi užitočné podrobiť ich sérii štandardných testov, aby sme pochopili, čo skutočne robia a aký majú priestor na zlepšenie.

Jedným z prvých odporúčaných meraní je vstupná impedanciaZnalosť vstupnej impedancie zdroja signálu (predzosilňovač, DAC, pedál atď.) pomáha vyhnúť sa nadmerne nízkemu zaťaženiu, ktoré by mohlo zaťažiť predchádzajúci stupeň, zmeniť jeho frekvenčnú odozvu alebo spôsobiť ďalšie skreslenie. Vysoká vstupná impedancia je vo všeobecnosti pre zdroj pohodlná, hoci môže tiež zvýšiť citlivosť obvodu na šum a dlhé káble.

La výstupná impedancia Toto je rovnako dôležité, pretože určuje rozsah, do akého zosilňovač riadi pohyb reproduktora. V elektrónkových zosilňovačoch hrá kľúčovú úlohu výstupný transformátor a jeho konštrukcia ovplyvňuje tlmiaci faktor aj rozšírenie basových a výškových frekvencií. Meraním správania sa výstupu pri rôznych zaťaženiach môžeme získať predstavu o skutočnom súlade medzi zosilňovačom a reproduktormi.

Zaujímavé je aj analyzovať, impedancie medzi stupňami v samotnom zosilňovačiPlatí to najmä v prípade konštrukcií s viacerými zosilňovacími ventilmi a katódovými sledovačmi. Slabé medzistupňové prepojenie môže viesť k poklesom úrovne, orezaniu vysokých pásiem alebo dokonca k nestabilitám, zatiaľ čo správne dimenzovanie zaisťuje čistý a predvídateľný prenos signálu.

Ďalšou kľúčovou oblasťou je štúdium celkové harmonické skreslenie (THD) s negatívnou spätnou väzbou a bez nejSpätná väzba výrazne znižuje skreslenie a zvyčajne splošťuje frekvenčnú odozvu, ale tiež mení rozloženie harmonických (párne, nepárne, vyššieho rádu atď.). Meraním s čistou sínusovou vlnou a pozorovaním spektra môžeme vidieť, ktoré harmonické prevládajú a ako sa ich úroveň mení, keď je spätnoväzobná slučka pripojená alebo odpojená.

Nakoniec, testy saturácia a orezávanie so sínusovými signálmi Ukazujú nám, ako sa zosilňovač správa, keď sa blíži k svojmu limitu. Amplitúda vstupného signálu sa postupne zvyšuje, až kým sa na osciloskope neobjavia sploštené vrcholy. Typ orezania (mäkké, tvrdé, symetrické, asymetrické) prezrádza veľa o charaktere zariadenia a pomáha pochopiť, prečo sa niektoré zosilňovače pri zaťažení „rozpadajú“ príjemnejšie ako iné.

Frekvenčná odozva a použitie bezplatného softvéru

Jedným z najprínosnejších testov, a to aj s veľmi základným vybavením, je meranie frekvenčná odozva zosilňovačaCieľom je pochopiť, ako sa mení zisk v celom zvukovom rozsahu (napríklad od 20 Hz do 20 kHz) a odhaliť poklesy, vrcholy alebo nepravidelnosti, ktoré sa potom premietajú do tmavšieho, jasnejšieho alebo „nafúknutého“ zvuku.

Na vykonanie tohto testu môžete použiť generátor funkcií, ktorý vykonáva frekvenčné rozmítanie, ale veľa ľudí sa uchyľuje k Bezplatný softvér, ktorý generuje rozmítanie alebo ružový/biely šum z počítača a posiela ho cez zvukovú kartu. Ďalšou možnosťou je prehrať vopred pripravené súbory WAV s rozmítaniami alebo testovacími šummi a analyzovať výstup zosilňovača.

Meranie je možné vykonať priamo osciloskopom na výstupe zosilňovača, pričom sa zaznamená amplitúda signálu pri rôznych frekvenciách a potom sa zostrojí krivka. Oveľa pohodlnejšie je však použiť samotná zvuková karta ako merací prístroj, pripojením výstupu zosilňovača k jeho linkovému vstupu (vždy s vhodnými atenuátormi a ochranami) a ponechaním softvéru, aby vykreslil graf magnitúdy a dokonca aj fázy.

Existuje mnoho bezplatných programov určených na meranie zvukových zariadení: umožňujú vám zobraziť krivku frekvenčnej odozvy, analyzovať šumové spektrum, vypočítať THD atď. V kombinácii s minimálnou starostlivosťou, aby sa predišlo preťaženiu vstupu počítača, dokážu premeniť bežný počítač na... lacný zvukový analyzátorJe dôležité mať na pamäti, že aj zvuková karta má svoje obmedzenia, ale pre väčšinu domácich prác je viac než dostatočná.

Tieto typy testov ich dokážu bez námahy odhaliť. poklesy vo vážnom stave kvôli výstupnému transformátoruProgresívne straty výšok v dôsledku parazitných kapacít, nežiaducich rezonancií v určitých pásmach a dokonca aj vplyvu spätnej väzby na plochosť krivky. Na základe toho je možné vykonať úpravy obvodu, zapojenia alebo výberu komponentov na jemné doladenie výkonu.

Harmonické, FFT a ich vzťah k tomu, čo skutočne počujeme

Ďalšia veľmi účinná skupina testov sa točí okolo harmonické a spektrálne zloženie signáluTypický prístup je priviesť na vstup zosilňovača čo najčistejšiu sínusovú vlnu a analyzovať výstup pomocou FFT, buď pomocou samotného osciloskopu (ak túto funkciu obsahuje), alebo pomocou softvéru, ktorý používa zvukovú kartu ako vstupný bod pre zachytávanie.

Vo frekvenčnej oblasti je cieľom zistiť, ktoré harmonické sa objavujú okrem základnej a aké sú ich relatívne úrovne. Zaujíma nás rozlišovanie medzi párne a nepárne harmonickéktoré sú zvyčajne vnímané sluchom odlišne, ako aj medzi skreslením nízkeho rádu (ktoré je často príjemné alebo „hudobné“) a skreslením vysokého rádu, ktoré je agresívnejšie a únavnejšie.

Tu prichádza na rad zaujímavý aspekt: To, čo sa na obrazovke zdá hrozné, sa nie vždy zhoduje s tým, čo vnímame ako zlé, keď to počujeme.Napríklad veľmi lacný, malý zosilňovač triedy D môže na osciloskope zobrazovať dosť nepríjemný priebeh signálu so zvyškami spínacej frekvencie, vysokofrekvenčným šumom a menšími nepravidelnosťami. Pri skutočnom testovaní počúvaním hudby cez reproduktory sa však zvuk môže ukázať ako úplne prijateľný pre danú cenovú kategóriu.

Je to čiastočne preto, že ľudské ucho filtruje mnohé z týchto nedokonalostí, najmä ak sú mimo počuteľného rozsahu alebo na veľmi nízkych úrovniach. Okrem toho reproduktory a vlastné výstupné filtre zosilňovača tlmia veľkú časť prepínacieho šumu. Preto najmä v lacné zosilňovače alebo jednoduché DIY projektyNajlepšie je príliš sa nezaoberať každou malou špičkou FFT, ak praktický výsledok spĺňa naše potreby.

V špičkových zariadeniach sa samozrejme situácia mení: očakáva sa príkladný priebeh signálu, prísne kontrolovaný harmonický obsah a extrémne nízke úrovne THD. Ale aj v tomto kontexte pochopenie typu generovaného skreslenia pomáha vysvetliť, prečo určité zosilňovače s veľmi podobnými špecifikáciami znejú odlišne, keď ich skutočne počúvame.

Hluk, hučanie, rádiofrekvencia a oscilácie, ktoré zostávajú nepovšimnuté

Okrem harmonického skreslenia je osciloskop skvelým nástrojom na sledovanie zvuky a kmitanie, ktoré sa niekedy mylne považujú za „normálne veci“ Alebo sú sotva viditeľné, ale sú tam, zahrievajú komponenty alebo rušia iné zariadenia. Mnohé z týchto problémov súvisia s napájaním, uzemnením a vnútorným zapojením.

Medzi najčastejšie javy patrí tepelný šum pozadia a šum zo samotných aktívnych komponentov, ktorý sa na obrazovke objavuje ako druh náhodnej hmly; klasický 50/60 Hz brum a jeho harmonické kmity spôsobené zle filtrovanými zdrojmi alebo zemnými slučkami; rádiofrekvenčné rušenie prenášané vzduchom alebo zle tienenými káblami; a vysokofrekvenčné oscilácie spôsobené zle kompenzovanou spätnou väzbou alebo nedbanlivým návrhom dosiek plošných spojov.

Pri tomto type testovania sa vstup zosilňovača zvyčajne ponechá otvorený. skratovaný (so zemou)Výstup je pripojený k vhodnej záťaži a osciloskop sa používa na pozorovanie tohto výstupu s rôznymi časovými mierkami a citlivosťami. Zmenou časovej základne sa zviditeľní nízkofrekvenčný brum a možné oscilácie v rozsahu kHz alebo dokonca MHz, ktoré môžu byť pre ucho neviditeľné.

Tieto problémy sú obzvlášť bežné v elektrónkových zosilňovačoch, pretože zahŕňajú vysoké napätie, objemné transformátory, bodové zapojenie a distribuované uzemnenia, ktoré, ak nie sú starostlivo navrhnuté, vytvárajú živnú pôdu pre... brum, väzby a RF snímačOsciloskop pomáha lokalizovať, kde v obvode sa problém vyskytuje a aké úpravy (zmena poradia uzemnení, skrútenie párov vodičov, zlepšenie tienenia atď.) majú skutočný vplyv.

Ak sa osciloskop skombinuje so softvérom na spektrálnu analýzu, získa sa veľmi jasný obraz frekvencií, na ktorých je šum koncentrovaný. To nám umožňuje rozlíšiť, či je zdrojom elektrická sieť (50/60 Hz a násobky), samotné polovodiče, výstupný transformátor, zlý návrh dosky s obvodom alebo externé rušenie z rádií, smerovačov, bezdrôtových telefónov atď. Týmto spôsobom sa vylepšenia už nerobia „naslepo“ a začíname pracovať s... objektívne testy, ktoré potvrdzujú, či bola modifikácia užitočná alebo nie.

Nakoniec, so základným osciloskopom, nejakým bezplatným softvérom, niekoľkými testovacími záťažami a ochotou experimentovať, si môžete dať dokopy Prekvapivo schopné mini domáce laboratóriumČi už je cieľom vyžmýkať z lacného modulu triedy D maximum výkonu alebo doladiť projekt s vysokonapäťovými elektrónkami, tie isté techniky merania, ak sú správne pochopené, nám umožňujú zosúladiť čísla a grafy s tým, čo nám hovoria naše uši, a popri tom sa naučiť, prečo lacný zosilňovač, ktorý na obrazovke vyzerá ako katastrofa, funguje v obývačke viac než primerane, zatiaľ čo starostlivejší dizajn v grafoch odhaľuje, prečo znie tak čisto a kontrolovane.