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 prekročíme rámec typického „znie to nahlas“ a začneme chcieť vedieť, čo obvody vlastne robia vo vnútri . Najmä keď si kúpime lacný zosilňovač triedy D online alebo si zostavíme 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“.

Mnoho audiofilov prekvapí, keď zistia, že desaťeurový zosilňovač kúpený na AliExpress zobrazuje na osciloskope dosť „špinavý“ signál so zvyškami prepínania a vysokofrekvenčným šumom, no pri prehrávaní so skutočnou hudbou je zvuk viac než prijateľný. Takáto situácia nás núti pochopiť, že meranie audio zosilňovača osciloskopom nie je len o kontrole, či priebeh vyzerá dobre , ale o interpretácii toho, čo vidíme, o tom, ktoré testy sú zmysluplné a ako ich dať do kontextu s tým, čo naše uši skutočne počujú.

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. Čoskoro však vznikne zvedavosť a chcete skontrolovať, či zosilňovač nekreslí, koľko šumu prináša, ako spracováva rôzne frekvencie alebo či osciluje tam, kde by nemal. Vtedy prichádza na rad osciloskop spolu s generátorom signálu alebo, ak to nie je možné, bezplatným softvérom, ktorý funguje ako generátor aj analyzátor.

Kľúčom je zriadiť si akési domáce mini-laboratórium , kde môžeme vykonávať testy veľmi podobné tým na profesionálnej testovacej stolici, ale s ľahko dostupnými nástrojmi: fyzickým osciloskopom (alebo softvérovým osciloskopom používajúcim zvukovú kartu), generátorom funkcií alebo počítačom, ktorý vysiela rozmítanie a tóny cez audio výstup, a niektorými záťažami a atenuátormi. S tým môžete 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: grafy môžu byť alarmujúce, ale výsledný zvuk dokonale zodpovedá tomu, čo očakávame od lacného alebo základného systému. 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 zvuku, ktorý je navrhnutý pre prácu so zvukovou kartou počítača. Tieto programy vám umožňujú zobraziť spektrá, harmonické, frekvenčnú odozvu, úrovne THD a ďalšie veľmi vizuálnym spôsobom, vďaka čomu sú ideálnym doplnkom k tradičnému osciloskopu.

Stručne povedané, meranie pomocou osciloskopu a softvéru nie je len pre inžinierov: každý amatér s trochou starostlivosti a ochotou učiť sa môže zo svojich zosilňovačov vyťažiť oveľa viac , doladiť návrhy, odhaliť chyby a predovšetkým pochopiť, prečo ich zariadenie znie tak, ako znie.

Základné pojmy pred pripojením osciloskopu

Predtým, ako začnete zasúvať sondu osciloskopu do akejkoľvek časti obvodu, je dobré pochopiť niekoľko elektrických konceptov, ktoré sa budú opakovane objavovať : impedancia, skreslenie, frekvenčná odozva, harmonické, saturácia, šum pozadia, brum zo siete atď. Nemusíte byť inžinier, ale musíte vedieť, čo sa snažíte merať.

Pri testovaní audio zosilňovačov vždy rozlišujeme medzi nízkofrekvenčnou časťou signálu (samotný zvuk) a v niektorých nastaveniach aj rádiofrekvenčnou (RF) časťou, napríklad pri práci so zosilňovačmi pracujúcimi okolo 1 MHz. V týchto scenároch sa používajú komponenty ako blokátory jednosmerného prúdu, terminátory s odporom 50 Ω a niekedy aj špecializované RF atenuátory.

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

Dokonca aj jednoduchý osciloskop nám umožňuje sledovať priebehy v čase, detekovať orezávanie, oscilácie, nezvyčajné vrcholy, brum alebo vysokofrekvenčný šum . Ak má aj funkciu FFT alebo ak ju skombinujeme s analytickým softvérom, môžeme vidieť aj frekvenčný obsah a harmonické rozloženie, čo otvára dvere k pomerne presným meraniam THD a frekvenčnej odozvy.

Nakoniec je potrebné zvážiť obmedzenia samotného meracieho zariadenia: povolený rozsah napätia, vstupnú impedanciu, šírku pásma, typ sondy atď. Znalosť týchto údajov je nevyhnutná pre rozhodnutie, či môžeme osciloskop pripojiť priamo k výstupu zosilňovača, alebo či potrebujeme sondu s útlmovým článkom 10:1 alebo ďalší útlmový článok, aby sme predišli prekročeniu rozsahu alebo nadmernej zmene testovaného obvodu.

Základné testy audio zosilňovačov: čo sa oplatí merať

Ak chcete ísť nad rámec jednoduchého tvrdenia „znie to dobre“, mali by ste zvážiť relatívne štandardnú sériu testov, ktoré vám poskytnú technické pochopenie výkonu zosilňovača. V profesionálnom svete sa meria veľa parametrov, ale pri domácich zariadeniach sa môžete zamerať na niekoľko, ktoré poskytujú veľa informácií bez toho, aby ste veci príliš komplikovali.

Medzi najužitočnejšie testy patrí meranie vstupnej impedancie (aby sme vedeli, akú záťaž vníma zdroj signálu), výstupnej impedancie (aby sme pochopili, ako sa reproduktor riadi a aký je tlmiaci faktor), impedancií medzi stupňami (veľmi zaujímavé pri elektrónkových zosilňovačoch s niekoľkými stupňami zosilnenia), ako aj rôznych typov harmonického skreslenia, a to s pripojenou negatívnou spätnou väzbou aj bez nej.

Veľmi ilustratívne je tiež štúdium saturácie zosilňovača so sínusovou vlnou : do akej vstupnej úrovne zostáva signál čistý a od ktorého bodu zosilňovač začína „orezávať“ signál. Osciloskop jasne ukazuje prechod z „okrúhlej“ sínusovej vlny na signál so sploštenými vrcholmi, symetrickými alebo asymetrickými v závislosti od návrhu obvodu.

Okrem týchto testov zameraných na linearitu sa oplatí venovať čas meraniu šumu, brumu zo siete, rádiofrekvenčného rušenia a akýchkoľvek mimopásmových kmitov. Mnohé zdanlivo tiché zosilňovače v skutočnosti kmitajú v ultrazvukovom rozsahu, čo môže zahrievať súčiastky, spôsobovať nestability alebo rušiť iné zariadenia, aj keď je to pre ucho nepostrehnuteľné.

Nakoniec je možné vykonať analýzu frekvenčnej odozvy a spektra , pričom sa skontroluje, ako sa mení zisk v basových, stredných a vysokých frekvenciách, 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 audio zosilňovač, ale RF zosilňovač pracujúci s frekvenciou okolo 1 MHz alebo vyššou, vzniká množstvo 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 s odporom 50 Ω na výstupe.

Blokátor jednosmerného prúdu sa inštaluje na elimináciu akejkoľvek jednosmernej zložky , ktorá by mohla pochádzať zo zosilňovača a poškodiť záťaž aj následné zariadenia. V podstate ide o kondenzátor dimenzovaný na prevádzku v požadovanom frekvenčnom pásme bez toho, aby došlo k citeľnému poklesu signálu.

Ďalej sa zvyčajne pripojí RF terminátor, zvyčajne 50 Ω rezistor, ktorý funguje ako prispôsobená záťaž . To zabraňuje odrazom signálu pozdĺž vedenia a vytvára stabilné prevádzkové podmienky pre zosilňovač. Ak je systém navrhnutý pre 50 Ω, použitie tohto typu terminátora je prakticky nevyhnutné.

Typickou otázkou je, či je možné osciloskop pripojiť priamo k tejto RF linke, alebo či je potrebný špecifický 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 , ale v čistej RF je tiež veľmi bežné používať kalibrované atenuátory, ktoré udržiavajú impedančnú zhodu 50 Ω v celom reťazci.

Ak používame lacný zosilňovač na prácu s drahým zariadením , je nevyhnutné poznať maximálne napätie, ktoré môže stupeň dodať, typ záťaže, pre ktorú je určený, a obmedzenia nášho osciloskopu. Na základe toho sa môžeme rozhodnúť, či je postačujúca útlumová sonda, či je potrebný pevný útlmový člen napríklad s hodnotou 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: spájajú v sebe remeselné spracovanie, klasický dizajn a zdravú dávku zvukovej subjektivity . Okrem toho, že znejú dobre, je však veľmi užitočné podrobiť ich sérii štandardných testov, aby ste pochopili, čo vlastne robia a aký je priestor na zlepšenie.

Jedným z prvých odporúčaných meraní je vstupná impedancia . Znalosť odporu, ktorému je vystavený zdroj 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 zvyčajne pre zdroj pohodlná, hoci môže tiež zvýšiť citlivosť obvodu na šum a dlhé káble.

Výstupná impedancia je rovnako dôležitá, 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.

Je tiež zaujímavé analyzovať impedancie medzi stupňami v samotnom zosilňovači , najmä v konštrukciách s viacerými zosilňovacími elektrónkami a katódovými sledovačmi. Zlé prispôsobenie impedancie medzi stupňami môže spôsobiť poklesy úrovne, orezávanie vysokých pásiem alebo dokonca nestability, zatiaľ čo správne dimenzovanie zaisťuje čistý a predvídateľný prenos signálu.

Ďalšou kľúčovou oblasťou je štúdium celkového harmonického skreslenia (THD) s negatívnou spätnou väzbou a bez nej . Spätná 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 spätnoväzbová slučka pripojená alebo odpojená.

Nakoniec, testy saturácie a orezania so sínusovými signálmi nám ukazujú, 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 vysvetliť, 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 frekvenčnej odozvy zosilňovača . Cieľom 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 „zosilneného“ zvuku.

Na vykonanie tohto testu môžete použiť generátor funkcií, ktorý vykonáva frekvenčné rozmítanie, ale veľa ľudí používa bezplatný softvér, ktorý generuje rozmítanie alebo ružovo-biely šum z počítača a odosiela 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 ako merací prístroj samotnú zvukovú kartu , pripojiť výstup zosilňovača k jeho linkovému vstupu (vždy s vhodnými atenuátormi a ochranou) a nechať softvér vykresliť grafy 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 a mnoho ďalšieho. V kombinácii s minimálnou starostlivosťou o preťaženie vstupu počítača dokážu premeniť bežný počítač na lacný zvukový analyzátor . Je dôležité mať na pamäti, že zvuková karta má tiež svoje obmedzenia, ale pre väčšinu domácich aplikácií je viac než postačujúca.

Tieto typy testov dokážu ľahko odhaliť poklesy basov spôsobené výstupným transformátorom , progresívne straty výšok v dôsledku parazitných kapacít, nežiaduce rezonancie v určitých pásmach a dokonca aj vplyv spätnej väzby na plochosť frekvenčnej odozvy. 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 sada testov sa zameriava na harmonické a spektrálny obsah signálu . Typicky ide o privedenie čo najčistejšej sínusovej vlny na vstup zosilňovača a analýzu výstupu pomocou rýchlej premennej (FFT), buď pomocou samotného osciloskopu (ak túto funkciu obsahuje), alebo softvéru, ktorý používa zvukovú kartu ako vstupný bod pre zachytávanie.

Vo frekvenčnej oblasti je cieľom identifikovať, ktoré harmonické sa objavujú okrem základnej a ich relatívne úrovne. Zaujíma nás rozlišovanie medzi párnymi a nepárnymi harmonickými , ktoré sú často 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 kuriózny aspekt: ​​to, čo vyzerá na obrazovke hrozne, sa nie vždy zhoduje s tým, čo vnímame ako zlé pri počúvaní . Napríklad veľmi lacný, malý zosilňovač triedy D môže na osciloskope zobrazovať dosť nevzhľadný priebeh signálu so zvyškami spínacej frekvencie, vysokofrekvenčným šumom a menšími nepravidelnosťami. Pri skutočnom testovaní počúvaním hudby cez reproduktory však môže byť zvuk v danej cenovej kategórii úplne prijateľný.

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 spínacieho šumu. Preto, najmä pri lacných zosilňovačoch alebo jednoduchých DIY projektoch , je najlepšie nezaoberať sa každým malým vrcholom 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 vynikajúcim nástrojom na sledovanie šumov a kmitov, ktoré sa niekedy mylne považujú za „normálne“ šumy alebo sú sotva viditeľné, ale napriek tomu sú prítomné, zahrievajú súčiastky 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 je vstup zosilňovača zvyčajne skratovaný (so zemou) , výstup je pripojený k vhodnej záťaži a osciloskop sa používa na pozorovanie výstupu s rôznymi časovými mierkami a citlivosťami. Zmena časovej základne odhaľuje nízkofrekvenčný brum a možné oscilácie v rozsahu kHz alebo dokonca MHz, ktoré môžu byť pre ucho nepostrehnuteľné.

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 vysokofrekvenčné rušenie . Osciloskop pomáha presne určiť, kde v obvode sa problém vyskytuje a aké úpravy (zmena poradia uzemnení, skrútenie párov vodičov, zlepšenie tienenia atď.) skutočne spôsobujú rozdiel.

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 alebo externé rušenie z rádií, smerovačov, bezdrôtových telefónov atď. Týmto spôsobom sa vylepšenia už nerobia „naslepo“ a začíname pracovať s objektívnymi testami, ktoré potvrdzujú, či bola úprava účinná alebo nie.

Nakoniec, so základným osciloskopom, nejakým bezplatným softvérom, niekoľkými testovacími záťažami a ochotou experimentovať, si môžete zostaviť prekvapivo výkonné domáce mini-laboratórium . Či už je cieľom posunúť hranice možností lacného modulu triedy D alebo doladiť projekt s vysokonapäťovou elektrónkou, tie isté techniky merania, ak sú správne pochopené, vám umožnia zosúladiť čísla a grafy s tým, čo vám hovoria vaše uši. Počas cesty sa dozviete, prečo lacný zosilňovač, ktorý na obrazovke vyzerá hrozne, podáva v obývačke viac než primeraný výkon, zatiaľ čo starostlivejšie navrhnutý zosilňovač v grafoch odhalí, prečo znie tak čisto a kontrolovane.