- Të kuptuarit e impedancës, shtrembërimit, përgjigjes në frekuencë dhe harmonikave është çelësi për të interpretuar atë që tregon osciloskopi në një amplifikator audio.
- Me një mini-laborator të ndërtuar në shtëpi (osciloskop, gjenerator ose softuer dhe ngarkesa) mund të matni hyrjen, daljen, THD-në, ngopjen, zhurmën dhe gumëzhimën në tuba, tranzistor dhe amplifikatorë të klasës D.
- Analiza FFT dhe përgjigja në frekuencë zbulojnë shpërndarjen harmonike dhe sjelljen tonale, por kjo duhet të interpretohet gjithmonë në kontekstin e dëgjimit aktual.
- Kombinimi i një osciloskopi dhe softueri falas e shndërron kartën e zërit në një analizues efektiv audio për zbulimin e lëkundjeve, ndërhyrjeve dhe problemeve të projektimit.
Kur fillojmë të merremi me amplifikatorët, herët a vonë shkojmë përtej "tingëllon fort" tipik dhe fillojmë të duam të dimë se çfarë po bën në të vërtetë qarku brenda tij . Sidomos kur blejmë një amplifikator të lirë të Klasit D në internet ose ndërtojmë një amplifikator me tuba të bërë në shtëpi, është normale të pyesim veten nëse format e valëve që shohim në osciloskop nënkuptojnë se pajisja është e mirë, e keqe apo thjesht "e mirë për çmimin".
Shumë audiofilë habiten kur shohin se një amplifikator dhjetë eurosh i blerë në AliExpress shfaq një sinjal mjaft "të ndyrë" në osciloskop, me mbetje ndërrimi dhe zhurmë me frekuencë të lartë, megjithatë kur luhet me muzikë të vërtetë, tingulli është më se i pranueshëm. Ky lloj situate na detyron të kuptojmë se matja e një amplifikatori audio me një osciloskop nuk ka të bëjë vetëm me kontrollin nëse forma e valës duket mirë , por me interpretimin e asaj që po shohim, duke ditur se cilat teste janë kuptimplote dhe si t'i vendosim ato në kontekst me atë që dëgjojnë në të vërtetë veshët tanë.
Pse ka kuptim të matni amplifikatorët audio me një osciloskop
Kur filloni në botën e audiofilëve ose të ndërtimit të amplifikatorëve "bëje vetë", është e zakonshme të mendoni se për sa kohë që diçka "nuk e shtrembëron veshin", është mjaftueshëm e mirë. Por shpejt lind kurioziteti për të kontrolluar nëse amplifikatori po thyen zërin, sa zhurmë sjell, si i trajton frekuencat e ndryshme , ose nëse po lëkundet aty ku nuk duhet. Këtu hyn në lojë osciloskopi, së bashku me një gjenerator sinjali ose, në mungesë të kësaj, softuer falas që vepron si gjenerator dhe analizues.
Çelësi është të krijojmë një lloj mini-laboratori në shtëpi ku mund të kryejmë teste mjaft të ngjashme me ato në një bankë profesionale testimi, por me mjete të gatshme: një osciloskop fizik (ose një osciloskop softuerik që përdor kartën e zërit), një gjenerator funksionesh ose një PC që nxjerr sinjale dhe tone përmes daljes audio, dhe disa ngarkesa dhe dobësues. Me këtë, mund të merrni të dhëna shumë të dobishme nga çdo amplifikator, nga një amplifikator tubash me besueshmëri të lartë deri te një modul i Klasës D me kosto të ulët.
Për më tepër, këto lloje matjesh ndihmojnë në hedhjen poshtë të mitit se çdo formë vale "e shëmtuar" është sinonim i tingullit të keq. Ndonjëherë e kundërta është e vërtetë: grafikët mund të jenë alarmues, por tingulli që rezulton përputhet në mënyrë të përkryer me atë që presim nga një sistem i lirë ose i nivelit fillestar. Sigurisht, pajisjet e nivelit të lartë kërkojnë forma vale dhe shifra shtrembërimi të përsosura, por konteksti është thelbësor.
Një pikë tjetër interesante është se shumë nga këto teste mbështeten në softuer falas për analizën audio të projektuar për të punuar me kartën e zërit të një kompjuteri. Këto programe ju lejojnë të shihni spektrat, harmonikët, përgjigjen në frekuencë, nivelet THD dhe më shumë në një mënyrë shumë vizuale, duke i bërë ato një plotësues ideal për osciloskopin tradicional.
Shkurt, matja me një osciloskop dhe softuer nuk është vetëm për inxhinierët: çdo hobist me pak kujdes dhe gatishmëri për të mësuar mund të nxjerrë shumë më tepër nga amplifikatorët e tij , të përmirësojë dizajnet, të zbulojë defektet dhe, mbi të gjitha, të kuptojë pse pajisjet e tij tingëllojnë ashtu siç tingëllojnë.
Konceptet themelore para lidhjes së osciloskopit
Para se të filloni të ngjisni sondën e osciloskopit në ndonjë pjesë të qarkut, është mirë të kuptoni disa koncepte elektrike që do të shfaqen vazhdimisht : impedanca, shtrembërimi, përgjigja në frekuencë, harmonikët, ngopja, zhurma në sfond, gumëzhitja e rrjetit elektrik, etj. Nuk keni nevojë të jeni inxhinier, por duhet të dini se çfarë po përpiqeni të matni.
Në testimin e amplifikatorëve audio, ne gjithmonë bëjmë dallimin midis pjesës së sinjalit me frekuencë të ulët (vetë audion) dhe, në disa konfigurime, një pjese të frekuencës radio (RF), për shembull, kur punohet me amplifikatorë që veprojnë rreth 1 MHz. Në këto skenarë, përdoren komponentë të tillë si bllokues DC, terminatorë 50 Ω dhe ndonjëherë zbutës të dedikuar RF.
Në RF, zinxhiri tipik mund të duket diçka si ky: Amplifikator RF → bllokues DC → ngarkesë ose terminator 50 Ω . Të kuptuarit e funksionit të secilit komponent parandalon gabimet e kushtueshme, pasi kemi të bëjmë me nivele fuqie dhe frekuenca ku një mbikëqyrje e vetme mund të dëmtojë diçka në një çast. Megjithatë, në audio të pastër, situata ndryshon dhe në vend që të shqetësohemi për linjat 50 Ω, ne përqendrohemi në impedancat hyrëse dhe dalëse, shtrembërimin, prerjen dhe zhurmën.
Edhe një osciloskop i thjeshtë na lejon të shohim format e valëve me kalimin e kohës, të zbulojmë prerjet, lëkundjet, majat e pazakonta, gumëzhimën ose zhurmën me frekuencë të lartë . Nëse ka edhe një funksion FFT, ose nëse e kombinojmë atë me softuer analize, mund të shohim edhe përmbajtjen e frekuencës dhe shpërndarjen harmonike, gjë që hap derën për matje mjaft të sakta të THD dhe përgjigjes në frekuencë.
Së fundmi, është e nevojshme të merren në konsideratë kufizimet e vetë pajisjes matëse: diapazoni i lejuar i tensionit, impedanca e hyrjes, gjerësia e brezit, lloji i sondës, etj. Njohja e këtyre të dhënave është thelbësore për të vendosur nëse mund ta lidhim osciloskopin direkt me daljen e amplifikatorit apo nëse na duhet një sondë dobësuese 10:1 ose një dobësues shtesë për të shmangur tejkalimin e diapazonit ose ndryshimin e tepërt të qarkut nën provë.
Testet bazë në amplifikatorët audio: çfarë ia vlen të matet
Nëse doni të shkoni përtej thjesht të thoni "tingëllon mirë", duhet të merrni në konsideratë një sërë testesh relativisht standarde që do t'ju japin një kuptim teknik të performancës së amplifikatorit. Në botën profesionale, maten shumë parametra, por me pajisjet shtëpiake, mund të përqendroheni në disa që ofrojnë shumë informacion pa i ndërlikuar gjërat.
Ndër testet më të dobishme gjejmë matjen e impedancës hyrëse (për të ditur se çfarë ngarkese sheh burimi i sinjalit), impedancës dalëse (për të kuptuar se si kontrollon altoparlanti dhe faktorin e amortizimit), impedancave midis fazave (shumë interesante në amplifikatorët me tuba me disa faza përforcimi), si dhe lloje të ndryshme të shtrembërimit harmonik, si me reagim negativ të lidhur ashtu edhe pa të.
Është gjithashtu shumë ilustruese të studiohet ngopja e amplifikatorit me një valë sinusoidale : deri në cilin nivel hyrjeje sinjali mbetet i pastër dhe nga cila pikë amplifikatori fillon të fiksohet. Oshiloskopi tregon qartë kalimin nga një valë sinusoidale "e rrumbullakët" në një sinjal me maja të rrafshuara, simetrike ose asimetrike në varësi të projektimit të qarkut.
Përveç këtyre testeve të përqendruara në linearitet, ia vlen të ndash kohë për të matur zhurmën, gumëzhimën e rrjetit elektrik, ndërhyrjen në frekuencën e radios dhe çdo lëkundje jashtë brezit. Shumë amplifikatorë në dukje të qetë në të vërtetë lëkunden në diapazonin tejzanor, gjë që mund të ngrohë komponentët, të shkaktojë paqëndrueshmëri ose të ndërhyjë në pajisjet e tjera, edhe nëse është e padukshme për veshin.
Së fundmi, mund të kryhen analiza të përgjigjes në frekuencë dhe spektrit , duke kontrolluar se si ndryshon fitimi në frekuencat bas, mesatare dhe të larta, ku fillon të bjerë niveli, nëse ka rezonanca të padëshiruara, etj. Në amplifikatorët me tuba me një transformator dalës, për shembull, këto teste ndihmojnë për të parë se deri në çfarë mase transformatori kufizon ekstremet e brezit.
Përdorimi i osciloskopit në konfigurimet RF: bllokues DC, terminator dhe zbutës
Kur amplifikatori me të cilin po punojmë nuk është vetëm një amplifikator audio, por një amplifikator RF që vepron në rreth 1 MHz ose më të lartë, lindin një numër konsideratash shtesë në lidhje me përputhjen e impedancës dhe mbrojtjen e pajisjeve matëse. Në këto raste, është shumë e zakonshme të gjesh konfigurime që përfshijnë bllokues DC dhe terminatorë 50 Ω në dalje.
Bllokuesi DC instalohet për të eliminuar çdo komponent DC që mund të vijë nga amplifikatori dhe që mund të dëmtojë si ngarkesën ashtu edhe pajisjet e rrjedhës së poshtme. Në thelb është një kondensator i projektuar për të vepruar në brezin e dëshiruar të frekuencës pa shkaktuar një rënie të dukshme të sinjalit.
Më pas, zakonisht lidhet një terminator RF, zakonisht një rezistencë 50 Ω që vepron si një ngarkesë e përputhur . Kjo parandalon reflektimin e sinjalit përgjatë linjës dhe krijon kushte të qëndrueshme operimi për amplifikatorin. Nëse sistemi është projektuar për 50 Ω, përdorimi i këtij lloji terminatori është praktikisht i detyrueshëm.
Pyetja tipike është nëse osciloskopi mund të lidhet direkt me këtë linjë RF apo nëse nevojitet një zbutës specifik. Përgjigja varet nga niveli i tensionit dhe impedanca e daljes së amplifikatorit, si dhe nga kapaciteti i kanalit të osciloskopit. Në shumë raste, një sondë 10:1 vepron tashmë si një zbutës dhe zvogëlon ndikimin në qark , por në RF të pastër është gjithashtu shumë e zakonshme të përdoren zbutës të kalibruar që mbajnë një përputhje impedance prej 50 Ω në të gjithë zinxhirin.
Nëse përdorim një amplifikator me kosto të ulët për të punuar me pajisje të shtrenjta , është thelbësore të dimë tensionin maksimal që mund të ofrojë skena, llojin e ngarkesës për të cilën është projektuar dhe kufizimet e osciloskopit tonë. Nga aty, mund të vendosim nëse një sondë e dobësuar është e mjaftueshme, nëse nevojitet një dobësues fiks prej, për shembull, 10 dB ose 20 dB, apo nëse është e dobishme të ndahet një pjesë e sinjalit duke përdorur një ndarës ose një bashkues drejtues.
Amplifikatorët e tubave matës: testet tipike dhe si t'i interpretoni ato
Amplifikatorët me tuba kanë një bukuri të veçantë: ata përziejnë mjeshtërinë, dizajnin klasik dhe një dozë të shëndetshme subjektiviteti zanor . Megjithatë, përtej thjesht tingëllimit të mirë, është shumë e dobishme t'i nënshtrohen një sërë testesh standarde për të kuptuar se çfarë po bëjnë në të vërtetë dhe çfarë hapësire për përmirësim kanë.
Një nga matjet e para të rekomanduara është impedanca e hyrjes . Njohja e rezistencës që përjeton burimi i sinjalit (një paraamplifikator, një DAC, një pedal, etj.) ndihmon në shmangien e ngarkesave tepër të ulëta që mund të ushtrojnë presion mbi fazën paraprake, të ndryshojnë përgjigjen e saj në frekuencë ose të sjellin shtrembërim shtesë. Një impedancë e lartë hyrëse është zakonisht e rehatshme për burimin, megjithëse mund ta bëjë qarkun më të ndjeshëm ndaj zhurmës dhe kabllove të gjata.
Impedanca e daljes është po aq e rëndësishme, pasi përcakton shkallën në të cilën amplifikatori kontrollon lëvizjen e altoparlantit. Në amplifikatorët me tuba, transformatori i daljes luan një rol kyç dhe dizajni i tij ndikon si në faktorin e amortizimit ashtu edhe në zgjatjen e frekuencave të basit dhe të lartë. Duke matur se si sillet dalja nën ngarkesa të ndryshme, mund të krijojmë një ide për përputhjen aktuale midis amplifikatorit dhe altoparlantëve.
Është gjithashtu interesante të analizohen impedancat midis fazave brenda vetë amplifikatorit , veçanërisht në dizajnet me tuba me shumë përforcime dhe ndjekës katodë. Përputhja e dobët e impedancës midis fazave mund të shkaktojë rënie të nivelit, ndërprerje të brezit të lartë ose edhe paqëndrueshmëri, ndërsa dimensionimi i duhur siguron transferim të pastër dhe të parashikueshëm të sinjalit.
Një fushë tjetër kyçe është studimi i shtrembërimit total harmonik (THD) me dhe pa reagim negativ . Reagimi zvogëlon ndjeshëm shtrembërimin dhe zakonisht e sheshon përgjigjen në frekuencë, por gjithashtu ndryshon shpërndarjen harmonike (çift, tek, të rendit më të lartë, etj.). Duke matur me një valë sinusoidi të pastër dhe duke vëzhguar spektrin, mund të shohim se cilat harmonika mbizotërojnë dhe si ndryshon niveli i tyre kur lakja e reagimit është e lidhur ose e shkëputur.
Së fundmi, testet e ngopjes dhe prerjes me sinjale sinusoidale na tregojnë se si sillet amplifikatori ndërsa i afrohet limitit të tij. Amplituda e sinjalit hyrës rritet gradualisht derisa në osciloskop shfaqen maja të rrafshëta. Lloji i prerjes (i butë, i fortë, simetrik, asimetrik) zbulon shumë rreth karakterit të pajisjes dhe ndihmon në shpjegimin pse disa amplifikatorë "prishen" më këndshëm se të tjerët kur shtyhen.
Përgjigja e frekuencës dhe përdorimi i softuerit të lirë
Një nga testet më të dobishme, madje edhe me pajisje shumë bazike, është matja e përgjigjes në frekuencë të amplifikatorit . Qëllimi është të kuptohet se si ndryshon fitimi në të gjithë diapazonin audio (për shembull, nga 20 Hz në 20 kHz) dhe të zbulohen uljet, majat ose parregullsitë që më pas përkthehen në një tingull më të errët, më të ndritshëm ose të "forcuar".
Për të kryer këtë test, mund të përdorni një gjenerator funksionesh që kryen një spastrim frekuence, por shumë njerëz përdorin softuer falas që gjeneron një zhurmë spastrimi ose rozë/të bardhë nga kompjuteri dhe e dërgon atë përmes kartës së zërit. Një tjetër mundësi është të luani skedarë WAV të parapërgatitur me spastrim ose zhurma testimi dhe të merrni daljen e amplifikatorit për analizë.
Matja mund të bëhet direkt me një osciloskop në daljen e amplifikatorit, duke vënë re amplitudën e sinjalit në frekuenca të ndryshme dhe më pas duke ndërtuar kurbën. Megjithatë, është shumë më e përshtatshme të përdoret vetë karta e zërit si instrument matës , duke lidhur daljen e amplifikatorit me hyrjen e tij të linjës (gjithmonë me zbutës dhe mbrojtje të përshtatshme) dhe duke e lënë programin të ndërtojë grafikët e magnitudës dhe fazës së barabartë.
Ekzistojnë shumë programe falas të dizajnuara për matjen e pajisjeve audio: ato ju lejojnë të shihni kurbën e përgjigjes në frekuencë, të analizoni spektrin e zhurmës, të llogaritni THD dhe më shumë. Të kombinuara me kujdes minimal për të shmangur mbingarkesën e hyrjes së PC-së, ato mund ta transformojnë një kompjuter të zakonshëm në një analizues audio me kosto të ulët . Është e rëndësishme të mbani mend se edhe karta e zërit ka kufizimet e saj, por për shumicën e aplikacioneve "bëje vetë", është më se e mjaftueshme.
Këto lloje testesh mund të zbulojnë lehtësisht rëniet e frekuencave të ulëta të shkaktuara nga transformatori i daljes , humbjet progresive të frekuencave të larta për shkak të kapaciteteve parazitare, rezonancat e padëshiruara në disa breza dhe madje edhe efektin e reagimit në rrafshësinë e përgjigjes së frekuencës. Prej andej, mund të bëhen modifikime në qark, instalime elektrike ose përzgjedhjen e komponentëve për të përmirësuar performancën.
Harmonikët, FFT-të dhe lidhja e tyre me atë që dëgjojmë në të vërtetë
Një tjetër grup testesh shumë i fuqishëm sillet rreth harmonikave dhe përmbajtjes spektrale të sinjalit . Zakonisht, kjo përfshin aplikimin e valës sinusoidale më të pastër të mundshme në hyrjen e amplifikatorit dhe analizimin e daljes me një FFT, ose duke përdorur vetë osciloskopin (nëse përfshin këtë funksion) ose softuer që përdor kartën e zërit si një mekanizëm kapjeje të sinjalit.
Në domenin e frekuencave, qëllimi është të identifikohen cilat harmonika shfaqen përveç atyre themelore dhe niveleve të tyre relative. Ne jemi të interesuar të bëjmë dallimin midis harmonikave çift dhe tek , të cilat shpesh perceptohen ndryshe nga veshi, si dhe midis shtrembërimit të rendit të ulët (i cili shpesh është i këndshëm ose "muzikal") dhe shtrembërimit të rendit të lartë, i cili është më agresiv dhe lodhës.
Këtu hyn në lojë një aspekt kurioz: ajo që duket tmerrësisht në ekran nuk përputhet gjithmonë me atë që e perceptojmë si të keqe kur dëgjojmë . Për shembull, një amplifikator shumë i lirë dhe i vogël i Klasit D mund të shfaqë një formë vale mjaft të shëmtuar në osciloskop, me mbetje të frekuencës së ndërrimit, zhurmë me frekuencë të lartë dhe parregullsi të vogla. Megjithatë, kur testohet duke dëgjuar muzikë përmes altoparlantëve, tingulli mund të jetë krejtësisht i pranueshëm për gamën e çmimeve.
Kjo ndodh pjesërisht sepse veshi i njeriut filtron shumë nga këto papërsosmëri, veçanërisht kur ato janë jashtë diapazonit të dëgjueshëm ose në nivele shumë të ulëta. Për më tepër, altoparlantët dhe filtrat e daljes së vetë amplifikatorit zbusin pjesën më të madhe të zhurmës së ndërrimit. Prandaj, veçanërisht me amplifikatorët e lirë ose projektet e thjeshta "bëje vetë" , është më mirë të mos fiksohemi pas çdo kulmi të vogël FFT nëse rezultati praktik i plotëson nevojat tona.
Në pajisjet e nivelit të lartë, sigurisht, historia ndryshon: forma e valës pritet të jetë shembullore, përmbajtja harmonike e kontrolluar fort dhe nivelet e THD jashtëzakonisht të ulëta. Por edhe në atë kontekst, të kuptuarit se çfarë lloj shtrembërimi po gjenerohet ndihmon në shpjegimin pse disa amplifikatorë, me specifikime shumë të ngjashme, tingëllojnë ndryshe kur i dëgjojmë në të vërtetë.
Zhurmë, gumëzhitje, frekuencë radioje dhe lëkundje që kalojnë pa u vënë re
Përtej shtrembërimit harmonik, osciloskopi është një mjet i shkëlqyer për gjurmimin e zhurmave dhe lëkundjeve që ndonjëherë ngatërrohen me zhurma "normale" ose mezi vihen re, por megjithatë janë të pranishme, duke ngrohur komponentët ose duke ndërhyrë në pajisje të tjera. Shumë nga këto probleme lidhen me furnizimin me energji, tokëzimin dhe instalimet elektrike të brendshme.
Ndër fenomenet më të shpeshta gjejmë zhurmën termike në sfond dhe zhurmën nga vetë komponentët aktivë , e cila shfaqet në ekran si një lloj mjegulle e rastësishme; gumëzhima klasike 50/60 Hz dhe harmonikat e saj, e shkaktuar nga burime të filtruara dobët ose sythe tokësore; ndërhyrje në frekuencën radio të shoqëruara përmes ajrit ose kabllove të mbrojtura dobët; dhe lëkundje me frekuencë të lartë të prodhuara nga reagime të kompensuara dobët ose dizajne të pakujdesshme të PCB-së.
Për këtë lloj testimi, hyrja e amplifikatorit zakonisht lidhet shkurt (me tokën) , dalja lidhet me një ngarkesë të përshtatshme dhe osciloskopi përdoret për të vëzhguar daljen me shkallë kohore dhe ndjeshmëri të ndryshme. Ndryshimi i bazës kohore zbulon si një gumëzhitje me frekuencë të ulët ashtu edhe luhatje të mundshme në diapazonin kHz ose edhe MHz, të cilat mund të jenë të padukshme për veshin.
Këto probleme janë veçanërisht të zakonshme në amplifikatorët me tuba, pasi ato përfshijnë tensione të larta, transformatorë të rëndë, instalime elektrike nga një pikë në tjetrën dhe tokëzime të shpërndara të cilat, nëse nuk janë projektuar me kujdes, krijojnë një terren të favorshëm për gumëzhitje, çiftëzim dhe marrje RF . Një osciloskop ndihmon në përcaktimin e vendit ku ndodh problemi në qark dhe cilat modifikime (rirregullimi i tokëzimeve, përdredhja e çifteve të telave, përmirësimi i mbrojtjes, etj.) bëjnë në të vërtetë një ndryshim.
Nëse osciloskopi kombinohet me një program analize spektri, krijohet një pamje shumë e qartë e frekuencave në të cilat përqendrohet zhurma. Kjo na lejon të dallojmë nëse burimi është rrjeti elektrik (50/60 Hz dhe shumëfisha), vetë gjysmëpërçuesit, transformatori i daljes, një dizajn i dobët i bordit apo ndërhyrje të jashtme nga radiot, routerat, telefonat pa tel etj. Në këtë mënyrë, përmirësimet nuk bëhen më "verbërisht" dhe ne fillojmë të punojmë me teste objektive që konfirmojnë nëse një modifikim ka qenë efektiv apo jo.
Në fund të fundit, me një osciloskop bazë, disa programe falas, disa ngarkesa testimi dhe një gatishmëri për të eksperimentuar, mund të krijoni një mini-laborator shtëpiak çuditërisht të aftë . Pavarësisht nëse qëllimi është të çoni një modul shumë të lirë të Klasit D në kufijtë e tij ose të përmirësoni një projekt me tuba me tension të lartë, të njëjtat teknika matjeje, kur kuptohen siç duhet, ju lejojnë të pajtoni numrat dhe grafikët me atë që ju thonë veshët tuaj. Do të mësoni gjatë rrugës pse një amplifikator i lirë që duket keq në ekran performon më shumë se sa duhet në dhomën e ndenjes, ndërsa një amplifikator i projektuar më me kujdes zbulon në grafikë pse tingëllon kaq i pastër dhe i kontrolluar.