Когато започнахме да се занимаваме с аудио усилвателиедно от двете евтини лампи, транзистори или клас DРано или късно идва моментът да искаме да измерим нещо повече от това колко силно „звучи“ усилвателят. Искаме да знаем дали усилвателят прекъсва, как се държи с различни честоти, какви изкривявания генерира или дали внася странен шум поради източника, окабеляването или околната радиочестота.
Въпреки всичко това, a осцилоскоп, комбиниран с генератор на сигнали (Физически или софтуерно базирани) се превръщат в перфектния инструмент за вашата домашна мини-лаборатория. Проблемът е, че често ни липсват ясни насоки, терминологията звучи като безсмислици и в крайна сметка гледаме вълнови форми, без наистина да знаем какво виждаме. Тук ще организираме всички тези идеи, съчетавайки практическа теория, съвети за семинари и достъпни решения, включително безплатен софтуер.
Основни понятия преди измерване на усилвател с осцилоскоп
Преди да включим осцилоскопа в първия конектор, който открием, е важно да изясним няколко неща. основни електрически понятия които ще се появяват постоянно: импеданс, изкривяване, честотна характеристика, хармоници, насищане и т.н. Не е нужно да сте инженер, но е необходимо да знаете какво се опитвате да измерите.
При всеки тест на аудио усилвател с осцилоскоп, ние винаги разграничаваме част от нискочестотни сигнали (аудио) и, в някои конфигурации, радиочестотен (RF) компонент. Последната точка е ключова, например, когато се използва RF усилвател около 1 MHzДобавяме DC блокер и завършваме с товар от 50 Ω. Познаването на състава на всеки елемент предотвратява скъпоструващи грешки.
Типичната RF верига би изглеждала така: RF усилвател → DC блокер → RF терминатор (обикновено товар от 50 Ω). Това повдига въпроса: мога ли да свържа осцилоскопа към тази линия и да видя сигнала такъв, какъвто е, или ми е необходим атенюатор, за да „защитя“ измервателното оборудване и да регулирам нивата?
При чистото аудио, от друга страна, дискусията се променя. Там се фокусираме повече върху неща като входен импеданс, изходен импеданс, общо хармонично изкривяване (THD), насищане със синусоидални сигнали, фонов шум, бръмчене, трептения и всичко, което може да повлияе на възприеманото качество на звука, въпреки че в крайна сметка „ухото управлява“.
Основната идея е да се създаде един вид домашна мини-лаборатория С физически инструменти и безплатен софтуер: осцилоскоп (физически или софтуерен), функционален генератор или звукови карти, програми за анализ на спектри и хармоници и др. С много малко пари можете да получите много полезна информация за усилвателя.
Основни тестове на аудио усилватели: какво си струва да се измери
Ако искате да отидете отвъд „звучи ми добре“, първите тестове, които си струва да се обмислят на усилвател, особено ако е... клапани или висока прецизностТе са сравнително стандартни. Същите са като тези, използвани в професионалните аудио лаборатории, но са адаптирани към нещо, което всеки може да настрои у дома с време и търпение.
Добър първоначален списък с тестове (неизчерпателен, но много пълен) включва входен импеданс, изходен импеданс, междукаскаден импеданс, хармонични изкривявания със и без обратна връзка, насищане на синусоидална вълна, измервания на постоянен ток и анализ на шума и честотната характеристика.
По-подробно, за лампов или твърдотелен усилвател, интересни тестове те обикновено са:
- Входен импеданс: вижте какво натоварване усилвателят предоставя на източника (предусилвател, ЦАП и др.).
- Изходен импедансОт решаващо значение е да се знае как взаимодейства с високоговорителя и да се разбере коефициентът на затихване.
- Междукаскаден импедансОсобено полезен в лампови усилватели с множество степени на усилване и катодни повторители.
- Общо хармонично изкривяване (THD)със и без обратна връзка, за да се види доколко цикълът коригира.
- Насищане със синусоидален: колко високо можем да повишим входния сигнал, преди да се появи изрязване и как се изкривява формата на вълната.
В допълнение към това, има анализ на шум, бръмчене, радиочестота и възможни трептенияМного пъти си мислим, че усилвателят е наред, когато в действителност той трепти в ултразвукови честоти или излъчва радиочестоти, които не могат да бъдат чути, но които могат да нагреят компоненти или да смущават друго оборудване наблизо.
Анализите на честотна характеристика и спектриПроверете кривата на еквалайзера, линейността, нискочестотното поведение (поради изходния трансформатор, ако има такъв) и високочестотното поведение (ограничения на усилващия етап, паразитни капацитети и др.). За тези, които работят с лампи, характеристични криви на клапаните и използването на трасери също може да бъде включено в пакета.
Красотата на всичко това е, че към него може да се подходи с безплатен софтуер плюс осцилоскопили дори със софтуерен осцилоскоп, който използва звуковата карта на компютъра, стига да внимаваме с нивата и защитите.
Използване на осцилоскоп при RF тестване: DC блокер, терминатор и атенюатор
Когато усилвателят не е само за аудио, а за RF усилвател (напр. на 1 MHz)Типичният комплект включва компоненти, които не са толкова често срещани в чистото аудио: DC блокери и RF терминатори. Често срещана конфигурация може да бъде:
RF усилвател → DC блокер → 50 Ω RF терминатор
Блокерът на постоянен ток се използва за премахнете DC компонента на сигнала, като по този начин защитава както оборудването надолу по веригата, така и самия товар. RF терминаторът, обикновено резистор от 50 Ω, служи за съответства на импеданса на линията, като се избягват отражения и нестабилности.
Големият въпрос, който възниква в този контекст, е: мога ли да свържа осцилоскопа директно към изхода на усилвателя (или към тази линия) и да видя сигнала, или ми е необходим... RF атенюаторОтговорът зависи от няколко фактора: диапазонът на напрежение, обработван от усилвателя, изходният импеданс, максималната чувствителност на осцилоскопния канал и дали оборудването е проектирано за 50 Ω или за вход с висок импеданс.
На практика често е възможно осцилоскопът да се свърже директно, използвайки 10:1 сонда който вече функционира като атенюатор и представлява по-малко натрапчиво натоварване. Въпреки това, в чисто радиочестотни приложения е доста често срещано да се вмъква специфичен радиочестотен атенюатор, за да се:
- Намалете амплитудата на сигнала в безопасен диапазон за осцилоскопа.
- Поддържайте импедансно съгласуване (50 Ω) по цялата линия.
- Предотвратете собствения вход на осцилоскопа значително променя измерването.
Ако работите на 1 MHz с евтин усилвател За използване с по-скъпо оборудване е важно да сте много наясно с максималното изходно напрежение, което усилвателят може да осигури, и приемливия диапазон на вашия осцилоскоп. Тази комбинация от данни ще определи дали можете да се свържете директно, дали е достатъчна сонда с атенюатор 10:1 или дали действително се нуждаете от RF атенюатор в линията.
Измервателни лампови усилватели: типични тестове и какво означават те
В света на ламповите усилватели има смесица от страст, майсторство и наукаМного ентусиасти изграждат свои собствени проекти или модифицират търговски достъпни усилватели и след това искат да надхвърлят простото слушане, за да видят дали резултатът е „готин“ или не. Именно тук стандартизираното тестване става наистина интересно.
Полезен първи тест е да се определи входен импедансТова ни показва какво натоварване получава източникът на сигнал (например лампов предусилвател, педал или ЦАП). Ако е твърде ниско, може да натоварваме предишния етап, да променяме честотната му характеристика или да генерираме нежелано изкривяване. Ако е твърде високо, това обикновено е удобно за източника, но може да направи веригата по-чувствителна към шум.
La изходен импеданс Това е критично, когато свързваме усилвателя към реален високоговорител. При ламповите усилватели изходният трансформатор играе основна роля, а крайният изходен импеданс влияе върху движението на високоговорителя, затихването на конуса му и действителната честотна характеристика на системата. Това е произходът на така наречения коефициент на затихване (фактор на затихване), често цитиран в hi-fi.
В допълнение към входно-изходните импеданси, струва си да се разгледа и междукаскаден импеданс в самия усилвател. Това влияе върху начина, по който лампите се свързват помежду си, как се натоварват взаимно и как се променят честотната характеристика и общото усилване.
Друг основен градивен елемент е хармонично изкривяване (THD)С и без обратна връзка. Отрицателната обратна връзка обикновено намалява драстично изкривяванията, но също така променя начина, по който се разпределят хармониците, и може да повлияе на субективното „усещане“ за звука. Чрез измерване с генератор на синусоиди и анализ на спектъра можете да видите кои хармоници преобладават (четни, нечетни, от висок порядък и т.н.).
Накрая, има доказателства за насищане и изрязване със синусоида. Амплитудата на входния сигнал постепенно се увеличава, докато усилвателят започне да „орязва“ върха на вълната. Осцилоскопът показва това много ясно: той преминава от чиста синусоида към форма, „сплескана“ отгоре и отдолу. Наблюдението как се случва това „орязване“ (симетрично, асиметрично, гладко, рязко) разкрива много за характера на усилвателя.
Честотна характеристика и тестване със свободен софтуер
Един от най-възнаграждаващите тестове за провеждане, дори със скромни средства, е честотна характеристика на усилвателяПо същество става въпрос за това да се види как усилването на усилвателя варира в интересуващия ни честотен диапазон (например от 20 Hz до 20 kHz в аудиото).
за изпълнете този тест можете да използвате:
- Генератор на физически сигнали който може да променя честотите.
- Безплатен софтуер на компютъра, който генерира диапазон от честоти и го извежда през звуковата карта.
- WAV файлове с розов шум, бял шум или предварително проектирани сканирания.
Измерването може да се извърши директно с осцилоскоп на изхода на усилвателясравняване на амплитуди за различни честоти. По-удобно е, че мнозина предпочитат да използват звукова карта като измервателен инструмент, с програми, които показват на екрана графиката на амплитудата (а понякога и фазата) на честотната характеристика.
Съществуват добре познати безплатни приложения за аудио измервания (спектрален анализ, измерване на THD, честотна характеристика и др.), които използват линейния вход на компютъра. Просто внимавайте да не претоварвате входа и използвайте атенюатори или делители на напрежение, когато е необходимо. По този начин, комбинацията от софтуер + звукова карта Превръща се в един вид евтин „аудио анализатор“.
Ключът към този тип тест е, че с една проста графика можете да видите значителни спадове в производителността. ограничения на изходния трансформатор, загуби във високите честоти поради вътрешни капацитети, нежелани резонанси или дори влиянието на обратната връзка върху плоскостта на кривата.
Хармоници, FFT и какво всъщност чувате
Друго много интересно семейство от тестове се върти около хармоници и спектрален състав на изходния сигнал. Тук типичният подход е да се приложи чиста синусоида към входа на усилвателя и да се наблюдава, използвайки Фурие анализ (FFT), кои хармоници се появяват и с каква амплитуда спрямо основната.
Осцилоскопът, ако има вградена FFT функция, вече ви позволява да видите честотен спектър Това е съвсем ясно. Ако не, можете отново да използвате безплатен софтуер, който, използвайки звуковата карта, изобразява спектъра на входящия сигнал. И в двата случая важното е да се прави разлика между хармониците. четни и нечетни, нива на изкривяване от нисък спрямо висок порядък и наличието на аудио компоненти извън честотната лента.
На практика много ентусиасти са установили, че понякога сигнал, който изглежда „грозен“ на осцилоскопа, не винаги се превръща в лош звук, особено когато говорим за евтини усилвателиТипичен пример е този на много евтин усилвател клас D (около $10, купен от AliExpress), който, гледан от строга гледна точка на формата на вълната, може да покаже доста високочестотна модулация, шум и малки артефакти.
Въпреки това, в сравнителни тестове, където истински звук на усилвателя (Слушайки музика през истински високоговорители), е наблюдавано, че резултатът може да бъде изненадващо приличен за цената, въпреки че заснемането на формата на вълната с осцилоскоп изисква много критичен подход. Това ни напомня, че човешкото ухо филтрира много несъвършенства и че връзката между „перфектна форма на вълната“ и „приятен звук“ не винаги е еднозначна.
Разбира се, със скъпо или наистина висококачествено оборудване се очакват отлични измервания и възможно най-чистата форма на вълната. Но за евтини усилватели, за „Направи си сам“ проекти или начинаещиВажно е да се поставят измерванията в контекст и да не се обсебваме от всеки малък пик в спектъра.
Шум, бръмчене, радиочестота и нежелани трептения
Освен хармоничните изкривявания, една област, в която осцилоскопът е особено полезен, е откриване на шум и трептения които може да не се забележат лесно с ухо или да се объркат с други проблеми.
Сред явления Сред тези, които си струва да се потърсят, са:
- Термичен и компонентен фонов шум, което изглежда като вид „облак“ на екрана.
- 50/60 Hz шум и неговите хармоници, типично за лошо филтрирани източници или заземителни контури.
- Паразитна радиочестота който се свързва по въздух или през кабели, често през много чувствителни степени на усилване.
- Високочестотни трептения произведени от лошо компенсирана обратна връзка или дефектно окабеляване.
Тези тестове могат да се извършат с късо съединение (към земя) на входа на усилвателя и изход, свързан към подходящ товар, като същевременно се наблюдава изходът с осцилоскоп в различни времеви мащаби. Промяната на времевата база улеснява откриването и на двете. нискочестотно бръмчене като например трептения в kHz или дори MHz диапазон.
За тези, които изграждат лампови усилватели, това е особено важно, защото дългите кабели, лошо разпределените заземявания и близостта на трансформатори могат лесно да причинят проблеми. Проблеми с бръмченето, свързването и радиочестотния спектърПреглеждането на проблема на осцилоскопа помага да се определи точно къде във веригата се появява и какви модификации на окабеляването или филтрирането го намаляват.
Комбинирайки тези наблюдения с софтуер за спектрален анализОсвен това се получава много ясна представа за честотите, на които е концентриран шумът. Това позволява да се разграничи дали проблемът е предимно в електрическата мрежа, активните компоненти, дизайна на печатната платка или външни смущения.
С всички тези инструменти можете да сглобите домашна мини-лаборатория Изненадващо мощен: осцилоскоп (физически или софтуерен), генератор на сигнали, звукова карта, безплатен софтуер за измерване на FFT и THD, както и няколко товара и атенюатора. Оттам можете да настройвате фино усилвателите, от най-простите и евтини до по-амбициозни лампови проекти, като винаги се стремите към правилните спецификации, като същевременно помните, че ухото е най-добрият съдия.
Работа с осцилоскоп на аудио усилватели, независимо дали става въпрос за измерване честотна характеристика, изкривяване, шум или трептенияТова ви позволява наистина да разберете какво се случва във вашето оборудване и защо звучи по начина, по който звучи. Някои измервания ще потвърдят, че нещо, което сте чували, има обективно обяснение; други ще разкрият недостатъци, които ухото ви може да е пропуснало. И доста често ще откриете, че евтин усилвател, който изглежда ужасно на екрана, всъщност се представя перфектно за предназначението ви, докато по-внимателно проектиран усилвател ще демонстрира в графиките разликата, която оправдава инвестираното време и пари.
