Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (7). Komercyjne układy m.cz. – cd.

Zastosowane oprogramowanie

Sprzętowe środowisko pomiarowe, opisane szczegółowo w pierwszej części publikacji i zastosowane do przeprowadzenia opisanych dalej testów, do cyfrowego przetwarzania sygnałów (DSP) wykorzystywało moduł NUCLEO z mikrokontrolerem STM32L432KC. Z uwagi na główny nurt tej publikacji, skupiony wokół zagadnień czysto analogowych, pominięty zostanie w tym miejscu szczegółowy opis zastosowanych rozwiązań programistycznych. Jakkolwiek dla dobrego zrozumienia zastosowanej metodyki pomiarów, konieczne jest choćby zwięzłe przedstawienie kluczowych założeń oprogramowania zaimplementowanego w MCU. Poniżej przedstawiono zarys algorytmu.

1. Setup oprogramowania sterującego MCU:
   
   • włączenie niezbędnych modułów (zasobów) programowych,
   • definicje zmiennych i stałych,
   • konfiguracja oraz inicjalizacja kluczowych peryferiów (GPIOs, TIMx, ADCx, DACx, USARTx).
2. Wygenerowanie kalibrującego sygnału sinusoidalnego o częstotliwości Fgen=1 kHz przez okres Tcal=10 s.
3. Wyzerowanie wyjścia generatora na okres Tnull=1 s celem uzyskania stanu ustalonego w badanym urządzeniu DUT.
4. Cykliczna pętla pomiarowa. Dla wszystkich ustalonych częstotliwości pomiarowych z predefiniowanej listy Fgen[i] w zakresie od 20 Hz do 20 kHz – wykonywanie synchronicznie (z tą samą częstotliwością próbkowania Fs) następujących zadań:
   
   • generowanie testowych sygnałów sinusoidalnych o częstotliwościach Fgen[i] oraz czasach trwania Ttest=10 s (DDS→DAC),
   • próbkowanie i skanowanie na bieżąco zakresu wartości (ADC→SCAN) napięć na wyjściu DUT, celem wyznaczenia międzyszczytowego napięcia różnicowego Uout[i] [Vpp],
   • wyprowadzanie przez USART na ekran terminala znakowego w PC kolejnych par wartości (Fgen[i], Uout[i]).
5. Powrót do punktu 2 powyżej celem powtórzenia pomiarów (pętla nieskończona).

Do generowania sygnałów sinusoidalnych zastosowano powszechnie znaną technikę DDS (ang. Digital Direct Synthesis). Syntezer DDS pracował z częstotliwością Fs=96 kHz, co oznacza pewien oversampling (zgodnie z kryterium Nyquista Fsmin >2*Fgen_max, czyli Fsmin > 40 kHz). Jakkolwiek biorąc pod uwagę pomiarowy charakter prezentowanego systemu, a także nieidealne charakterystyki zastosowanych filtrów: wygładzającego oraz antyaliasingowego, oversampling na poziomie 96 kHz/40 kHz=2,4 nie wydaje się być w tym zastosowaniu szczególnie wygórowany. Tutaj warto wspomnieć o tym, że w procedurze skanowania (SCAN) poziomu mierzonego sygnału Uout (oczywiście próbkowanego synchronicznie z tą samą częstotliwością Fs=96 kHz, z którą pracował generator DDS) zastosowano swego rodzaju prosty, przeciwzakłóceniowy, dolnoprzepustowy filtr FIR. Filtr ten po prostu uśredniał ze sobą odpowiednio: nowo znalezioną maksymalną wartość sygnału z ostatnio wyznaczoną wartością maksymalną (i analogicznie dla wartości minimalnych). Zabieg ten miał na celu minimalizację ryzyka wpływu zakłóceń impulsowych (szpilek), które w wyniku stanów nieustalonych (przejściowych) mogłyby potencjalnie wystąpić na wyjściu mierzonego DUT w momentach znamiennych: załączenia oraz wyłączenia sygnału sinusoidalnego o danej Fgen[i]. Do odczytu rezultatów pomiarów w formie par (Fgen[i], Uout[i]) po stronie terminala PC wykorzystano popularny, dostępny nieodpłatnie i łatwo konfigurowalny program „Tera Term” w wersji 5.4.0, pracujący jako tzw. wirtualny terminal tekstowy (VT).

Zrzut ekranu z przykładowego rezultatu pojedynczej serii pomiarów zaprezentowano na fotografii 9.

Fotografia 9. Przykładowe rezultaty pomiarów (z terminala tekstowego)

Metodyka i zakres pomiarów

W zastosowanej metodyce pomiarów charakterystyk częstotliwościowych urządzeń m.cz. przyjęto następujące założenia techniczne:

• do testów włączono elektroakustyczne wzmacniacze mocy (różnych klas), korektory audio (czynne i bierne), a także urządzenia łączące obie te funkcje,
• poddawane testom urządzenia (DUT) były mierzone w zamkniętej, półautomatycznej pętli pomiarowej, zorganizowanej wg schematu blokowego z rysunku 69, z wykorzystaniem analogowych peryferiów przedstawionych na rysunkach 76, 77 i 78 i wg algorytmu zarysowanego w rozdziale powyżej,
• lista częstotliwości pomiarowych Fgen[i] została dobrana eksperymentalnie jako kompromis pomiędzy ich łączną liczbą i czasem trwania pojedynczej serii pomiarowej a możliwością zaobserwowania właściwości badanego układu, przede wszystkim na krańcach maksymalnego interesującego pasma przenoszenia, czyli pomiędzy 20 Hz a 20 kHz; w szczególności, jako punkty pomiarowe przyjęto zatem następujący ciąg częstotliwości Fgen[i]: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180, 200, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 4000, 6000, 8000, 10000, 12000, 14000, 16000, 18000 oraz 20000 Hz,
• wszystkie badane urządzenia były stereofoniczne i dlatego osobno badano każdy kanał stereo, a w przypadku wzmacniacza z kanałem subwoofera przebadano także ten kanał,
• w przypadku urządzeń wyposażonych w funkcje (opcje) korekcji charakterystyk częstotliwościowych, oprócz ustawień neutralnych sprawdzano także wpływ różnych nastaw dostępnych korektorów – przynajmniej w pozycjach skrajnych,
• w przypadku wzmacniaczy elektroakustycznych poziomy wejściowych sygnałów sterujących były dobierane tak, aby w miarę możliwości uzyskiwać maksymalną moc wyjściową zbliżoną do wartości Pout=5 W (w szczególności, z uwzględnieniem ewentualnego efektu korekcji charakterystyki częstotliwościowej „in plus”) i oczywiście bez przesterowania wejścia urządzenia,
• aby charakterystyki częstotliwościowe, zdjęte przy różnych nastawach korektorów pasma, były porównywalne, jako wspólny poziom odniesienia przyjmowano średni poziom wyjściowy napięcia Uout. Był on liczony po wszystkich zmierzonych wartościach Uout dla neutralnych ustawień korektora lub – gdyby nie było to możliwe – dla częstotliwości Fgen=1 kHz,
• poziomy odniesienia były wyznaczane osobno (niezależnie) dla wszystkich mierzonych kanałów,
• rezultaty pomiarów charakterystyk były przeliczane do skali logarytmicznej (decybelowej) i w tejże skali były prezentowane zarówno w tabelach, jak i na wykresach. Dodatkowo, dla lepszej percepcji i dogodniejszej ich interpretacji graficznej, na wykresach także osie częstotliwości były logarytmiczne,
• w przypadku pomiarów wzmacniaczy mocy, na wyjściu wzmacniacza stosowano szerokopasmowy transformator separujący o przekładni napięciowej 1:1; był to zabieg absolutnie niezbędny szczególnie w przypadku wzmacniaczy pracujących w klasie D, dla których żaden z biegunów wyjścia bezwzględnie nie był trwale (galwanicznie) dołączony do masy sygnałowej systemu pomiarowego; wykonanie takiego połączenia na stałe byłoby bowiem co najmniej bardzo poważnym błędem technicznym a być może nawet destrukcyjnym dla systemu pomiarowego; aspekt ten został szerzej omówiony i wyjaśniony w dedykowanym rozdziale z technicznymi dygresjami.

Aby wyeliminować (albo przynajmniej zminimalizować) negatywny wpływ nieidealnych charakterystyk zastosowanych torów pomiarowych na dokładność pomiarów rzeczywistych charakterystyk częstotliwościowych badanych urządzeń (DUT), podjęto decyzję o wprowadzeniu do wyników pomiarów stosownych korekt. W tym celu wykonano wstępne pomiary charakterystyk częstotliwościowych samego systemu pomiarowego w zamkniętej pętli, ale bez DUT w środku – w dwóch wersjach, tzn.: bez transformatora separującego oraz z transformatorem separującym. Tabela 13 zawiera dane pomiarowe względnych transmitancji samych torów pomiarowych (zilustrowane na rysunku 83).

Jak nietrudno zauważyć, warto było wykonać te wstępne pomiary i uwzględnić ich rezultaty w formie korekt w pomiarach docelowych, ponieważ różnice względem toru idealnego są dość znaczne – zwłaszcza w górnej części pasma przenoszenia. Dodatkowo sam transformator separujący wprowadza całkiem wyraźne tłumienie dodatkowe w całym uwzględnianym paśmie przenoszenia i – co gorsza – jest ono nieco niejednorodne (krzywa transmitancji dla tego przypadku nie jest gładka).

Rysunek 83. Względne transmitancje torów pomiarowych

Tabela 14 zawiera zestawienie wszystkich mierzonych urządzeń, wymienionych w porządku zgodnym z kolejnością wykonywanych pomiarów. Lista urządzeń została uszeregowana zgodnie z rosnącym (w ocenie autora) stopniem: złożoności, trudności i pracochłonności realizowanych pomiarów. W tabeli ujęto m.in. skrócone opisy badanych urządzeń, a także zakresy i warunki realizowanych pomiarów. Informacje te zostały odpowiednio rozwinięte i uszczegółowione w kolejnym rozdziale, poświęconym omówieniu rezultatów poszczególnych pomiarów, jakkolwiek sama tabela posłużyła autorowi za swego rodzaju „rozkład jazdy” – zarówno w trakcie realizacji pomiarów, jak i podczas prezentacji ich wyników.

Rezultaty pomiarów

Jako pierwsze testowane urządzenie wybrano pokazany na fotografii 10 wzmacniacz o oznaczeniu XH-A232. Jest to wzmacniacz stereofoniczny (2.0), pracujący w klasie D z wykorzystaniem układu scalonego TPA3110D2. Urządzenie w postaci jednej płytki PCBA stanowi w zasadzie moduł do wykorzystania w bardziej rozbudowanych konstrukcjach. Układ nie ma ani przedwzmacniacza regulacyjnego, ani korektora barwy dźwięku. Deklarowana w ofercie handlowej maksymalna moc wyjściowa to 2×30 W, dopuszczalne napięcie zasilania leży w zakresie 8...26 VDC, akceptowalna impedancja obciążenia (na jeden kanał), to 4...8 Ω. Deklarowany SNR wynosi aż 100 dB. Podane informacje pochodzą z portali sprzedażowych. Badany wzmacniacz został zakupiony w 2025 r. w Chinach na jednym ze znanych portali aukcyjnych (za kwotę znacznie poniżej 10 zł), a do jego wyprodukowania (albo chociaż masowej dystrybucji) „przyznaje się” nieznana bliżej autorowi firma Estardyn.

Fotografia 10. Wzmacniacz stereofoniczny XH-A232

W ramach przeprowadzonych testów pomierzono charakterystyki częstotliwościowe obu kanałów stereo w paśmie 20 Hz...20 kHz, przy napięciu zasilania wzmacniacza równym 12 VDC i z wykorzystaniem sztucznego obciążenia rezystancyjnego o oporności Rload=8 Ω. Każdorazowo moc wyjściową RMS ustalano na Pout=5 W na kanał przy częstotliwości referencyjnej Fgen=1 kHz.

Dane pomiarowe do charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza XH-A232 zostały zaprezentowane na rysunku 84. Wykresy, optycznie dość mocno nieregularne i poszarpane, w rzeczywistości odzwierciedlają całkiem wyrównane, niemalże płaskie charakterystyki częstotliwościowe obu kanałów stereo w całym badanym paśmie częstotliwości 20 Hz...20 kHz. Interpretując przebiegi z rysunku 84 należy bowiem zdecydowanie wziąć pod uwagę to, że cała oś pionowa omawianego wykresu mieści się w skromnym zakresie od –1,50 dB do 0,5 dB, a faktyczna rozpiętość charakterystyk częstotliwościowych obu kanałów stereo omawianego wzmacniacza w całym badanym paśmie jest rzędu jedynie 1 dB! Reasumując, przynajmniej od strony charakterystyk częstotliwościowych, moduł wzmacniacza XH-A232 wydaje się być interesującą propozycją na potrzeby nieco większych konstrukcji amatorskich – zwłaszcza tych eksperymentalnych i/lub niskobudżetowych.

Rysunek 84. Charakterystyki częstotliwościowe kanałów stereo wzmacniacza XH-A232

Kolejnym testowanym urządzeniem był zaprezentowany na fotografii 11 wzmacniacz o oznaczeniu XH-M577. W tym przypadku także jest to uniwersalny moduł wzmacniacza stereofonicznego (2.0), pracujący w klasie D z wykorzystaniem układu scalonego TPA3110D2.

Fotografia 11. Wzmacniacz stereofoniczny z korektorem XH-M577

Jednakże, w odróżnieniu od wcześniej omawianego wzmacniacza, układ ten posiada prosty przedwzmacniacz regulacyjny oraz dwupunktowy korektor barwy dźwięku (tony niskie i wysokie). Podana w ofercie handlowej maksymalna moc wyjściowa urządzenia (chyba jednak nieco wygórowana), to aż 2×80 W, dopuszczalne napięcie zasilania leży w zakresie 12...24 VDC, akceptowalna impedancja obciążenia (na jeden kanał), to 4...8 Ω, a impedancja wejściowa wynosi 1 kΩ. Podane informacje ponownie pochodzą z portali sprzedażowych. Prezentowany tutaj wzmacniacz z korektorem również został zakupiony w 2025 r. w Chinach na jednym z popularnych portali aukcyjnych (za kwotę zbliżoną do 20 zł). Za jego wyprodukowanie (lub przynajmniej dystrybucję) odpowiedzialny jest podmiot pod nazwą EGBO.

Przeprowadzone testy pomiarowe obejmowały charakterystyki częstotliwościowe obu kanałów stereo w paśmie 20 Hz...20 kHz przy trzech różnych (neutralne i dwa skrajne) nastawach wbudowanego korektora barwy dźwięku. Napięcie zasilania wzmacniacza ustalono na poziomie 12 VDC. Ponownie wykorzystano sztuczne obciążenie oporowe o rezystancji Rload=8 Ω. Moc wyjściowa RMS za każdym razem była ustawiona na wartość Pout=5 W na pojedynczy kanał dla referencyjnej częstotliwości Fgen=1 kHz.

Dane pomiarowe do charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza z korektorem XH-M577 zilustrowano na rysunku 85.

Rysunek 85. Charakterystyki częstotliwościowe kanałów stereo wzmacniacza XH-M577

Legenda po prawej stronie wykresu wyjaśnia znaczenie każdej z sześciu krzywych. Za wspólnym symbolem A, oznaczającym po prostu tłumienie (ang. attenuation), występuje litera oznaczająca mierzony kanał: prawy – r (ang. right) lub lewy – l (ang. left). Za wyróżnikiem kanału następuje oznaczenie wskazujące nastawy korektora barwy tonu w trakcie poszczególnych pomiarów: „flat” – płaski (neutralny, oba korektory ustawione w pozycjach środkowych), „low” – niski (oba korektory ustawione w skrajnych pozycjach minimalnych) oraz „high” – wysoki (oba korektory ustawione w skrajnych pozycjach maksymalnych). Oczywiście potencjalna ilość możliwych do rozważenia nastaw korektora (zwłaszcza z uwzględnieniem dodatkowych nastaw pośrednich oraz ich rozlicznych kombinacji) mogłaby być zdecydowanie większa. Niestety, w przypadku aż dziewięciu badanych urządzeń takie podejście horrendalnie wydłużyłoby czas realizacji pomiarów, a także dramatycznie zwiększyłoby ilość danych pomiarowych do przetworzenia i prezentacji, jednakże nie wnosząc cennych informacji, przydatnych do sformułowania istotnych wniosków jakościowych. Wracając do interpretacji wykresów z rysunku 85, można pokusić się o sformułowanie następujących wniosków:

• zgodność charakterystyk dla obu kanałów jest bardzo dobra dla nastaw korektora „flat” i „high”; natomiast w przypadku nastawy „low” wartości korekty tłumienia różnią się na krańcach pasma w zakresie nie przekraczającym 2 dB,
• w przypadku nastawy „flat” (bez korekcji) można ocenić 3-decybelowe pasmo przenoszenia samego wzmacniacza (spadek wzmocnienia o –3 dB); od góry pasma zapewne wykracza ono poza próg 20 kHz, natomiast od dołu pasma próg mieści się pomiędzy 20 Hz a 30 Hz, co należy uznać za satysfakcjonujące osiągi,
• w przypadku nastawy „high” maksymalne podbicie charakterystyki w dolnej części pasma jest zbliżone do +10 dB przy częstotliwości około 80 Hz; natomiast podbicie charakterystyki w górnej części pasma oscyluje wokół wartości +10 dB i nie ma monotonicznego charakteru (zafalowania rzędu ±2 dB), co zasadniczo nie powinno mieć miejsca; dodatkowo, ustawienie obu korektorów barwy dźwięku (niskie/wysokie) na maximum przełożyło się także na podbicie charakterystyk częstotliwościowych obu kanałów w środku pasma przenoszenia na poziomie ponad +5 dB, co należy niewątpliwie uznać za negatywny skutek niedoskonałości zastosowanego korektora barwy dźwięku,
• dla nastawy „low” uzyskane tłumienie dla tonów niskich jest na poziomie około –10 dB, ale dla tonów wysokich już tylko –5 dB; dodatkowo (i paradoksalnie) wystąpiło zaskakująco silne tłumienie pasożytnicze w środku pasma przenoszenia – na poziomie aż –6 dB, czyli silniejsze niż dla tonów wysokich.

Reasumując, od strony charakterystyk częstotliwościowych samego wzmacniacza mocy (bez korektora) moduł XH-M577 nie budzi większych zastrzeżeń, jednak zachowanie korektora barwy dźwięku momentami co najmniej zaskakuje. Tak więc ten niedrogi układ wydaje się być interesującą propozycją na potrzeby stosunkowo szybkiej budowy niskobudżetowych konstrukcji wzmacniaczy amatorskich, jednak o dość przeciętnych możliwościach kształtowania brzmienia.

Następnym testowanym urządzeniem był pokazany na fotografii 12 wzmacniacz o oznaczeniu ZK-502MT. Ponownie jest to wzmacniacz stereofoniczny (2.0) pracujący w klasie D z wykorzystaniem układu scalonego TPA3110D2. Urządzenie posiada formę samodzielnego, minimalistycznie zabudowanego urządzenia z przedwzmacniaczem regulacyjnym oraz prostym, dwupunktowym korektorem barwy dźwięku (tony niskie i wysokie). Wzmacniacz ten ma opcję podłączenia sygnału zewnętrznego także przez Bluetooth, które jednak nie było wykorzystywane w trakcie przedmiotowych pomiarów. Podana w ofercie handlowej maksymalna moc wyjściowa urządzenia, to 2×50 W, dopuszczalne napięcie zasilania leży w zakresie 12...24 VDC, akceptowalna impedancja obciążenia (na jeden kanał), to 4...8 Ω, deklarowany SNR>90 dB, a impedancja wejściowa wynosi 1 kΩ (dane z portali sprzedażowych). Produkt zakupiono w 2025 r. w Chinach na jednym ze znanych portali aukcyjnych za około 30 zł. Za jego produkcję (lub chociaż dystrybucję) odpowiedzialny jest podmiot pod nazwą ICANING.

Fotografia 12. Wzmacniacz stereofoniczny z korektorem ZK-502MT

Wykonane pomiary obejmowały charakterystyki częstotliwościowe obu kanałów stereo w paśmie 20 Hz...20 kHz przy trzech różnych (neutralne i dwa skrajne) nastawach wbudowanego korektora barwy dźwięku. Napięcie zasilania wzmacniacza przyjęto na poziomie 12 VDC i ponownie wykorzystano sztuczne obciążenie oporowe o rezystancji Rload=8 Ω. Moc wyjściowa RMS każdorazowo była ustawiona na wartość Pout=5 W na pojedynczy kanał dla częstotliwości referencyjnej Fgen=1 kHz.

Rezultaty pomiarów charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza z korektorem ZK-502MT zobrazowano na rysunku 86.

Rysunek 86. Charakterystyki częstotliwościowe kanałów stereo wzmacniacza ZK-502MT

Interpretując te wykresy można sformułować poniższe wnioski:

• zgodność wszystkich charakterystyk pomiędzy oboma kanałami jest całkiem dobra, a drobne różnice wartości tłumienia nie przekraczają 1 dB,
• w przypadku nastawy „flat” (bez korekcji) widać wyraźnie lekkie podbicie charakterystyki częstotliwościowej na krańcach pasma przenoszenia, które nawet wykracza poza zakres częstotliwości 20 Hz...20 kHz,
• w przypadku nastawy „high” maksymalne podbicie charakterystyki na krańcach pasma przenoszenia przekracza nieco +10 dB; dodatkowo nastawienie obu korektorów barwy dźwięku na maximum spowodowało także podbicie charakterystyk częstotliwościowych obu kanałów w środku pasma o ≥3 dB, co zasadniczo należy uznać za niepożądany efekt,
• dla nastawy „low” nie widać co prawda wpływu korekt tonów niskich i wysokich na środek pasma, ale za to wystąpił znaczny „rozstrzał” pomiędzy siłą korekty dla tonów niskich i tonów wysokich; w szczególności, skrajne tłumienie dla tonów niskich sięga poniżej –16 dB, ale dla tonów wysokich jest już tylko rzędu –6 dB aż do częstotliwości około 16 kHz; dodatkowo powyżej tej częstotliwości występuje nieoczekiwany, lawinowy skok tłumienia aż do wartości około –14 dB na krańcu badanego pasma przenoszenia.

Podsumowując, od strony charakterystyk częstotliwościowych samego wzmacniacza mocy (bez wpływu korektora barwy dźwięku) moduł ZK-502MT zachowuje się w miarę akceptowalnie, jednak wpływ korektora przy nastawach z grupy „low” wydaje się być nieco niespójny – wręcz dziwny. Zatem przetestowane tanie urządzenie, choć kompaktowe i zapewne wygodne w wielu niezbyt wymagających jakościowo zastosowaniach, to niewątpliwie jest odległe od oczekiwań bardziej wymagających użytkowników.

Kolejnym badanym urządzeniem był pokazany na fotografii 13 wzmacniacz o oznaczeniu ZK-MT21. Jest to wzmacniacz stereofoniczny z dodatkowym kanałem subwoofera (2.1), wykonany w formie samodzielnego, minimalistycznie zabudowanego urządzenia, pracujący w klasie D z zastosowaniem układu scalonego TPA3110D2. W urządzenie wbudowano przedwzmacniacz regulacyjny, prosty dwupunktowy korektor barwy dźwięku (tony niskie i wysokie) dla kanałów stereo oraz osobną regulację barwy dźwięku i wzmocnienia dla kanału subwoofera. Podana w ofercie handlowej maksymalna moc wyjściowa urządzenia, to 2×50 W+100 W, dopuszczalne napięcie zasilania leży w zakresie 12...24 VDC, a akceptowalna impedancja obciążenia (na jeden kanał), to 4...8 Ω (dane z portali sprzedażowych).

Fotografia 13. Wzmacniacz stereofoniczny z kanałem subwoofera i korektorem ZK-MT21

Produkt zakupiono w 2025 r. w Chinach na jednym z popularnych portali aukcyjnych za kwotę zbliżoną do 50 zł. Za jego produkcję (lub przynajmniej dystrybucję) odpowiedzialny jest podmiot pod nazwą VODOOL.

Wykonane pomiary obejmowały charakterystyki częstotliwościowe obu kanałów stereo w paśmie 20 Hz...20 kHz przy trzech różnych (neutralne i dwa skrajne) nastawach wbudowanego korektora barwy dźwięku. Oczywiście, osobno zbadano też charakterystyki częstotliwościowe kanału subwoofera – tym razem jednak w węższym paśmie 20 Hz...2 kHz. Badania te przeprowadzono również dla trzech różnych nastaw (środkowe i dwa skrajne) wbudowanego regulatora pasma kanału subwoofera. Napięcie zasilania wzmacniacza przyjęto na poziomie 12 VDC i ponownie wykorzystano sztuczne obciążenie oporowe o rezystancji Rload=8 Ω. Moc wyjściowa RMS każdorazowo była ustawiona na wartość Pout=5 W na pojedynczy kanał stereo dla częstotliwości referencyjnej Fgen=1 kHz, a także kanał subwoofera dla częstotliwości referencyjnej Fgen=140 Hz.

Rysunek 87. Charakterystyki częstotliwościowe kanałów stereo wzmacniacza ZK-MT21

Rezultaty pomiarów charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza z korektorem ZK-MT21 dla kanałów stereo zobrazowano na rysunku 87, a dla kanału subwoofera – na rysunku 88. W przypadku kanałów stereo (rysunek 87) oznaczenia i legenda zostały zdefiniowane identycznie, jak w przypadku wcześniej omawianych wzmacniaczy z korektorami. Natomiast w przypadku kanału subwoofera (rysunek 88) oznaczenia prezentowanych wielkości (Asmin, Asmid i Asmax) reprezentowały jego charakterystyki dla nastaw regulatora pasma kanału subwoofera odpowiednio: minimalnej, środkowej i maksymalnej.

Rysunek 88. Charakterystyki częstotliwościowe kanału subwoofera wzmacniacza ZK-MT21

Podczas interpretacji wykresów z rysunków 87 i 88 nasuwają się poniższe wnioski:

• zgodność charakterystyk częstotliwościowych pomiędzy kanałami stereo jest całkiem dobra dla nastawy środkowej (umownie nazwanej tu także „flat”) i maksymalnej („high”), jednak dla nastaw „low” różnice wartości tłumień są dość znaczne – w środku, a zwłaszcza w dolnej części pasma przenoszenia, gdzie sięgają nawet 5 dB,
• obserwując przebiegi krzywych na wykresie z rysunku 87 trudno oprzeć się silnemu wrażeniu, że dopiero przy maksymalnych nastawach pokręteł korektora barwy dźwięku (krzywe „high”) charakterystyki częstotliwościowe kanałów stereo badanego urządzenia stają się w miarę płaskie, a o żadnym istotnym podbiciu w żadnej części pasma nie może być mowy,
• nastawa „flat” z definicji powoduje stłumienie niższych częstotliwości, co jednak w przypadku tego typu wzmacniacza (2.1) można próbować wytłumaczyć intencjonalnym przesunięciem odwzorowania niskich częstotliwości do kanału subwoofera, jakkolwiek trudno jest racjonalnie wyjaśnić całkowity brak możliwości uwypuklenia wyższych częstotliwości (nastawa „high”),
• nie do końca zrozumiały jest sposób kształtowania szerokości pasma subwoofera (dla niższych częstotliwości); przesunięcie nastawy odpowiedniego korektora w kierunku maksimum powoduje bowiem nie tylko rozszerzenie pasma w kierunku wyższych częstotliwości, ale także znaczny, bo maksymalnie aż o +18 dB przyrost wartości transmitancji tego kanału właśnie w zakresie wyższych tonów.

W tym miejscu warto dodać, że autor artykułu przez pewien czas eksploatował opisywany wzmacniacz 2.1 w trybie zwykłego wzmacniacza stereofonicznego 2.0 i odniesione wrażenia odsłuchowe były wysoce niesatysfakcjonujące. Jakkolwiek stwierdzone pomiarowo i wykazane w powyższym wnioskowaniu własności wzmacniacza 2.1 typu ZK-MT21 nie przekreślają zastosowania tego urządzenia jako niskobudżetowego wzmacniacza prostego kina domowego.

W następnej kolejności przetestowano przedstawiony na fotografii 14 bardzo prosty, stereofoniczny (2.0), pasywny korektor barwy dźwięku o oznaczeniu XH-M802. Urządzenie umożliwia wstępną regulację poziomu sygnału i dwupunktową korekcję brzmienia (tony niskie i tony wysokie). Jako urządzenie bierne nie wymaga zasilania i ma postać obsadzonej płytki drukowanej bez jakiejkolwiek obudowy. Produkt zakupiono w 2025 r. w Chinach na jednym z popularnych portali aukcyjnych za kwotę zbliżoną do 15 zł, a za jego produkcję (lub chociaż dystrybucję) odpowiedzialny jest podmiot o nazwie SAMIORE ROBOT.

Fotografia 14. Korektor bierny XH-M802

Przeprowadzone pomiary obejmowały charakterystyki częstotliwościowe obu kanałów stereo w paśmie 20 Hz...20 kHz przy trzech różnych (neutralne i dwa skrajne) nastawach wbudowanego korektora barwy dźwięku. Oczywiście, obciążenie rezystancyjne mocy na wyjściu układu nie miało w tym przypadku zastosowania.

Wyniki pomiarów charakterystyk częstotliwościowych kanałów stereo korektora XH-M802 zobrazowano na rysunku 89.

Rysunek 89. Charakterystyki częstotliwościowe kanałów stereo korektora XH-M802

Oznaczenia i legenda zostały zdefiniowane analogicznie, jak w przypadku kanałów stereo omawianych wcześniej wzmacniaczy z korektorami barwy dźwięku. Analiza i interpretacja wykresów zebranych charakterystyk częstotliwościowych prowadzi do następujących konkluzji:

• zgodność charakterystyk częstotliwościowych pomiędzy kanałami stereo jest dość przeciętna i budzi szczególne zastrzeżenia dla nastaw maksymalnych („high”), dla których rozbieżności są rzędu 2 dB w górnej części pasma i aż około 4 dB w środkowej części pasma,
• dla nastawy „flat” (teoretycznie neutralnej) występuje bardzo wyraźne podbicie charakterystyk częstotliwościowych obu kanałów dla tonów niskich i wysokich, a różnica poziomów względem okolic środka pasma przenoszenia (tutaj: około 500 Hz) jest rzędu aż około 13 dB,
• nastawy „high”, szczególnie w odniesieniu do nastaw „flat”, nie tyle powodują jakieś szczególne podbicie tonów niskich i wysokich, co raczej przesunięcie całych charakterystyk „w górę” o średnio około 6 dB oraz minimum w środku pasma od około 500 Hz do około 1 kHz,
• wybór nastawy „low”, w odniesieniu do częstotliwości środkowych, skutkuje tłumieniem niskich częstotliwości aż o około –15 dB i tylko o około –5 dB dla większości górnej części pasma przenoszenia, przy czym im bliżej skrajnej częstotliwości 20 kHz, tym bardziej stromo (wręcz lawinowo) opadają charakterystyki przenoszenia obu kanałów.

Omówiony powyżej, bardzo prosty korektor bierny nie był nigdy testowany odsłuchowo przez autora (z całym szacunkiem dla konstruktorów i producenta płytki) ale, eufemistycznie rzecz biorąc, bez większego żalu. Trudno w tym miejscu pisać o jakimkolwiek użytkowym zastosowaniu tego układu. Może jedynie na potrzeby sprawdzenia „na szybko” i bez zasilania tego, czy podłączony do wyjścia korektora dalszy układ (np. wzmacniacz m.cz.) reaguje w jakikolwiek sposób na zmianę charakterystyki widmowej podawanego sygnału sterującego.

Jako szósty z kolei testowany był pokazany na fotografii 15, prosty, stereofoniczny (2.0) korektor aktywny barwy dźwięku z układami scalonymi NE5532 o oznaczeniu XH-A901. Urządzenie umożliwia wstępną regulację poziomu sygnału i trzypunktową korekcję brzmienia (tony niskie, średnie i wysokie). Wymaga zasilania 12...24 VDC i jest oferowany jako PCB z elementami bez żadnej obudowy. Produkt został kupiony w 2025 r. w Chinach za około 20 zł, a za jego produkcję (albo przynajmniej dystrybucję) odpowiedzialny jest podmiot o dość nostalgicznej nazwie Million Sunshine.

Fotografia 15. Korektor aktywny XH-A901

Wykonane pomiary obejmowały charakterystyki częstotliwościowe obu kanałów stereo w paśmie 20 Hz...20 kHz przy trzech różnych nastawach korektora (neutralne oraz dwie przeciwstawne). Ponownie obciążenie rezystancyjne mocy na wyjściu układu nie miało w tym przypadku zastosowania. Aby uzyskać jak najwięcej informacji o właściwościach korekcyjnych przyrządu przy minimalnej ilości przeprowadzonych pomiarów, przyjęto jako skrajne nastawy następujące warianty:

• „lhl” („low-high-low”) – niskie tony na minimum, średnie tony na maksimum, wysokie tony na minimum,
• „hlh” („high-low-high”) – niskie tony na maksimum, średnie tony na minimum, wysokie tony na maksimum.

Wyniki pomiarów charakterystyk częstotliwościowych kanałów stereo korektora XH-A901 pokazano na rysunku 90. Oznaczenia i legenda zostały zdefiniowane z wykorzystaniem podanych powyżej symboli nastaw i z rozróżnieniem kanałów stereo.

Rysunek 90. Charakterystyki częstotliwościowe kanałów stereo korektora XH-A901

Po przeanalizowaniu wykresów zebranych charakterystyk częstotliwościowych wysnuto następujące wnioski:

• zgodność charakterystyk częstotliwościowych pomiędzy kanałami stereo nie budzi najmniejszych zastrzeżeń; zapewne jest to zasługa zastosowanych elementów biernych o bardzo niskiej tolerancji; w przypadku rezystorów widać to dobrze na fotografii 15,
• płaskość charakterystyk częstotliwościowych obu kanałów stereo dla nastawy „flat” (teoretycznie neutralnej) także nie budzi zastrzeżeń (minimalne podbicie, nie przekraczające +1 dB na dolnym krańcu badanego pasma przenoszenia, praktycznie nie jest nawet możliwe do wychwycenia odsłuchowo),
• nastawa „hlh” powoduje podbicie charakterystyki częstotliwościowej nawet o +13 dB na dolnym krańcu badanego pasma i o ponad +11 dB na jego górnym krańcu; natomiast oczekiwany spadek charakterystyki przenoszenia w środku badanego pasma (częstotliwość około 700 Hz) wynosi jedynie niecałe –4 dB, czyli znacznie słabiej, niż oczekiwano; jest to zapewne konsekwencja nakładania się wpływów sąsiednich, maksymalnych podbić w zakresie niskich oraz wysokich tonów,
• nastawa „lhl” powoduje spadki wzmocnienia na poziomach zbliżonych do –10 dB, ale dopiero na samych krańcach badanego pasma przenoszenia 20 Hz...20 kHz, natomiast spodziewane podbicie charakterystyk częstotliwościowych obu kanałów stereo w środku pasma przenoszenia (w tym przypadku około 900 Hz) jest na skromnym poziomie nieco poniżej +4 dB; w tym przypadku, analogicznie jak przy nastawie „hlh”, można dopatrywać się wpływu nakładania się sąsiednich maksymalnych stłumień w zakresie niskich oraz wysokich tonów. Dość mało satysfakcjonujący jest praktycznie płaski (na poziomie około 0 dB) przebieg tej charakterystyki w przedziale 6 kHz...12 kHz, oznaczający praktycznie brak oczekiwanego stłumienia tonów wysokich, choćby w najmniejszym stopniu.

Jak widać, przeanalizowany powyżej, stosunkowo prosty korektor aktywny, chociaż wykazuje także pewne stosunkowo drobne niedociągnięcia, to jednak wydaje się oferować najbardziej rzetelne własności korekcyjne spośród wszystkich badanych i dyskutowanych do tego miejsca urządzeń, będących w stanie wpływać na kształt widma przetwarzanych sygnałów akustycznych. Tak więc, przynajmniej w subiektywnej ocenie autora tej publikacji, wydaje się on być ciekawą propozycją modułu korektora, przeznaczonego do zastosowania w urządzeniach elektroakustycznych nawet „ze średniej półki”.

Siódmym przetestowanym urządzeniem był pokazany na fotografii 16 zintegrowany, stereofoniczny (2.0) amplituner klasy HiFi z odbiornikiem FM, skonstruowany w formie wolnostojącego urządzenia desktopowego, którego sercem jest układ scalony TPA3116D2 (wzmacniacz stereofoniczny klasy D). Urządzenie zostało wyposażone m.in. w wejścia audio: analogowe (mini-jack, RCA) oraz cyfrowe (USB, Bluetooth, optyczne, koncentryczne). Omawiany amplituner posiada przedwzmacniacz i dwupunktowy, analogowy korektor barwy dźwięku (tony niskie i wysokie: ±10 dB przy 100 Hz oraz 10 kHz), a także cyfrowe, predefiniowane tryby korekcji DSP (niestety dostępne tylko dla cyfrowych źródeł sygnału). Ma też całkiem zaawansowane funkcje karaoke, które jednak znalazły się poza obszarem zainteresowania w ramach przedmiotowych testów. Maksymalna moc wyjściowa urządzenia: 2×50 W, możliwe napięcia zasilania: 90...240 VAC lub 12 VDC, dopuszczalne impedancje obciążenia: 4...16 Ω, pasmo przenoszenia: 20 Hz...20 kHz, SNR na poziomie 95 dB, THD poniżej 0,5%, impedancja wejściowa 47 kΩ. Podane parametry pochodzą z dokumentacji technicznej amplitunera. Produkt ponownie zakupiono w 2024 r. Chinach (i również na jednym z popularnych portali aukcyjnych) za kwotę zbliżoną do 150 zł, a jego producentem jest – cokolwiek znana już na świecie – firma WOOPKER.

Fotografia 16. Amplituner stereofoniczny AK-55

Wykonane pomiary obejmowały charakterystyki częstotliwościowe obu kanałów stereo (osobno) w paśmie 20 Hz...20 kHz, przy różnych (neutralne „flat” i dwa skrajne: „low” oraz „high”) nastawach wbudowanego korektora barwy dźwięku. Wykorzystano tryb zasilania napięciem sieciowym 230 VAC i sztuczne obciążenie rezystancyjne Rload=8 Ω, a moc wyjściowa RMS była każdorazowo ustalana na około Pout=5 W na kanał.

Wyniki pomiarów charakterystyk kanałów stereo amplitunera AK-55 można zobaczyć na rysunku 91. Oznaczenia i legenda zostały zdefiniowane z wykorzystaniem podanych powyżej symboli nastaw i z rozróżnieniem kanałów stereo.

Rysunek 91. Charakterystyki częstotliwościowe kanałów stereo amplitunera AK-55

Analiza wykresów zebranych charakterystyk częstotliwościowych zaprowadziła do poniższych wniosków:

• zgodność charakterystyk częstotliwościowych pomiędzy kanałami stereo nie budzi zastrzeżeń (ledwo zauważalne różnice), co świadczy o tym, że omawiana konstrukcja została dobrze przemyślana i starannie zaimplementowana,
• charakterystyki częstotliwościowe obu kanałów stereo dla nastawy „flat” (teoretycznie neutralnej) w rzeczywistości zbyt płaskie nie są (istotne podbicie dla wyższych częstotliwości z ekstremum w okolicach 12 kHz); dodatkowo widać dość wyraźny, monotoniczny spadek poziomu przenoszenia w kierunku niższych częstotliwości, a dolna częstotliwość graniczna –3 dB (względem poziomu 0 dB dla częstotliwości referencyjnej 1 kHz) wynosi aż około 60 Hz – czyli znacznie przekracza deklaracje producenta (20 Hz),
• nastawa „high” daje podbicie około +11 dB dla częstotliwości bliskich 14 kHz (producent deklarował +10 dB dla 10 kHz) oraz podbicie nieco ponad +4 dB dla częstotliwości bliskich 50 Hz (producent deklarował +10 dB dla 100 Hz); szczególnie w drugim z tych przypadków rzeczywistość istotnie rozminęła się z deklaracjami producenta, co w przypadku sprzętu definiowanego jako „klasa HiFi” raczej jednak nie powinno mieć miejsca,
• w przypadku nastawy „low” spadek charakterystyki przenoszenia dla częstotliwości 100 Hz jest faktycznie bliski deklarowanym –10 dB, jednak dalej mocno spada w kierunku dolnej granicy rozpatrywanego pasma częstotliwości i wynosi około –16 dB dla częstotliwości 20 Hz (chyba jednak trochę zbyt ostro); z kolei dla wyższych częstotliwości wprowadzane tłumienie jest nieco zbyt łagodne (tylko około –3 dB dla częstotliwości 10 kHz), a dość zaskakująco stromy spadek następuje dopiero powyżej częstotliwości 14 kHz i sięga poniżej –12 dB dla częstotliwości 20 kHz.

Wielomiesięczna eksploatacja omawianego amplitunera potwierdza powyższe analizy pomiarów charakterystyk częstotliwościowych. Niższe częstotliwości są faktycznie wyraźnie słabiej (czytaj: jednak nieco za słabo) odwzorowywane i trudno niestety jest zakwalifikować to urządzenie do klasy Hi-Fi. Być może tajemnica tego zjawiska jest ukryta w zbyt budżetowo (lub po prostu nieoptymalnie) zaprojektowanych filtrująco-sprzęgających obwodach LC na wyjściach wbudowanego, scalonego wzmacniacza mocy klasy D. Jakkolwiek na osłodę użytkownik otrzymuje produkt całkiem estetycznie i starannie wykonany, o rozlicznych przydatnych funkcjonalnościach, mimo wszystko jednak dość przyjemnym brzmieniu i w dodatku dostępny za niezwykle przystępną cenę.

Kolejnym badanym urządzeniem był pokazany na fotografii 17, zintegrowany mikrosystem stereo (2.0) o oznaczeniu XR-MS3. Jest to amplituner z wbudowanym odbiornikiem FM, odtwarzaczem CD i magnetofonem kasetowym w formie wolnostojącego urządzenia.

Fotografia 17. Mikrosystem stereo XR-MS3

Urządzenie posiada wykorzystywane w trakcie testów pomiarowych, analogowe wejście audio (AUX) na złączu RCA. Mikrowieża oferuje funkcje: przedwzmacniacza regulacyjnego, dwupunktowego, cyfrowego (DSP) korektora barwy dźwięku (tony niskie T-BASS i wysokie BBE) w dwóch niewykluczających się trybach: kilkustopniowej regulacji i/lub programu tematycznego (ROCK, POP, JAZZ). Czułość użytego w pomiarach wejścia AUX to 500 mV. Deklarowana moc wyjściowa wzmacniacza m.cz. (przy zachowaniu przyzwoitych parametrów jakościowych) to 2×12 W przy Rload=6 Ω, Fpom=1 kHz i THD=1% – wg normy DIN 45500. Urządzenie wymaga zasilania 230 VAC, a impedancja obciążenia nie powinna być niższa niż 6 Ω. Dane techniczne pochodzą z dokumentacji produktu, który został zakupiony w Polsce w 2003 r., w jednym z najpopularniejszych dziś elektromarketów. Jego producentem jest dobrze znana od lat na rynku zaawansowanych urządzeń RTV, japońska firma AIWA Co. Ltd.

Wykonane pomiary obejmowały charakterystyki częstotliwościowe obu kanałów stereo wbudowanego wzmacniacza audio w paśmie 20 Hz...20 kHz przy różnych poziomach intensywności działania funkcji cyfrowego korektora (DSP) z funkcjami T-BASS i BBE oraz (niezależnie) tematycznych programów korekcji barwy tonu: ROCK, POP, JAZZ. W trakcie przeprowadzonych testów urządzenie zasilano z sieci 230 VAC (brak innej opcji). Do obciążenia wyjść wzmacniacza ponownie użyto sztucznego obciążenia rezystancyjnego o Rload=8 Ω, przy nastawianych mocach wyjściowych RMS w okolicach Pout=5 W na kanał.

Rysunek 92. Charakterystyki częstotliwościowe kanałów stereo amplitunera XR-MS3 (korektory T-BASS i BBE)

Rezultaty pomiarów charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza w mikrosystemie XR-MS3 (oba kanały stereo) dla aplikacji korekcji T-BASS i BBE zobrazowano na rysunku 92 a dla aplikacji korekcji tematycznych – na rysunku 93. W przypadku korekcji T-BASS i BBE (rysunek 92) przyjęto następujące oznaczenia „składane”: A – tłumienie względne, l/r – wyróżnik mierzonego kanału, flt0...flt3 – wyróżnik nastawy konkretnych korekcji. Wyróżnik flt0 oznaczał brak jakichkolwiek korekcji, natomiast wyróżniki flt1...flt3 symbolizowały, że podczas pomiarów załączone były (jednocześnie i łącznie) kolejne stopnie korekcji T-BASS i BBE. Z kolei w przypadku korekcji tematycznych (rysunek 93) użyto „składanych” oznaczeń: A – tłumienie względne, l/r – wyróżnik mierzonego kanału, flat/rock/pop/jazz – wyróżnik nastawy konkretnej korekcji tematycznej. Wyróżnik flat oznaczał brak jakichkolwiek korekcji, natomiast wyróżniki rock/pop/jazz symbolizowały nastawy korekcji tematycznych o tych samych nazwach.

Rysunek 93. Charakterystyki częstotliwościowe kanałów stereo amplitunera XR-MS3 (korektory tematyczne)

Interpretując wykresy z rysunków 92 i 93 można było pokusić się o wnioski jak poniżej:

• zgodność charakterystyk częstotliwościowych pomiędzy kanałami stereo w przypadku obu serii testów jest znakomita, a trudne do oceny organoleptycznej, bardzo drobne różnice zapewne wynikają wyłącznie z niedoskonałości samych pomiarów (minimalne szumy); taka bardzo dobra zgodność par krzywych, reprezentujących oba kanały stereo, wynika zapewne z cyfrowej implementacji (DSP) zastosowanych przez producenta urządzenia metod korekcji widma przetwarzanych sygnałów audio,
• nastawy korekt nazwane flt0 albo flat (z definicji „zerowe” czy neutralne) w przypadku obu serii testów dawały oczywiście identyczne rezultaty; na ich podstawie można stwierdzić, że badany mikrosystem jest nieco „upośledzony” w zakresie niższych częstotliwości, bowiem dolna granica 3-decybelowego pasma przenoszenia (–3 dB względem poziomu referencyjnego, np. dla częstotliwości 1 kHz) wynosi aż Fd=100 Hz (względnie dużo); na usprawiedliwienie konstruktorów mikrosystemu może działać to, że załączone w zestawie niewielkie kolumny głośnikowe zapewne i tak nie byłyby w stanie skutecznie i wiernie odtworzyć jeszcze niższych częstotliwości; natomiast w zakresie tonów wysokich można zaobserwować nawet pewne ponadnormatywne i wręcz zaskakujące podbicie charakterystyki częstotliwościowej: niecałe +4 dB w maksimum dla częstotliwości 12 kHz,
• załączanie kolejnych nastaw flt1...flt3 powodowało coraz silniejsze, równoległe i niezależne działanie systemów T-BASS oraz BBE; maksimum efektu wzmocnienia systemu T-BASS leżało pomiędzy 80 Hz a 160 Hz, a osiągane przyrosty transmitancji względnej wynosiły kolejno około: +9 dB, +12 dB i +15 dB; natomiast maksimum efektu wzmocnienia systemu BBE leżało pomiędzy 12 kHz a 14 kHz, przy osiąganych przyrostach transmitancji względnej równych kolejno około: +6 dB, +9 dB i +12 dB; można zatem uznać, że niedoskonałości badanego wzmacniacza w zakresie niższych tonów daje się z łatwością skorygować właściwymi nastawami korektora; dodatkowo, godne podkreślenia jest to, że nawet nastawienie maksymalnych pozycji korektora dla niskich i wysokich tonów (odpowiednio: +15 dB i +12 dB) powoduje tylko nieznaczne podbicie analizowanych charakterystyk częstotliwościowych w środkowej części pasma (okolice 800 Hz...1 kHz), bo maksymalnie o zaledwie +3 dB, co należy uznać za całkiem satysfakcjonujący efekt,
• ciekawą, tzw. szybką alternatywą dla stosowania kombinacji niezależnych nastaw przedyskutowanych powyżej funkcji T-BASS oraz BBE mogą być tzw. korektory tematyczne (ROCK, POP oraz JAZZ); nie oferują one co prawda aż tak bardzo agresywnych korekcji widma, jakie są możliwe w przypadku aktywowania funkcji T-BASS i BBE, jednak nic nie stoi na przeszkodzie, by równolegle z wybranym korektorem tematycznym zastosować dodatkowo którąś z w/w funkcji korekcji pasmowych (chociażby w „delikatnym” wydaniu), co daje już naprawdę spore możliwości kształtowania brzmienia odsłuchiwanych treści dźwiękowych,
• może niepokoić fakt, że producent urządzenia całkowicie zapomniał o możliwościach wprowadzenia dodatkowego tłumienia w zakresach niskich i wysokich częstotliwości; jakkolwiek sprzęt tej popularnej klasy zwykle wykorzystywany jest do odtwarzania muzyki rozrywkowej, dla której w ogromnej większości przypadków pożądane jest raczej wzmocnienie tonów niskich i/lub wysokich, niż ich redukcja (w taki też sposób omawiany sprzęt był eksploatowany wiele lat przez autora tego artykułu).

Reasumując, badany wzmacniacz w dość już leciwym mikrosystemie stereo AIWA XR-MS3, z definicji przeznaczony do wykorzystywania w segmencie użytkowników sprzętu popularnego, nacechowany jest całkiem przyzwoitą koncepcją konstrukcji, a także wysoką starannością jej realizacji. Dodatkowo, dla mniej wymagających melomanów, przedmiotowy mikrosystem wydaje się oferować całkiem atrakcyjne metody kształtowania widma (a zatem i brzmienia) odsłuchiwanych materiałów dźwiękowych.

Ostatnim testowanym urządzeniem był pokazany na fotografii 18 w pełni analogowy, zintegrowany wzmacniacz stereofoniczny (2.0) typu PW-9013, wyprodukowany w 1987 r. w Polsce przez nieistniejące już od wielu lat łódzkie zakłady produkcji elektronicznej FONICA, należące do zrzeszenia UNITRA – niegdyś potentata na naszym (i nie tylko naszym) rynku elektroniki z domeny RTV.

Fotografia 18. Zintegrowany wzmacniacz PW-9013

Przedmiotowy wzmacniacz pracuje w symetrycznej klasie 2×AB i ma postać wolnostojącego urządzenia w niskiej obudowie (tzw. „slim”), o typowej szerokości tzw. „dużej wieży” (44 cm). Urządzenie umożliwia dołączenie: gramofonu z wkładką magnetyczną, tunera oraz dwóch magnetofonów. Posiada także wejście uniwersalne (AUX), do którego można podłączyć np. gramofon z wkładką piezoelektryczną, odtwarzacz CD czy wyjście audio z komputera albo telefonu komórkowego. Do wyjścia wzmacniacza można dołączyć dwa zestawy kolumn głośnikowych (do pracy jednoczesnej lub naprzemiennej). Urządzenie zawiera przedwzmacniacz regulacyjny, dwupunktowy korektor barwy dźwięku (tony niskie i wysokie) i trzy dedykowane filtry stałe (dwa przeciwzakłóceniowe i jeden poprawiający komfort odsłuchów). Kluczowe parametry badanego urządzenia (wg dokumentacji technicznej produktu) są następujące: pasmo przenoszenia to 30 Hz...30 kHz, SNR≥70 dB, THD≤0,15%, czułość wejścia AUX to 300±30 mV, moc wyjściowa RMS wynosi 2×35 W (przy Rload=2×8 Ω), zakres regulacji barwy dźwięku (dla 100 Hz i 10 kHz) to ±13 dB, a zasilanie to klasyczne napięcie sieciowe 220 VAC (230 VAC). Dedykowane filtry stałe teoretycznie mają następujące parametry:

• filtr dolnoprzepustowy „high” (stosuje się dla ograniczenia szumu powstałego przy odtwarzaniu zużytych płyt gramofonowych, szumu taśmy magnetofonowej lub szumu audycji radiowej); tłumienie sygnału w paśmie 6...10 kHz to –3 dB, a tłumienie sygnału w oktawie 10...20 kHz to –6 dB,
• filtr górnoprzepustowy „low” (stosuje się dla ograniczenia zakłóceń spowodowanych wibracją mechanizmu napędowego, np. gramofonu lub innych występujących w zakresie niskich tonów); tłumienie sygnału w paśmie 55...85 Hz to –3 dB, a w oktawie 20...40 Hz: –6 dB,
• filtr „loudness” (inaczej „kontur”; stosuje się przy małym poziomie wzmocnienia w celu uwypuklenia tonów niskich i wysokich, zgodnie z charakterystyką ucha ludzkiego; w miarę wzrostu wzmocnienia zmiany wprowadzane przez filtr słyszalne z głośników są mniejsze); podbicie sygnału dla f=100 Hz i 10 kHz wynosi +8 dB.

W ramach przeprowadzonych pomiarów badano charakterystyki częstotliwościowe obu kanałów stereo wzmacniacza w paśmie 20 Hz...20 kHz przy różnych:

• nastawach wbudowanego korektora barwy dźwięku (neutralne i dwa skrajne ustawienia jednocześnie),
• nastawach dedykowanych filtrów przeciwzakłóceniowych (oba filtry wyłączone, włączony tylko filtr dolnoprzepustowy, włączony tylko filtr górnoprzepustowy),
• mocach wyjściowych (Pout=1, 2 i 4 W dla częstotliwości referencyjnej f=1 kHz) i włączonym filtrze „loudness” („kontur”).

Pomiary wykonano przy zasilaniu sieciowym 230 VAC, sztucznym obciążeniu rezystancyjnym Rload=8 Ω i mocy wyjściowej RMS Pout=5 W na kanał (tylko dwa pierwsze z w/w przypadków).

Rysunek 94. Charakterystyki częstotliwościowe kanałów stereo wzmacniacza PW-9013 (regulacja tonów niskich i wysokich)

Wyniki pomiarów charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza PW-9013 w zakresie testów korektora barwy dźwięku zilustrowano na rysunku 94. Rezultaty testów filtrów przeciwzakłóceniowych pokazano na rysunku 95, natomiast efekty działania filtru konturowego zaprezentowano graficznie na rysunku 96. W przypadku testów korektora barwy dźwięku (rysunek 94) przyjęto następujące oznaczenia „składane”: A – tłumienie względne, l/r – wyróżnik mierzonego kanału, mid/min/max – wyróżnik nastawy konkretnych korekcji (pozycje potencjometrów środkowe i dwie skrajne). Z kolei w przypadku filtrów przeciwzakłóceniowych (rysunek 95) w oznaczeniach wyróżniono wprost to, czy dany filtr był włączony czy nie, przy czym wyróżnik „flat” oznaczał to, że oba filtry były wyłączone. W testach filtru „loudness” był on włączony cały czas, natomiast poszczególne wykresy na rysunku 96 wyróżnia oczywiście kanał, którego dotyczą oraz nastawione wzmocnienie badanego urządzenia, które przekładało się wprost na moc wyjściową Pout – odpowiednio 1 W, 2 W i 4 W.

Rysunek 95. Charakterystyki częstotliwościowe kanałów stereo wzmacniacza PW-9013 (tłumiki tonów niskich oraz wysokich)

Rysunek 96. Charakterystyki częstotliwościowe kanałów stereo wzmacniacza PW-9013 (filtr „loudness”)

Interpretując wykresy z rysunków 94, 95 i 96 wysnuto poniższe wnioski:

• zgodność charakterystyk częstotliwościowych pomiędzy kanałami stereo w przypadku wszystkich serii testów jest w miarę akceptowalna (rozbieżności poniżej 2 dB); rozbieżności te mogą wynikać albo ze znacznego rozrzutu wartości zastosowanych elementów (urządzenie nie miało żadnego ze znanych kiedyś znaków jakości „1” albo „Q”), albo po prostu są efektem ich starzenia (badany wzmacniacz w chwili wykonywania pomiarów miał już za sobą 38 lat stażu pracy…),
• charakterystyki regulatorów barwy dźwięku trochę jednak odbiegają od deklarowanych w dokumentacji wzmacniacza wartości (±13 dB dla 100 Hz i 10 kHz); jakkolwiek w porównaniu z tanią chińską konkurencją, niezmiennie cieszy bardzo szeroki zakres regulacji „w obie strony” (±) oraz absolutnie znikomy wpływ nastaw regulacji tonów niskich i wysokich na przebieg charakterystyk częstotliwościowych urządzenia w środku pasma przenoszenia (okolice 800 Hz...1 kHz),
• charakterystyki filtrów przeciwzakłóceniowych „low” i „high” z grubsza (tzn. niezbyt precyzyjnie) wypełniają deklaracje producenta z dokumentacji urządzenia; nieco zaskakuje „nadprogramowe”, lekkie podbicie tonów wysokich (niecałe +2 dB) z maksimum w okolicach 12...14 kHz, które powoduje załączenie tłumika tonów niskich „low”; jakkolwiek w odczuciu autora tego opracowania oba omawiane filtry przeciwzakłóceniowe mają w dzisiejszych czasach całkowicie marginalne zastosowanie (znikoma użyteczność),
• filtr „loudness” (inaczej: „kontur”), chociaż działający niezbyt precyzyjnie, to jednak zasadniczo zachowuje się zgodnie z oczekiwaniami, tzn. stopień podbicia tonów niskich i wysokich wyraźnie spada wraz ze wzrostem wzmocnienia badanego wzmacniacza; najprawdopodobniej, gdyby rozszerzyć dalej zakres wykonywanych testów o wzmocnienia dające moce wyjściowe Pout na poziomach 0,5 W i 8 W, dałoby się zaobserwować maksymalne podbicie charakterystyk dla tonów niskich i wysokich na deklarowanym poziomie maksymalnym +8 dB, chociaż niekoniecznie dokładnie przy deklarowanych przez producenta częstotliwościach referencyjnych 100 Hz i 10 kHz; jakkolwiek przez wiele lat intensywnej eksploatacji u autora publikacji filtr „loudness” był praktycznie cały czas załączony i zdecydowanie poprawiał percepcję prowadzonych odsłuchów.

Podsumowując, przebadany w ramach opisanych testów, 40-letni, w pełni analogowy wzmacniacz PW-9013 bez specjalnego znaku jakości, zarówno w zakresie stopnia realizacji deklaracji producenta, jak i jakości odwzorowania charakterystyk częstotliwościowych (także odsłuchowo), niezmiennie jest w stanie po prostu zawstydzić współczesną, „budżetową” konkurencję chińską. Ta bowiem prawdopodobnie jednak za mocno stawia na rozwiązania techniczne uproszczone i tanie. Jedyne, czym w pełni analogowy PW-9013 niewątpliwie ustępuje przebadanym wzmacniaczom z Chin, to sprawność energetyczna, która dla wzmacniaczy pracujących w klasie 2×AB będzie na poziomie η<50%, a dla wzmacniaczy w klasie D należy oczekiwać η>90%. Niestety, w czasach wysokich i wciąż rosnących cen energii elektrycznej, przy systematycznej eksploatacji z większymi oddawanymi mocami akustycznymi, aspekt ten jest trudny do pominięcia w praktyce.

Dygresje techniczne

W tym miejscu autor chciałby zwrócić uwagę Czytelników na dwa bardzo istotne aspekty pomiarowe, które dla dobra jasności przekazu nie zostały rozwinięte wcześniej. Ich ogromne znaczenie praktyczne ujawniło się dopiero w trakcie samych pomiarów i wymusiło na autorze drobne, lecz bardzo istotne korekty w samym układzie pomiarowym.

Pierwsza sprawa to wartości pojemności sprzęgających i typy zastosowanych w nich kondensatorów. Z uwagi na eksperymentalno-prototypowy charakter opracowanego mini-systemu pomiarowego, cały układ został zrealizowany w sędziwej nieco technologii THT. Aby zminimalizować wpływ niedostatecznych wartości pojemności sprzęgających tam, gdzie było to niezbędne, zdecydowano się na zastosowanie rozwiązania jak na rysunku 97 (przykład wybrany ze schematu na rysunku 76).

Rysunek 97. Szerokopasmowe sprzężenie pojemnościowe

Pojemność C13A (1 μF) to kondensator ceramiczny zapewniający małą impedancję dla średnich, a zwłaszcza wyższych częstotliwości akustycznych. Tymczasem para znacznych pojemności C13B/C13C (2×1000 μF połączone szeregowo, czyli wypadkowo 500 μF) zapewnia niską impedancję połączenia obwodów: mierzonego i pomiarowego dla najniższych częstotliwości pasma akustycznego. Jakkolwiek z uwagi na własności zastosowanych kondensatorów elektrolitycznych (zasadniczo nie pracują poprawnie przy przeciwnej polaryzacji), zdecydowano się na użycie starej sztuczki, polegającej na przeciwsobnym połączeniu szeregowym pary kondensatorów.

Drugim niezwykle istotnym aspektem, także wymagającym komentarza, jest sposób połączenia mas sygnałowych układu pomiarowego i mierzonego urządzenia. Zasadniczo, krótkie połączenia galwaniczne są bardzo korzystne, ponieważ redukują ryzyko indukowania się pasożytniczych zakłóceń od zewnętrznych pól elektromagnetycznych i powstawania szkodliwych sprzężeń między połączeniami sygnałowymi i silnoprądowymi (jak np. obwody wyjściowe badanego wzmacniacza czy obwody zasilania AC). Autor tej publikacji zdecydowanie hołduje jednak zasadzie łączenia tylko mas sygnałowych obwodów (pomiarowego oraz mierzonego) i tylko w jednym punkcie. Powody „w telegraficznym skrócie” zebrano poniżej:

• pojedyncze połączenie redukuje ryzyko powstawania tzw. elektromagnetycznych pętli masy, które mogą działać jak odbiorcza antena pętlowa, zbierająca zakłócenia EMI,
• podłączenie się do masy obwodu mierzonego w miejscu, w którym z zasady mogą przepływać znaczne zmienne prądy robocze, powodujące zmiany potencjału masy w takim punkcie względem masy sygnałowej, zapewne wprowadzi pasożytnicze zakłócenia do ustroju pomiarowego i dodatkowo spowoduje ryzyko powstania bardzo szkodliwych sprzężeń i wzbudzeń,
• nie wszystkie wzmacniacze, nawet te analogowe, mają jeden biegun wyjścia mocy na potencjale masy całego urządzenia (jakkolwiek zasilany symetrycznie i nie używający transformatorów wyjściowych PW-9013 tak właśnie ma); w szczególności, wszystkie pomierzone na potrzeby tego artykułu chińskie wzmacniacze pracujące w klasie D, nie miały żadnego bieguna wyjść mocy m.cz. podłączonego jednoznacznie i na stałe z masą urządzenia.

Rysunek 98. Funkcjonalny schemat blokowy układu scalonego TPA3110D2

Aby nieco dokładniej wyjaśnić ten aspekt, na rysunku 98 pokazano funkcjonalny schemat blokowy układu scalonego stereofonicznego wzmacniacza klasy D typu TP3110D2 produkcji Texas Instruments (schemat pochodzi z 13 str. noty katalogowej producenta – w materiałach dodatkowych do artykułu), którego użyto w większości przebadanych w ramach tej publikacji, chińskich urządzeń wzmacniających. Na rysunku czerwoną ramką wyróżniono końcowe, przełączające stopnie mocy z tranzystorami MOSFET. Jak nietrudno domyśleć się na podstawie schematu i zasady działania wzmacniaczy klasy D, wyprowadzenia jego wyjść są naprzemiennie, impulsowo podłączane do masy mocy PGND i bieguna zasilania mocy PVCCL urządzenia. To rozwiązanie bezwzględnie wyklucza możliwość podłączenia na stałe (zarówno galwanicznie, jak i poprzez sprzężenie pojemnościowe) któregokolwiek wyprowadzenia wyjściowego takiego wzmacniacza z masą sygnałową układu pomiarowego. Dlatego właśnie w trakcie pomiarów pomiędzy wyjściami mierzonych wzmacniaczy, a układem pomiarowym, każdorazowo zastosowano szerokopasmowy transformator separujący 1:1. Oczywiście, charakterystyki częstotliwościowe zarówno samego transformatora separującego, jak i całego toru pomiarowego, zostały zdjęte pomiarowo w pętli bez obecności DUT i wykorzystane do kompensacji wyników pomiarów DUT.

Podsumowanie

W tej odsłonie cyklu publikacyjnego o pomiarach charakterystyk częstotliwościowych pochylono się nad układami m.cz. (wzmacniacze i korektory) dostępnymi „z półki” (teraz lub wiele lat temu). Wnioski z pomiarów są niejednokrotnie dość zaskakujące i chyba nieźle wyjaśniają to, dlaczego za wysoką jakość odsłuchiwanych sygnałów trzeba jednak zapłacić trochę więcej, niż za niskobudżetowy produkt przeciętnej jakości. Co ciekawe (i bardzo satysfakcjonujące dla autora), wyniki pomiarów i ich analiz zdecydowanie potwierdzają pozyskane wcześniej (lepsze lub gorsze) doświadczenia odsłuchowe z danymi urządzeniami. Tym samym autor gorąco zachęca szanownych Czytelników – zwłaszcza tych, którzy przejawiają inklinacje audiofilskie – do przeprowadzania analogicznych eksperymentów we własnym zakresie. W kolejnej, ostatniej już części cyklu o pomiarach charakterystyk częstotliwościowych, całość uwagi zostanie skupiona na urządzeniach, podzespołach i przyrządach w.cz.

Adam Sobczyk, EP