Zaloguj
Pomiar pasma przenoszenia
Do podstawowego pomiaru pasma przenoszenia wzmacniacza będziemy potrzebowali przestrajanego generatora częstotliwości – w zakresie od 10 Hz do przynajmniej 200 kHz – i oscyloskopu. Wyjście wzmacniacza łączymy ze sztucznym obciążeniem, a na wejście podajemy sygnał z generatora – tak,
by na wyjściu była wydzielana moc równa na przykład 1 W. Jeżeli chcemy zrobić to dokładnie, to zmieniamy częstotliwość generatora w zakresie od 10 Hz do 100 Hz – co 10 Hz, w zakresie od 100 Hz do 1 kHz – co 100 Hz i w zakresie od 1 kHz do 20kHz – co 1 kHz. Można oczywiście wykonywać więcej pomiarów. Po osiągnięciu 20 kHz mierzymy nadal, z krokiem co kilka kHz. W celu uzyskania dokładnego pomiaru być może trzeba będzie kontrolować napięcie wyjściowe z generatora przy zmianie częstotliwości. Szczególnie w starych analogowych generatorach konieczna może okazać się korekta amplitudy sygnału wyjściowego wraz ze zmianą częstotliwości. W moim leciwym generatorze takie wahania są niezbyt duże – ale jeżeli chcę rzetelnie zmierzyć pasmo, kontroluję napięcie wejściowe oraz wyjściowe za pomocą dwukanałowego oscyloskopu i ewentualnie koryguję sygnał z generatora.
Pasmo przenoszenia wzmacniacza jest graficznie prezentowane na wykresie. Na osi X widzimy częstotliwość w skali logarytmicznej, a na osi Y – wzmocnienie w skali liniowej.
Pasmo przenoszenia dobrych wzmacniaczy powinno mieć płaską charakterystykę w zakresie od 20 Hz do 20 kHz. Wyższej klasy wzmacniacz ma dużo szersze pasmo, sięgające przynajmniej do 100 kHz. Dobrze – ale jak określić, kiedy pasmo przenoszenia zaczyna się „od dołu” (czyli w obszarze niskich częstotliwości), a kiedy się kończy (dla wysokich częstotliwości)? Określa się to na wykresie, gdy wzmocnienie spada z 0 dB do –3 dB. Oznacza to, że wzmocnienie na krańcach pasma osiąga 0,707 maksymalnej wartości wzmocnienia.
Na rysunku 47 pokazano przykładową charakterystykę częstotliwościową wzmacniacza NAD3020. Pasmo przenoszenia rozciąga się od ok. 15 Hz do ok. 40 kHz, czyli niezbyt szeroko. Być może jest to pasmo całego toru łącznie z przedwzmacniaczem, a nie samej tylko końcówki mocy.
Wyznaczanie charakterystyki, takiej jak na rysunku 47, metodą punktową okazuje się pracochłonne. W praktyce tą metodą szuka się punktów spadku o 3 dB dla niskich i dla wysokich częstotliwości – optymistycznie zakładając, że pomiędzy nimi charakterystyka będzie płaska. Do dokładnego wyznaczania charakterystyki częstotliwościowej stosuje się metody programowe z przemiataniem częstotliwości. Odchyłki od idealnej charakterystyki częstotliwościowej nazywane są też zniekształceniami liniowymi wzmacniacza.
W naszym układzie pomiarowym możemy zmierzyć pasmo przenoszenia wzmacniacza, a także zniekształcenia fazowe. Program REW ma narzędzia, które mierzą pasmo przenoszenia układu głośnik-mikrofon, ale tak naprawdę mierzony jest sygnał elektryczny reprezentujący przebieg z mikrofonu. Możemy zatem wysterować nasz wzmacniacz sygnałem pomiarowym o częstotliwości przemiatanej w zakresie odpowiadającym częstotliwości próbkowania – i interpretować sygnał z wyjścia wzmacniacza, jakby to był sygnał z mikrofonu.
Taką metodą teoretycznie będziemy w stanie zmierzyć (przy próbkowaniu z częstotliwością 192 kHz) pasmo do 96 kHz – i w przypadku dobrych wzmacniaczy jest to najprawdopodobniej zbyt mało. Jednak przy obecnych pomiarach bardziej interesuje nas jakość charakterystyki w paśmie akustycznym 20 Hz….20 kHz. Maksymalne pasmo przenoszenia wzmacniacza wyznaczymy za pomocą generatora i oscyloskopu. Jedna z metod pomiaru pasma wzmacniacza prowadzi trochę „naokoło”. Na rysunku 17 została pokazana charakterystyka amplitudowo-fazowa zapętlonej karty, zmierzona w procesie kalibracji.
Nic nie stoi na przeszkodzie, żeby w układzie pomiarowym włączyć nasz wzmacniacz tak jak przy pomiarze zniekształceń i w tej konfiguracji wykonać procedurę kalibracji karty. W wyniku tej operacji REW zmierzy potrzebną charakterystykę układu: wyjście karty – wejście wzmacniacza – wyjście wzmacniacza – wejście karty. Oczywiście trzeba ustawić odpowiednie poziomy sygnału w procedurze kalibracji, a jej wynik nie powinien być używany do pomiarów zniekształceń. Na rysunku 48 pokazano pomiar pasma przenoszenia oraz charakterystykę fazową naszego wzmacniacza. Pomiar był wykonywany w paśmie 0….96 kHz (próbkowanie 192 kHz).
Widać tu, że pasmo od dołu zaczyna się od ok. 18 Hz ze spadkiem 3 dB. Na wejściu wzmacniacza znajduje się kondensator sprzęgający 1 μF i to on powoduje spadek pasma poniżej 18 Hz. Potem krzywa charakterystyki jest bardzo płaska aż do ok. 55 kHz – także ze spadkiem 3 dB. Ograniczenie pasma od dołu sprawdziłem za pomocą generatora oraz oscyloskopu – i wszystko się zgadzało. Natomiast pasmo od góry było znacznie szersze, gdyż sięgało ponad 200 kHz. Ograniczenie do 55 kHz na rysunku 48 wynika z limitów metody pomiarowej. Jak wspomniałem jednak wcześniej, nas interesuje tutaj pasmo akustyczne i w tym paśmie charakterystyka jest płaska, tak jak powinna być.
Istnieje też druga metoda. Podstawowy pomiar realizowany przez REW to pomiar ciśnienia akustycznego SPL (Sound Pressure Level) w funkcji częstotliwości, wykonywany po naciśnięciu przycisku Measure w głównym oknie programu. Wynik pomiaru okazuje się identyczny, jak przy kalibracji karty, ale procedura pomiaru wymaga przeprowadzenia wcześniejszej kalibracji mikrofonu. Wyniki badań, przeprowadzonych obiema metodami, pozostają identyczne. Pomiaru charakterystyki częstotliwościowej i fazowej można dokonać w innych punktach toru. Ciekawe doświadczenie stanowią pomiary charakterystyk regulatorów barwy. Takie regulatory mają niezbyt dobrą opinię w środowisku audiofilskim, moim zdaniem zupełnie niezasłużoną. Odpowiednio wykonany (i zastosowany) regulator może pomóc w dostosowaniu barwy słuchanego materiału muzycznego. Zazwyczaj używana jest korekcja w krańcach pasma, dla niskich i wysokich tonów. Dobry regulator powinien wpływać tylko na częstotliwości niskie oraz wysokie, nie ingerując przy tym w pasmo środkowe. Poza tym – w neutralnym położeniu regulatorów – pasmo powinno być płaskie. Cennym dodatkiem okazuje się możliwość całkowitego ominięcia regulatorów (funkcja direct). Mamy wtedy wybór i możemy na przykład przy cichym słuchaniu włączać regulator, a przy głośniejszym – wyłączać. Ja używam bardzo dobrego (w mojej opinii) regulatora dostrajającego tony niskie w zakresie ±12 dB, a tony wysokie w zakresie ±7 dB. Na rysunku 49 pokazana została zmierzona charakterystyka amplitudowa i fazowa regulatora z potencjometrami w położeniu środkowym.
Jak widać, przebieg jest płaski od 10 Hz do 20 kHz. Przesunięcie fazowe w pasmie akustycznym 20 Hz…20 kHz okazuje się niemal zerowe. W praktyce nie ma zatem konieczności używania funkcji obejścia regulatora (chociaż jest wbudowana).
Na kolejnym rysunku 50 widnieje zmierzona charakterystyka przy maksymalnym podbiciu basów. Szczyt podbicia +12 dB (poziom odniesienia –6 dB) występuje przy częstotliwości ok. 35 Hz i spada prawie symetrycznie przy malejących i rosnących częstotliwościach. Korekcja zanika całkowicie przy ok. 250 Hz i nie ma zupełnie wpływu na częstotliwości powyżej tej wartości. Również przesunięcie fazowe nie jest duże.
Zobaczymy teraz, jak wygląda charakterystyka przy maksymalnym podbiciu sopranów – rysunek 51. Niewielki wpływ korekcji zaczyna się od 5 kHz, a maksimum (+7 dB) osiąga przy ok. 15 kHz. Przesunięcie fazowe nie przekracza 30°.
I ostatnia charakterystyka, wykreślona dla maksymalnego podbicia basów i sopranów – rysunek 52. Pasmo od 200 Hz do prawie 5 kHz jest praktycznie płaskie, z minimalnym przesunięciem fazowym. To wyjątkowo pożądana właściwość tego regulatora, skutkująca bardzo małymi zniekształceniami odtwarzanej muzyki. Ja używam go z podbiciem basów ok. +5…7 dB i sopranów ok. +2…3 dB.
Czas narastania (slew rate)
Wydaje się, że pomiar czasu narastania jest dość prosty. Na wejście wzmacniacza podajemy sygnał prostokątny o amplitudzie na przykład 1 V z generatora sygnałowego. Jeden kanał oscyloskopu podłączamy do wyjścia generatora, a drugi – do wyjścia obciążonego wzmacniacza. Za pomocą oscyloskopu o odpowiednio szerokim paśmie, na przykład 100 MHz, możemy zmierzyć, jaki jest czas narastania sygnału wyjściowego od 10% do 90% jego amplitudy. Jednak żeby zrobić to prawidłowo, musimy mieć pewność, że sygnał wejściowy ma odpowiednio krótki czas narastania (powinny to być pojedyncze nanosekundy). Jeżeli chcemy mierzyć ten parametr, musimy dysponować odpowiednim generatorem. W nocie katalogowej układu LM1876 podano wartość czasu narastania równą 18 V/μs, zmierzoną wejściowym sygnałem prostokątnym o amplitudzie 1,414 V i czasie narastania 2 ns. Sygnał jest podawany bezpośrednio na wejście wzmacniacza – bez kondensatora sprzęgającego. Kondensator wraz z impedancją wejściową tworzą filtr dolnoprzepustowy mogący zniekształcić sygnał wejściowy i tym samym cały pomiar. Na rysunku 53 pokazano, jak zmienia się sygnał wyjściowy z powodu ograniczonej prędkości narastania sygnału.
Im wyższa wartość slew rate, tym lepiej, ale zbyt szybkie zbocza mogą powodować problemy ze stabilnością wzmacniacza.
Testowanie wzmacniacza sygnałem prostokątnym
Jedną z metod zgrubnego testowania wzmacniacza jest podanie na jego wejście sygnału prostokątnego. Idealny sygnał prostokątny miałby nieskończoną liczbę częstotliwości harmonicznych, ale... taki perfekcyjny przebieg nie istnieje, bo nie można fizycznie zrealizować idealnego zbocza, czyli zmiany napięcia od zera do określonej wartości w czasie równym zero. Dlatego rzeczywisty sygnał prostokątny narasta w określonym czasie i z tego powodu ma ograniczone pasmo, które i tak jest całkiem szerokie. Na rysunku 54 pokazany został przebieg prostokątny z mojego generatora, z analizą FFT wykonaną w oscyloskopie. Taka realizacja FFT jest wprawdzie mało dokładna, ale tu oddaje jako tako rozkład harmonicznych.
Nasz wzmacniacz ma szerokie pasmo i powinien przenosić sygnał prostokątny o częstotliwości 1 kHz bez widocznych zniekształceń. Zrobiłem trzy testy: przy częstotliwości 1 kHz, 10 kHz i 50 kHz. Tylko w ostatnim przypadku można było zauważyć drobne zniekształcenia sygnału wyjściowego – rysunki 55 i 56.
Jak wiemy, dobry wzmacniacz ma pasmo dużo szersze niż pasmo akustyczne. Podanie na wejście sygnału prostokątnego o częstotliwości 1 kHz nie powinno powodować widocznych zniekształceń sygnału spowodowanych obcięciem znaczących harmonicznych. Przy szerokim paśmie wzmacniacza nawet sygnał o częstotliwości 50 kHz nie ulegnie mocnemu zniekształceniu.
Widać, że górne pasmo jest bardzo szerokie. Teraz sprawdzimy, jak dzieje się w przypadku niskich częstotliwości. Wiemy z pomiarów spektralnych, że nasz wzmacniacz wprowadza ograniczenie przenoszenia składowych widma od dołu: do 18 Hz, ze spadkiem –3 dB. Na rysunku 57 zauważamy, że wpływ tego spadku jest dość widoczny.
Żeby zaobserwować, jak pasmo przenoszenia wpływa na kształt sygnału prostokątnego, podawałem go na wejście opisywanego powyżej przedwzmacniacza z regulacją barwy (rysunek 58).
To nie wszystkie możliwe zniekształcenia sygnału wyjściowego. Niewykluczone jest pojawienie się również dzwonienia i oscylacji nakładanych na przebieg wyjściowy. Może to zwiastować wzbudzanie na wysokich częstotliwościach lub inne problemy ze wzmacniaczem.
Pomiary innych elementów toru audio
Opisanych metod można użyć do pomiaru zniekształceń przetworników cyfrowo-analogowych oraz przedwzmacniaczy. Jeżeli przetwornik ma interfejs USB, to da się go w prosty sposób włączyć w układ pomiarowy, tak jak pokazałem powyżej. Dobre przetworniki będą miały parametry porównywalne z kartą Scarlett 2i2. A na pewno w pomiarach nie mogą wyjść korzystniej niż karta – nawet gdyby ich parametry były lepsze. Jednak wiele przetworników nie ma wejścia USB, tylko S/PDIF. Ja do ich mierzenia używam modułu USB połączonego przez interfejs I²S z nadajnikiem S/PDIF, a bazującego na układzie WM8805. Moduł ma izolację galwaniczną sygnału S/PDIF wykonaną na transformatorze sygnałowym – fotografia tytułowa.
Pomiar przedwzmacniaczy nie wymaga komentarza. Dobre konstrukcje powinny mieć zniekształcenia podobne do samej karty. Układem, w którym wejście karty jest symetryczne, możemy mierzyć również wzmacniacze o topologii mostka. Wtedy żadne z wyprowadzeń wzmacniacza nie ma potencjału masy.
Osobny problem stanowi mierzenie zniekształceń wzmacniaczy klasy D. Na wyjściu takiego urządzenia znajduje się filtr dolnoprzepustowy pracujący w połączeniu z układem głośników. Jeżeli obciążymy go tylko rezystancją, wówczas na wyjściu pojawiają się zakłócenia wynikające z normalnej pracy wzmacniacza, czyli z kluczowania tranzystorów końcowych przebiegiem wysokiej częstotliwości. Pomiar takiego sygnału będzie obarczony błędem. Żeby poprawnie zmierzyć zniekształcenia wzmacniaczy klasy D, potrzebny jest dodatkowy filtr dolnoprzepustowy, włączany pomiędzy obciążenie rezystancyjne a wejście karty. Profesjonalne mierniki zniekształceń mogą być wyposażane w takie filtry. Jeżeli natomiast chcemy samodzielnie mierzyć tego typu wzmacniacze, musimy próbować wykonać filtry samodzielnie. W Internecie natrafimy na opisy projektowania i wykonywania tego rodzaju układów.
Podsumowanie
W naszym cyklu pokazałem, w jaki sposób mierzyć kilka podstawowych parametrów wzmacniacza: moc wyjściową, pasmo przenoszenia, a także zniekształcenia. Skupiłem się na zniekształceniach THD, THD+N oraz IMD. Mierzyliśmy je przy stałej częstotliwości 1 kHz oraz w funkcji częstotliwości i poziomu sygnału. Dobrze byłoby jeszcze wykonać pomiary w konfiguracji stereo: równomierności pasma przenoszenia obu kanałów oraz poziomu przesłuchów międzykanałowych. Użyte przeze mnie oprogramowanie podobnych funkcji nie oferuje, ale można do tego celu zastosować popularny program RMAA, o którym już wspominałem wcześniej. Karta Scarlett 2i2 współpracuje z RMAA, a zasady pomiaru są bardzo podobne.
Jeżeli chcemy uzyskać w miarę dokładne wyniki, musimy zadbać o odpowiednią konfigurację sprzętową. Karta dźwiękowa Focusrite Scarlett 2i2 3 gen ma parametry wystarczające do zmierzenia bardzo małych zniekształceń, a procedura kalibracji karty na pewno w realizacji tego zadania bardzo pomaga.
Jednak mogą się pojawić problemy: testowany wzmacniacz z wejściem asymetrycznym SE, sterowany symetrycznym sygnałem z wyjścia karty, miał tendencję do generowania silnych harmonicznych częstotliwości 50 Hz, co najprawdopodobniej sugeruje problem z pętlą masy. To zjawisko było mocno ograniczone przy sterowaniu z wyjścia słuchawkowego SE karty dźwiękowej. Jednak sygnał z tego wyjścia wykazywał większe zniekształcenia przy niskich częstotliwościach.
Jak już wspomniałem, niemało elektroników nie wykonuje większości lub części pomiarów wzmacniacza, ograniczając się do oceny odsłuchowej. Można spotkać opisy, jak zmieniło się brzmienie, kiedy zastosuje się taki albo inny wzmacniacz operacyjny, tranzystor czy lampę. Jednak w przypadku zniekształceń nie jesteśmy w stanie usłyszeć czy mają one wartość w jednym kanale 0,001%, a w drugim 0,1%. Takie różnice w kanałach świadczą o błędach montażowych, wadliwych elementach, źle dobranych czy zużytych lampach. Podobnie jest z innymi zniekształceniami, pasmem przenoszenia, czy równomiernością charakterystyki częstotliwościowej i fazowej. Wprawnemu elektronikowi nawet proste „przegwizdanie” sygnałem prostokątnym powie wiele o kondycji wzmacniacza. Podstawowe przyrządy, generator i oscyloskop, uzupełnione o sztuczne obciążenie dają już możliwość wykonania kilku ważnych pomiarów.
Natomiast karta muzyczna z odpowiednim oprogramowaniem oferuje zdecydowanie największe możliwości diagnostyki.
Jednostki i headroom
W układach pomiarowych używa się różnych jednostek. Ważne, aby zrozumieć ich znaczenie oraz różnice między niektórymi popularnymi „odmianami” decybeli: dB, dBu, dBV, dBFS.
Decybel (dB) to logarytmiczny stosunek dwóch wartości. Decybel jest wartością bezwymiarową, czyli samą tylko liczbą pozbawioną jednostki. Chociaż decybele najczęściej kojarzą się z sygnałami audio, niekoniecznie muszą być stosowane tylko w tej branży. W odniesieniu do poziomów sygnału audio, jednostka ta jest często używana do porównywania amplitudy dwóch sygnałów audio. Jeśli te dwa sygnały mają taką samą amplitudę, mówi się, że są oddalone od siebie o 0 dB. Decybele okazują się przydatne, ponieważ ludzie postrzegają poziomy dźwięku logarytmicznie, a skala logarytmiczna nie jest liniowa. Jeśli zwiększysz amplitudę sygnału o 6 dB, będzie ona w istocie dwukrotnie większa niż pierwotna amplituda. Jeśli podkręcisz go o kolejne 6 dB, będzie miał czterokrotnie większą amplitudę niż pierwotna. Kolejne 6 dB dałoby mu ośmiokrotność pierwotnej amplitudy. Liczby rosną bardzo szybko: jeśli zwiększymy sygnał o 60 dB, jego amplituda będzie 1000 razy większa niż pierwotna. Podobnie jest z tłumieniem.
dBu i dBV to odmiany decybeli przeznaczone do pomiaru napięcia. W przeciwieństwie do „czystych” decybeli (dB), są one w rzeczywistości jednostkami, ponieważ można je przeliczyć na konkretną wartość napięcia. Jednostka dBu opisuje liczbę decybeli dB w stosunku do poziomu 0,775 V, więc 0 dBu=0,775 V. Z kolei dBV to liczba decybeli dB w stosunku do 1,0 V, a zatem 0 dBV=1,0 V. Aby szybko przeliczyć dBu i dBV, należy pamiętać, że dBu jest zawsze równe dBV plus 2,21. Oznaczenie V w dBV jest pisane wielką literą, aby zapewnić dobre rozróżnienie między literami V i u.
dBFS, czyli decybele w stosunku do pełnej skali, służą do pomiaru poziomów cyfrowego sygnału audio. dBFS jest kolejną wielkością bezwymiarową, ponieważ stanowi tylko stosunek liczbowy i nie można go przeliczyć na inną jednostkę. W cyfrowym systemie audio 0 dBFS odnosi się do maksymalnego możliwego poziomu sygnału, znanego również jako punkt przesterowania. W związku z tym wartości dBFS są zawsze mniejsze lub równe zeru. Przykładowo: –10 dBFS odpowiada sygnałowi, który jest o 10 dB niższy niż punkt przesterowania.
Headroom
Headroom to bardzo ważne pojęcie w systemach audio – do utrzymania odpowiedniego headroomu niezbędny jest odpowiedni zapas sygnału, pozostający powyżej sygnału RMS (aby mógł on pomieścić szczyty bez przesterowania). Przesterowanie to deformacja kształtu oryginalnej fali dźwiękowej w wyniku nasycenia lub przesterowania systemu.
System analogowy przesteruje się, gdy nie ma już dostępnego zapasu napięcia do przeniesienia głośniejszego sygnału. Przebieg osiąga wtedy maksymalny poziom napięcia, jaki system może odtworzyć – natomiast jeśli spróbuje się zwiększyć amplitudę (głośność), to najgłośniejsze części zostaną „odcięte”.
Jeżeli badamy sygnał sinusoidalny, wówczas przesterowanie objawia się spłaszczaniem górnych i dolnych szczytów krzywej. W systemie cyfrowym przesterowanie występuje, gdy nie ma dostępnych dalszych bitów danych do zakodowania sygnału – powoduje to powstawanie szumu cyfrowego.
Tomasz Jabłoński, EP
