Zaloguj
Sprzętowy interfejs audio - wraz z oprogramowaniem Room Acoustics Software (REW) lub RightMark Audio Analyzer (RMAA) - daje spore możliwości oceny sprzętu. Sam korzystałem kiedyś z tego sposobu podczas uruchamiania, strojenia i testowania studyjnego sprzętu audio - używałem interfejsu MOTU828 i oprogramowania Adobe Audition, które - oprócz pomiarów - służyło też oczywiście do rejestracji i obróbki dźwięku. Nie była to najtańsza możliwa metoda, ale przy produkcji niskoseryjnej całkowicie akceptowalna kosztowo, w przeciwieństwie do rozwiązań w pełni profesjonalnych, takich jak np. analizator Audio Precision APx555 (fotografia 1).
Sprzęt ten - w podstawowej wersji - dostępny jest w cenie przekraczającej 40 000 dolarów (!). Jest to w zasadzie jedno z nielicznych dostępnych rozwiązań do specjalistycznych pomiarów audio. Z kronikarskiego obowiązku i czystej sympatii dla systemu Hameg HM8000 warto przypomnieć moduły generatora o niskich zniekształceniach HM8037 i współpracującego z nim miernika zniekształceń nieliniowych HM8027, pokazane na fotografiach 2a i 2b, których używam od końca lat 90. ubiegłego wieku do dziś…
Oczywiście współczesne oscyloskopy o 12-bitowej rozdzielczości, z niskim poziomem szumów oraz dopracowaną analizą FFT (pomocną do orientacyjnej oceny poziomu zniekształceń) także nadają się do pomiarów wstępnych - tym bardziej, że większość współczesnych modeli wspiera (wraz z współpracującym generatorem arbitralnym) automatyczne wykreślanie charakterystyk amplitudowo-fazowych Bodego, co daje nam możliwość szybkiej oceny pasma przenoszenia. W identyczny sposób do takich pomiarów można wykorzystać zestaw AnalogDiscovery3 z dostępnym pakietem Audio Analyzer Suite, ale pomimo większej rozdzielczości nie osiągniemy takiej jakości pomiarów, jak w przypadku karty dźwiękowej z przetwornikami 24-bitowymi, a nawet 32-bitowymi.
Istotnym ograniczeniem pomiarów pasma przenoszenia przy pomocy interfejsu audio jest maksymalna częstotliwość próbkowania równa 192 kHz - znacznie niższa, niż w przypadku oscyloskopu. Co prawda w nielicznych przypadkach karty dysponują próbkowaniem 352/384/768 kHz, ale tu już pojawiają się problemy z interfejsem komunikacyjnym (można tu w zasadzie zastosować tylko karty wewnętrzne PCIe) i stabilnym działaniem driverów programowych, szczególnie w przypadku produktów firm o niesprawdzonej renomie. A cena interfejsu renomowanej marki do najniższych niestety nie należy.
Istotnym problemem z punktu widzenia powtarzalności pomiarów jest płynna regulacja głośności, stosowana w niektórych interfejsach audio. Z takim rozwiązaniem wiąże się brak kalibracji poziomów sygnałów i wbudowanych tłumików - które dopasowane są do maksymalnych poziomów typowych w torach audio. Brak wbudowanych, skalibrowanych dzielników pomiarowych i stopni wyjściowych o większej wydajności prądowej także zawęża zakres możliwych do wykonania pomiarów. Jeżeli realizujemy pojedyncze pomiary, możemy pogodzić się z tymi niedogodnościami, oszczędzając nieco gotówki - a w zasadzie nie wydając jej wcale, bo kartę dźwiękową lub interfejs audio ma raczej każdy elektronik zainteresowany techniką audio i z pewnością nie mówimy tutaj o podłej jakości karcie USB. A i oprogramowanie udostępniane jest nieodpłatnie.
Jeżeli jednak wykonujemy większą liczbę pomiarów (w tym także powtarzalnych), a nie mamy zamiaru skupiać się na każdorazowym przygotowaniu i kalibrowaniu stanowiska oraz opracowaniu kilku brakujących elementów toru pomiarowego (takich jak dzielniki, wzmacniacze pomiarowe i moduły obciążenia), ani lub tym bardziej wydawać znacznych środków na sprzęt Audio Precision, warto przyglądnąć się rozwiązaniom amerykańskiej firmy QuantAsylum. Marka ta - borykając się z podobnymi problemami - opracowała modułowy zestaw pomiarowy przeznaczony stricte do pomiarów audio.
Zestaw pomiarowy składa się z kilku niezależnych modułów, o które można uzupełniać warsztat sukcesywnie, w zależności od typu wykonywanych pomiarów. Sercem i niezbędnym elementem zestawu pomiarowego jest analizator audio QA403 pokazany na fotografii 3, wraz z darmowym oprogramowaniem QA40x niewymagającym kluczy sprzętowych lub rejestracji oraz pozbawionym restrykcji pod względem ilości zainstalowanych instancji. Software pracuje na systemach Windows 10/11 oraz Linux.
Jest to już czwarta wersja analizatora o całkiem sporych możliwościach pomiarowych. Jak zapewniają projektanci, nie mają oni zamiaru rywalizować z analizatorami przekraczającymi wartość samochodu, ale w 99% przypadków nie ma nawet takiej potrzeby. Dodatkowo niewielkie rozmiary (177×97×44 mm) i elastyczność oprogramowania znacznie ułatwiają testowanie urządzeń audio, nie tylko w warsztacie, ale także w warunkach polowych - a to za sprawą zasilania i komunikacji poprzez izolowany port USB (maksymalny pobór prądu to 900 mA). Analizator jest tak naprawdę wysokiej jakości, dwukanałowym interfejsem audio o rozdzielczości 32 bitów, maksymalnej częstotliwości próbkowania 192 kHz i uzupełnionym o wbudowane, kalibrowane wzmacniacze wejściowe i wyjściowe z tłumikami. Analizator pozbawiony jest jakichkolwiek elementów manipulacyjnych, gdyż obsługa odbywa się tylko programowo. Na froncie urządzenia umieszczono gniazda BNC, na które wyprowadzono dwa kanały symetrycznego interfejsu wejściowego i wyjściowego oraz diody sygnalizujące zasilanie, połączenie z oprogramowaniem i aktywny tłumik. Gniazda BNC w technice audio nie są stosowane zbyt często i wielu użytkowników wolałoby typowe gniazda XLR, jack 6,3 mm lub RCA, ale nie jest to problem spędzający sen z powiek. Impedancja wejściowa w trybie symetrycznym wynosi 200 kΩ, w trybie niesymetrycznym 100 kΩ. Podczas pomiarów w trybie niesymetrycznym, dla zachowania niskiego poziomu zakłóceń, należy zewrzeć wejścia „-”. Można zastosować w tym celu terminator BNC50W, nieznacznie pogarszając stosunek sygnał-szum (osobiście używam przerobionych terminatorów 50 Ω, w którym wbudowany rezystor 50 Ω zastąpiłem zworą). Maksymalne napięcie (AC+DC) na wejściu analizatora nie powinno przekraczać 56 Vpp, użyteczny zakres pomiarowy to +18 dBV (8 Vrms) przy wyłączonym tłumiku oraz +42 dBV przy tłumiku włączonym - jest on jednak ograniczony programowo do +32 dBV (40 Vrms). Wejście sprzężone jest zmiennoprądowo i przenosi sygnały od 1 Hz w górę. Poziom szumów wynosi -115 dBV przy zwartym wejściu i fs=48 kHz, poziom zniekształceń THD+N jest równy -105 dBV. Sygnał wyjściowy jest sprzężony stałoprądowo, impedancja wyjścia wynosi odpowiednio 200 Ω w trybie symetrycznym i 100 Ω w trybie niesymetrycznym (zalecane obciążenia >1 kΩ), a maksymalny poziom sygnału wyjściowego to +18 dBV (8 Vrms).
QA403 ma wbudowane automatyczne tłumiki 0, 10, 20 i 30 dB. Poziom szumów wynosi -105 dB przy sygnale wyjściowym 0 dBV (-100 dBV/15 dBV), a zniekształcenia THD+N utrzymują się na poziomie -105 dB. Dodatkowe złącze Expansion Connector umożliwia wyprowadzenie izolowanego interfejsu I²S, np. do testów przetworników D/A. Na tylnej ściance znajduje się tylko port komunikacyjny i zasilający USB z gniazdem typu A (przydałoby się już złącze typu C).
Pod względem konstrukcyjnym analizator - jak zapewnia producent - nie jest zlepkiem przypadkowych modułów, lecz opracowanym od podstaw systemem pomiarowym. Dobrze o tym wiedzieć, patrząc na jego aktualną cenę wynoszącą 600 dolarów... Całość zmontowana jest na jednej czterowarstwowej płytce drukowanej, głównym kontrolerem odpowiadającym za komunikację USB oraz obsługę wbudowanych przetworników A/D i D/A jest mikrokontroler LPC55S16 firmy NXP (ARM Cortex-M33). Tor wejściowy korzysta z 32-bitowego przetwornika A/D Sabre typu ESS9822 z buforami opartymi na OPA1612 i wzmacniaczu różnicowym OPA1632. Tor wyjściowy, z 32-bitowym przetwornikiem D/A Sabre typu ESS9038, służy natomiast jako generator przebiegów testowych. Jak widać, nie ma tu niepotrzebnych oszczędności, a zastosowane układy należą do czołówki współczesnych rozwiązań audio. Wsparcie użytkownika udzielane jest na forum: https://forum.quantasylum.com/
a samo oprogramowanie można pobrać ze strony: https://quantasylum.com/pages/downloads-1
Oprogramowanie ma nieco nietypowy wygląd, ale nie przeszkadza to w użytkowaniu, chociaż przydałoby się trochę usprawnień, dotyczących m.in. szybkiego wyboru wartości amplitudy i częstotliwości generatorów. Przykładowy zrzut ekranu podczas pomiaru pętli A/D/D/A QA403 pokazano na rysunku 1.
Na ekranie mogą być wyświetlane aktualne pomiary parametrów, takich jak poziomy sygnału, zniekształcenia czy stosunek sygnał-szum, konfigurowane prawym przyciskiem myszy w obszarze pomiarów. Możliwy jest pomiar z użyciem kursorów, po zaznaczeniu szczytu sygnału wyświetlona zostanie tabela z bieżącymi wartościami. Wbudowane narzędzia wybierane z menu Visualisers, takie jak Filter Explorer, Oscilloscope, Residual Display, Spectrum Octaves, THD Bargraph Display czy Wow and Flutter, pokazane na rysunku 2, umożliwiają graficzną ocenę parametrów oraz eksport wykresów do plików graficznych w typowych formatach.
Szczególnie ostatnie narzędzie (rysunek 3), dziś już nieczęsto używane, może okazać się przydatne dla konstruktorów gramofonów DIY oraz osób przywracających do użytku sprzęt vintage, taki jak gramofony, magnetofony szpulowe i kasetowe, w ocenie jakości pracy napędu (pomiar prędkości i nierównomierności odtwarzania), przy użyciu odpowiednio płyty lub taśmy testowej, analogicznie jak dawniej przy użyciu miernika nierównomierności napędu (np. Hameg HM8026). W przykładzie z rysunku 3 pokazano wynik pomiaru stabilności wewnętrznego generatora, jakiej należało się spodziewać - sygnał odtworzony z płyty lub taśmy nie będzie już niestety idealną prostą.
Ekran aplikacji może zostać skonfigurowany w domenie czasu (działając jak oscyloskop) lub domenie częstotliwości (działając jak analizator widma). Udostępniona jest oczywiście konfiguracja częstotliwości próbkowania, parametrów FFT i uśredniania, a także możliwość wyboru krzywych pomiarowych ważonych typu A i C oraz krzywych definiowanych przez użytkownika, a przydatnych przy pomiarach np. korektorów RIAA. Tor wyjściowy z przetwornikami D/A służy do generowania typowych sygnałów używanych podczas pomiarów, w tym:
- sinusoidy (dwa sumowane kanały z niezależne regulowanymi częstotliwościami i amplitudami, przydatne przy pomiarach intermodulacji),
- przebiegu sinusoidalnego multitone (wieloczęstotliwościowy z konfigurowaną ilością tonów w oktawie i całkowitym poziomie RMS),
- szumu białego,
- sygnału expo chirp (wykładnicze przemiatanie częstotliwości, z możliwą maską użytkownika do kwalifikacji sprawny/uszkodzony).
Konfiguracji podlegają też tłumiki sygnału wejściowego w zakresie 0...42 dB, ustawiane co 6 dB. Analizator pracuje w dwóch trybach: domyślnej akwizycji danych (która uruchamiana jest przyciskiem RUN) oraz IDLE, w którym dane nie są zbierane, a aktywny pozostaje tylko generator. W tym ostatnim trybie można zweryfikować wartości napięć w układzie przy pomocy multimetru lub oscyloskopu. Z menu RUN/STOP możemy także wybrać odtworzenie pliku *.wav (24/32-bit. float, z fs zgodną z ustawioną) do subiektywnej oceny jakości badanego urządzenia, a przy użyciu wyjścia I²S - do oceny konstruowanych przetworników D/A.
Parametry, ustawienia aplikacji oraz dane mogą zostać zapisane do plików konfiguracji lub danych i użyte w celu dalszej analizy lub szybkiej konfiguracji QA403 poleceniami export/import.
Oprócz udostępnianego przez producenta oprogramowania, analizator obsługuje także komendy HTTP GET/PUT oraz interfejs REST API, co umożliwia automatyzację pomiarów w różnych środowiskach, także w Matlabie, pobierając z analizatora „surowe” dane do dalszej analizy we własnym oprogramowaniu. Software jest aktualizowany, więc co jakiś czas warto sprawdzać, czy przypadkiem nie rozbudowano jego funkcjonalności. Warto poświęcić też uwagę instrukcji i zestawowi ustawień usprawniających typowe pomiary, przygotowanym przez Boba Cordella (autora doskonałych podręczników Designing Audio Circuits and Systems i Designing Audio Power Amplifiers). Materiały te znajdują się pod adresem: https://cordellaudio.com/instrumentation/quantasylum.shtml
Ze względu na „otwartość” sterowania i akwizycji dostępne są też alternatywne wersje oprogramowania, jak QA40xPlot (rysunek 4) dostępny pod adresem: https://mzachmann.github.io/
Drugim elementem zestawu niezbędnym podczas pomiaru wzmacniaczy mocy jest programowalne obciążenie QA451, zaprezentowane na fotografii 4.
W skład dwukanałowego obciążenia, oprócz sterowanych rezystorów 4/8 Ω, wchodzi tłumik 12 dB z filtrem dolnoprzepustowym 6. rzędu o fc=67 kHz, umożliwiający pomiary końcówek mocy pracujących w klasie D. Maksymalny sygnał wejściowy to 40 Vrms, a maksymalny prąd ma wartość 10 A - co umożliwia pomiary mocy do ok. 200 W. Należy zwrócić uwagę, że pomiary odbywają się przy użyciu sygnału chirp z szybkim przemiataniem, aby nie przekroczyć temperatury rezystorów obciążenia.
Dodatkowym wyposażeniem QA451 jest moduł pomiaru prądu pobieranego przez badany wzmacniacz, a także sterowany klucz zasilania o maksymalnych parametrach łączeniowych 50 VDC/10 A z funkcją soft-start. Klucz ten jest użyteczny przy pomiarze pobieranego przez wzmacniacz prądu, ale tylko przy zasilaniu niesymetrycznym - co niestety nie zawsze jest warunkiem spełnionym w przypadku badanych konstrukcji.
W zależności od wersji (QA451A lub QA451B) mamy do czynienia z różną rozdzielczością pomiaru prądu zasilania. Wersja A oferuje rozdzielczość 5...10 mA, a wersja B - 10...20 mA. W praktyce nie ma to większego znaczenia, chyba że potrzebujemy wyznaczyć sprawność z bardzo dużą dokładnością. Niestety chwilowo problem wyboru wersji jest arbitralnie rozwiązany, gdyż producent boryka się z problemami z dostępnością elementów do QA451. Gdy moduł był osiągalny, w sklepie producenta kosztował 319 dolarów. Urządzenie jest zasilane i sterowane - podobnie jak QA403 - z izolowanego funkcjonalnie interfejsu USBA (±100 V), pobór prądu może sięgać 500 mA. Obciążenie elektroniczne ma identyczne wymiary, jak analizator, co umożliwia ich łączenie w systemie 1U, 2U przy pomocy dostępnych adapterów montażowych. Aktualnie dostępny jest uchwyt montażowy 1U w cenie 50 dolarów (!?). Podobnie jak QA403, obciążenie sterowane jest przez udostępnione oprogramowanie QA451 (rysunek 5) oraz interfejs REST.
Aplikacja umożliwia sterowanie zasilaniem badanego wzmacniacza i rezystorami obciążenia oraz mierzy ich temperaturę i prąd pobierany przez wzmacniacz. Szkoda, że nie zostały udostępnione gniazda do sterowania zewnętrznymi rezystorami mocy oraz że pomiar prądu dokonywany jest tylko w jednej gałęzi zasilania i pozbawiony funkcji pomiaru napięcia, aby można było bezpośrednio szacować pobieraną moc i sprawność badanego wzmacniacza. Problem pomiaru w przypadku większych mocy wzmacniaczy z zastosowaniem zewnętrznego rezystora obciążenia omówiony został na blogu dostępnym pod adresem: https://quantasylum.com/blogs/news/using-the-qa451-with-external-loads
Posiadając pierwsze dwa moduły, możemy przetestować i pomierzyć większość typowych rozwiązań wzmacniaczy i przedwzmacniaczy audio.
Jeżeli planujemy pomiary układów o niskich poziomach sygnału lub wymagających wysokiej impedancji obciążenia, niezbędnym elementem toru pomiarowego okaże się dwukanałowy, niskoszumny przedwzmacniacz QA472, zaprezentowany na fotografii 5. W obudowie o wymiarach identycznych jak QA403 i QA451 umieszczono dwa niezależne stopnie wzmocnienia o różnym przeznaczeniu.
Pierwszy z nich - PRE1 - przystosowany jest do podłączenia kalibrowanego mikrofonu pomiarowego, np. podczas pomiaru charakterystyk przenoszenia zestawów głośnikowych lub charakterystyki pomieszczenia. Wejście akceptuje symetryczny sygnał doprowadzony do gniazd BNC lub XLR. PRE1 oferuje ustalane skokowo (przyciskiem Gain) wzmocnienie 0/10/20 dB. Dodatkowo wejście XLR ma odłączany przyciskiem +48 V zasilacz Phantom. Impedancja wejściowa wynosi 100 kΩ w trybie zbalansowanym i 55 kΩ w niezbalansowanym. Przy wyłączonym lub włączonym zasilaniu Phantom wartości te wynoszą odpowiednio 13,6 kΩ i 6,8 kΩ. Do budowy PRE1 użyto precyzyjnego, niskoszumnego wzmacniacza różnicowego INA849. Stosunek sygnał-szum wynosi w najgorszym przypadku -100 dBV (przy największym wzmocnieniu 20 dB), zniekształcenia plasują się poniżej -110 dB/1 kHz, pasmo przenoszenia sięga 2,5 MHz, a impedancja wyjściowa wynosi 100 Ω. Drugi przedwzmacniacz PRE2 ma stałe wzmocnienie 30 dB i wysoką impedancję wejściową równą 1 MΩ. Szum jest niższy niż 102 dBV, zniekształcenia nie przekraczają 90 dBV, a pasmo przenoszenia sięga 250 kHz (ograniczone jest przez QA403, co nie dotyczy zastosowań niezależnych QA472). Przedwzmacniacz zasilany jest z izolowanego portu USB typu A, ale nie jest przez niego sterowany. Koszt urządzenia to 279 dolarów.
Ostatnim, czwartym elementem systemu jest driver przetworników QA462, którego wygląd pokazano na fotografii 6. QA472 to szerokopasmowy (500 kHz) wzmacniacz o niewielkiej mocy i wzmocnieniu 20 dB, zdolny dostarczyć do obciążenia prąd o natężeniu do 1,5 A. QA472 umożliwia wysterowanie obciążenia typu głośnik lub innego, o „trudnym” charakterze, z zapewnieniem stabilności. Driver wyposażono w obwód pomiaru prądu ze wzmocnieniem 50× i konfigurowanym za pomocą przycisku rezystorem pomiarowym 1/10/100 Ω. Nie zabrakło także obwodu pomiaru napięcia na podłączonym obciążeniu, wyposażonego we wbudowany tłumik -20 dB, umożliwiającym - oprócz wysterowania głośnika w celu pomiaru jego pasma przenoszenia - także pomiar impedancji złożonych układów zwrotnic głośnikowych lub elementów RLC. W rzeczywistości rezystory pomiarowe mają wartości 0,02/0,2/2 Ω, ale po 50-krotnym wzmocnieniu odpowiada to 1/10/100 Ω. Obwód niskoszumnego wzmacniacza 20 dB o impedancji wejściowej 50 kΩ wykonano z użyciem OPA1655, stopień drivera z konfigurowanym za pomocą przycisku ograniczeniem prądowym 300 mA/1500 mA zbudowano w oparciu o OPA564, a obwód pomiaru prądu korzysta ze wzmacniacza różnicowego INA849. Poziom szumów nie przekracza 20 μV(A), a zniekształcenia są mniejsze niż 80 dB w warunkach: 1 kHz/1 W/8 Ω. Szczegółowe parametry i zbiory charakterystyk zamieszczono w karcie katalogowej.
Driver umieszczony jest w obudowie zgodnej z pozostałymi elementami. Ze względu na pobór mocy dostarczany jest z zewnętrznym zasilaczem 12 V/1,5 A. Koszt drivera wraz z zasilaczem to 329 dolarów.
Kompletny system pomiarowy - wraz z pomocniczymi akcesoriami i adapterami BNC/Mini XLR oraz I²S własnej konstrukcji - można zobaczyć na fotografii 7. Cena całości zawiera się w ok. 1530 dolarów (bez opłat dodatkowych i kosztów transportu). Jest to koszt zbliżony do ceny przyzwoitego oscyloskopu, a kwota wydaje się być akceptowalna dla mniejszych firm i manufaktur audio - zwłaszcza, że podział na moduły umożliwia zakup tylko niezbędnych elementów systemu lub jego stopniową kompletację.
Niestety dystrybucja w Europie jest bardzo słaba i najlepiej robić zakupy bezpośrednio u producenta, co wiąże się z pewnymi formalnościami i stosunkowo dużymi kosztami transportu. O ile jeszcze zdążymy go kupić przed wprowadzeniem kolejnych ceł…
Adam Tatuś, EP
