Zniekształcenia nieliniowe - pomiar

[MKramer]

Problem pomiaru zniekształceń nieliniowych poruszany był już wielokrotnie, ale mimo to mam parę pytań dot. praktycznych rozwiązań.

Jako urządzenie pomiarowe zamierzam stosować PC. Szarpnąłem się właśnie na programik trueRTA, który wygląda i działa zachęcająco. Oczywiście wiem, że podstawą pomiarów jest dobra karta dźwiękowa i tutaj pomógł mi przypadek. Wpadł mi w ręcę półprofesjonalny moduł dźwiękowy firmy ProSonus, który wykorzystywany jest w studiach nagraniowych. W sumie nic wielkiego - przedwzmacniacze mikrofonowe/liniowe, wyjścia liniowe, symetryczne bądź asymetryczne, podłączenie przez FW, 96kb/s próbkowania.
Moduł miał upalony interfejs FW, ale po naprawie działa wyśmienicie.
Parametry ma zachęcające - pasmo 48kHz, szumy własne w okolicach -100dB.

Wyobraźmy sobie, że chcę zmierzyć THD dla wmacniacza mocy. W jaki sposób stłumić sygnał przed podaniem go na wejście modułu dźwiękowego?
Jak interpretować wyniki z analizatora widma? Na wykresie będą "szpilki" dla poszczególnych harmonicznych, odczytam sobie ich poziom i jak dalej interpretować wynik?

Wzór na THD jest mi znany (pierwiastek z ilorazu sumy kwadratów poziomów wszystkich harmonicznych do sumy kwadratów poziomów harmonicznych i tonu podstawowego *100%), ale jaka jest interpretacja chętnie się dowiem.

[traxman]

Dzielnik skompensowany, tak jak w oscyloskopie.

[MKramer]

A może warto zakupić sondy oscyloskopowe 1:10 i 1 :100?
Z tym, że chyba 1:100 nie są tak łątwo dostępne.
A czy prosty dzielnik rezystorowy (np. SMD) nie spełniłby swojej roli przy pracy z częstotliwościami audio?

[traxman]

Można wykorzystać sondy oscyloskopowe 1:10 ale pod warunkiem zapewnienia obciążenia 1MOhm na wejściu karty dźwiękowej, a to chyba nie jest proste (będzie z 47k). Ja bym dał TL072 jako wtórnik i na wejście dzielnik z sondy oscyloskopowej.

[ATM]

Hm, kryteria oceny – jeśli mówimy o wzmacniaczach Hi- Fi, wiadomo, im niżej tym lepiej.

Opadanie kolejnych szpilek poszczególnych harmonicznych, powinno być równomierne.
Jeśli jednak jest jakaś dysproporcja w krzywej opadania, to raczej powinny dominować te parzyste, dające ciepłe zabarwienie dźwięku. Częstotliwość pomiarową, należy wybierać tak, by przynajmniej jej trzecia harmoniczna, mieściła się w paśmie przepustowym urządzenia.
Pomiar należy wykonać, przy kilku różnych mocach wyjściowych wzmacniacza.
Ciekawe było by zobaczyć wyniki pomiarów jakiegoś naprawdę dobrego sprzętu.

Poziomu podanego w dB, dla szpilek, nie potrzeba przeliczać ręcznie na % h.
Programowe analizatory, mają taką funkcję wbudowaną, trzeba tylko uruchomić właściwą opcję programu. Nie wiem , czy True RTA ma coś takiego.

Co do dzielnika na wejściu karty. Jeśli mówimy o pomiarze wzmacniaczy mocy, to nie ma tu problemu. Ich niska oporność wyjściowa, jest w stanie wysterować nawet spore pojemności, związane z zastosowanym dzielnikiem. Myślę,
że zwykły dzielnik na normalnych opornikach będzie wystarczająco dokładny. Uchyby dzielnika na poziomie pojedynczych dB, można sobie darować. Oczywiście, nie należy przesadzać z długością kabli pomiarowych.

Problem zaczyna się przy pomiarach stopni napięciowych, o często większej rezystancji wyjściowej. Tu pojemności obciążające, mogą mieć spore znaczenie.
Być może rozwiązanie zaproponowane przez kol. Traxman, tzn. wtórnik napięciowy ze skompensowanym dzielnikiem na wejściu, był by dobrym rozwiązaniem?
Jako wzmacniacz do wtórnika, zaproponuję układ LME 49860
http://www.national.com/ds/LM/LME49860.pdf
Jest on prawie przeźroczysty dla sygnału. Całość powinna być wykonana jako sonda pomiarowa.

Nie wiem jednak, czy jest sens iść aż tak daleko, zawsze przecież można dokonać pomiaru całości zestawu, to znaczy na wyjściu wzmacniacza mocy. Tam zobaczymy wszystko, rozkład harmonicznych, poziom szumów, pasmo.
Niestety, nie zobaczymy zniekształceń TIM

PS
Tak mi przyszło do głowy, może sonda z tranzystorem MOSFET? Przecież kol. Macska robi wspaniałe sondy aktywne, własnej konstrukcji, o ekstremalnie niskiej pojemności. Trzeba go poprosić, żeby napisał coś na ten temat

[MKramer]

Znalazłem chwilę czasu i pobawiłem się wczoraj moim zestawem pomiarowym. Uwagi:

1. TrueRTA nie mierzy bezpośrednio THD. Musiałem zaprząc Excela. Nie jest to może jakiś wielki problem, ale pewna niedogodność.
2. Po skalibrowaniu częstotliwościowym i napięciowym modułu ProSonus, jego parametry są według mnie wystarczająco dobre dla amatorskich pomiarów. Poziom szumów wynosi poniżej -100dB w dole pasma i około -95dB w górze pasma akustycznego. Wyliczony THD dla 11 harmonicznych sygnału 1kHz 0dBu wynosi 0,019%.
3. Pomimo ustawienia częstotliwości próbkowania na 96kHz, pomiar w paśmie powyżej 20kHz jest niemożliwy gdyż widać tylko "śmieci". Ktoś potrafiłby mi powiedzieć dlaczego tak jest? Czyżby były tam jakieś filtry wycinające wszystko powyżej 20kHz? Sam program TrueRTA mierzy do 50kHz.
4. Akceptowalny poziom sygnału wejściowego dla ProSonusa wynosi 1,4V RMS. Powyżej pięknie obcina.

Po fazie gry wstępnej przeszedłem do cięższego kalibru. Na stół wjechał mój pierwszy wzmak lampowy: EL34 SE z beznadziejnymi trafami głośnikowymi kupionymi "okazyjnie" na aledrogo. Oczywiście określenie "beznadziejne" odnosi się do porównania ich z trafami produkowanymi przez kolegę KaKa. Niestety trafa kolegi KaKa zamknięte w gustowne obudowy wzmacniaczy lampowych cieszą już swoim ciepłym brzmieniem inne osoby .
Na wejście podałem sinus 1kHz.
Na wyjściu obciążenie 8R. Poziom wyjściowy ustawiony na 1V RMS (czyli moc około 1/8W). THD wyszedł niecałe 1%.
Następnie do obciązenia dodałem dzielnik rezystorowy 5,1k i 47k (mniej więcej 1:10). Mogłem teraz dmuchnąć mocą około 10W (to jest max. moc bez zniekształceń dla mojej konstrukcji). Poziom THD wyniósł około 7%. Czy to dużo? Pewnie tak, ale z drugiej strony nie da się w domu słuchać tego wzmacniacza rozkręconego na "full". Jest za głośno.

Przy okazji wykresu widmowego pięknie widać przydźwięk sieci i układu zasilania. 50Hz i 100Hz wraz z harmonicznymi tworzą "fajną" piłę. Na słuch przydźwięku prawie nie słychać, a na wykresie 100Hz podchodzi do poziomu -55dB (poziom tła mieści się w ranicach -70dB do -80dB).


W wolnej chwili wrzucę parę wykresów.

pozdrawiam

Mariusz Kram

[ATM]

Nie mam pojęcia, dlaczego karta nie działa powyżej 20KHz. Widocznie coś filtruje sygnał.

Jeśli mierzony wzmacniacz ma moc maksymalną 10W, pomiary powinno się wykonywać przy najwyżej 7-8W, po to by mieć choć minimalny odstęp od przesterowania.
Przy maksymalnej mocy ( 10W), poziom zniekształceń może być zawyżony i nie dawać obiektywnej informacji o jakości sprzętu.
Poza tym, to pomiar tylko przy jednej częstotliwości (1KHz), należałoby pomierzyć zniekształcenia w całym paśmie przenoszenia, lub przynajmniej przy kilku częstotliwościach, zwłaszcza niskich i wysokich

Z przyjemnością obejrzę wykresy tak z pomiarów samej karty, jak i wzmacniacza.

[traxman]

Dlaczego nie mierzyć przy maksymalnej mocy? Wyniki może nie są zachwycające, ale warto poznać jak wzmacniacz będzie zniekształcał mocniejsze partie sygnału. By nie wpaść w przesterowanie, warto wzmacniacz wysterować sygnałem trójkątnym bo na nim najłatwiej zaobserwować przesterowanie i przy tym poziomie napięcia wyjściowego przełączyć na sinus i pomierzyć zniekształcenia. Pomiar w co najmniej kilku punktach mocy i częstotliwości, 50mW/1W/Pmax dla 100Hz/1kHz/10kHz. Daje to pogląd na zachowanie się wzmacniacza. Bardzo często wzmacniacze mają dużo większe zniekształcenia dla wyższych częstotliwości np. powyżej 5kHz, mierząc tylko 1kHz nigdy się o nich nie dowiemy.

[ATM]

Oczywiście, że nic nie stoi na przeszkodzie, by pomierzyć THD także przy max. mocy. Ale po co? Wiadomo,że zniekształcenia będą tu wielkie, a wynik nie powie nam nic o klasie urządzenia.
Poza tym, co to jest moc maksymalna? Kolega Piotr, pisał kiedyś, że dla jego wzmacniaczy, to moc przy której wzmacniacz osiąga ( nie pamiętam dokładnie) chyba 10% zniekształceń, a więc sprawa całkowicie umowna.

Inni określają moc maksymalną, przy amplitudzie sygnału wyjściowego, przy jakiej na oscyloskopie jeszcze nie widać zniekształceń. Sami wiecie jakie to złudne, wzmacniacz może już mieć nawet i 7-8% zniekształceń, podczas kiedy przy pomiarze tylko o 1W niżej, harmonicznych może być już tylko 2-3%

Z tego właśnie powodu, kwestionuję przydatność pomiaru harmonicznych przy maksymalnych mocach wzmacniacza.
Ale jeśli ktoś lubi...,poza tym, zawsze można zrobić pomiar „h”, w funkcji mocy, i wszystko będzie jasne.

Co do wyboru częstotliwości pomiarowych, w przypadku układów SE, gdzie istnieje magnesowanie rdzenia prądem stałym, dobrze jest dokonać pomiaru przy częstotliwościach niższych od 100Hz, powiedzmy 20 Hz i 30 Hz. choćby po to by, przekonać się jakiej klasy mamy transformator wyjściowy i czy ma właściwie ustawioną szczelinę.

[traxman]

No to się zrobił problem filozoficzny, projektujemy na 100W, mierzymy przy 70, bo tak lepiej wyjdzie?
Piotr z tego co pamiętam określa moc maksymalną przy 5% THD.
Norma mówi o 1% w pełnym paśmie, ale wtedy większość naszych wzmacniaczy była praktycznie niemierzalna
Pomiar przy maksymalnej mocy także na skrajach pasma daje informację o transformatorze wyjściowym. Próbowałem także mierzyć doprowadzając prostokąt do wejścia, zwiększając jego amplitudę do momentu, gdy już nie zwiększa się wartość napięcia wyjściowego (początek przesterowania), zmieniam na sinusoidę i wtedy mierzę THD.
Przydało by się określić jak to mierzyć bo wtedy można porównać różne konstrukcje, a tak nic z tego porównania nie wynika.

[ATM]

Ważne, by pomiarami dokładnie określić klasę urządzenia które zbudowaliśmy, i myślę,że pomiar zniekształceń 100 Watowego, wzmacniacza przy 100 Watach mocy wyjściowej, nie daje nam takiego obrazu, ale... nie przeszkadzam, i pewnie pozostanę przy swoim zdaniu

Problemu tu zupełnie nie widzę, i pewnie nie ma sensu dalej się rozwodzić.

Też jestem za ujednoliceniem sposobu pomiarów.
Poza tym, w dalszym ciągu, i tak mało kto mierzy.

[traxman]

E tam, jak projektuję 10W wzmacniacz to mierzę go przy 10W inaczej będę oszukiwał sam siebie. Ja też zdania nie zmienię

Ostatni poszukiwałem karty do pomiarów rozkładu harmonicznych i do 500PLN, można coś kupić, szkoda, że z opisu oprogramowania kompletnie nic nie wynika.

[ATM]

Jaką kartę i jakie oprogramowanie masz na myśli?
Ja myślałem o czymś takim - http://allegro.pl/item421681855_e_mu_04 ... _w_pl.html

Co do oprogramowania, odpowiada mi SpectraPlus, i ją dalej pewnie będę stosował, chyba ,że znajdę cos ciekawszego.

[traxman]

A ja o takiej:
http://www.kartydzwiekowe.com.pl/?akcja=produkt&id=261
ale coś mi się wydaje, że taniej będzie kupić DSO do PC z FFT, ostatnio widziałem za 600PLN z sondami. tam jest porządny wzmacniacz pomiarowy, może będzie to lepiej działało niż karta muzyczna. Nawet prosty MOC1 działa do 20kHz bez większych problemów.

[ATM]

Może to i dobry pomysł?
Nie mam specjalnie zaufania do tych komputerowych wynalazków.
Czy w komplecie jest firmowe oprogramowanie do FFT ? Bo z typowymi analizatorami programowymi ( pod kartę dźwiękową), raczej nie będzie współpracować.