РадиоКот >Статьи >
Visual Analyser. Практическое измерение параметров. Часть 6
Добрый день, уважаемые радиолюбители.
В предыдущих частях данной статьи (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) мы с Вами рассмотрели подробно принципы построения измерительного комплекса на основе ПК с использованием программного обеспечения Visual Analyser, рассмотрели его реальные возможности при использовании среднестатистической звуковой карты ПК, а так же начали рассматривать практическое измерение различных параметров на примере лампового усилителя. Сегодня мы с Вами закончим рассматривать оставшиеся параметры, а так же подведём некоторые итоги. Ну что же, пожалуй, начнем.
Максимальное усиление ЭДС (коэффициент усиления).
Согласно ГОСТ 23849-87 [1] для определения максимального усиления ЭДС необходимо привести усилитель в стандартные условия.
Для этого на выход усилителя необходимо подключить эквивалент нагрузки, соответствующий по своему сопротивлению номинальному сопротивлению нагрузки (о том как правильно выбрать эквивалент нагрузки мы говорили в предыдущих частях данной статьи), а затем подать на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой 1000 Гц с генератора сигналов (пункты 22, 24) и добиться на выходе (эквиваленте нагрузки) номинальной выходной мощности (см. измерение выходной мощности, ограниченной искажениями). После этого, уменьшая напряжение на входе усилителя, необходимо установить напряжение, меньше, чем при номинальной мощности, ограниченной искажениями, на 10 Дб (меньше в 3.16 раза). Такие условия считаются стандартными для определения максимального усиления ЭДС.
После установки в стандартные условия, как я думаю вы уже догадались, необходимо измерить вольтметром напряжение на входе и выходе усилителя. Для измерения напряжения можно воспользоваться как встроенным в измерительный комплекс вольтметром (пункты 26-29), так и внешним вольтметром истинного среднеквадратического значения напряжения.
При этом максимальное усиление ЭДС (коэффициент усиления) определяется по формуле:
 |
Максимальное усиление ЭДС (коэффициент усиления) можно выразить и в децибелах. В этом случае формула (1) примет вид:
 |
Для исследуемого экспериментального усилителя в результате установки его в стандартные условия и измерения входного и выходного напряжения встроенными в измерительный комплекс Visual analyser [2] вольтметрами получились следующие экспериментальные данные: U_(вых.) = 2.7 Вольт, U_(вх.) = 0.27 Вольт. После подстановки данных значений, соответственно, в формулы (1-2) получим следующий результат: максимальное усиление ЭДС (коэффициент усиления) исследуемого усилителя равен 10 раз (или же 20 дБ).
Если Вы читали внимательно предыдущую часть данной статьи, то могли заметить, что подобные измерения мы с вами уже проводили, когда строили амплитудную характеристику усилителя. Но при построении амплитудной характеристики измерения проводятся во всем диапазоне входных напряжений – от уровня шума до ограничения (клиппинга). В случае же максимального усиления ЭДС измерения производятся в стандартных условиях!
Рассмотрев измерение максимального усиления ЭДС можно перейти к фиксации ещё одного параметра усилителя – минимальной ЭДС источника (номинальной чувствительности).
Итак, согласно [1] минимальная ЭДС источника – это ЭДС, которая при подаче на вход усилителя обеспечивает номинальное выходное напряжение, развиваемое на номинальном эквиваленте нагрузки. Согласно же [3], чувствительность электронного усилителя – это минимальные напряжения, ток или мощность на входе электронного усилителя, при которых обеспечивается заданное превышение полезного сигнала над шумами усилителя, или заданные напряжение, ток или мощность в нагрузке усилителя.
В предыдущих частях данной статьи мы с Вами условились, что за номинальную мощность (напряжение) мы будем считать мощность (напряжение) на выходе усилителя, ограниченные искажениями. Приняв это во внимание можно сделать вывод, что минимальная ЭДС источника и номинальная чувствительность усилителя (чувствительность, необходимая для получения номинальной мощности на выходе) – это один и тот же параметр.
Таким образом, для определения минимальной ЭДС источника (номинальной чувствительности) необходимо со встроенного в измерительный комплекс генератора сигналов подать на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой 1 кГц, добиться номинальной выходной мощности на выходе усилителя (выходной мощности, ограниченной искажениями) и измерить входное напряжение (любым ранее описанным способом). Данное напряжение и будет искомой величиной!
Для исследуемого усилителя минимальная ЭДС источника (номинальная чувствительность) получилось равной 0.8 Вольт действующего значения напряжения. Данное измерение можно было сделать на предыдущем этапе, перед постановкой усилителя в стандартные условия т.к. на выходе усилителя как раз была установлена выходная мощность, ограниченная искажениями.
В общем-то, данный параметр можно определить приблизительно и по другому – просто поделив выходное напряжение, ограниченное искажениями, на коэффициент усиления усилителя т.к. эти параметры связаны прямой зависимостью. Выходное напряжение усилителя равно его входному напряжению, умноженному на коэффициент усиления усилителя.
Приняв это во внимание можно сделать ещё один вывод – номинальная чувствительность усилителя может отличаться для разных частот, как и коэффициент усиления усилителя (в этом мы убедились при измерении амплитудных характеристик усилителя, а так же АЧХ усилителя). В связи с этим важно указывать условия, при которых производятся измерения (т.к. за номинальные условия могут быть приняты и другие условия согласно [1], а так же ТУ на конкретный тип усилителя). Если же подходить к измерению номинальной чувствительности усилителя строго, то измерения необходимо производить согласно [1] по методике, описанной выше.
Рассмотрим ниже измерение ещё одной комплексной характеристики усилителя, которая может дать множество полезной информации – переходной (реакции усилителя на прямоугольный импульс).
Переходная характеристика усилителя (реакция на прямоугольный импульс).
Если Вы обратили внимание, то большинство из рассмотренных нами ранее характеристик измерялись при подаче на вход синусоидального сигнала. Полученные характеристики позволили нам проанализировать многие аспекты работы исследуемого усилителя. Но, оставалось одно но – реальный музыкальный сигнал является импульсным… …соответственно процессы, протекающие в реальном усилителе несколько сложнее… ...много новой информации можно было бы получить, если бы мы смогли измерить динамические интермодуляционные искажения различных типов с помощью измерительного комплекса, но, к сожалению, такой возможности в нем пока нет (данный недостаток мы рассматривали в предыдущих частях данной статьи).
Но есть всё же группа параметров, позволяющая нам оценить некоторые особенности работы усилителя при подаче реального музыкального сигнала – переходная характеристика усилителя (реакция усилителя на прямоугольный импульс) и сопутствующие ей параметры.
Итак, реальный музыкальный сигнал имеет форму, показанную на рисунке ниже.
 |
Если рассмотреть данный рисунок, то становится очевидно, что реальный музыкальный сигнал, действительно, как было отмечено выше носит пиковый характер т.е. является импульсным.
Если не углубляться в тонкости схемотехники, а так же разновидности существующих звеньев по виду переходной функции с точки зрения теории автоматического управления, то можно сказать, что реакция усилителя на подобный сигнал носит достаточно сложный характер [7, 8].
В метрологии, теории автоматического управления (ТАУ), радиотехнике в качестве идеального тестового сигнала для подобных измерений чаще свего используют функцию Хевисайда [4]. В реальных же измерениях данную функцию часто заменяют либо на одиночные прямоугольные импульсы либо на последовательность прямоугольных импульсов. При этом частота данных импульсов выбирается такой, что бы все процессы в исследуемом устройстве успели завершиться. Именно данный подход мы и будем использовать для практических измерений.
Таким образом, для измерения переходной характеристики необходимо подать со встроенного в измерительный комплекс генератора сигналов прямоугольный сигнал на вход усилителя частотой 1 кГц. Далее необходимо выставить на выходе мощность, равную мощности, ограниченной искажениями. После этого необходимо настроить масштабы окна встроенного осциллографа сигналов так, что бы в окне помещалось 2-3 периода исследуемого сигнала (пункты 31-32). После этого необходимо сохранить полученную осциллограмму.
Так как по форме вершины прямоугольного импульса на выходе усилителя можно оценить уменьшение усиления в низкочастотной области, измерение рекомендуется дополнительно провести на 2-3 более низких частотах. Я рекомендую проводить измерение на нижней граничной частоте полосы пропускания усилителя (это актуально с точки зрения подтверждения формы АЧХ в низкочастотной области) и, скажем, частоте 100 Гц (т.к. от данной частоты и ниже находятся некоторые низкочастотные инструменты) [5].
Результат измерения реакции усилителя на прямоугольный импульс на частоте 1000 Гц показан на скрине ниже...
 |
...на частоте 100 Гц на скрине далее
...и, наконец, на частоте 20 Гц – на скрине ниже.
 |
Если сравнить данные 3 скрина между собой, то отчетливо видно, что с уменьшением частоты от 1000 Гц до частоты 20 Гц значительно увеличивается скос полки прямоугольного импульса вправо, что свидетельствует об уменьшении усиления на низких частотах. Наиболее сильно завал низких частот проявляется при уменьшении частоты менее 100 Гц.
Снова вернемся к предыдущим частям данной статьи и вспомним график зависимости общих гармонических искажений от частоты. По графику отчетливо видно, что значительный рост гармонических искажений начинается как раз с частоты 100 Гц и продолжается практически экспоненциально с уменьшением частоты, что отлично согласуется с измерением реакции усилителя на прямоугольный импульс в низкочастотной области (с увеличением скоса полки в низкочастотной области).
Там же было сделано предположение, что рост гармонических искажений может быть связан с высокой частотой среза межкаскадных RC-цепей (маленькой постоянной времени); несимметричностью половинок первичной обмотки трансформатора (что приводит к разбалансировке усилителя на низких частотах из-за более сильного разброса индуктивностей половинок обмотки); а так же недостаточной ёмкостью последнего конденсатора фильтра источника питания и некоторыми другими причинами.
Проведя измерения реакции усилителя на прямоугольный импульс можно практически однозначно сказать – рост искажений, вероятнее всего, связан именно с завалом АЧХ в области низких частот, вызванный вышеописанными причинами (т.к. результаты нескольких измерений отлично согласуются друг с другом).
Следующим параметром, который позволяет оценить измерение переходной характеристики – устойчивость усилителя. Под устойчивостью усилителя принято понимать его способность возвращаться в исходное состояние после прекращения входного воздействия. Чем выше устойчивость и быстродействие усилителя - тем меньшие динамические искажения он вносит в усиливаемый сигнал!
Существует несколько методик оценки устойчивости усилителя. Мы не будем рассматривать их все, а остановимся только на одной, самой простой и применимой в радиолюбительской практике – оценке устойчивости усилителя по форме переходного процесса в области малых времён т.е. фактически, по форме и величине выброса на заднем фронте прямоугольного импульса [6].
Если посмотреть внимательно на приведенные ранее скрины, то отчётливо видно, что характер переходного процесса – апериодический [6] т.е. усилитель обладает достаточной устойчивостью (запасом по фазе сигнала между входом и выходом усилителя).
При недостаточной устойчивости усилителя не только повышается уровень динамических искажений усилителя, но и повышается его склонность к автогенерации. Если в усилителе будет соблюдено 2 условия – баланс фаз и баланс амплитуд, то усилитель превратится в автогенератор. Выполнение второго условия обеспечивается наличием достаточного коэффициента усиления исследуемого усилителя, а выполнение первого условия как раз необходимым сдвигом фазы между входным и выходным сигналом. Таким образом, данная тонкость может быть полезна в некоторых случаях в борьбе с самовозбуждением усилителя.
Параметры, оставшиеся за рамками данной статьи…
Таким образом, последняя часть данной статьи подходит к своему концу. Если подвести итоги, то нами было рассмотрено измерение множества параметров реального усилителя и их влияние на воспроизведение музыкального сигнала, но многие параметры и вопросы остались за рамками данной статьи по тем или иным причинам…
Среди того что не вошло в данную статью:
- измерение сдвига фаз между входным и выходным сигналом с использованием фигур Лиссажу и, соответственно, построение и анализ ФЧХ (фазо-частотной характеристики);
- измерение скорости нарастания сигнала на выходе усилителя, а так же её связь с полосой пропускания усилителя сверху и выходной мощностью усилителя;
- измерение выходного напряжения шума/фона на выходе усилителя;
- измерение отношения сигнал/шум и сигнал/фон на выходе усилителя;
- способы повышения точности измерений, а так же способы расширения функционала измерительного комплекса (например, дифференциальный метод измерений);
- способы учета действия реальной акустической системы на параметры усилителя на низких частотах (например, использование специализированного эквивалента нагрузки);
- построение ZRLC-метра на основе измерительного комплекса.
Таким образом, если данные вопросы Вам будут всё же интересны, то я с удовольствием их опишу в ещё одной части статьи. Ваши отзывы, а так же пожелания по данному циклу статей можете присылать мне на электронную почту: Sobiratel_sxem@mail.ru (ориентируясь на них я постараюсь при необходимости дополнить данный цикл статей), а так же в соответствующую тему на форуме (постараюсь туда хотя бы изредка заходить).
Основной целью данного цикла статей было, прежде всего, изучение реальных возможностей измерительных комплексов, построенных на основе звуковой карты ПК с использованием специализированного программного обеспечения. Я считаю, что данная цель нами была достигнута.
Второстепенная же цель цикла - показать, что проектирование высококачественного усилителя не такая и простая задача, как может показаться изначально. В реальности существует достаточно много параметров, влияющих на качество воспроизведения (но при этом многим известно всего несколько из них, а производители этим активно пользуются, выставляя на шильдиках некоторые привлекательные значения…). Я считаю, что данная цель была так же нами достигнута.
А на этом на сегодня всё, с уважением, Андрей.
1. ГОСТ 23849-87. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения параметров усилителей сигналов звуковой частоты.
2. Visual Analyser. Официальный сайт.
3. ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения.
4. Функция Хевисайда
5. Почему появились искажения? (2-е изд.) - Соболевский А.Г. Массовая радиобиблиотека (МРБ), выпуск 1086, 1985 год.
6. Методы оценки качества систем управления
7. Переходный процесс
8. Переходная характеристика
P.S!!! Чуть не забыл... к сожалению (а для кого-то возможно и к счастью) это последняя моя статья на данном сайте... ...было желание написать и опубликовать цикл статей по поверхностному монтажу печатных узлов с примерами того как может выглядеть производство в принципе, но видимо уже не буду публиковать... К сожалению, но уже давно на сайте процветает достаточно странное отношение в плане радиолюбительского творчества, о чём я (и не только я) неоднократно высказывались. Хотелось бы ещё раз напомнить, что данный сайт был всегда посвящен, прежде всего, радиолюбительскому творчеству (не конкуренции с китайцами! не разработке промышленной рентабельной аппаратуры! не продаже своих наработок...) - тут всегда радиолюбители делились тем, что делали сами, тем у кого что получилось, кто какие получил результаты и т.д. Я сам на этом сайте зарегистрировался больше 10 лет назад и помню когда это всё начало бурно развиваться... Отдельно хочу сказать спасибо всем тем радиолюбителям, которые меня поддерживали и критиковали по-существу (иногда я спорил долго и усиленно, иногда бы не прав, но всё же за прошедшее время многому научился). Если кому-то вдруг понадоблюсь - думаю вам не составит меня найти... А за сим разрешите откланяться... всем пока...
Все вопросы в
Форум.
|
Как вам эта статья?
|
Заработало ли это устройство у вас?
|
|
|
|
Эти статьи вам тоже могут пригодиться:
