Методика измерений усилителей, инструменты, цели

Любое, более или менее сложное электронное устройство требует проверки работоспособности и наладки  

Усилитель мощности звуковой частоты не является исключением и измерения характеристик данного устройства являются не только средством разработки, но и показателем качества и уровня изделия

Ранее измерения усилителей звуковой частоты производились на производствах и требовали массу спецоборудования и специально обученного персонала. О каких либо, более или менее точных измерениях в домашних или полупрофессиональных условиях и речи не шло. Однако появление персональных компьютеров, развитие звуковых интерфейсов и создание специализированных программных комплексов кардинально изменили ситуацию:

На сегодняшний день, каждый человек, имеющий ПК и желание, может провести измерения своего аудиоустройства  с достаточно высоким уровнем точности, а если добавить сюда звуковую карту уровня выше среднего, то точности таких измерений мог позавидовать практически любой производитель транзисторных или интегральных усилителей мощности звуковой частоты  30 летней давности

С другой стороны, в современном мире, которым правят маркетологи, получить практически любые цифры измерений не очень сложно, ибо в разных условиях, электронное устройство ведет себя по-разному и, как правило, очень «красивые» или нужные цифры указываются без уточнений условий, в которых проводилось измерение

Данный раздел, на сайте kit-amp.com создан с целью измерения модулей, готовых усилителей и других аудиоустройств, которые у нас в продаже. Мы не претендуем на истину в последней инстанции, а всего лишь показываем полученные нами цифры характеристик в тех или иных условиях

Условия измерений:

1. Сопротивление нагрузки всех усилителей для акустики 4Ом. Это наиболее тяжелый режим для усилителя и при увеличении сопротивления до 6-8Ом ВСЕГДА положительно скажется на характеристиках кроме мощности

2. Измерения усилителей, в том числе максимальной мощности проводятся с помощью резистивной нагрузки. Мы прекрасно понимаем, что динамическая головка акустической системы или головного телефона является сложной нагрузкой. В то же время сами головки, достаточно сильно отличаются между собой и измерения на конкретной головке могут быть объективными только по отношению к ней. Мы убеждены, что для получения справочной и сравнительной информации, как раз измерения всех усилителей на одной и той же нагрузке (пусть и менее сложной) будут более объективными

3. Питание (одно и двух полярное), с напряжением до 30В, всех тестируемых устройств,  производилось через мощный, линейный стабилизированный блок питания. Питание свыше 30В осуществляется через блок питания на основе CRC  фильтра, с сумарной емкостью сглаживающющих конденсаторов 48 000 мкФ.  Выбор пал на стабилизированный источник питания и блок питания на основе CRC  фильтра т.к. организация питания в разных проектах достаточно сильно отличается и качественный блок питания позволяет увидеть потенциал устройства.

Измерительный стенд и инструменты:

1. Персональный компьютер

2. Звуковой интерфейс E-MU 1616m (одна из лучших звуковых карт не смотря на неприлично преклонный возраст)

3. Мощный 15А, двух полярный, трансформаторный, стабилизированный блок питания 0-30В или трансформатор,  блок питания на основе CRC  фильтра 20 000 мкФ на плечо при питании более 30В

4. Резистивная нагрузка в виде сборки 5кВт тэнов, с сопротивлением 3,8Ом на концах кабелей (усилители для акустики)

5. Резистивная нагрузка в виде сборки 1Вт резисторов, с сопротивлением 68Ом на концах кабелей (усилители для наушников). Выбор пал именно на 64Ом, т.к. это сопротивление является «средним» и может указать на общую картину, владельцам как высокоомных так и низкоомных наушников 

6. Осциллограф

7. Мультиметр

Программный комплекс:  

RightMark Audio Analyzer 6.4.5 PRO

Преимущества данной программы:

А) Пакетное тестирование

Б) Информативный и лаконичный вывод полученной информации

Г) Возможность донести информацию пользователю, не имеющему желания разбираться  в характеристиках и их величинах с помощью таких категорий как «Отлично», «Средне», «Плохо»

Д) Режим работы программы при измерениях  24-bit, 48 kHz. Данный режим позволяет провести замеры на частотах до 24 kHz, что гораздо выше слышимости высоких частот для любого человека. К тому же внутренний фильтр звукового интерфейса настроен на частоту 20 kHz. С другой стороны спад АЧХ после 20 kHz очень не велик и составляет всего лишь 1дБ на первую октаву. Что же происходит в ультразвуке, нам по большому счету не интересно

Пакетное тестирование включает в себя  основные характеристики аудиоустройства  и состоит из:

(для примера будут приведены графики звукового интерфейса E-MU 1616m сама на себя)

1. Частотная характеристика

Частотная характеристика усилителя показывает зависимость коэффициента усиления  от частоты  сигнала, поданного на вход усилителя. Это один из важнейших параметров, так как если АЧХ неравномерна, т. е. не прямолинейна, то это сигнализирует о том, что усилитель по-разному усиливает сигналы разных частот, тем самым внося частотные искажения

2. Уровень шума

Отношение сигнал/шум — параметр АЦП, ЦАП, микшера, микрофонного, предварительного или оконечного усилителя, например усилителя активных колонок. Он показывает, насколько сильно шумит звуковое устройство (обычно от 60 до 135,5 дБ) при отсутствии сигнала. Чем выше значение сигнал/шум, тем более чистый звук и больший динамический диапазон обеспечивается системой. Для музыкальных целей желательно, чтобы этот параметр был не менее 75 дБ, а для систем с высококачественным звучанием не менее 90 дБ

3. Динамический диапазон

Это отношение максимального входного напряжения усилителя к минимальному входному, которое может быть усилено при допустимых искажениях и уровне помех. Обычно динамический диапазон усилителя указывают в децибелах

4. Гармонические искажения

Искажения сигнала вызваны нелинейностью входных и выходных характеристик усилительных элементов и присущи любым усилителям мощности. Если подать на вход усилителя синусоидальный сигнал, то в спектре выходного сигнала, кроме основной гармоники, обнаружатся дополнительные, частота которых кратна частоте полезного сигнала. Такие гармоники являются паразитными и их мощность, как правило, невелика. Однако их суммирование с полезным сигналом приводит к существенному искажению его формы, и как следствие, искаженному звучанию

Коэффициент гармонических искажений (Total Harmonic Distortion) показывает слышимую составляющую гармонических искажений в выходном сигнале и определяется как отношение суммарной мощности паразитных сигналов к мощности полезного гармонического сигнала. Как правило, измерения проводятся на частоте 1 кГц

При замерах обращается внимание на спектральное распределение и характер искажений. Слышимость паразитных гармоник зависит от относительного уровня по отношению к тестовому сигналу, от порядка гармоники, от типа (четная/нечетная), а так же от того, на какой громкости прослушивается тестовый фрагмент

Типовое значение THD для Hi-Fi усилителя составляет 0,1%. Однако, уже не раз отмечалось: усилитель с THD 0,001% может оказаться хуже по звуку, чем другой, с THD 0,1%. Дело в том, что при таких малых значениях этого параметра, искажения сложно проследить в форме выходного сигнала или ощутить на слух. Поэтому, разницы между 0,1% и 0,001% слышно не будет

5. Интермодуляционные искажения

Нелинейность характеристик усилительных элементов приводит к возникновению нелинейных искажений. Большинство производителей усилителей измеряют и указывают в паспорте только коэффициент гармонических искажений (THD). Измерения проводятся с помощью гармонического сигнала. При подобном тестировании на выходе усилительного тракта появляются высшие гармоники, частота которых кратна частоте основного тона. Однако, как уже упоминалось, музыкальный сигнал далек от гармонического. Более того, любой музыкальный инструмент воспроизводит не только основной тон, но «обертона», которые являются ярким примером гармонических искажений. Известно, что наличие в музыкальном сигнале «обертонов» вовсе не портят, а обогащают звук. Поэтому очень важно указывать не коэффициент гармонических искажений, а весь спектр выходного сигнала, из которого можно определить тип (четные или нечетные) паразитных гармоник и их уровень относительно полезного сигнала. С точки зрения психоакустики, например, наличие в выходном сигнале ощутимых по уровню четных гармоник воспринимается на слух лучше, чем наличие малых нечетных

Наибольший вред музыкальному сигналу приносят интермодуляционные искажения (Inter Modulation Distortion), которые возникают при подаче на вход нелинейной системы мультитонового сигнала. При этом на выходе появляются паразитные сигналы с частотами, являющимися суммой или разностью частот входных сигналов, а также суммой или разностью частот сигналов, вызванных гармоническими искажениями и через обратную связь возвращенных на вход усилителя. Подобные искажения не соотносятся с основными тонами музыкального сигнала и привносят в него фоновый шум

Необходимо отметить, что единых стандартов по измерению интермодуляционных искажений не существует, а результаты измерений существенно зависят от уровней входных сигналов и их частот. Чаще всего, IMD не указывается просто потому, что неизвестно как его измерять. Тем не менее, данный параметр является наиболее перспективным для оценки нелинейных свойств усилителя мощности

6. Взаимопроникновение стереоканалов

Данный параметр определяет степень проникновения сигнала из одного канала в другой. Высокий уровень перекрестных помех приводит к незначительному ухудшению четкости восприятия стереобазы. Однако чуткий слушатель сразу ощутит, что звук не дает представления о взаимном расположении и размерах музыкальных инструментов, т.е. отсутствие или нечеткость звуковой 3D картинки

7. Интермодуляционные искажения (переменная частота)

Измерение  интермодуляционных искажений на частотах 5/10/15 кГц

8. Максимальная мощность усилителя 

не входит в пакетное тестирование и измеряется вручную 

Максимальная мощность рассчитывается при подаче синусоидального сигнала частотой 1кГц на вход усилителя и поднятии мощности выходного сигнала до ограничений вершин синусоиды, с последующим возвратом к синусоиде без ограничений. При этом делается замер среднеквадратического напряжения и подставляется в формулу расчета мощности:

P = U^2 / R

где

U напряжение на выходе усилителя  

R - сопротивление нагрузки 

Резюме:

Следует помнить, что все люди в той или иной степени отличаются друг от друга, в том числе в аудио предпочтениях и прекрасные цифры в характеристиках аудиоустройства далеко не всегда являются залогом успеха этого устройства и особенно у опытных и искушенных слушателей. Сам же разработчик программы  RMAA – Максим Лядов ВСЕГДА акцентирует внимание на том, что устройство нужно слушать и никакие измерения и рейтинги не способны даже близко заменить прослушивание

Любое использование либо копирование материалов сайта, элементов дизайна и оформления допускается лишь с разрешения правообладателя и только со ссылкой на источник:www.kit-amp.com