skreslenie v zosilňovačoch. Harmonické skreslenie Úroveň nelineárneho skreslenia
Vďaka obchodné reťazce a online obchodoch, rozmanitosť audio zariadení ponúkaných na predaj presahuje všetky primerané hranice. Ako si vybrať zariadenie, ktoré spĺňa vaše požiadavky na kvalitu bez výrazného preplácania?
Ak nie ste audiofil a výber vybavenia nie je pre vás zmyslom života, potom je najjednoduchšie sa s istotou orientovať v Technické špecifikácie zariadenia na zosilnenie zvuku a naučte sa extrahovať užitočná informácia medzi riadkami pasov a pokynov, kritický voči veľkorysým sľubom. Ak necítite rozdiel medzi dB a dBm, menovitý výkon sa nelíšia od PMPO a chcete konečne zistiť, čo je THD, zaujímavé veci nájdete aj pod strihom.
Zhrnutie článku
Získať. Prečo potrebujeme logaritmy a čo sú decibely?
Hlasitosť zvuku. Aký je rozdiel medzi dB a dBm?
Rozdeľ a panuj – rozlož signál do spektra.
Lineárne skreslenie a šírka pásma.
Nelineárne skreslenie. KNI, KGI, TDH.
Amplitúdová charakteristika. Celkom stručne o šume a rušení.
Výstupné štandardy Výkon ULF a akustika.
Cvičenie - najlepšie kritérium pravda. Demontáž s audio centrom.
Čajník dechtu v pohári medu.
Dúfam, že materiály tohto článku budú užitočné pre pochopenie toho ďalšieho, ktorý má oveľa komplexnejšiu tému - "Krížové skreslenie a spätná väzba ako jeden z ich zdrojov."
Získať. Prečo potrebujeme logaritmy a čo sú decibely?
Jedným z hlavných parametrov zosilňovača je zosilnenie – pomer výstupného parametra zosilňovača k vstupu. V závislosti od funkčného účelu zosilňovača existujú zisky napätia, prúdu alebo výkonu:
Napäťový zisk
aktuálny zisk
Prírastok energie
Zosilnenie ULF môže byť veľmi veľké, ešte väčšie hodnoty sú zosilnenie operačných zosilňovačov a rádiových ciest rôznych zariadení. Nie je veľmi vhodné pracovať s číslami s veľkým počtom núl, je ešte ťažšie zobraziť na grafe rôzne druhy závislostí, ktoré majú hodnoty, ktoré sa navzájom líšia tisíckrát alebo viackrát. Vhodným východiskom je reprezentovať veličiny na logaritmickej stupnici. V akustike je to dvojnásobne výhodné, pretože ucho má citlivosť blízku logaritmickej.
Preto sa zisk často vyjadruje v logaritmických jednotkách - decibeloch (ruské označenie: dB; medzinárodné: dB)
Spočiatku sa na odhad pomeru výkonov používal dB, takže hodnota vyjadrená v dB predpokladá logaritmus pomeru dvoch výkonov a zisk výkonu sa vypočíta podľa vzorca:
Trochu iná situácia je pri „neenergetických“ veličinách. Zoberme si napríklad prúd a vyjadrime cez neho výkon pomocou Ohmovho zákona:
potom sa hodnota vyjadrená v decibeloch cez prúd bude rovnať nasledujúcemu výrazu:
To isté platí pre napätie. V dôsledku toho získame nasledujúce vzorce na výpočet faktorov zisku:
Aktuálny zisk v dB:
Zosilnenie napätia v dB:
Hlasitosť zvuku. Aký je rozdiel medzi dB a dBm?
V akustike „úroveň intenzity“ alebo jednoducho hlasitosť zvuku L merané aj v decibeloch, pričom tento parameter nie je absolútny, ale relatívny! Je to preto, že porovnanie sa vykonáva s minimálnym prahom počuteľnosti ľudským uchom zvuku. harmonické kmitanie- amplitúda akustického tlaku 20 µPa. Keďže intenzita zvuku je úmerná druhej mocnine akustického tlaku, môžeme písať:
kde nie je prúd, ale intenzita akustického tlaku zvuku s frekvenciou 1 kHz, čo približne zodpovedá prahu ľudského sluchu.
Keď teda hovoríme, že hlasitosť zvuku je 20 dB, znamená to, že intenzita zvukovej vlny je 100-násobkom prahu ľudského sluchu.
Okrem toho je absolútna hodnota merania výkonu v rádiotechnike mimoriadne bežná. dBm(ruský dBm), ktorý sa meria vzhľadom na výkon 1 mW. Výkon sa určuje pri menovitom zaťažení (pre profesionálne zariadenia - zvyčajne 10 kOhm pre frekvencie menšie ako 10 MHz, pre rádiofrekvenčné zariadenia - 50 Ohm alebo 75 Ohm). Napríklad "výstupný výkon zosilňovacieho stupňa je 13 dBm" (to znamená, že výkon rozptýlený pri nominálnej záťaži pre tento zosilňovací stupeň je približne 20 mW).
Rozdeľ a panuj – rozlož signál do spektra.
Je čas prejsť na zložitejšiu tému – hodnotenie skreslenia signálu. Na začiatok si budeme musieť urobiť krátky úvod a porozprávať sa o spektrách. Faktom je, že v zvukovej technike a nielen to je obvyklé pracovať so sínusovými signálmi. Často sa vyskytujú vo svete okolo nás, pretože veľké množstvo zvukov vzniká vibráciami určitých predmetov. Okrem toho je štruktúra ľudského sluchového systému dokonale prispôsobená vnímaniu sínusových vibrácií.
Akákoľvek sínusová oscilácia môže byť opísaná vzorcom:
kde dĺžka vektora, amplitúda kmitov, je počiatočný uhol (fáza) vektora v nulovom časovom okamihu, je uhlová rýchlosť, ktorá sa rovná:
Dôležité je, že pomocou súčtu sínusových signálov s rôznou amplitúdou, frekvenciou a fázou je možné popísať periodicky sa opakujúce signály akéhokoľvek tvaru. Signály, ktorých frekvencie sa líšia od základnej frekvencie o celé číslo, sa nazývajú harmonické pôvodnej frekvencie. Pre signál so základnou frekvenciou f sú signály s frekvenciami
budú párne harmonické a signály
nepárne harmonické
Pre názornosť nakreslíme pílovitý priebeh.
Na presné vyjadrenie z hľadiska harmonických by bolo potrebné nekonečné množstvo výrazov.
V praxi sa na analýzu signálov používa obmedzený počet harmonických s najvyššou amplitúdou. Na obrázku nižšie môžete vizuálne vidieť proces vytvárania pílovitého signálu z harmonických.
A takto sa tvorí meander s presnosťou na päťdesiatu harmonickú ...
Viac o harmonických si môžete prečítať v nádhernom článku habrahabr.ru/post/219337 od užívateľa dlinyj a je načase, aby sme konečne prešli k skresleniam.
Väčšina jednoduchá metóda Vyhodnotenie skreslení signálu je privádzanie jedného alebo súčtu viacerých harmonických signálov na vstup zosilňovača a analýza pozorovaných harmonických signálov na výstupe.
Ak výstup zosilňovača obsahuje signály rovnakých harmonických ako na vstupe, skreslenie sa považuje za lineárne, pretože sa scvrkáva na zmenu amplitúdy a fázy vstupného signálu.
Harmonické skreslenie pridáva do signálu nové harmonické, čo skresľuje tvar vstupných signálov.
Lineárne skreslenie a šírka pásma.
Získať Komu Ideálny zosilňovač je nezávislý od frekvencie, no v reálnom živote to zďaleka neplatí. Závislosť amplitúdy od frekvencie je tzv amplitúda- frekvenčná odozva- frekvenčná odozva a často sú znázornené vo forme grafu, kde je napäťové zosilnenie vynesené vertikálne a frekvencia horizontálne. Nakreslíme frekvenčnú charakteristiku typického zosilňovača.
Frekvenčná odozva sa získava postupným privádzaním signálov rôznych frekvencií určitej úrovne na vstup zosilňovača a meraním úrovne signálu na výstupe.
Rozsah frekvencie ΔF, v rámci ktorej sa výkon zosilňovača zníži maximálne dvakrát od maximálnej hodnoty, sa nazýva šírka pásma zosilňovača.
Do grafu sa však zvyčajne vykresľuje zosilnenie napätia, nie zosilnenie výkonu. Ak označíme maximálny zisk napätia ako , potom v rámci šírky pásma by koeficient nemal klesnúť pod:
Hodnoty frekvencie a úrovne signálov, s ktorými ULF pracuje, sa môžu veľmi výrazne meniť, preto sa frekvenčná odozva zvyčajne vykresľuje v logaritmických súradniciach, niekedy sa nazýva LAFC.
Zosilnenie zosilňovača je vyjadrené v decibeloch a frekvencie sú vynesené pozdĺž osi x cez desaťročie(desaťnásobne sa líšiaci interval frekvencií). Nie je pravda, že graf vyzerá nielen krajšie, ale aj informatívnejší?
Zosilňovač nielenže nerovnomerne zosilňuje signály rôznych frekvencií, ale v závislosti od jeho frekvencie posúva aj fázu signálu o rôzne hodnoty. Táto závislosť sa odráža vo fázovo-frekvenčnej charakteristike zosilňovača.
Pri zosilňovaní kmitov len jednej frekvencie to nevyzerá byť strašidelné, no pri zložitejších signáloch to vedie k výrazným tvarovým skresleniam, aj keď negeneruje nové harmonické. Obrázok nižšie ukazuje, ako je skreslený dvojfrekvenčný signál.
Nelineárne skreslenie. KNI, KGI, TDH.
Nelineárne skreslenie pridáva do signálu predtým neexistujúce harmonické a v dôsledku toho mení pôvodný tvar vlny. Snáď najzreteľnejším príkladom takéhoto skreslenia je obmedzenie amplitúdy sínusového signálu, znázornené nižšie.
Ľavý graf znázorňuje skreslenie spôsobené prítomnosťou prídavnej harmonickej harmonického signálu, ktorá obmedzuje amplitúdu jednej z polvĺn signálu. Pôvodný sínusový signál má číslo 1, druhá harmonická oscilácia je 2 a výsledný skreslený signál je 3. Pravý obrázok ukazuje výsledok tretej harmonickej - signál je "odrezaný" z oboch strán.
V časoch ZSSR bolo zvykom vyjadrovať harmonické skreslenie zosilňovača pomocou koeficientu harmonického skreslenia THD. Stanovilo sa to nasledovne - na vstup zosilňovača bol privedený signál určitú frekvenciu typicky 1000 Hz. Potom sa vypočítala úroveň všetkých harmonických signálu na výstupe. THD sa bral ako pomer RMS napätia súčtu vyšších harmonických signálu, okrem prvej, k napätiu prvej harmonickej - práve tej, ktorej frekvencia sa rovná frekvencii vstupného sínusového signálu. .
Podobný cudzí parameter sa označuje ako - celkové harmonické skreslenie pre základnú frekvenciu.
Faktor harmonického skreslenia (THD alebo )
Táto technika bude fungovať iba vtedy, ak je vstupný signál ideálny a obsahuje iba základnú harmonickú. Túto podmienku nie je možné vždy splniť, preto sa v modernej medzinárodnej praxi výrazne rozšíril ďalší parameter na hodnotenie miery nelineárneho skreslenia, THD.
Zahraničný analóg - celkové harmonické skreslenie pre odmocninu.
THD (THD alebo )
SOI - hodnota rovnajúca sa pomeru rms súčtu spektrálnych zložiek výstupného signálu, neprítomných v spektre vstupného signálu, k rms súčtu všetkých spektrálnych zložiek vstupného signálu.
THD aj THD sú relatívne hodnoty, ktoré sa merajú v percentách.
Hodnoty týchto parametrov sú spojené vzťahom:
Pre jednoduché priebehy možno veľkosť skreslenia vypočítať analyticky. Nižšie sú uvedené hodnoty THD pre najbežnejšie signály v audio technológii (hodnota THD je uvedená v zátvorkách).
0% (0%) - Tvar vlny je dokonalá sínusová vlna.
3% (3%) - priebeh nie je sínusový, ale skreslenie je pre oko neviditeľné.
5% (5%) - okom viditeľná odchýlka formy signálu od sínusoidy na oscilograme.
10 % (10 %) - štandardná úroveň skreslenie, pri ktorom sa berie do úvahy skutočný výkon (RMS) UMZCH, je zreteľné sluchom.
12% (12%) - dokonale symetrický trojuholníkový signál.
21% (22%) - "typický" lichobežníkový alebo stupňovitý signál. 43% (48%) - dokonale symetrický obdĺžnikový signál (meander).
63 % (80 %) je perfektný pílovitý signál.
Pred dvadsiatimi rokmi sa na meranie harmonického skreslenia nízkofrekvenčnej dráhy používali sofistikované drahé prístroje. Jeden z nich SK6-13 je znázornený na obrázku nižšie. 
Dnes sa s touto úlohou oveľa lepšie vyrovná externá počítačová zvuková karta so sadou špecializovaného softvéru, ktorej celkové náklady nepresahujú 500 USD.
Spektrum vstupného signálu zvuková karta pri testovaní nízkofrekvenčného zosilňovača.
Amplitúdová charakteristika. Celkom stručne o šume a rušení.
Závislosť výstupného napätia zosilňovača od jeho vstupu, pri pevnej frekvencii signálu (zvyčajne 1000 Hz), sa nazýva amplitúdová charakteristika.
Amplitúdová charakteristika Ideálny zosilňovač je priamka prechádzajúca pôvodom, pretože jeho zosilnenie je konštantné pri akomkoľvek vstupnom napätí.
Na amplitúdovej charakteristike skutočného zosilňovača sú najmenej tri rôzne sekcie. V spodnej časti nedosahuje nulu, pretože zosilňovač má svoj vlastný šum, ktorý sa pri nízkej hlasitosti stáva primeraným amplitúde užitočného signálu.
V strednej časti (AB) je amplitúdová charakteristika blízka lineárnej. Toto je pracovná oblasť, v jej medziach bude skreslenie tvaru vlny minimálne.
V hornej časti grafu má amplitúdová charakteristika tiež ohyb, ktorý je spôsobený obmedzením výstupného výkonu zosilňovača.
Ak je amplitúda vstupného signálu taká, že zosilňovač pracuje na zakrivených úsekoch, potom sa vo výstupnom signáli objavia nelineárne skreslenia. Čím väčšia je nelinearita, tým viac je napätie sínusového signálu skreslené, t.j. na výstupe zosilňovača sa objavia nové kmity (vyššie harmonické).
Hluk v zosilňovačoch prichádza v mnohých podobách a z rôznych dôvodov.
Biely šum.
Biely šum je signál s rovnomernou spektrálnou hustotou na všetkých frekvenciách. V rámci pracovného frekvenčného rozsahu nízkofrekvenčných zosilňovačov možno za príklad takéhoto šumu považovať tepelný šum spôsobený chaotickým pohybom elektrónov. Spektrum tohto šumu je rovnomerné vo veľmi širokom frekvenčnom rozsahu.
ružový šum.
Ružový šum je známy aj ako blikajúci šum. Výkonová spektrálna hustota ružového šumu je úmerná pomeru 1/f (hustota je nepriamo úmerná frekvencii), t. j. klesá rovnomerne na logaritmickej frekvenčnej škále. Ružový šum je generovaný pasívnym aj aktívnym elektronické komponenty, vedci stále polemizujú o povahe jeho pôvodu.
Pozadie z externých zdrojov.
Jednou z hlavných príčin hluku je pozadie indukované vonkajšími zdrojmi, napríklad zo siete. striedavý prúd 50 Hz. Má základnú frekvenciu 50 Hz a jej násobky.
Sebabudenie.
Samobudenie jednotlivých stupňov zosilňovača je schopné generovať šum zvyčajne určitej frekvencie.
ULF a normy akustického výstupného výkonu
Menovitý výkon
západný náprotivok RMS(Root Mean Squared - rms value) V ZSSR bola definovaná normou GOST 23262-88 ako priemerná hodnota vstupného elektrického výkonu sínusového signálu s frekvenciou 1000 Hz, ktorá spôsobuje nelineárne skreslenie signálu, nepresahujúci nastavená hodnota SOI (THD). Je určený pre reproduktory aj zosilňovače. Zvyčajne bol špecifikovaný výkon prispôsobený požiadavkám GOST pre triedu zložitosti prevedenia s najlepšou kombináciou nameraných charakteristík. Pre rôzne triedy zariadení sa THD môže veľmi výrazne líšiť, od 1 do 10 percent. Môže sa stať, že systém tvrdí, že má 20 wattov na kanál, ale merania boli vykonané pri 10 % THD. Výsledkom je, že pri tomto výkone nie je možné počúvať akustiku. Reproduktorové systémy sú schopné reprodukovať signál pri výkone RMS po dlhú dobu.
Sila hluku v pasoch
Niekedy sa nazýva aj sínusový. Najbližší západný analóg DIN- elektrickú energiu obmedzenú výlučne tepelným a mechanickým poškodením (napríklad: skĺznutie otáčania kmitacej cievky v dôsledku prehriatia, vyhorenie vodičov v miestach zalomenia alebo spájkovania, pretrhnutie ohybných drôtov atď.), keď je cez korekčný prvok aplikovaný ružový šum okruhu na 100 hodín. Typicky je DIN 2-3 krát vyššia ako RMS.
Maximálny krátkodobý výkon
západný náprotivok PMPO(Peak Music Power Output - špičkový hudobný výstupný výkon). - elektrický výkon, ktorý reproduktory vydržia bez poškodenia (testované na absenciu drnčania) na krátky čas. Ako testovací signál sa používa ružový šum. Signál sa odošle do AC na 2 sekundy. Testy sa vykonávajú 60-krát s intervalom 1 minúty. Tento typ výkon umožňuje posúdiť krátkodobé preťaženia, ktoré reproduktorový reproduktor vydrží v situáciách, ktoré nastanú počas prevádzky. Zvyčajne 10-20 krát vyššia ako DIN. Aký je úžitok človeku, ktorý vie, že jeho systém môže prenášať krátky, menej ako sekundový, nízkofrekvenčný sínus s veľkou silou? Napriek tomu výrobcovia veľmi radi udávajú tento konkrétny parameter na obaloch a etiketách svojich produktov... Obrovské čísla daný parameterčasto založené výlučne na bujnej fantázii marketingového oddelenia výrobcov a tu sú Číňania nepochybne pred ostatnými.
Maximálny trvalý výkon
Toto je elektrický výkon, ktorý reproduktory vydržia bez poškodenia po dobu 1 minúty. Testy sa opakujú 10-krát s intervalom 2 minút. Testovací signál je rovnaký.
Maximálny dlhodobý výkon je určený porušením tepelnej pevnosti AC reproduktorov (preklzovanie závitov kmitacej cievky atď.).
Prax je najlepším kritériom pravdy. Showdown s audio centrom
Skúsme svoje poznatky preniesť do praxe. Nahliadnime do jedného veľmi známeho internetového obchodu a hľadajme produkt ešte známejšej firmy z Krajiny vychádzajúceho slnka.
Áno - tu je futuristické hudobné centrum dizajnu na predaj len za 10 000 rubľov. na ďalšiu propagáciu.
Z popisu sa dozvedáme, že prístroj je vybavený nielen výkonné reproduktory ale aj subwoofer.
„Poskytuje vynikajúcu čistotu zvuku pri akejkoľvek úrovni hlasitosti. Navyše táto konfigurácia pomáha urobiť zvuk bohatým a objemným.“
Vzrušujúce, možno stojí za to pozrieť sa na parametre. "Centrum obsahuje dva predné reproduktory, každý s výkonom 235 wattov, a napájaný subwoofer s výkonom 230 wattov." Zároveň sú rozmery prvého iba 31 * 23 * 21 cm
Áno, toto je nejaký ten slávik lúpežník, a to z hľadiska hlasovej sily aj veľkosti. V roku 1996 by som zastavil svoj výskum na túto tému a v budúcnosti by som pri pohľade na svoje S90 a počúvaní domáceho zosilňovača Ageevsky energicky diskutoval s priateľmi, ako ďaleko zaostával náš sovietsky priemysel v Japonsku - o 50 rokov. rokov alebo stále rovnako. No dnes s dostupnosťou japonskej technológie je to už oveľa lepšie a mnohé mýty s tým spojené padli, takže pred kúpou sa pokúsime nájsť objektívnejšie údaje o kvalite zvuku. Na stránke o tom nie je ani zmienka. Kto by o tom pochyboval! Existuje však návod na použitie vo formáte pdf. Stiahnite si a pokračujte v hľadaní. Medzi mimoriadne cenné informácie patrí, že „technológia kódovania zvuku bola licencovaná od spoločnosti Thompson“ a do ktorého konca je vloženie batérií náročné, no napriek tomu dokáže nájsť niečo, čo sa podobá technickým parametrom. V útrobách dokumentu sa ku koncu skrývajú veľmi vzácne informácie.
Citujem to doslovne vo forme screenshotu, pretože od tohto momentu som začal mať vážne otázky ako k daným údajom, napriek tomu, že sú potvrdené certifikátom zhody, tak aj k ich interpretácii.
Faktom je, že hneď pod ním bolo napísané, že energia spotrebovaná zo siete striedavého prúdu prvého systému je 90 wattov a druhého systému je zvyčajne 75 wattov. Hmm.
Vynašiel si stroj na večný pohyb tretieho druhu? Alebo možno v tele hudobné centrum skryť batérie? Áno, nevyzerá - deklarovaná hmotnosť zariadenia bez akustiky je len tri kilá. Ako potom spotrebou 90 wattov zo siete môžete získať 700 záhadných wattov na výstupe (pre referenciu) alebo aspoň mizerných, ale celkom hmatateľných 120 nominálnych. Naozaj, v tomto prípade musí mať zosilňovač účinnosť okolo 150 percent, aj keď je subwoofer vypnutý! V praxi však tento parameter zriedka prekračuje hranicu 75.
Skúsme získané informácie z článku aplikovať v praxi
Deklarovaný výkon pre referenciu 235+235+230=700 je jednoznačne PMPO. S nominálnou jasnosťou oveľa menej. Podľa definície toto menovitý výkon, ale nemôže to byť 60 + 60 len pre dva hlavné kanály, s výnimkou subwoofera, s menovitou spotrebou energie 90 wattov. To už nie je marketingový ťah, ale vyslovená lož. Súdiac podľa rozmerov a nevysloveného pravidla, pomeru RMS a PMPO, skutočný menovitý výkon tohto centra by mal byť 12-15 wattov na kanál a celkový počet by nemal prekročiť 45. legitímna otázka- ako môžete dôverovať pasovým údajom taiwanských a čínskych výrobcov, keď to umožňuje aj známa japonská spoločnosť?
Kúpiť takéto zariadenie alebo nie - rozhodnutie závisí od vás. Ak s cieľom nasadiť uši susedov v krajine ráno - áno. Inak bez toho, aby som si najprv vypočul niekoľko hudobných skladieb v rôznych žánroch, neodporúčam.
Čajník dechtu v pohári medu.
Zdalo by sa, že máme takmer vyčerpávajúci zoznam parametrov potrebných na vyhodnotenie výkonu a kvality zvuku. Pri bližšom skúmaní sa však ukáže, že to tak nie je, a to z niekoľkých dôvodov:
- Mnohé parametre sú vhodnejšie nielen pre objektívny odraz kvality signálu, ale aj pre pohodlie merania. Väčšina z nich beží na frekvencii 1 000 Hz, čo je veľmi užitočné na získanie najlepších numerických výsledkov. Nachádza sa ďaleko od frekvencie pozadia elektrickej siete pri 50 Hz a v najlineárnejšej časti frekvenčného rozsahu zosilňovača.
- Výrobcovia často hrešia tým, že úprimne upravujú charakteristiky zosilňovača na testy. Napríklad aj počas sovietskej éry boli VLF často navrhnuté tak, aby poskytovali najlepšie THD pri maximálnom výkone. Zároveň pri polovičnom výkone v push-pull zosilňovačečasto sa objavovalo stupňovité skreslenie, kvôli ktorému mohol koeficient harmonického skreslenia v strednej polohe ovládača hlasitosti klesnúť o 10 %!
- V pasoch a návodoch na obsluhu sa často uvádzajú neštandardné falošné, absolútne zbytočné charakteristiky typu PMPO. Zároveň nie je vždy možné nájsť ani také základné parametre ako frekvenčný rozsah alebo menovitý výkon. K frekvenčnej odozve a fázovej odozve nie je čo povedať!
- Meranie parametrov sa často vykonáva podľa zámerne skreslených metód.
Nie je prekvapujúce, že mnohí kupujúci v takýchto podmienkach prepadajú subjektivite a pri kúpe sa riadia v lepšom prípade výlučne výsledkami krátkeho počúvania, v horšom prípade cenou.
Je čas zabaliť, článok sa už ukázal byť príliš dlhý!
O hodnotení kvality a príčinách skreslenia nízkofrekvenčných zosilňovačov budeme pokračovať v ďalšom článku. Vyzbrojení minimom vedomostí môžete prejsť k takým zaujímavým témam, ako je intermodulačné skreslenie a jeho vzťah s hĺbkou spätnej väzby!
Na záver by som rád vyjadril úprimné poďakovanie Romanovi Parpalakovi parpalakovi za jeho projekt online editora s podporou latexu a markdown. Bez tohto nástroja by sa už aj tak náročná práca so zavádzaním matematických vzorcov do textu stala skutočne pekelnou.
Zmena tvaru harmonického signálu, ku ktorej dochádza v dôsledku jeho prechodu zariadením obsahujúcim nelineárne prvky, sa nazýva nelineárne skreslenie. Skreslený neharmonický signál obsahuje vo svojom spektre konštantnú zložku, prvú harmonickú (základná frekvencia a vyššie harmonické s frekvenciami).
Harmonické skreslenie sa často vyjadruje v percentách.
Nelineárne skreslenia signálu akéhokoľvek tvaru sa odhadujú pomocou koeficientu nelinearity, ktorý sa vypočíta podľa vzorca
(pomer efektívnej hodnoty vyšších harmonických k efektívnej hodnote napätia všetkých harmonických, t.j. k napätiu signálu).
Vzorce a sú spojené vzťahom
z čoho vyplýva, že pre oba výrazy dávajú prakticky rovnaké výsledky.
Na hodnotenie nelinearity existujú aj iné metódy - kombinačné, štatistické, ktoré viac ako skreslenie signálu charakterizujú nelineárne vlastnosti rádiotechnických zariadení.
Ryža. 6-9. Štruktúrny diagram merania harmonického napätia
Nelineárne skreslenia signálu sa merajú harmonickou metódou, ktorá sa realizuje dvoma spôsobmi – analytickým a integrálnym. Analytická metóda je založená na vzorci a uskutočňuje sa podľa schémy na obr. 6-9. Harmonický signál generátora sa privádza na vstup meraného objektu, na výstupe ktorého je zapnutý spektrálny analyzátor alebo harmonický analyzátor. Pomocou spektrálneho analyzátora sa získa spektrogram výstupného signálu, absolútny alebo relatívne hodnoty amplitúdy vyšších harmonických a prvej harmonickej a harmonický koeficient sa vypočíta pomocou vzorca. Ak sa použije harmonický analyzátor, potom sa manuálne naladí na každú nasledujúcu harmonickú, ich hodnoty sa zaznamenajú a vypočítajú pomocou rovnakého vzorca. Analytická metóda je časovo náročná a používa sa na určenie úlohy každej harmonickej samostatne.
Integrálna metóda je založená na vzorci a umožňuje vám vyhodnotiť vplyv všetkých vyšších harmonických na tvar signálu bez toho, aby ste ich hodnoty určovali samostatne. Ak to chcete urobiť, najprv zmerajte strednú kvadratúru signálu a potom hodnotu vyššej
harmonickej, ktorá zostane po potlačení napätia prvej harmonickej. Integrálna metóda sa často označuje ako metóda potlačenia napätia prvej harmonickej (základnej frekvencie).
Meranie koeficientu nelineárneho skreslenia sa realizuje pomocou prístroja - merača nelineárneho skreslenia (obr. 6-10). Prispôsobovacie zariadenie SU je navrhnuté tak, aby poskytovalo vyvážený alebo nevyvážený vstup a aby prispôsobovalo výstupnú impedanciu objektu vstupnej impedancii merača.
Ryža. 6-10. Merač nelineárneho skreslenia: a - bloková schéma; b - obvod zárezového filtra
Pomocou prepínača prevádzkového režimu PRR sa vykoná režim kalibrácie pri meraní napätia celého signálu, režim merania pri meraní vyššieho harmonického napätia a režim voltmetra pre obvyklé meranie efektívnej hodnoty akéhokoľvek napätia.
Atenuátor je určený na nastavenie úrovne napätia, ktorá zabezpečuje normálnu prevádzku nasledujúcich komponentov zariadenia. Vstupný zosilňovač musí mať šírku pásma od minimálnej frekvencie skúmaného signálu až po - krát hodnotu jeho hornej frekvencie. Frekvenčné, fázové a amplitúdové charakteristiky zosilňovača v tomto pásme sú lineárne. Notch zosilňovač je navrhnutý tak, aby potláčal napätie prvej harmonickej pomocou RC filtra (Wien bridge), ktorý je súčasťou spätnoväzbového obvodu. Filter Obr. 6-10, b) je naladený na frekvenciu prvej harmonickej
Kroky, ktoré sú násobkami 10 spínaním odporov a plynulo - pomocou duálneho bloku kondenzátorov s premenlivou kapacitou C. Zostrenie charakteristiky zárezového filtra, ktoré je nevyhnutné pre presné vyváženie mostíka, úplné potlačenie napätia prvej harmonickej a redukciu chyby merania, sa dosiahne splnením rovnosti. Ovládacie gombíky rezistora sú označené: „ Vyvažovanie: hrubé, jemné. Voltmeter pozostáva z atenuátora UV zosilňovača a prevodníka RMS typu optočlen s magnetoelektrickým indikátorom. Stupnica indikátora je kalibrovaná v jednotkách napätia, percentách a decibeloch koeficientu nelinearity.
Pre vizuálne pozorovanie tvaru vlny na vstupe a výstupe meraného zariadenia a vyšších harmonických po odfiltrovaní prvej harmonickej sú k dispozícii svorky na zapnutie osciloskopu. Na kontrolu voltmetra je k dispozícii kalibračný generátor.
Nelineárne merače skreslenia sú dostupné pre prevádzku vo frekvenčnom rozsahu skúmaného signálu od 20 Hz do so šírkou pásma až Sú široko používané na riadenie kvality akýchkoľvek zosilňovacích zariadení a modulačných ciest. Koeficient nelinearity sa meria v medziach pri vstupných napätiach od 0,1 do 100 V. Hranice merania napätia pri prevádzke v režime voltmetra vo frekvenčnom rozsahu 20 Hz-1 MHz. Chyba merania závisí od presnosti nastavenia zárezového filtra, ktoré sa vykonáva postupným približovaním sa k údaju voltmetra na minimum, teda na napätie niektorých vyšších harmonických. Chyba je v tom
Pri meraní nelineárneho skreslenia signálu sa súčasne vyhodnocuje nelinearita zariadenia, ktorým signál prechádzal. Tento odhad je však nepresný, pretože sa robí pod vplyvom jediného signálu a v jednom bode frekvenčného rozsahu. V reálnych pracovných podmienkach prijíma vstup rádiotechnického zosilňovača vo väčšine prípadov náhodné signály so širokým spektrom alebo mnohými deterministickými signálmi rôznych frekvencií. Produkty nelinearity sa preto vyskytujú v celej šírke pásma meraného objektu.
Štatistická metóda umožňuje najkompletnejšie
charakterizovať nelineárne vlastnosti objektu v podmienkach, ktoré dobre napodobňujú pracovníkov. Ako zdroj signálu sa používa generátor nízkofrekvenčného šumu (obr. 6-11, a) s rovnomerným spektrom v pracovnom frekvenčnom rozsahu meraného objektu.prenos zárezového filtra (obr. 6-11, b). Na výstupe meraného objektu v tomto pásme sa tvoria zložky výstupného signálu, ktoré sú produktmi nelinearity.
Ryža. 6-11. Meranie nelineárnych skreslení štatistickou metódou: a - bloková schéma; b - spektrálna hustota signálu na vstupe meraného objektu; in - to isté na výstupe
Napätie týchto komponentov sa meria selektívnym voltmetrom naladeným na frekvenciu. Napätie celkového signálu na výstupe objektu sa meria bežným širokopásmovým voltmetrom B rms (obr. 6-11, c). hodnota nelinearity nameraná štatistickou metódou,
Pomocou sady zárezových filtrov s rôznymi priemernými frekvenciami je možné merať a vykresliť závislosť nelinearity od frekvencie v celom prevádzkovom rozsahu objektu.
Z kurzov KVET a TPP vieme, že elektrické obvody sa delia na lineárne, nelineárne a parametrické. Posledné dva typy obvodov sa líšia od lineárnych obvodov tým, že môžu vytvárať nové harmonické zložky v spektre odozvy v porovnaní so spektrom vstupného signálu.
Nelineárna transformácia signálu môže byť žiaduca a užitočná (napríklad pri detekcii), alebo môže byť škodlivá, sprievodná (napríklad v zosilňovačoch). V tomto prípade, keď sa tento jav nepoužíva v zariadení obsahujúcom tento obvod, je to vysoko nežiaduce, pretože často vytvára škodlivé vedľajšie účinky. Preto sa tvar vlny na výstupe týchto zariadení bude líšiť od tvaru vlny na ich vstupe. Zmena tvaru vlny sa nazýva nelineárne skreslenie.
Dôvodom nelineárneho skreslenia je, že keď sa na vstup privedie harmonický signál s frekvenciou f, na výstupe sa objaví signál, ktorý obsahuje konštantnú zložku, základnú frekvenciu a vyššie harmonické s frekvenciami 2f, 3f, 4f. , atď. Amplitúdy vyšších harmonických rýchlo klesajú s rastúcimi číslami. Druhá a tretia harmonická sú zvyčajne dominantné.
Zdrojom nelineárnych skreslení sú obvodové prvky, v ktorých prúd nie je úmerný privedenému napätiu, t.j. ktoré majú nelineárnu charakteristiku prúdového napätia. Sú to spravidla vákuové trubice, tranzistory, diódy, cievky s feromagnetickými jadrami.
Potreba merania nelineárnych skreslení je spojená so štúdiom parametrov zosilňovačov a generátorov sínusových kmitov.
Nelineárne skreslenie je zložitý jav, ktorý závisí od mnohých parametrov: kompozície elektrický obvod, jeho amplitúdovo-frekvenčná charakteristika, tvar signálu, jeho amplitúda atď. So zvyšujúcou sa amplitúdou narastajú nelineárne skreslenia. Zvyčajne so zvyšujúcou sa frekvenciou rastie aj harmonické skreslenie v zosilňovači.
Nelineárne skreslenia sa odhadujú pomocou harmonického koeficientu K G , ako aj koeficient nelineárneho skreslenia K N.
Harmonický koeficient K G je definovaný ako pomer strednej (efektívnej) hodnoty napätia súčtu všetkých harmonických signálu, okrem prvej, k strednej (efektívnej) hodnote napätia prvej harmonickej podľa vzorca ( 34):
kde U1, U2, U3 , … Un sú stredné hodnoty napätia jednotlivých harmonických výstupného signálu.
Koeficient K G charakterizuje rozdiel medzi tvarom daného periodického signálu a harmonického.
Je ľahké vidieť, že pri absencii vyšších harmonických vo výstupnom signáli K G = 0, t.j. sínusový signál zo vstupu na výstup sa prenáša bez skreslenia.
Koeficient nelineárneho skreslenia Kn je definovaný ako pomer strednej (efektívnej) hodnoty napätia vyšších harmonických k strednej (efektívnej) hodnote celého signálu podľa vzorca ( 35):
Najbežnejšie metódy merania jednej frekvencie sú:
1. Metóda základného harmonického potlačenia.
2. Metóda stresovej analýzy.
Meranie harmonického skreslenia metódou potlačenia základnej harmonickej
V súlade so vzorcom na určenie koeficientu nelineárneho skreslenia je potrebné merať efektívnu hodnotu skúmaného signálu a efektívnu hodnotu vyšších harmonických zložiek.
Existujú špeciálne zariadenia, ktoré merajú koeficient nelineárneho skreslenia, nazývané merače nelineárneho skreslenia.
Zjednodušená bloková schéma analógového merača harmonického skreslenia je znázornená na obrázku 1.
Obrázok 1 - Zjednodušená bloková schéma analógového merača harmonického skreslenia
Schéma drnového zariadeniaObsahuje vstupné zariadenie, laditeľný zárezový filter a kvadratický zoslabený voltmeter.
Princíp činnosti zariadenia je založený na oddelenom meraní efektívnej hodnoty napätia skúmaného signálu a efektívnej hodnoty napätia vyšších harmonických toho istého signálu.
Vstupné zariadenie poskytuje požadovaný vstupný odpor a slúži na prispôsobenie meracie zariadenie so zdrojom skúmaného signálu.
Zárezový filter by mal mať ideálne nekonečne veľký útlm pri frekvencii prvej (základnej) harmonickej a nulový útlm pri vyšších harmonických frekvenciách. Typicky sa zárezový filter implementuje pomocou obvodu Wienského mostíka pozostávajúceho z rezistorov a kondenzátorov (pozri obrázok 2).
Meranie harmonického skreslenia analýzou napätia
Meranie nelineárnych skreslení metódou napäťovej analýzy (pre jednotlivé harmonické) sa vykonáva pomocou selektívneho merača úrovne (IMU).
Obvod na meranie harmonického koeficientu pomocou IMU je znázornený na obrázku 3 a pozostáva z generátora, dolnopriepustného filtra, skúmanej štvorpólovej siete, IMU.
Obrázok 3 - Meranie harmonického skreslenia analýzou napätia
IMU je napojená na výstup skúmaného objektu. S jednofrekvenčným sínusovým signálom na riadenie napätia akejkoľvek frekvencie, ktorá sa v ňom objavila v dôsledku nelineárneho skreslenia. Zároveň sa IMU sekvenčne ladí na prvú, druhú, tretiu harmonickú (a v prípade potreby aj na vyššie), ktorých napätie (úroveň) je potrebné kontrolovať. Úrovne všetkých harmonických sledovaného signálu sa teda merajú oddelene a pre každú z nich sa zistí útlm nelinearity, pričom sa berie rozdiel medzi úrovňou prvej harmonickej a každej z kontrolovaných frekvencií:
A Kn \u003d L 1 - L n
AT Celá história reprodukcie zvuku sa vyvinula z pokusov priblížiť ilúziu originálu. A hoci je cesta prejdená, k živému zvuku má ešte veľmi, veľmi ďaleko. Rozdiely v mnohých parametroch sa dajú merať, no pomerne veľa zostáva mimo dohľadu vývojárov hardvéru. Jednou z hlavných charakteristík, ktoré spotrebiteľ pri akomkoľvek prípravku vždy venuje pozornosť, je faktor nelineárneho skreslenia (THD) .
A aká je hodnota tohto koeficientu pomerne objektívne vypovedá o kvalite zariadenia? Netrpezliví môžu hneď na konci nájsť pokus o odpoveď na túto otázku. Vo zvyšku pokračujme.
Tento koeficient, ktorý sa nazýva aj koeficient celkového harmonického skreslenia, je percentuálny pomer efektívnej amplitúdy harmonických zložiek na výstupe zariadenia (zosilňovača, magnetofónu a pod.) k efektívnej amplitúde signálu základnej frekvencie. keď je na vstup zariadenia privedený sínusový signál tejto frekvencie. Umožňuje teda kvantifikovať nelineárnosť prenosovej charakteristiky, ktorá sa prejavuje výskytom spektrálnych zložiek (harmoník), ktoré vo vstupnom signáli chýbajú, vo výstupnom signáli. Inými slovami, dochádza ku kvalitatívnej zmene spektra hudobného signálu.
Okrem objektívnych harmonických skreslení prítomných v počuteľnom zvukovom signáli je tu problém skreslení, ktoré v skutočnom zvuku chýbajú, ale sú pociťované v dôsledku subjektívnych harmonických, ktoré sa vyskytujú v slimáku pri vysokých hodnotách akustického tlaku. Ľudský načúvací prístroj je nelineárny systém. Nelinearita sluchu sa prejavuje tak, že pri vystavení sínusového zvuku s frekvenciou f bubienka v r. naslúchadlo rodia sa harmonické tohto zvuku s frekvenciami 2f, 3f atď. Keďže tieto harmonické neexistujú v primárnom ovplyvňujúcom tóne, nazývajú sa subjektívne harmonické.
To samozrejme ďalej komplikuje myšlienku maximálnej prípustnej úrovne harmonických v audio ceste. S nárastom intenzity primárneho tónu prudko narastá veľkosť subjektívnych harmonických a môže dokonca prevýšiť intenzitu základného tónu. Táto okolnosť odôvodňuje predpoklad, že zvuky s frekvenciou menšou ako 100 Hz nie sú vnímané samy osebe, ale kvôli subjektívnym harmonickým, ktoré vytvárajú, spadajúce do frekvenčného rozsahu nad 100 Hz, t.j. v dôsledku nelineárneho sluchu. Fyzikálne príčiny výsledných hardvérových skreslení v rôznych zariadeniach sú rôzneho charakteru a podiel každého z nich na celkovom skreslení celej cesty nie je rovnaký.
Skreslenia moderných CD prehrávačov majú veľmi nízke hodnoty a sú takmer nepostrehnuteľné na pozadí skreslení iných blokov. Pre akustické systémy sú najvýznamnejšie nízkofrekvenčné skreslenia spôsobené basovou hlavou a norma špecifikuje požiadavky len na druhú a tretiu harmonickú vo frekvenčnom rozsahu do 250 Hz. A pre veľmi dobrý zvuk reproduktorový systém môžu byť v rozmedzí 1 % alebo dokonca o niečo viac. V analógových magnetofónoch je hlavným problémom spojeným s fyzikálnym základom záznamu na magnetickú pásku tretia harmonická, ktorej hodnoty sú zvyčajne uvedené v pokynoch pre informáciu. ale maximálna hodnota, pri ktorej sa vždy robí napríklad meranie hluku, to sú 3 % pre frekvenciu 333 Hz. Skreslenia elektronickej časti magnetofónov sú oveľa nižšie.
Ako v prípade akustiky, tak aj u analógových magnetofónov, vzhľadom na to, že skreslenia sú prevažne nízkofrekvenčné, ich subjektívna viditeľnosť výrazne klesá v dôsledku maskovacieho efektu (ktorý spočíva v tom, že vyššiu frekvenciu je lepšie počuť z dvoch súčasne zvukové signály).
Takže hlavným zdrojom skreslenia vo vašej ceste bude výkonový zosilňovač, v ktorom je zase hlavným zdrojom nelinearita prenosových charakteristík aktívnych prvkov: tranzistorov a vákuových elektrónok a v transformátorových zosilňovačoch nelinearita prenosových charakteristík aktívnych prvkov. pridáva sa aj lineárne skreslenie transformátora spojené s nelinearitou magnetizačnej krivky. Je zrejmé, že na jednej strane skreslenie závisí od tvaru nelineárnosti prenosovej charakteristiky, ale aj od charakteru vstupného signálu.
Napríklad odozva prenosu zosilňovača s jemným orezávaním pri veľkých amplitúdach nespôsobí žiadne skreslenie pre sínusové signály pod úrovňou orezania a keď sa signál zvýši nad túto úroveň, objavia sa a budú sa zvyšovať skreslenia. Táto povaha obmedzenia je vlastná hlavne elektrónkovým zosilňovačom, čo môže do určitej miery slúžiť ako jeden z dôvodov preferencie takýchto zosilňovačov poslucháčmi. A túto funkciu využil NAD v sérii svojich senzačných zosilňovačov „soft-limit“ vyrábaných od začiatku 80. rokov: možnosť zapnúť režim so simulovaným orezávaním elektrónok vytvorila veľkú armádu fanúšikov NAD tranzistorových zosilňovačov.
Naproti tomu charakteristika so stredovým výrezom (zárezom) zosilňovača, ktorá je bežná u tranzistorových modelov, bude skresľovať hudobné a malé sínusové signály a bude sa znižovať so zvyšujúcou sa úrovňou signálu. Skreslenie teda závisí nielen od tvaru prenosovej charakteristiky, ale aj od štatistického rozloženia úrovní vstupného signálu, ktoré sa pri hudobných programoch blíži k šumovému signálu. Preto okrem merania SOI pomocou sínusového signálu je možné merať nelineárne skreslenia zosilňovacích zariadení pomocou súčtu troch sínusových alebo šumových signálov, ktoré vo svetle vyššie uvedeného poskytujú objektívnejší obraz skreslenia.
Pojem "celkové harmonické skreslenie" THD (faktor sínusového skreslenia krivky napätia (pozri GOST 13109-97)) sa široko používa pri určovaní úrovne harmonického obsahu v striedavých signáloch.
Definícia THD
Pre signál y je koeficient THD definovaný ako:
To je v súlade s definíciou uvedenou v IEC 61000-2-2.
Upozorňujeme, že táto hodnota môže byť väčšia ako 1.
Podľa tejto normy možno parameter h obmedziť na číslo 50. Faktor THD umožňuje jedným číslom vyjadriť mieru skreslenia, ktoré ovplyvňuje prúd alebo napätie kdekoľvek v elektroinštalácii.
THD sa zvyčajne vyjadruje v percentách.
Celkový faktor skreslenia pre prúd alebo napätie
Pre prúdové harmonické má tento vzorec tvar:
Nižšie je uvedený ekvivalentný vzorec, ktorý je vizuálnejší a ľahšie sa používa, ak je známa plná efektívna hodnota:
Pre harmonické napätie je vzorec:
Vzťah medzi účinníkom a THD
(ryža. M13)
Dôležitým ukazovateľom je koeficient THD, ktorý odráža mieru skreslenia priebehu prúdu alebo napätia v jednej hodnote. Spektrum zobrazuje jednotlivé harmonické, ktoré ovplyvňujú skreslený signál (faktor skreslenia sínusoidy krivky napätia (pozri GOST 13109-97).
V dôsledku toho: 