Измерение параметров усилителей

Вот сделал ты усилитель — как понять, хороший он или нет? Дураки и прочие аудиофилы, как правило, просто включают усилитель и слушают, что получилось, описывая слышимое совершенно идиотскими и ничего не значащими фразами типа “песочек в верхах”, “авторитетный бас”, “звук скрипок очень сухой и жёсткий” и далее по справочнику аудио-шизофреника.

Ну, а люди, далёкие от этих тихих и не очень помешательств, спокойно оперируют объективными понятиями типа КНИ, интермодуляционные искажения, АЧХ и так далее.

Большинство людей так или иначе слышали о КНИ, и это один из самых узнаваемых параметров усилителя. И он да, простой в понимании — меньше 0.5%, значит усилитель ничо, более 1% — уже начинает пованивать. И хотя можно померять ещё много всякого, начать, наверное, лучше всего именно с измерения КНИ.

Поизучал соответствующую тематику, и доступных домашнему инженеру способов не очень много. Я нашёл три.

Способ первый — полностью ламповый, тёплый и аналоговый. Берётся качественный генератор сигнала (его вполне можно сделать самому, хотя по-настоящему чистые синусоиды генерировать не сказать, чтобы просто). Его выход подаётся на вход усилителя. На выход усилителя сажается режекторный фильтр, настроенный на частоту генератора сигнала. Далее берём обыкновенный милливольтметр, способный на измерение аудиочастот (можно сделать приставку к обычному аналоговому милливольтметру), и меряем, что там осталось от нашего сигнала — шум, гармоники, и т.д. Делим величину остатков на величину полезного сигнала, получаем КНИ. Все достаточно просто.

Способ второй — с применением спецтехники, например, цифрового осциллографа, умеющего в преобразование Фурье. Поглядел я на этот способ, и он мне не понравился. И больше всего вопросов вызывает разрешение АЦП осциллографа — даже у дорогих осциллографов они 8-битные (в первую очередь потому что, АЦП, умеющие более 8 бит на частотах в мегагерцы стоят дико конских денег). Приблизительно оценить, насколько усилитель говно, можно, но не более. Кроме того, опять же нужен хороший генератор сигнала.

Способ третий, больше всего мне понравившийся, заключается в том, чтобы использовать обыкновенную компьютерную звуковую карту. Она не только ничуть не хуже, а даже значительно лучше осциллографа, так как имеет 16 или даже 24-битные АЦП. И никакого генератора сигнала не надо — всё под рукой. 16 бит в теории (в теории) дают КНИ примерно в 0.0015%. Для измерения качества — выше крыши, проблема не в битности. Проблема будет в выходном-входном тракте звуковой карты.

Далее всё просто — генерируем синусоиду в любимом звуковом редакторе, хоть в бесплатном Audacity, проигрываем её, подаём на вход усилителя, усилитель втыкаем во вход карты* и записываем звуковой файл. Далее лично у меня есть уже давно написанный на Питоне анализатор КНИ, генерирующий частотные графики, и рассчитывающий значения искажений.

Для совсем других целей я в своё время приобрёл внешнюю звуковую карту Behringer UCA-202, которая позиционируется как “студийная” (хотя стоит она очень недорого). Вот и попробуем её заиспользовать. На ней есть два выхода-“тюльпана” и столько же входов. Воткнём одно в другое, будет тест тракта самой карты, без всякого дополнительного оборудования.

Скажу сразу, картой я был немного разочарован. Вот судите сами, проигрываю я вот такое:

А записывается вот такое:

Как-то слабо у меня вяжется соотношение сигнал/шум в 74.5дБ со студийной записью. Это лишь незначительно лучше MP3, виниловой пластинки или катушечного магнитофона. Но заметно хуже компакт-диска.

Портят всё нелинейные искажения, в первую очередь гармоники 2 и 3. Вполне стандартные искажения, которых я ожидал, но не думал, что они окажутся такими (относительно) большими. Хотя КНИ получившегося составляет ~0.019%, что вообще-то неплохо. Соответственно, 0.019% будут составлять “ноль” на шкале моего “искажометра”. Всё, что меньше, я померять тупо не смогу — хотя если у меня получится подизайнить и собрать усилитель с искажениями меньше 0.019 — я, прямо скажем, буду вполне доволен собой. Это будет лучше чем подавляющее большинство усилителей на рынке, особенно, хе-хе, ламповых.

В дальнейших планах дорисовать программку на Питоне, чтобы генерировала, играла, записывала и анализировала звук самостоятельно, ибо не надо заставлять меня работать. Меня надо заставлять думать, а работает пускай компьютер.

*подавать звук с выхода усилителя прямо на звуковую карту чревато. Сначала надо убедиться в том, что сигнал такой амплитуды не убьёт карточку — мерять напряжение, и выставлять безопасное, например, подключая через резисторный делитель, а ещё лучше дополнительно спаять предохранитель на диодах, например, чтобы всё, что выше определённого уровня напряжения — срезалось нахрен.

Mirrored from Лабораторный Журнал №6.

Вопрос есть по вот этому поводу: и выставлять безопасное
Вот тут че-то я затупил. Отложилось откуда-то в голове что КНИ будет зависеть от степени усиления. Мы не будем завышать таким образом КНИ?
Он будет зависеть от уровня сигнала, безусловно. Чем ниже уровень сигнала, тем более заметен шум по отношению к нему.

Просто чрезмерно высокий уровень сингала перегрузит вход АЦП, и сначала полезут искажения, а потом оно сгорит КЕМ.

Ну и под "выставлять безопасное" я имел в виду подключение через какой-нибудь резисторный делитель. Пока толком не придумал, читаю на эту тему.
подключение через какой-нибудь резисторный делитель
ага, именно такая мысль и была насчет "понижать". только что делитель нужен с минимальной индуктивностью. понял, спасибо, я просто ошибочно воспринял исходную фразу как просто "прикрутить усилитель до безопасного для карты уровня".
Сделал посту небольшой апдейт, тут действительно надо точнее :)

Хехехе, давай потом послушаем и сравним усилком аудиошизика?

Ну, у меня под рукой "аудифильских" усилков нету, для сравнения.

Да и "послушаем" -- это не аргумент. Надо мерять. Всё, что можно услышать, можно померять. Но не наоборот -- не всё, что можно померять, можно услышать.
У меня, совершенно случайно, есть под рукой)

Меряй не меряй, но звук это главный критерий.
> звук это главный критерий.

Для аудиофила -- безусловно.

Только вот на слух отличить искажения в 0.5% от 0.05% отличить совершенно нереально. Не на обычном музыкальном материале.

А усилитель с хорошими характеристиками выдаст хороший звук, будь спок :)
А я и не боюсь.

Удручают только люди, на полном серьёзе рассказывающие о том, что у звука, выдаваемого ламповым усилителем, больше эмоциональная напряжённость и тому подобный бред.
> Behringer

Ну оно конечно имеет право на жизнь, иногда. Но если хочешь заниматься звуком, купи нормальную профессиональную звуковую карту. Можно б/у поискать.

И ышшо: для подобных измерений есть готовый софт, хороший - http://audio.rightmark.org/products/rmaa.shtml
> Ну оно конечно имеет право на жизнь, иногда. Но если хочешь заниматься звуком, купи нормальную профессиональную звуковую карту. Можно б/у поискать.

Ну, я её купил в своё время для того, чтобы подключить к коротковолновому приёмопередатчику -- распознавать азбуку Морзе. Сам понимаешь, сильно высокого качества там не надо =)

А так да, конечно, что-то покачественнее было бы лучше. Хотя КНИ в 0.019 я не назову сильно плохим.

> И ышшо: для подобных измерений есть готовый софт, хороший - http://audio.rightmark.org/products/rmaa.shtml

О, пасиба, спробую!
Сто лет назад читал статью, где КНИ некоторого конкретного усилителя мощности звуковой частоты оценивался следующим методом. На вход подавался сигнал. Сигнал с выхода делился резисторным делителем с точной подстройкой, и то ли подавался на вход дифференциального "измерительного" усилителя одновременно с входным сигналом, то ли вычитался из входного сигнала резисторным вычитателем и в таком виде подавался на "измерительный" усилитель. Далее делитель подстраивался по минимуму разностного сигнала, и измерялся этот самый разностный сигнал и его отношение к основному сигналу.

Недостаток метода в том, что в "искажения" будет записано любое, даже линейное, изменение сигнала, например сдвиг по фазе. Достоинство же - что основной сигнал полностью вычтен, а значит требований к качеству измерительного усилителя нет по сути вообще никаких, пусть хоть 10% КНИ имеет, это не помешает измерять КНИ УМЗЧ на уровне хоть 0.1%.

Edited at 2018-05-29 08:40 pm (UTC)
Да, тут можно заиспользовать обыкновенный операционник. Но ты прав, тут ещё фазовращатель просится.
В той статье усилитель был по классической схеме "с глубокой общей ООС, в том числе по постоянному току", входной сигнал снимался после разделительного конденсатора (а на выходе конденсатора вообще не было), и предполагалось что фазовый набег внутри усилителя достаточно мал, чтобы не сильно портить результаты измерения.
Для усилителей, у которых внутри есть заметный сдвиг по фазе, этот метод использовать тяжело - с фазовращателем ведь придётся крутить уже две ручки, что усложняет :-)
Для повышения характеристик звуковой карты попробуй режимы 48 и 96 килогерц, и 24 бита. Вполне может быть что у качественной звуковой карты "родной" режим - 48 килогерц (или 96), а 44 эмулируются, что приводит к шуму и искажениям.

При тестировании усилителя нужно будет еще сделать реалистичную нагрузку - без нагрузки измерять искажения бессмысленно.

Как минимум просто мощный резистор, но если есть желание сделать реалистично - то лучше всего наргузить на колонки - у них довольно нелинейная характеристика нагрузки, что бывает сильно повышает искажения усилителя.
О да, тут ты прав -- наилучшие результаты у меня действительно с частотой дискретизации в 48 КГц.
Если карта поддерживает, включи 24 бита. Это может резко уменьшить уровень шума и искажения при малом уровне сигнала.
16 бит тоже ОК, но низкий уровень шума и THD получить будет трудно.

В принципе карты хорошего качества уже давно поддерживают 24 бита. Даже обычный USB нонейм за $10 на амазоне (или Sound Blaster за $40) поддерживают 24 бита 96 килогерц.