Messdaten-Aufnahme
Kurzsummary:
Ich versuche nicht nur 1-2 übliche Parameter zu ermitteln (z.B. Pmax und Klirr in einem Arbeitsbereich) welche nur einen schmalen Einblick in das Verstärkerverhalten zeigt (eben z.B. an den Extremfällen), sondern versuche einen vollständigen Eindruck auch im "normalen" Betriebsmodus zu erhalten. Hierunter zählt der Klirrverlauf über die Frequenz-, Impedanz (nur ohmsch) und -Leistung. Außerdem das Lastverhalten unter verschiedenen Bedingungen und noch einiges mehr.
Für die umfangreiche manuelle Messdatenaufnahme habe ich mir eine Übersichtsliste aller zu messenden Parameter erstellt, welche optisch in zwei Bereiche aufgeteilt ist. Einmal in den Tabellen-Bereich oberhalb mit vielen gleichen Messungen und unterhalt mit weiteren vielen verschiedenen Einzelmessungen, welche unterschiedliche Messaufbauten benötigen.
Vorwort zum groben Messaufbau und Messbedingungen:
Ich verwende eine selbstgebaute Audiolast welche mit ohmschen Widerständen aufgebaut ist, womit es leider nicht möglich ist Blindwiderstände nachzustellen da dies zu aufwendig ist bis zu einer hohen Leistung vernünftig aufzubauen. Die einstellbaren Widerstandswerte betragen 2Ohm, 2,7Ohm, 4Ohm, 8Ohm, 16Ohm, 32Ohm und open. Als Hauptmessmittel wird eine USB-Soundkarte von Steinberg UR22 verwendet mit Kombination von REW V5.20.xx. Zur Messung der Spannungen werden zwei Multimeter und ein USB-Oszilloskop (Picoscope 2204A) verwendet.
Zur Ermittlung der aufgenommenen Leistung und Leistungsfaktor wird ein ELV Energy Master "Energiekosten-Messgerät" verwendet.
Verwendete Messmittel:
- USB-Soundkarte Steinberg UR-22
- USB-Soundkarte Focusrite Scarlett 4i4 (nur für Absolut-Noisemessung am Input 3)
- USB-Oszilloskop PicoScope 2204A
- Multimeter
- Audiolast (siehe separate Dokumentation im Anhang)
- ELV EnergyMaster "Energiekosten-Messgerät"
- Diverse XLR, Cinch und BNC-Kabel
- REW V5.20.13
Im Anhang ist ein pdf meiner Liste der Messdaten-Aufnahme. Nachfolgend sind die einzelnen Punkte und Bereiche dieser Liste näher beschrieben.
Klirr-Tabelle unterer Bereich:
- Im unteren Bereich werden je Messpunkt eine CW-Mode-Messung mit 1kHz und eine Sweep-Messung durchgeführt.
- Es wird hier jeweils mit einem Sinussignal (3dB Crestfaktor) gearbeitet, womit die RMS-Leistung eines Sinussignals in W ermittelt wird.
- Bei den wichtigen Impedanzen 8 Ohm und 4 Ohm werden alle aufgelisteten Leistungsmesspunkte vermessen um daraus ein Klirrdiagramm über die Leistung erstellen zu können.
- Bei den übrigen Impedanzen 32 Ohm, 16 Ohm, 2,7 Ohm und 2 Ohm werden nur die Leistungsmesspunkte 1W, 10W, 100W, P80 und Pmax vermessen um das Klirrverhalten bei gleicher Leistung aber unterschiedlichen Impedanzen auswerten zu können.
- Zusätzlich zu den 1kHz Messpunkten gibt es noch eine Extraspalte für die Messung von Pmax bei 60Hz um in seltenen Fällen eine Abweichung exakt ermitteln zu können.
- Im Allgemeinen wird bei mir das Kriterium 1% THD als Pmax bzw. Abbruchkriterium für die Messungen verwendet. Dieser 1% Punkt liegt i.d.R. im direkten steilen Klirranstieg.
- Anhand der RMS-Spannung bei Pmax werden die 90% Umax und 70% Umax davon abgeleitet.
- Die 1 Kanalmessung (1Ch) ist für die Beurteilung und Analyse der Endstufensektion und dessen grundsätzliche Eigenschaften da.
- Zusätzlich zur 1Ch-Messung werden noch Messungen mit mehreren Kanälen durchgeführt, um eine "Praxisbelastung" nachzubilden, die Stromversorgung zu testen bzw. zu analysieren und somit das Gesamtsystem betrachten zu können.
- Bei der Mehrkanalmessung werden wieder nur dedizierte Leistungsmesspunkte verwendet.
Klirr-Tabelle oberer Bereich:
- In diesem Bereich geht es um die Ermittlung der Impedanzstabilität.
- Die Vorgehensweise ist in diesem Bereich folgende:
- Die Impedanz wird auf 8 Ohm eingestellt
- Die Ausgangsspannung wird dann auf die Werte der Spannungsspalte eingestellt und dokumentiert.
- Anschließend wird die Impedanz auf die übrigen Impedanzen umgestellt und jeweils die resultierende Ausgangsspannung ermittelt sowie dokumentiert
- Dies wird dann für alle Spannungsspalten durchgeführt welche 2,85V/9,0V/18V/28,5V/U70max und U90max entsprechen.
(Die U70max und U90max Werte sind die 70% und 90% Spannungswerte des vorher ermittelten Spannungswertes für 8Ohm und 1% THD)
- Bei jedem Messpunkt wird die RMS-Spannung dokumentiert, das Spektrum gespeichert, sowie ein Sweep durchgeführt.
- Die Sweep-Messung ist wichtig für die Frequenzgangänderung über die Impedanz.
- Diese Messung ist aus meiner bisherigen Sicht eine der wichtigen Messungen, welche von (so viel ich weiß und gelesen habe) so gut wie keinem anderen Tester durchgeführt wird.
Die meisten anderen Tester ermitteln die Ausgangsspannung unter
verschiedenen Impedanzen nur bei Pmax und nicht auch bei anderen niedrigen praxisgerechteren Leistungen. Hierzu gibt es manchmal sehr interessante Ergebnisse.
IMD (Intermodulationsmessung):
Grundsätzlich sind Endstufen für Intermodulation erheblich weniger anfällig als Lautsprecher.
Um ein Gefühl für die Intermodulationsverzerrungen (bei Endstufen) zu erhalten musste ich hierfür getestet, verglichen und bin immer noch nicht final zufrieden damit. Allerdings habe ich mich, für derzeit zwei Messmethodiken entschieden, welche im Folgenden noch genauer beschreibe.
Die erste IMD-Messung wird nach der SMPTE-Norm durchgeführt. Bei dieser wird ein niederfrequentes Signal (60Hz) und ein hochfrequentes Signal mit unterschiedlichen Amplituden gleichzeitig verwendet, was einem oft auftretenden Praxis-Fall entspricht.
Dieser Test ist i.d.R. nicht besonders anspruchsvoll für die Endstufe (mehr relevant bei Lautsprechern).
Die IMD-Werte werden für zwei Impedanzfälle und vier Spannungsfälle ermittelt und dokumentiert.
Die zweite IMD-Messung wird nach der CCIF-Norm durchgeführt, bei dieser zwei sehr hochfrequente Signale (in meinem Fall 18+19kHz statt den üblicheren 19+20kHz) mit derselben Amplitude verwendet werden. Die im 1kHz Raster produzierten Intermodulationsprodukte werden per RTA ermittelt und als Zahlenwert ausgegeben.
Dieses Messverfahren habe ich noch nicht lange dabei und habe dies aufgrund der immer häufiger vorkommenden Digitalverstärker hinzugefügt. Digitalverstärker haben aufgrund Ihres Grundprinzips der Schaltfrequenzen öfters mal (vorwiegend ältere bzw. nicht so gut entwickelte Endstufen) Probleme im oberen Frequenzbereich (sieht man oft auch im THD), was speziell diese Messung testen soll.
Bei diesen Messungen habe ich mich an Herstellermessungen von modernen Digitalverstärker orientiert und die CCIF-Settings mit den 18+19kHz übernommen.
Die IMD-Werte werden bei zwei Impedanzen und an drei vordefinierten Leistungen ermittelt.
Spannungsversorgung und Endstufensektion:
Zur Beurteilung der Spannungsversorgung wird im ersten Schritt optisch, externen Tests, Herstellerinfos, etc. der Netzteiltyp ermittelt (Schaltnetzteil oder Trafo), der Endstufentyp (AB, H, D, etc.), die Anzahl und Typ der Endtransistoren sowie Elkos ermittelt. Auch das grundsätzliche Layout, Kabelverlegung, und so weiter wird begutachtet, womit schon eine erster Eindruck entsteht.
Dies wird auch mit Fotos belegt und dokumentiert.
Im zweiten Schritt wird die Gleichspannungsversorgung hinter dem Netzteil durch Messung der DC-Spannung und der Endstufenleistungsaufnahme unter drei definierten Betriebszuständen (keine Last, 40W, 80W) ermittelt.
Rauschpegel:
Diese Messung erfolgt bei mir schon von Anfang an, aber hat bei mir viele Änderungen erfahren. Ursprünglich sollte mit dieser Messung der nutzbare Dynamikumfang (S/N) ermittelt werden, was allerdings aufgrund meiner begrenzen Hardware nicht möglich ist. Denn für eine exakte, aussagekräftige Messung des Signal zu Rausch- bzw. Störabstandes wird spezielles Messequipment benötigt, welches z.B. Voll-Potentialfrei ist und eine sehr hohe Dynamik besitzt um das Signal und das Rauschen gleichzeitig sinnvoll zu erfassen was mein begrenztes Budget für diese Messungen übersteigt. Es ist schon möglich mit meiner Hardware, gewisse Werte zu messen, allerdings haben die ermittelten Werte meinen Anspruch nicht genügt, womit ich die "SN-Ermittlung" aufgegeben und stattdessen auf die "Rausch" bzw. "Störungsmessung" vereinfacht habe.
Bei dieser Output-Noise Messung geht es darum, das Ausgangssignal der Endstufe ohne Eingangssignal zu ermitteln. In der Praxis wird allerdings ein Rauschen welches mit Störungen überlagert ist ausgegeben.
Dieses gestörte Ausgangssignal wird einmal mit einer pegelkalibrierten USB-Soundkarte und zweimal mit einem USB-Oszilloskop gemessen. Bei verstellbaren Endstufen wird das Ausgangssignal für drei Pegelreglerzustände vermessen.
Diese Rausch-Messung ist sehr interessant und zeigt teilweise große Unterschiede. Meine Praxiserfahrung hat allerdings zusätzlich noch gezeigt, dass diese "theoretischen" Werte sich in der gesamten Kette mit Anschlusskabel, Vorstufe (Eigenrauschen), Brummschleifen, etc. zum Teil erheblich verschlechtern können. Zur Vergleichbarkeit der Endstufen erfolgt die Messung daher bei definiertem Eingangsabschluss (150R).
Rechtecksignal-Messung:
Es wird in die Endstufe ein Rechtecksignal eingespeist und mit dem Oszilloskop die Form des Ausgangssignals ermittelt und abgespeichert.
Dies erfolgt für zwei Grundfrequenzen 100Hz und 1kHz.
Dies wird gemessen fürs Archiv aber momentan aufgrund der begrenzten Aussagekraft nicht mit in die Auswertung aufgenommen und ausgewertet.
Verstärkungsfaktor:
Ich nenne diesen Teil "Verstärkungsfaktor" und definiere diesen Begriff persönlich hier auch so. Hierbei wird ein definiertes Eingangssignal der Endstufe zugeführt und das Ausgangssignal gemessen, womit ich dessen Verhältnis als (Spannungs)-Verstärkungsfaktor berechne.
Wie hoch die eigentliche "Coreverstärkung" im inneren Schaltungsaufbau ist, lasse ich außen vor, nur die Dämpfung des Eingangssignal mit einem evtl. vorhandenem Pegelsteller wird als separate Verstärkungsfaktor-Messung bei mehreren Positionen berücksichtigt.
Eine separate Messung, welchen maximalem Eingangssignal der Verstärker verträgt bevor die "Vorstufe" übersteuert, ist mit dem momentanen Messaufbau nicht möglich und auch für mich persönlich nicht relevant.
Aber vielleicht für manche dennoch interessant zu wissen, dass bei zu geringer Pegelstellung die "Vorstufe" des Verstärkers verzerren kann, bevor die eigentliche "Endstufe" des Verstärkers ins Clippen (aufgrund der Versorgungsspannung) kommt.
Daher der Tipp, die Endstufe nicht zu gering einstellen um das Ausgangsrauschen zu reduzieren.