РадиоКот >Статьи >
Visual Analyser. Практическое измерение параметров. Часть 5
Добрый день, уважаемые радиолюбители. В предыдущих частях данной статьи мы начали рассматривать с Вами измерение различных параметров усилителей на примере лампового усилителя. В данной части статьи мы продолжим рассматривать измерение параметров, непосредственно связанных с экспериментальным усилителем. Данная часть является предпоследней в цикле статей, посвящённых измерительному комплексу. К сожалению, планировал закончить цикл несколько раньше, но переезд и завалы на работе внесли свои коррективы в мои планы... Итак, пожалуй, начнём…
Амплитудная характеристика
Итак, амплитудная характеристика усилителя (согласно ГОСТ 18421-93) – это зависимость установившегося значения выходного напряжения от входного напряжения [1].
Как известно, коэффициент усиления идеального усилителя представляет собой постоянную величину и не зависит от входного напряжения. Таким образом, амплитудная характеристика идеального усилителя представляет из себя прямую, проходящую через начало координат. Угол наклона данной прямой зависит только от величины коэффициента усиления.
В реальном же усилителе амплитудная характеристика не проходит через начало координат, а изгибается при малых входных напряжениях (U_(Вх.мин)) и пересекает вертикальную ось на уровне собственных шумов усилителя (U_ш). Но, амплитудная характеристика реального усилителя изгибается и при больших входных напряжениях (U_(Вх.макс)), но уже под влиянием перегрузки усилительных элементов. Идеальная и реальная амплитудные характеристики показаны на скане ниже [2,4,5].
 |
Кроме того, вследствие нелинейности вольт-амперных характеристик усилительных элементов, неправильно выбранных рабочих точек и т.д. может происходить дополнительное искажение данной характеристики и в других точках. Нужно понимать что любое отклонение реальной амплитудной характеристики усилителя от идеальной, приводит к появлению дополнительных искажений. Входные сигналы с разной амплитудой будут усиливаться не одинаково (т.е. линейному увеличению входного напряжения не будет соответствовать линейное увеличение выходного).
В данном случае мы рассматриваем только усилители воспроизведения и не затрагиваем специальные усилители, например логарифмические, в которых, в соответствии с названием, зависимость выходного напряжения от входного является логарифмической.
Для измерения амплитудной характеристики необходимо подключить на вход и на выход исследуемого усилителя вольтметры истинного среднеквадратического значения напряжения. В качестве вольтметров можно воспользоваться либо внешними вольтметрами, либо встроенными в измерительный комплекс Visual analyser (см. пункты 26-29). Второй вариант для нас более предпочтителен т.к. позволяет производить измерения практически во всём звуковом диапазоне частот.
После подключения вольтметров необходимо включить усилитель и дать ему прогреться 5-10 минут. Далее необходимо плавно повышая напряжение на входе, фиксировать соответствующее ему выходное напряжение. Измерения необходимо начинать с нулевого входного напряжения. Чем меньше будет шаг по напряжению – тем точнее получится построить графически амплитудную характеристику.
Актуально провести измерение амплитудной характеристики усилителя в нескольких точках (например, на частоте 1 кГц, а так же на краях звукового диапазона). В таблице 1 показаны результаты измерения амплитудной характеристики на частоте 20 Гц, 1 кГц, а так же 20 кГц.1.2
Таблица 1. Результаты измерения амплитудной характеристики исследуемого усилителя на разных частотах.
|
Входное напряжение, В
|
0.00
|
0.012
|
0.04
|
0.085
|
0.13
|
0.19
|
0.27
|
0.37
|
0.47
|
0.52
|
0.66
|
0.75
|
0.94
|
1.05
|
1.2
|
1.32
|
1.50
|
|
Выходное напряжение (20 Гц), В
|
0.01
|
0.12
|
0.42
|
0.85
|
1.36
|
1.93
|
2.68
|
3.76
|
4.71
|
5.21
|
6.10
|
6.45
|
6.80
|
6.82
|
7.00
|
7.20
|
7.30
|
|
Выходное напряжение (1 кГц), В
|
0.01
|
0.13
|
0.56
|
0.90
|
1.42
|
2.00
|
2.82
|
3.95
|
4.91
|
5.45
|
6.62
|
7.24
|
8.11
|
8.25
|
8.29
|
8.4
|
8.6
|
|
Выходное напряжение (20 кГц), В
|
0.01
|
0.12
|
0.43
|
0.86
|
1.35
|
1.88
|
2.56
|
3.35
|
3.82
|
3.98
|
4.12
|
4.16
|
4.22
|
4.26
|
4.3
|
4.36
|
4.44
|
На графике ниже представлено графическое отображение семейства амплитудных характеристик исследуемого усилителя.
 |
По графику видно, что измеренные амплитудные характеристики отличаются друг от друга. Основное отличие заключается в величине напряжения, при котором начинается перегрузка усилителя на различных частотах.
В целом же амплитудные характеристики достаточно линейны (до начала перегрузки усилителя), что говорит о достаточно высокой стабильности коэффициента усиления в зависимости от входного напряжения. Кроме того, угол наклона амплитудных характеристик на разных частотах практически идентичен, что говорит о высокой линейности амплитудно-частотной характеристики и подтверждается ранее проведёнными измерениями (см. определение амплитудной характеристики, а так же измерение АЧХ).
Если сравнить амплитудную характеристику на частоте 1 кГц с зависимостью коэффициента гармонических искажений от выходной мощности (представленной в предыдущих частях данной статьи), то можно заметить, что перегиб амплитудной характеристики при выходной мощности равной 14-16 Вт в точности совпадает с началом интенсивного роста коэффициента гармонических искажений. Это ещё раз подтверждает тот факт, что данный рост коэффициента гармонических искажений обусловлен именно перегрузкой усилительных элементов (см. измерение коэффициента нелинейных/гармонических искажений).
Вообще реальный усилитель (как Вы уже думаю, догадались), в отличии от идеального, может усиливать подводимые к его входу напряжения не ниже уровня собственных шумов (т.к. все сигналы ниже уровнем будут заглушаться) и не выше начала перегрузки усилителя (т.к. сигналы выше уровнем будут сильно искажаться).
Таким образом мы подходим к ещё одной важной характеристике усилителя – динамическому диапазону [2,4,5].
Динамический диапазон
Под динамическим диапазоном усилителя понимают отношение максимального входного напряжения усилителя к минимальному и вычисляют по формуле:
Кроме того, динамический диапазон усилителя чаще всего выражают в децибелах. В таком случае динамический диапазон усилителя вычисляется по формуле:
Для того что бы усилитель мог усиливать весь диапазон напряжений источника сигнала его динамический диапазон должен быть не менее динамического диапазона подводимого сигнала. В противном случае при усилении сигнал будет дополнительно искажаться [2,4,5].
Вычислим для примера динамический диапазон исследуемого усилителя в децибелах на частоте 1 кГц:
 |
Аналогичным образом вычисляется динамический диапазон и на других частотах по амплитудной характеристике усилителя. По результатам вычисления на частоте 20 Гц динамический диапазон примерно равен 37 дБ, а на частоте 20 кГц – 33 дБ. Таким образом, область высоких частот для данного усилителя по динамическому диапазону является наиболее проблемной, несмотря на достаточно линейную АЧХ.
По приведённым расчетам можно сделать вывод о том, что экспериментальный усилитель по динамическому диапазону не подходит для высококачественного воспроизведения многих композиций (даже при устранении уменьшения динамического диапазона в области высоких частот звукового диапазона) т.к. динамический диапазон гитары обычно составляет 40-55 дБ, рояля 35-80 дБ, органа 50-85 дБ, симфонического оркестра 35-110 дБ (60-65 дБ в среднем) [3].
Расширить динамический диапазон можно уменьшив уровень собственных шумов усилителя, либо понизив входную чувствительность усилителя (как бы это ни парадоксально звучало). Рассмотрим этот момент подробнее на примере.
Предположим, для получения номинальной выходной мощности, ограниченной искажениями (как я уже писал ранее, выше данной мощности как раз и начинается излом амплитудной характеристики усилителя), номинальное входное напряжение (чувствительность) равно 1 Вольт, а необходимый динамический диапазон равен 80 дБ.
Соответственно, для получения данного динамического диапазона можно вычислить уровень собственных шумов усилителя т.к. минимальный входной уровень ограничен именно ими. Не трудно догадаться, что в этом случае уровень собственных шумов усилителя должен быть ниже номинального входного напряжения (чувствительности) не менее чем на величину динамического диапазона (см. определение ДД).
Учитывая тот факт, что каждые 20 дБ по напряжению – это разница в 10 раз, то получается 80 дБ – это разница в 10 000 раз. Соответственно, уровень собственных шумов усилителя для получения динамического диапазона 80 дб при номинальном входном уровне (чувствительности) 1 Вольт должен быть не более 0.1 мВ.
Если же номинальное входное напряжение (чувствительность) для получения номинальной мощности, ограниченной искажениями, равно 2 Вольта, то при динамическом диапазоне в 80 дБ уровень собственных шумов усилителя не может быть выше 0.2 мВ, что несколько проще обеспечить на практике. Но вместе с тем может возникнуть другая проблема – получение необходимого уровня раскачки для данного усилителя с низким уровнем линейных и нелинейных искажений.
Дополнительно следует обратить внимание ещё раз на тот факт, что динамический диапазон исследуемого усилителя различен на разных частотах (перелом амплитудной характеристики наступает при различной выходной мощности), но при этом полоса пропускания усилителя достаточно широкая (см. измерение АЧХ).
Наиболее вероятно это связано с тем, что параметры выходного трансформатора сложным образом зависят от частоты. В соответствии с этим изменяется величина приведённого сопротивления нагрузки выходного каскада. Приведённое сопротивление нагрузки определяет положение нагрузочной прямой на ВАХ выходных ламп. А от положения нагрузочной прямой зависит выходная мощность при неизменных параметрах каскада по постоянному току.
Данное явление можно проследить и по изменению формы АЧХ, если снять АЧХ при кратковременной максимальной выходной мощности. При таком подходе на АЧХ будут наблюдаться провалы, пропорциональные различию между амплитудными характеристиками по мощности ограничения на данных частотах. Грубо говоря, измеренная таким образом АЧХ представляет собой комбинацию отдельных амплитудных характеристик в области больших входных напряжений для всей полосы пропускания усилителя. Но точность подобного отображения оставляет желать лучшего, поэтому всё же актуальнее снять отдельные амплитудные характеристики в соответствии с вышеприведёнными рекомендациями.
На АЧХ, приведённой в предыдущих частях данной статьи, это явление не наблюдается т.к. она снята при небольшой выходной мощности, при которой ни на одной из частот не наступает ограничение выходной мощности (излом амплитудной характеристики).
Измерять динамический диапазон по выходному напряжению (при выходной мощности, ограниченной искажениями) без дополнительных расчётов не корректно т.к. за минимальное напряжение будет приниматься, так же как и в рассмотренном ранее случае, уровень собственных шумов усилителя, а выходное напряжение больше входного в коэффициент усиления раз. В связи с этим, фиктивно во столько же раз возрастёт динамический диапазон усилителя, что абсурдно т.к. реальные параметры усилителя при этом не изменились.
Думаю, теперь всё стало на свои места и в следующей части данной статьи мы продолжим измерять оставшиеся параметры исследуемого усилителя.
А на сегодня на этом всё, с уважением, Андрей Савченко.
1. ГОСТ 18421-93. Аналоговая и аналого-цифровая вычислительная техника. Термины и определения.
2. Цыкин Г.С. Усилительные устройства. 4-е издание, переработанное. — Москва: Связь, 1971. — 368 с.
3. Что нужно знать, отстраивая звук и сводя записанные дорожки инструментов
4. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. Издание 2-е, перераб. и доп. 1983 г. 264 с.
5. Остапенко Г. С. Усилительные устройства: Учеб: пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989. - 400с.: ил.
6. Королев Г. В. Электронные устройства автоматики: Учеб. пособие. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк.— 1991. — 256 с.
Все вопросы в
Форум.
|
Как вам эта статья?
|
Заработало ли это устройство у вас?
|
|
|
|
Эти статьи вам тоже могут пригодиться:
