Измерение малых искажений звуковой картой

alexcp

Ну, что у нас плохого?
Давно хотел собрать в одном месте практические способы измерения малых (-140дБ, десятки микропроцентов) нелинейных искажений 24-битной звуковой картой.

Измерения звуковой картой доступны (нужна лишь более-менее приличная звуковая карта и соответствующий софт), информативны и полезны как для отладки, так и для верификации результатов моделирования. Однако типичная звуковая карта вносит больше искажений, чем здешние сверхлинейные усилители, что требует способов отделения искажений карты от искажений измеряемого усилителя.

Ключ к решению этой проблемы - подавать на вход звуковой карты не весь выходной сигнал измеряемого усилителя, а только заранее выделенные из него искажения. Поскольку искажения невелики, уровень сигнала на входе карты при таком подходе оказывается мал, ее собственные искажения тоже малы и не мешают анализу искажений усилителя. Собственно, тема о том, как практически выделить искажения измеряемого усилителя и не добавить к ним искажения измерительной установки.
 
Последнее редактирование:

alexcp

Ну, что у нас плохого?
Один из возможных подходов - использование пассивных (и потому линейных) фильтров. Этот способ был, в частности, успешно применен при отладке "Напалма", а для обсуждения примененного типа пассивного фильтра была создана отдельная тема.

Вкратце, для измерения ИМИ на тестовом сигнале 19+20 кГц были использованы три режекторных фильтра. Первый, настроенный на 1кГц, был включен между выходом ЦАПа и входом измеряемого усилителя для подавления собственного продукта интемодуляции ЦАПа. Второй и третий были включены между выходом измеряемого усилителя и входом АЦП для подавления тестового сигнала. Для обеспечения необходимого для измерений уровня сигнала был добавлен усилитель, а для нейтрализации искажений, связанных с высоким выходным импедансом фильтров, были использованы сверхлинейные буферы из соответствующей темы. В целом получилась вот такая установка:
1661121249171.png
 
Последнее редактирование:

alexcp

Ну, что у нас плохого?
Примененные режекторные фильтры были построены по схеме Холла:
Screenshot 2022-12-19 at 8.05.16 PM.png
Для получения режекторного фильтра емкости должны быть равны (С1=С2=С3), а резисторы должны удовлетворять равенству R3=6×(R1+R2). Частота настройки фильтра при этом F=1/(2π×C√(3×R1×R2)).

Например, для C=10нФ и R1=R2=1кОм получаем R3=12кОм и F=1/(2π×10н×√(3×1к×1к))≈9.19кГц:
Screenshot 2022-12-19 at 7.39.08 PM.png

На практике, конечно, удобнее отталкиваться от требуемой частоты настройки F и емкости C. Из приведенной выше формулы для частоты легко получить формулу зависимости сопротивления от выбранных частоты и емкости: R1=R2=1/(2π×F×С×√3), R3=6*(R1+R2).

Например, для C=10нФ и F=1кГц получаем R1=R2≈9.19кОм, R3≈110кОм:
Screenshot 2022-12-19 at 7.49.57 PM.png
Близкие к требуемым сопротивления можно получить параллельным соединением двух или трех резисторов, например 9.19к≈30к||30к||24к.
 

maxssau

Новичок
13 Авг 2020
38
27
39
Самара
promservice63.ru
А не думали попробовать сделать рф на ОУ, как например в книге Практическая схемотехника в промышленной автоматике, стр 124.
Пассивный рф имеет очень грустную АЧХ и до рф измерительных приборов вроде Ар очень далеко, на ОУ можно сделать более приемлемую АЧХ.
 

Вложения

alexcp

Ну, что у нас плохого?
сделать рф на ОУ
На соседнем форуме @begemot сделал - biquad на сверхлинейных композитных усилителях - но это достаточно сложная конструкция. Для решения наших задач есть более простые решения, одно из которых - пассивные фильтры.
 

Braca

Новичок
18 Янв 2023
30
84
77
Приветствую уважаемых участников форума.
Я здесь новичок, получил плату Омикрон от @alexcp, увидел на плате адрес форума, посмотрел, и мне понравилось.
Заранее приношу извинения, потому что русский не является моим родным языком (это сербский). Мои знания русского языка пассивны, писать и говорить сложнее. Я использую швейцарско-немецкую клавиатуру, и это еще одно усложнение. Яндекс поможет:).

Я занимаюсь этой темой уже несколько лет и надеюсь, что мой опыт будет полезен.
Я убедился, что превосходные результаты достижимы в домашней лаборатории.
Моя система содержит синусоидальный генератор Виктора {1кГц}, режекторный фильтр {схема Холл}, малошумящий усилитель {60дБ} и А/Д Cosmos E1DA.
Я начну с фильтра, он реализован на плате С. Гронера:
За 1кГц у меня емкости 100 нФ.
Оригинальная плата была сделана для постоянной частоты, но я модифицировал ее, чтобы получить узкую регулировку ±5Гц вокруг центральной частоты.
Детали фильтра приведены на прилагаемой фотографии.
Я не смог найти никаких искажений в системе (см. спектр), вторая гармоника находится на уровне -159 дБ относительно 2 вольт (-109,6 - 50}, но на этом уровне вазможно определенное подавление искажений.
 

Вложения

alexcp

Ну, что у нас плохого?

Alan Bins

Штурман Билли
1 Апр 2018
4,957
1,939
40
А где можно фильтр посмотреть ,а то pdf файл не открывается .
 

Braca

Новичок
18 Янв 2023
30
84
77
На странице diyaudio.com был опубликован очень хороший скрипт:
 

wakh

Вахтанг, Москва
14 Июл 2018
3,927
1,856
71
Москва
www.diyaudio.ru
я модифицировал ее, чтобы получить узкую регулировку ±5Гц
Интересно, как это сделано,
учитывая, что точность подстроечных резисторов R1 и R2 должна быть довольно высокой.

холл.png
Как это сделано у Алекса я видел. Интересно как это реализовали Вы.

Подстройка частоты.png


Подстройка.png
 
Последнее редактирование:

alexcp

Ну, что у нас плохого?
учитывая, что точность подстроечных резисторов R1 и R2 должна быть довольно высокой.
В полностью пассивном варианте добротность невысокая, подстраивать легко. Если добавить bootstrap, то добротность ничего не стоит увеличить до черт знает каких пределов, но настройка при этом становится трудной или невозможной.
 

Braca

Новичок
18 Янв 2023
30
84
77
Интересно, как это сделано,
учитывая, что точность подстроечных резисторов R1 и R2 должна быть довольно высокой.

Посмотреть вложение 66799
Как это сделано у Алекса я видел. Интересно как это реализовали Вы.
Основная проблема заключается в том, чтобы три конденсатора имели почти одинаковую емкость. Затем резисторы настраиваются таким образом, чтобы получить желаемую номинальную частоту фильтра.
Частота фильтра изменяется с помощью триммера, в моем случае он имеет номинальное сопротивление 100 Ом (реально 106.7 Ом}.
Поскольку конденсаторы C0G с допуском 1% очень дороги, я купил 50 из них с допуском 5%, измерил емкость каждого из них и сформировал три группы номинально по 100,6нФ. Максимальное отклонение между группами составило менее 1%.
После этого я рассчитал номинальные сопротивления и произвел точную настройку резисторов в LtSpice (модель прилагается).
Поскольку в нижней ветви фильтра имеется триммер, резисторы R1 и R2 имеют разные значения. В моем случае R2=935 Ом и R1=1075 Ом (R3=11020 Ом). На заключительном этапе сборки все еще может потребоваться точная регулировка значений резисторов.
На практике фильтр обеспечивает режектование до -90 дБ.
 

Вложения

wakh

Вахтанг, Москва
14 Июл 2018
3,927
1,856
71
Москва
www.diyaudio.ru
Частота фильтра изменяется с помощью триммера, в моем случае он имеет номинальное сопротивление 100 Ом
У меня, из практики построения точных генераторов, такие низкоомные триммеры имели уход частоты со временем.
Ниже 200 Ом вообще нигде не советую применять.
В Вашем случае, если надо получить 100 Ом, то лучше сделать такую схему, чтобы она была долго стабильной.

холл+рег.png
 

Braca

Новичок
18 Янв 2023
30
84
77
Вы правы, я также заметил медленное изменение частоты в фильтре во время работы, но это в данном случае не критично.
Фильтр имеет высокое подавление, поэтому, даже если оно изменяется на 10 дБ или более, основной сигнал остается значительно ниже полной шкалы АЦП.
Обычно я должен корректировать фильтр один раз в день на 5-10 дБ, если у меня более длительный проект измерения.
Я спросил С. Гронера в связи с триммером, и он предупредил меня о возможных искажениях из-за контактного сопротивления, но этого не произошло (у меня есть два таких фильтра).
 

Braca

Новичок
18 Янв 2023
30
84
77
Поскольку выходной сигнал режекторного фильтра очень низкий, он должен быть адекватно усилен малошумящим усилителем перед подачей на АЦП.
У меня есть опыт работы с двумя такими усилителями, которые, возможно, могут быть полезны пользователям форума.

Один из них был предложен известным сотрудником завода Analog Devices Скоттом Вурсером (Scott Wurcer, Mr. AD797) в 2010 году:
Построил его на плате, нарисованной EUVL, используя 2SK369 и OPA1642. В начале питание било 9 вольт, а позже - LiPo, 11,1 вольт.
Чтобы уменьшить уровень электромагнитных помех от окружающей среды, усилитель встроен в стальную коробочку, затем в алюминиевый корпус, который изнутри облицован листом мю-металла.
Результат - полное отсуствие помех в спектре шума при заземленном входе.
 

Вложения

alexcp

Ну, что у нас плохого?
Я пользуюсь разработки Сэмюэля Гронера. Однако он вместе с сигналом усиливает и шум, поэтому существенного улучшения разрешающей способности я не добился.
 

Braca

Новичок
18 Янв 2023
30
84
77
Это правда, что малошумящи усилитель вместе с сигналом усиливает и шум, но преобразование Фурье отделяет шум от дискретных частей сигнала, распределяя энергию шума по частоте, оставляя при етом дискретные части (гармоники) нетронутыми.
Во вложении приведено измерение искажения операционного усилителя OPA627. Его искажение составляет -133 дБц, официальное значение примерно такое же.
 

Вложения

Rus2000

I=U/R
17 Окт 2017
13,216
6,722
Плюк
Во вложении приведено измерение искажения операционного усилителя OPA627.
Уровень второй гармоники -:примерно -100дБ или 0,001%.
По нынешним меркам - слабовато.
Основной бонус 627 - слежение во входном каскаде.
Такое же, как и в разы более доступом 140уД8...
 

О Нас

  • Наше сообщество существует уже много лет и гордится тем, что предлагает беспристрастные и критические обсуждения среди любителей радиоэлектроники. Мы каждый день работаем над тем, чтобы быть лучше.

Быстрая Навигация

Пользовательское Меню