Test und Spezifizierung analoger Audio-Systeme

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1 von Pete Darby, Pico Technology (dt. Übersetzung Meilhaus Electronic) Meilhaus Electronic GmbH Am Sonnenlicht Alling Irrtum und Änderung vorbehalten. Pico Technology/dt. Übersetzung Meilhaus Electronic AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd. 2012

2 INHALT 1 FEHLERSUCHE UND TEST IM AUDIO-BEREICH Grundsätzliche Fehlersuche im Audio-Bereich Dynamik-Bereich Überwachung der Signal-Verzerrung Glitch-Erkennung AUDIO-MESSUNGEN Vorteile des PicoScope 4262 für Audio-Messungen Audio-Messungen Grundsätzliche Überwachung und Test mit Sinus- Stimulus Referenz-Signal abspeichern Masken Messung von Ausgangspegel und Verstärkung Ausgangspegel Verstärkungseinstellung Messung der Verstärkung Clipping-Pegel Messung der Frequenz-Antwort Ein-Punkt-Messungen Sweep-Messungen Lautstärken-Steuerung HF Filter-Beispiel Messung von Übersprechen Übersprechen bei 1 khz Übersprechen bei 10 khz Signal-Rausch-Verhältnis messen Messung der Verzerrung SINAD Messung der Phasenverschiebung Phasenverschiebung von Eingang zu Ausgang Phasenverschiebung Tastkopf-Kompensation Phasenverschiebung Eingangskanal A zu Ausgang bei 1 khz Phasenverschiebung Eingangskanal A zu Ausgang bei 10 khz Messung der Phasenverschiebung zwischen linkem und rechtem Kanal ZUSÄTZLICHE QUELLEN AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd i

3 1 FEHLERSUCHE UND TEST IM AUDIO- BEREICH 1.1 Grundsätzliche Fehlersuche im Audio-Bereich Das PicoScope 4262 ist ein hoch-präzises Oszilloskop, das auch für die allgemeine Fehlersuche eingesetzt werden kann. Mit zwei Eingangskanälen kann es Signale sowohl in der Zeit- als auch in der Frequenz-Domäne darstellen oder sogar beides zugleich. In der Spektraldarstellung stehen viele automatische Messfunktionen zur Verfügung, wie zum Beispiel das Messen von Verzerrungen. 1.2 Dynamik-Bereich Die A/D-Wandler der meisten digitalen Oszilloskope haben eine Auflösung von 8 bit, wodurch 256 Quantisierungsstufen erreicht werden. Dies ist gleichbedeutend mit einem Dynamikbereich von 48 db. Das PicoScope 4262 hat einen 16-bit-A/D-Wandler, der Quantisierungsstufen erzeugt. Damit erhöht sich der Dynamikbereich auf 96 db. 96 db ist der beste, theoretische Wert. In der Praxis hat das Erfassungssystem natürlich ein gewisses Eigenrauschen, das den tatsächlichen Wert etwas reduziert. Der Dynamikbereich des Generators und des Erfassungssystems wurde geprüft indem der Generator-Ausgang direkt mit dem Eingangskanal A verbunden wurde, siehe Bild 1: Bild 1 Messung des Dynamikbereichs durch Verwendung eines Signals vom eingebauten Generator AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

4 Bild 2 zeigt die Spektraldarstellung in der PicoScope-Software. Dazu wurde ein Sinus-Signal in der Zeit-Domäne erfasst und dann der Knopf Spectrum ( ) betätigt. Um den Dynamikbereich zu ermitteln haben wir die beiden Lineale für Kanal A an den Spitzenwert und das Rauschen angelegt, siehe Abbildung (die Lineale werden über die blauen Quadrate bei der y-achse bewegt). Die Beschriftung der Lineale zeigt nun den Dynamikbereich an, als Delta zwischen den beiden Linealen: -98 db. Bild 2 Verwendung der Lineale zur Messung des Dynamikbereichs des Test-Systems Dynamic Range 95dB with reading.psdata Messung des Dynamikbereichs mit Cursor ist 98 db. Dies ist die zweite Harmonische. Dynamic range 94 db.avi Automatische Total Harmonic Distortion (THD) Messung ist 94 db. Die THD-Messung ist die Summe aller Harmonischen Anteile 1.3 Überwachung der Signal-Verzerrung Dieser Test misst die Verzerrung eines Stereo-Verstärkers. Er zeigt, wie die automatische Distortion-Messung des PicoScopes Harmonische aufspüren kann, sogar wenn das Signal in der Zeit-Domäne sauber zu sein scheint. Dabei hat das PicoScope 4262 selbst einen Dynamikbereich, der groß genug ist, um diese AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

5 Signale zu erfassen, ohne seinerseits zusätzliches Rauschen oder Verzerrungen hinzuzufügen. Bild 3 Aufbau für die Messung von Verzerrungen Bild 4 und 5 zeigen den PicoScope-Bildschirm, aufgeteilt in vier Ansichten: Jeweils eine Darstellung in der Zeit- und in der Frequenz-/Spektrums-Domäne für jeden der beiden Kanäle. Jede Ansicht wird einfach durch Rechtsklick auf die Standard- Ansicht und Auswahl von Add View erzeugt. Bild 4 Vier Ansichten, Kanäle A und B. Kanal B hat -61 db THD. In der Zeit-Domäne sind diese Verzerrungen nicht erkennbar. AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

6 Bild 5 Vier Ansichten, Kanäle A und B Mit steigender Ausgangsleistung erkennt man im Spektrum des Kanals A weitere harmonische Verzerrungen. Das Spektrum des Kanals B hat hier einen THD von -28 db. Nun sind die Verzerrungen auch in der Zeit-Domäne (unten links) zu erkennen. Monitor channel A and B app.avi AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

7 1.4 Glitch-Erkennung Der Persistence Display Modus (Nachleuchten) des PicoScopes ist hilfreich zum Erfassen und Aufspüren unerwünschter Clicks oder Glitches in einem Audiosignal. In der normalen Oszilloskop-Darstellung erscheinen solche Signale nur für den Bruchteil einer Sekunde. Die Chance, sie dabei exakt zu messen ist gering. Im Persistence-Modus bleiben alte Waveforms im Hintergrund sichtbar (Nachleuchten), während neue Waveforms darüber gezeichnet werden. Bild 6 Aufbau für das Aufspüren von Glitches 1. Klick auf den Persistence Mode Knopf im PicoScope Toolbar: 2. Standard-Einstellungen übernehmen oder Anpassung durch Klick auf die Persistence Options : Die wesentlichen Auswahl in den Persistence Options ist Color Persistence oder Analog Intensity. Der Color Persistence Modus, dargestellt in Bild 5, stellt neue Waveforms in helleren Farben als ältere dar, wodurch Glitches hervorstechen. Der Analog Intensity Modus hat einen ähnlichen Effekt, verwendet jedoch Abstufungen einer einzigen Farbe. Diese Darstellung ähnelt der des Nachleuchtens eines klassischen Analog-Oszilloskops. AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

8 Bild 7 Color Persistence Modus, zeigt einen Glitch in einer helleren Farben Glitch persistence.psdata Glitch debug.psdata glitch detection.avi AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

9 2 AUDIO-MESSUNGEN Das PicoScope 4262 ist ein 2-kanaliges Kombi-Gerät aus Oszilloskop und hochauflösendem Funktionsgenerator. Es kann ein sehr akkurates Sinus-Signals erzeugen, mit dem zum Beispiel ein analoges Audio-System stimuliert werden kann. Die zwei Eingangskanäle des Oszilloskops messen gleichzeitig die Ausgangswerte des getesteten Audio-System mit hoher Genauigkeit. 2.1 Vorteile des PicoScope 4262 für Audio-Messungen Das PicoScope 4262 ist ein vielseitiges Instrument, das für die allgemeine Fehler suche ebenso eingesetzt werden kann wie für die hochauflösende Analyse im Audio-Bereich. Dank seiner guten Hardware-Spezifikationen ist es sowohl für den Einsatz im Labor als auch in der Werkstatt geeignet: 5 MHz Bandbreite 16 bit Auflösung 0,25% DC Genauigkeit 16 MS interner Speicher Die PicoScope Software ist im Lieferumfang enthalten und bietet viele praktische Funktionen ohne zusätzliche Kosten: Erweiterte Trigger-Möglichkeiten wie Pulsbreite, Intervall, Window/Fenster, Dropout und Logik Automatische Messungen in der Zeit- und Frequenz-Domäne Mathematik-Kanäle Masken-Grenzwert-Tests Dekodierung serieller Protokolle Erfassung: 16 bit ADC. Dank dieser hohen Auflösung wird ein theoretischer Dynamikbereich von 96 db für einzelne Erfassungen erzielt. Der Dynamikbereich ist sogar noch größer bei Mittelung von mehrfachen Erfassungen. Generator: 16 bit DAC. Die interne, hochauflösende Signalquelle kann eingesetzt werden, um Stimuli für den Prüfling (DUT/Device Under Test) zu erzeugen, zum Beispiel zur Messung von Parametern wie Verstärkung, Phasenverschiebung, SNR, Verzerrungen und Übersprechen. Spektrum-Betrieb. Die PicoScope Software arbeitet auch als Spektrum- Analysator, kann dabei jedoch gleichzeitig auch Signale in der Zeit-Domäne darstellen. Der Spektrum-Modus umfasst automatische Messungen wie THD und SNR. Einstellungen abspeichern. Die Software speichert Ergebnisse in.psdata Dateien, die auch alle Einstellungen und alle Waveform-Daten enthalten. AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

10 2.2 Audio-Messungen Mit dem PicoScope 4262 sind zwei Arten von Messungen möglich: 1. Eine Pass/Fail-Messung, die bei beliebig gewählter Amplitude oder Frequenz für den Prüfling durchgeführt werden kann. Dadurch sind sehr schnelle Messungen und Tests während der Entwicklungsphase oder in der Produktion möglich. 2. Ein komplettes Set aus Messungen, die als Grafik dargestellt werden und den Prüfling vollkommen analysieren und charakterisieren, zum Beispiel die Frequenz-Charakteristik eines Audio-Geräts. Im Folgenden werden Beispiele von Audio-Messungen an einem Stereo-Audio- Verstärker dokumentiert, um die Einstellungen und typischen Ergebnisse zu zeigen Grundsätzliche Überwachung und Test mit Sinus-Stimulus Ungewollte Verzerrungen können untersucht werden, indem man den linken und rechten Kanal in die beiden Eingangskanäle des Oszilloskops einspeist. Stellt man nun die beiden Wellenformen übereinander dar, sieht man sofort eventuelle Unterschiede: Faulty channel B.psdata AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

11 2.2.2 Referenz-Signal abspeichern Waveforms können abgespeichert und als Referenzkanal wieder geladen werden. Das Referenzsignal kann dann mit einem Live-Kanal verglichen werden. So kann zum Beispiel ein Ideal-Signal auf dem Referenzkanal dargestellt werden, während der Prüfling (DUT) an den Live-Kanal angeschlossen ist. Unterschiede in den Signalformen weisen auf Fehler im DUT hin. stored reference waveform.psdata Masken Mithilfe von Masken-Grenzwert-Tests ermittelt das PicoScope Abweichungen des Live-Signals von einem festgelegten Bereich. Dieser Bereich kann von der Pico Software an Hand der Vorgabe eines Ideal-Signals automatisch generiert oder von Hand gezeichnet werden. Diese Funktion ist sehr nützlich im Produktions-Testfelds, wenn eine ganze Reihe von Prüflingen im Vergleich zu einem guten Standard-Gerät getestet werden sollen. PicoScope kann dabei so konfiguriert werden, dass ein Alarmsignal ausgegeben wird, eine Datei abgespeichert wird oder ein Kommando ausgeführt wird, sobald ein fehlerhaftes/abweichendes Gerät gefunden wird. masks.psdata AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

12 2.3 Messung von Ausgangspegel und Verstärkung Der Ausgangspegel kann festgelegt sein als ein gewählter Ausgangs- Spannungspegel, ein Ausgangs-Leistungspegel oder ein Verzerrungs-Pegel Ausgangspegel Für dieses Beispiel wurde ein Leistungs-Ausgangspegel von 30 Watt bei 15 Ohm Last gewählt. Dies ist gleichbedeutend mit einem Spannungspegel von 21,2 V eff. Monitor power output channel A and B.psdata Die Tastköpfe an den Kanälen A und B werden mit 15 Ohm Last termininert. Das Vierfach-Display zeigt die Signaldarstellung der Zeit- und Frequenz- Domäne für jeden Kanal. Der niedrige Level der Harmonischen zeigt, dass beide Kanäle im linearen Bereich der Verstärkers arbeiten. Die Verzerrung ist niedrig bei -73 db und -79 db Verstärkungseinstellung Gain measurement x20 gain.psdata Tastköpfe werden an den Ein- und Ausgang des Verstärkers angeschlossen. Der Lautstärkenregler wird auf eine Verstärkung von 20 eingestellt. PicoScope stellt die Signale von Kanal A und B überlagert dar. AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

13 2.3.3 Messung der Verstärkung Level gain measurement.psdata Die Tabelle mit den Messungen zeigt Kanal A und B, Spannungswert Spitze-Spitze. Verstärkung = 2,88/0,1 = 28, Clipping-Pegel Monitor output with channel A clipping.psdata Channel B Ausgangsspannung ist sauber. Verzerrungs-Pegel ist -64 db. Kanal A beginnt aufgrund des Bias-Fehlers des Verstärkers in der negativen Hälfte abzuschneiden (Clipping). THD ist nur -20 db. Monitor output with channel A and B clipping.psdata AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

14 Auf Kanal B kann die Ausgangsspannung bis auf 26,8 V angehoben werden, bevor Clipping einsetzt. Dies kann sehr einfach im Spektrum-Display des Kanals B gemessen werden. Level monitoring and gain app.avi 2.4 Messung der Frequenz-Antwort Der Generator im PicoScope kann auf eine beliebige Frequenz innerhalb des spezifizierten Bereichs eingestellt werden, zum Beispiel 1 khz, 10 khz und 20 khz. Die Frequenz-Antwort bei diesen Frequenzen kann dann sehr schnell überprüft werden. In diesem Beispiel wird der Effekt der Treble-Einstellung (Höhenanhebung) eines Verstärkers gemessen Ein-Punkt-Messungen Bild 8 - Generatorfrequenz eingestellt auf 10 khz Spot Frequency treble range.psdata Drei Ausgangs-Wellenformen wurden für verschiedene Treble-Einstellungen erfasst: Flat, Cut und Maximum Lift. AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

15 Die drei Wellenformen wurden in den Referenzspeicher gesichert Sweep-Messungen Generator auf Sweep Mode setzen. Sweep-Frequenz von 100 Hz bis 20 khz. Erfassung auf Spektrum-Modus setzen. Spektrum-Modus Frequenzbereich auf 20 khz setzen. Spektrum Bins auf 256 einstellen. Window-Funktion auf Flat stellen. Display-Modus Peak Hold wählen. Skalierung auf Log umstellen. Signal erfassen. Bild 9 - Generator Sweep 100 Hz bis 20 khz mit Treble-Einstellung flat frequency response sweep treble flat.psdata AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

16 Bild 10 - Generator Sweep 100 Hz bis 20 khz mit Treble-Einstellung max. cut Ergebnis Die Cursor-Messung zeigt einen Cut von 9,89 db frequency response sweep treble max cut.psdata AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

17 Bild 11 - Generator Sweep 100 Hz bis 20 khz mit Treble-Einstellung max. lift Ergebnis Die Cursor-Messung zeigt einen Treble Lift von 10,25 db. frequency response sweep treble max lift.psdata frequency response sweep treble max lift.avi AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

18 2.4.3 Lautstärken-Steuerung Die Lautstärkensteuerung eines Verstärkers erhöht die Audiofrequenz-Antwort der Bässe und Höhen. Dies kann mit einem Sweep von 40 Hz bis 20 khz gemessen werden. Der Spektrum-Modus mit maximaler Hold-Display-Einstellung kann die Charakteristik des Verstärkers anzeigen. Bild 12 Lautstärken-Frequenz-Antwort loudness control set to max.psdata Hinweis: Niedrige Frequenz-Anhebung Anstieg der Ausgangs-Antwort über 1 khz AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

19 2.4.4 HF Filter-Beispiel Bild 13 - HF Cut-off Filter Frequenz-Antwort frequency response HF filter.avi new frequency sweep hf filter.psdata AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

20 2.5 Messung von Übersprechen Messungen des Übersprechens vom Signal des linken auf den nicht-gespeisten rechten Kanal. Bild 14 Setup für Übersprechen: Linker Kanal gespeist, rechter Kanal ungespeist 1 V(Spitze-Spitze) Signal an den linken Kanal des Verstärkers anlegen. PicoScope 4262 Kanal A an linken Ausgang des Verstärkers anschließen. PicoScope 4262 Kanal B an rechten Ausgang des Verstärkers anschließen. Verstärkung des Amps anheben bis Ausgangspegel 20 Veff. Ausgangspegel der Ausgänge 1 und 2 messen Übersprechen bei 1 khz Bild 15 Oberes Fenster: Linker Ausgangskanal gespeist. Unteres Fenster: Recher Ausgangskanal nicht gespeist AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

21 Messung Oberen: 19,99 V Unten: 39,49 mv Ergebnis Kanal 1: 20 Veff Kanal 2: 39,5 mveff Verhältnis Übersprechen: 1: Übersprechen bei 10 khz Bild 16 - Oberes Fenster: Linker Ausgangskanal gespeist. Unteres Fenster: Recher Ausgangskanal nicht gespeist Messung Oben: V Unten: 355 mv Ergebnis Kanal 1: 19,88 Veff Kanal 2: 355 mveff Verhältnis Übersprechen: 1:56 Hinweis: Das Übersprechen bei 10 khz ist 9 mal größer als bei 1 khz. AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

22 2.6 Signal-Rausch-Verhältnis messen Überprüfen des SNR (Signal to Noise Ratio/Signal-Rausach-Verhältnis) einer Quelle. Generator-Ausgangspegel auf 900 mv bei 10 khz setzen. Generator-Ausgang direkt mit dem Kanal A Eingang verbinden. Spektrum-Modus auswählen. Fenster-Typ Hann oder Blackman auswählen. Dies wird empfohlen wegen des geringen Rauschens. SNR-Messung wählen. Signal to Noise Ratio of generator.psdata Wert des SNR ist -93,2 db. Messung des SNR des Verstärkers. Generator-Ausgang auf den Eingang des Verstärkers im Test umstecken. x10 Tastkopf an Eingangskanal A anschließen und Tastkopf an die 15 Ohm Last am Ausgang des Kanals A anschließen. SNR messen. Signal to Noise Ratio of amplifier output.psdata Die automatische Messung zeigt den SNR als -114 db. Der Cursor misst ebenfalls ein durchschnittliches Rauschen von -114 db. Signal to Noise Ratio (SNR). Das Verhältnis (in db) der durchschnittlichen Signalstärke zur durchschnittlichen Stärke des Rauschens. Fenster-Typ Hann oder Blackman werden wegen ihres geringen Rauschens empfohlen. AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

23 2.7 Messung der Verzerrung Total Harmonic Distortion (THD). Verhältnis der summierten Leistungen aller Oberschwingungen zur Leistung der Grundschwingung. Total Harmonic Distortion plus Noise (THD+N). Verhältnis der Summe der Störleistungen der Harmonischen plus Störleistung des Rauschens mit der Leistung des Gesamtsignals. THD+N Werte sind immer größer als die THD Werte für das gleiche Signal. Dieser Test prüft den THD-Wert für verschiedene Ausgangspegel, abhängig vom Prüfling. Die maximale Ausgangsleistung ist dann die höchste ausgegebene Leistung, die die THD-Spezifikation erfüllt. Distortion Measurement 1W output Power.psdata Bei 1 W Ausgangsleistung ist der THD-Wert -90 db. Distortion Measurement 15W output Power.psdata Bei 15 W Ausgabe ist der THD-Wert auf -50 db angestiegen. AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

24 Distortion Measurement 45W output Power.psdata Bei 45 W setzt bei der Ausgangs-Power-Waveform Clipping ein, wodurch die Verzerrung ansteigt. Dies kann man im Spektrum-Display sehen, da die dritte Harmonische größer geworden ist SINAD Die SINAD-Messung ist eine weitere Methode, um die Signal-Qualität zu messen. Diese Messung vergleicht Verzerrung plus Rauschen mit dem tatsächlichen Signal-Pegel. Signal+Noise+Distortion to Signal+Noise Ratio (SINAD). Das Verhältnis von Signal plus Rauschen plus Verzerrung zu Rauschen plus Verzerrung. AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

25 2.8 Messung der Phasenverschiebung Zwei Messarten der Phasenverschiebung sind möglich: Phasenverschiebung von Eingang zu Ausgang jedes einzelnen Kanals des Verstärkers. Phasenverschiebung zwischen linkem und rechtem Kanal Phasenverschiebung von Eingang zu Ausgang Bild 17 Setup für Messung der Phasenverschiebung von Eingang zu Ausgang Phasenverschiebung Tastkopf-Kompensation Generator-Amplitude auf 1 V bei 1 khz setzen. Phasenverschiebung zwischen linkem und rechtem Kanal des Verstärkers messen. Phase shift probe compensation.psdata Es ist wichtig, x10 Tastköpfe zu kompensieren, indem man beide Tastköpfe an den Generator-Ausgang anschließt und dann, während man beide Kanäle beobachtet, die Tastkopf-Kompensation so einstellt, dass die Phasen-Differenz nahezu gleich Null ist. phase shift with probe compensation.avi AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

26 2.8.3 Phasenverschiebung Eingangskanal A zu Ausgang bei 1 khz Generator-Frequenz auf 10 khz ändern. Erneutes Messen der Phasenverschiebung. Phase shift channel A input to output at 1 khz.psdata Phasenverschiebung Eingangskanal A zu Ausgang bei 10 khz Phase shift channel A input to output at 10 khz.psdata Ergebnisse Gemessene Phasenverschiebung bei 10 khz Cursor-Messung Zyklus-Zeit: Ausgang eilt Eingang voraus um: Phasenverschiebung: 7,3 100 µs 2,1 µs (360 x 2,1)/100 = 7,5 AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

27 2.8.5 Messung der Phasenverschiebung zwischen linkem und rechtem Kanal Bild 18 Setup für Phasenverschiebung zwischen den Kanälen Verbinden des Generator-Signals mit dem linken und rechten Verstärker- Eingang. Generator-Frequenz auf 1 khz einstellen. Oszilloskop-Eingang A mit linkem Kanal des Verstärkers verbinden, 15 Ohm Ausgangslast. Oszilloskop-Eingang B mit rechtem Kanal des Verstärkers verbinden, 15 Ohm Ausgangs-Last. Generator-Frequenz auf 1 khz einstellen. Phasenverschiebung zwischen A und B messen. Generator-Frequenz auf 10 khz einstellen. Phasenverschiebung zwischen A und B messen. Ergebnisse Phase shift channel A to B at 1 khz.psdata Phase shift channel A to B at 5 khz.psdata AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

28 Phase shift channel A to B at 10 khz.psdata AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd

29 3 ZUSÄTZLICHE QUELLEN Dieses Symbol weißt auf PicoScope Data (PSDATA) Files hin, die zum Download zur Verfügung stehen: Dieses Symbol zeigt an, dass erklärende Videos zu diesem Thema zu finden sind unter: picoscope.tv AR195-1 Copyright Pico Technology Ltd