Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (6). Komercyjne układy m.cz.

Adam Sobczyk

Kursy

Pomiary i testy

5 stycznia 2026

199

Po dłuższej przerwie wracamy do edukacyjno-projektowego cyklu publikacji o pomiarach charakterystyk częstotliwościowych. W jego kolejnych odsłonach nadszedł czas na spotkanie z fabrycznymi urządzeniami analogowymi małej częstotliwości. Będą to przede wszystkim różnorodne wzmacniacze mocy audio – ale nie tylko. W tym artykule skupimy się na częściowo zautomatyzowanym, autorskim środowisku pomiarowym, które posłużyło twórcy tego materiału do wykonania większości opisanych dalej pomiarów komercyjnych liniowych układów m.cz.

Poprzednia część

Spis treści

Następna część

1. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (1). Filtry bierne m.cz. 2. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (2). Filtry aktywne m.cz. typu Sallen–Key 3. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (3). Amplifiltry wąskopasmowe 4. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (4). Filtry cyfrowe DSP typu FIR 5. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (5). Filtry cyfrowe DSP typu IIR 6. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (6). Komercyjne układy m.cz. 7. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (7). Komercyjne układy m.cz. – cd.

Podstawowe środowisko pomiarowe

Część sprzętowa podstawowego środowiska pomiarowego, wykorzystanego do przeprowadzenia opisanych dalej testów, została oparta na koncepcji platformy sprzętowej zaimplementowanej w testach filtrów cyfrowych FIR oraz filtrów IIR, przedyskutowanych w poprzednich dwóch częściach tego cyklu publikacji. W szczególności do cyfrowego przetwarzania sygnałów zastosowano ponownie moduł NUCLEO z mikrokontrolerem STM32L432KC oraz bloki analogowych filtrów: wygładzającego i antyaliasingowego, które zostały istotnie zmodernizowane.

Schemat blokowy sprzętowej części podstawowego środowiska pomiarowego pokazano na rysunku 69. Z zasobów oferowanych przez mikrokontroler, oczywiście poza jednostką centralną i układami taktującymi, wykorzystano przede wszystkim: przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC), przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) oraz blok interfejsu UART – który za pomocą dostępnego na zastosowanej płytce NUCLEO konwertera UART-USB – posłużył do wyprowadzania rezultatów pomiarów na terminal znakowy w komputerze PC. Algorytm i dalsze szczegóły działania zaimplementowanego oprogramowania sterującego pracą mikrokontrolera zostały opisane w końcowej części artykułu. W tym miejscu skupiono się przede wszystkim na sprzętowych aspektach funkcjonowania omawianego środowiska pomiarowego. Na wspomnianym wcześniej rysunku 69 zaprezentowano kilka bloków funkcjonalnych, połączonych strzałkami, które ilustrują kierunki przepływu sygnałów pomiędzy nimi. Bloki narysowane linią ciągłą reprezentują niezbędne elementy minisystemu pomiarowego, natomiast bloki nakreślone linią przerywaną obrazują elementy opcjonalne. Do bloków obowiązkowych, oprócz wymienionego wcześniej, kluczowego w tym zastosowaniu, modułu NUCLEO wraz z towarzyszącymi filtrami analogowymi, należą oczywiście: blok testowanego urządzenia zewnętrznego DUT (ang. Device Under Test) oraz blok zewnętrznego zasilania przedmiotowego urządzenia DUT (+12 VDC albo 230 VAC – w zależności od konkretnego DUT). Jakkolwiek w przeprowadzonych doświadczeniach pomiarowych przetestowano także jedno urządzenie aktywne, które z zasady nie wymagało zasilania. Do obligatoryjnych bloków w przyjętym rozwiązaniu systemu pomiarowego należy m.in. terminal znakowy w komputerze PC, na który mikrokontroler STM32L432KC wysyłał przez interfejs UART/USB rezultaty pomiarów w prostym formacie tekstowym (do dalszej obróbki – np. w arkuszu kalkulacyjnym lub za pomocą dedykowanego skryptu w języku perl, python itp.)

Rysunek 69. Schemat blokowy sprzętowej części podstawowego środowiska pomiarowego

Do bloków opcjonalnych należy w pierwszej kolejności sztuczne obciążenie 8 Ω/12 W (max.), które było niezbędne wyłącznie do testowania wzmacniaczy mocy m.cz., ale nie było potrzebne np. do testów samodzielnego korektora audio (bez wzmacniacza mocy). Mniej istotnymi, chociaż w ocenie autora tego opracowania, bardzo przydatnymi w trakcie przeprowadzonych pomiarów blokami, są: analogowe, zgrubne mierniki napięcia sterującego oraz napięcia na obciążeniu (wraz z dedykowanymi układami prostowniczymi) a także oscyloskopy, przeznaczone do wizualnej kontroli jakości tychże napięć. Sygnał wytworzony w wewnętrznym, programowym generatorze DDS, pracującym z częstotliwością próbkowania Fs=96 kHz, przekonwertowany na sygnał analogowy w przetworniku DAC (zlokalizowanym w MCU STM32L432KC na płytce NUCLEO) jest podawany na filtr wygładzający górnej częstotliwości granicznej Fg=20 kHz. Stamtąd dalej trafia na wejście testowanego urządzenia zewnętrznego (DUT). Z wyjścia urządzenia DUT sygnał mierzony dociera na wejście filtra antyaliasingowego (istotnego m.in. z uwagi na możliwość powstawania w DUT pasożytniczych częstotliwości harmonicznych) i dalej na wejście przetwornika ADC (także zlokalizowanego w MCU STM32L432KC na płytce NUCLEO), pracującego z tą samą częstotliwością próbkowania (Fs=96 kHz). W przypadku pomiaru sygnałów na wyjściu wzmacniaczy mocy, przebiegi te były wstępnie tłumione o –20 dB, by nie przekroczyły dozwolonego zakresu przetwarzania napięć przez przetwornik ADC. Następnie zmierzone przez ADC próbki sygnału były skanowane i analizowane pod kątem wyznaczenia ich minimalnych i maksymalnych wyników (osobno dla każdej częstotliwości pomiarowej Fpom), wartości skrajne były z kolei wykorzystywane do wyliczenia napięcia [Vp-p] na wyjściu testowanego DUT. Finalnie, kolejne pary wartości: (Fpom [Hz], Upom [Vp-p]), gdzie zachodziło Upom=f(Fpom), były wysyłane do terminala tekstowego w komputerze PC – celem ich wizualizacji i dalszej obróbki przez operatora opisanego minisystemu pomiarowego.