Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (7). Komercyjne układy m.cz. – cd.

Adam Sobczyk

Kursy

4 marca 2026

Kontynuujemy spotkanie z tematyką pomiarów charakterystyk częstotliwościowych fabrycznych urządzeń analogowych małej częstotliwości: wzmacniaczy mocy i korektorów audio. W pierwszej części publikacji o urządzeniach m.cz. skupiono się na zastosowanym, częściowo zautomatyzowanym, autorskim środowisku pomiarowym. Nadszedł czas na opis tego, co konkretnie, jakimi metodami i z jakimi rezultatami zostało pomierzone. Zaprezentowany dalej materiał może okazać się cenną inspiracją dla Czytelników o aspiracjach audiofilskich.

Poprzednia część

Spis treści

Następna część Toc right icon

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.

Zastosowane oprogramowanie

Sprzętowe środowisko pomiarowe, opisane szczegółowo w pierwszej części publikacji i zastosowane do przeprowadzenia opisanych dalej testów, do cyfrowego przetwarzania sygnałów (DSP) wykorzystywało moduł NUCLEO z mikrokontrolerem STM32L432KC. Z uwagi na główny nurt tej publikacji, skupiony wokół zagadnień czysto analogowych, pominięty zostanie w tym miejscu szczegółowy opis zastosowanych rozwiązań programistycznych. Jakkolwiek dla dobrego zrozumienia zastosowanej metodyki pomiarów, konieczne jest choćby zwięzłe przedstawienie kluczowych założeń oprogramowania zaimplementowanego w MCU. Poniżej przedstawiono zarys algorytmu.

Setup oprogramowania sterującego MCU:
- włączenie niezbędnych modułów (zasobów) programowych,
- definicje zmiennych i stałych,
- konfiguracja oraz inicjalizacja kluczowych peryferiów (GPIOs, TIMx, ADCx, DACx, USARTx).
Wygenerowanie kalibrującego sygnału sinusoidalnego o częstotliwości Fgen=1 kHz przez okres Tcal=10 s.
Wyzerowanie wyjścia generatora na okres Tnull=1 s celem uzyskania stanu ustalonego w badanym urządzeniu DUT.
Cykliczna pętla pomiarowa. Dla wszystkich ustalonych częstotliwości pomiarowych z predefiniowanej listy Fgen[i] w zakresie od 20 Hz do 20 kHz – wykonywanie synchronicznie (z tą samą częstotliwością próbkowania Fs) następujących zadań:
- generowanie testowych sygnałów sinusoidalnych o częstotliwościach Fgen[i] oraz czasach trwania Ttest=10 s (DDS→DAC),
- próbkowanie i skanowanie na bieżąco zakresu wartości (ADC→SCAN) napięć na wyjściu DUT, celem wyznaczenia międzyszczytowego napięcia różnicowego Uout[i] [Vpp],
- wyprowadzanie przez USART na ekran terminala znakowego w PC kolejnych par wartości (Fgen[i], Uout[i]).
Powrót do punktu 2 powyżej celem powtórzenia pomiarów (pętla nieskończona).

Do generowania sygnałów sinusoidalnych zastosowano powszechnie znaną technikę DDS (ang. Digital Direct Synthesis). Syntezer DDS pracował z częstotliwością Fs=96 kHz, co oznacza pewien oversampling (zgodnie z kryterium Nyquista Fsmin >2*Fgen_max, czyli Fsmin > 40 kHz). Jakkolwiek biorąc pod uwagę pomiarowy charakter prezentowanego systemu, a także nieidealne charakterystyki zastosowanych filtrów: wygładzającego oraz antyaliasingowego, oversampling na poziomie 96 kHz/40 kHz=2,4 nie wydaje się być w tym zastosowaniu szczególnie wygórowany. Tutaj warto wspomnieć o tym, że w procedurze skanowania (SCAN) poziomu mierzonego sygnału Uout (oczywiście próbkowanego synchronicznie z tą samą częstotliwością Fs=96 kHz, z którą pracował generator DDS) zastosowano swego rodzaju prosty, przeciwzakłóceniowy, dolnoprzepustowy filtr FIR. Filtr ten po prostu uśredniał ze sobą odpowiednio: nowo znalezioną maksymalną wartość sygnału z ostatnio wyznaczoną wartością maksymalną (i analogicznie dla wartości minimalnych). Zabieg ten miał na celu minimalizację ryzyka wpływu zakłóceń impulsowych (szpilek), które w wyniku stanów nieustalonych (przejściowych) mogłyby potencjalnie wystąpić na wyjściu mierzonego DUT w momentach znamiennych: załączenia oraz wyłączenia sygnału sinusoidalnego o danej Fgen[i]. Do odczytu rezultatów pomiarów w formie par (Fgen[i], Uout[i]) po stronie terminala PC wykorzystano popularny, dostępny nieodpłatnie i łatwo konfigurowalny program „Tera Term” w wersji 5.4.0, pracujący jako tzw. wirtualny terminal tekstowy (VT).

Zrzut ekranu z przykładowego rezultatu pojedynczej serii pomiarów zaprezentowano na fotografii 9.

Fotografia 9. Przykładowe rezultaty pomiarów (z terminala tekstowego)

Metodyka i zakres pomiarów

W zastosowanej metodyce pomiarów charakterystyk częstotliwościowych urządzeń m.cz. przyjęto następujące założenia techniczne:

do testów włączono elektroakustyczne wzmacniacze mocy (różnych klas), korektory audio (czynne i bierne), a także urządzenia łączące obie te funkcje,
poddawane testom urządzenia (DUT) były mierzone w zamkniętej, półautomatycznej pętli pomiarowej, zorganizowanej wg schematu blokowego z rysunku 69, z wykorzystaniem analogowych peryferiów przedstawionych na rysunkach 76, 77 i 78 i wg algorytmu zarysowanego w rozdziale powyżej,
lista częstotliwości pomiarowych Fgen[i] została dobrana eksperymentalnie jako kompromis pomiędzy ich łączną liczbą i czasem trwania pojedynczej serii pomiarowej a możliwością zaobserwowania właściwości badanego układu, przede wszystkim na krańcach maksymalnego interesującego pasma przenoszenia, czyli pomiędzy 20 Hz a 20 kHz; w szczególności, jako punkty pomiarowe przyjęto zatem następujący ciąg częstotliwości Fgen[i]: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180, 200, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 4000, 6000, 8000, 10000, 12000, 14000, 16000, 18000 oraz 20000 Hz,
wszystkie badane urządzenia były stereofoniczne i dlatego osobno badano każdy kanał stereo, a w przypadku wzmacniacza z kanałem subwoofera przebadano także ten kanał,
w przypadku urządzeń wyposażonych w funkcje (opcje) korekcji charakterystyk częstotliwościowych, oprócz ustawień neutralnych sprawdzano także wpływ różnych nastaw dostępnych korektorów – przynajmniej w pozycjach skrajnych,
w przypadku wzmacniaczy elektroakustycznych poziomy wejściowych sygnałów sterujących były dobierane tak, aby w miarę możliwości uzyskiwać maksymalną moc wyjściową zbliżoną do wartości Pout=5 W (w szczególności, z uwzględnieniem ewentualnego efektu korekcji charakterystyki częstotliwościowej „in plus”) i oczywiście bez przesterowania wejścia urządzenia,
aby charakterystyki częstotliwościowe, zdjęte przy różnych nastawach korektorów pasma, były porównywalne, jako wspólny poziom odniesienia przyjmowano średni poziom wyjściowy napięcia Uout. Był on liczony po wszystkich zmierzonych wartościach Uout dla neutralnych ustawień korektora lub – gdyby nie było to możliwe – dla częstotliwości Fgen=1 kHz,
poziomy odniesienia były wyznaczane osobno (niezależnie) dla wszystkich mierzonych kanałów,
rezultaty pomiarów charakterystyk były przeliczane do skali logarytmicznej (decybelowej) i w tejże skali były prezentowane zarówno w tabelach, jak i na wykresach. Dodatkowo, dla lepszej percepcji i dogodniejszej ich interpretacji graficznej, na wykresach także osie częstotliwości były logarytmiczne,
w przypadku pomiarów wzmacniaczy mocy, na wyjściu wzmacniacza stosowano szerokopasmowy transformator separujący o przekładni napięciowej 1:1; był to zabieg absolutnie niezbędny szczególnie w przypadku wzmacniaczy pracujących w klasie D, dla których żaden z biegunów wyjścia bezwzględnie nie był trwale (galwanicznie) dołączony do masy sygnałowej systemu pomiarowego; wykonanie takiego połączenia na stałe byłoby bowiem co najmniej bardzo poważnym błędem technicznym a być może nawet destrukcyjnym dla systemu pomiarowego; aspekt ten został szerzej omówiony i wyjaśniony w dedykowanym rozdziale z technicznymi dygresjami.

Aby wyeliminować (albo przynajmniej zminimalizować) negatywny wpływ nieidealnych charakterystyk zastosowanych torów pomiarowych na dokładność pomiarów rzeczywistych charakterystyk częstotliwościowych badanych urządzeń (DUT), podjęto decyzję o wprowadzeniu do wyników pomiarów stosownych korekt. W tym celu wykonano wstępne pomiary charakterystyk częstotliwościowych samego systemu pomiarowego w zamkniętej pętli, ale bez DUT w środku – w dwóch wersjach, tzn.: bez transformatora separującego oraz z transformatorem separującym. Tabela 13 zawiera dane pomiarowe względnych transmitancji samych torów pomiarowych (zilustrowane na rysunku 83).

Jak nietrudno zauważyć, warto było wykonać te wstępne pomiary i uwzględnić ich rezultaty w formie korekt w pomiarach docelowych, ponieważ różnice względem toru idealnego są dość znaczne – zwłaszcza w górnej części pasma przenoszenia. Dodatkowo sam transformator separujący wprowadza całkiem wyraźne tłumienie dodatkowe w całym uwzględnianym paśmie przenoszenia i – co gorsza – jest ono nieco niejednorodne (krzywa transmitancji dla tego przypadku nie jest gładka).