Als wir anfingen, daran herumzubasteln Audioverstärkerentweder von billige Röhren, Transistoren oder Klasse DFrüher oder später kommt der Zeitpunkt, an dem man mehr messen möchte, als nur wie laut der Verstärker klingt. Wir wollen wissen, ob der Verstärker abschaltet, wie er sich bei verschiedenen Frequenzen verhält, welche Verzerrungen er erzeugt oder ob er aufgrund der Quelle, der Verkabelung oder der umgebenden Funkfrequenzen seltsame Geräusche verursacht.
Trotz alledem, ein Oszilloskop kombiniert mit einem Signalgenerator Ob physisch oder softwarebasiert – es wird zum perfekten Werkzeug für Ihr Heim-Minilabor. Das Problem: Oft fehlt es an klaren Anleitungen, die Fachbegriffe klingen unverständlich, und wir betrachten Wellenformen, ohne wirklich zu wissen, was wir sehen. Hier fassen wir all diese Ideen zusammen und verbinden praktische Theorie, Tipps aus Workshops und leicht zugängliche Lösungen, inklusive kostenloser Software.
Grundlagen vor der Messung eines Verstärkers mit einem Oszilloskop
Bevor wir das Oszilloskop an den ersten Stecker anschließen, den wir finden, ist es wichtig, ein paar Dinge zu klären. grundlegende elektrische Konzepte Das wird ständig auftreten: Impedanz, Verzerrung, Frequenzgang, Obertöne, Sättigung usw. Man muss kein Ingenieur sein, aber man muss wissen, was man messen will.
Bei jedem Audioverstärkertest mit einem Oszilloskop unterscheiden wir immer einen Teil von Niederfrequente Signale (Audio) und in manchen Konfigurationen eine Hochfrequenzkomponente (HF-Komponente). Dieser letzte Punkt ist beispielsweise bei der Verwendung von … von entscheidender Bedeutung. HF-Verstärker um 1 MHzWir fügen einen Gleichstromblocker hinzu und schließen die Schaltung mit einer 50-Ω-Last ab. Die Kenntnis der einzelnen Bauteile verhindert kostspielige Fehler.
Die typische HF-Kette sähe folgendermaßen aus: HF-Verstärker → DC-Sperrer → HF-Abschlusswiderstand (normalerweise eine 50-Ω-Last). Daraus ergibt sich die Frage: Kann ich das Oszilloskop an diese Leitung anschließen und das Signal so betrachten, wie es ist, oder benötige ich einen Dämpfungsregler, um die Messgeräte zu „schützen“ und die Pegel anzupassen?
Bei reinem Audio hingegen ändert sich die Diskussion. Dort konzentrieren wir uns mehr auf Dinge wie … Eingangsimpedanz, Ausgangsimpedanz, Klirrfaktor (THD), Sättigung mit sinusförmigen Signalen, Hintergrundgeräuschen, Brummen, Schwingungen und allem, was die wahrgenommene Klangqualität beeinflussen kann, obwohl am Ende „das Ohr entscheidet“.
Die Grundidee besteht darin, eine Art von Heim-Minilabor Mit physikalischen Messgeräten und kostenloser Software: Oszilloskop (physisch oder als Software), Funktionsgenerator oder Soundkarten, Programme zur Analyse von Spektren und Obertönen usw. Mit sehr geringem Geld kann man viele nützliche Informationen über den Verstärker gewinnen.
Grundlegende Tests an Audioverstärkern: Was ist messwürdig?
Wenn Sie mehr als nur „Es klingt gut für mich“ beurteilen möchten, sollten Sie bei einem Verstärker zunächst folgende Tests durchführen, insbesondere wenn es sich um einen Röhren oder hohe WiedergabetreueSie sind ziemlich standardisiert. Sie entsprechen denen, die in professionellen Audiolaboren verwendet werden, sind aber so angepasst, dass sie sich mit etwas Zeit und Geduld jeder zu Hause einrichten kann.
Eine gute erste Liste von Tests (nicht vollständig, aber sehr umfassend) beinhaltet die EingangsimpedanzAusgangsimpedanz, Zwischenstufenimpedanz, harmonische Verzerrung mit und ohne Rückkopplung, Sättigung zu einer Sinuswelle, Gleichstrommessungen sowie Rausch- und Frequenzganganalyse.
Im Detail gilt für einen Röhren- oder Transistorverstärker Folgendes: interessante Tests Sie sind normalerweise:
- EingangsimpedanzPrüfen Sie, welche Last der Verstärker für die Quelle (Vorverstärker, DAC usw.) darstellt.
- AusgangsimpedanzEs ist entscheidend zu wissen, wie es mit dem Lautsprecher interagiert und den Dämpfungsfaktor zu verstehen.
- ZwischenstufenimpedanzBesonders nützlich in Röhrenverstärkern mit mehreren Verstärkungsstufen und Kathodenfolgern.
- Totale harmonische Verzerrung (THD): mit und ohne Feedback, um zu sehen, wie stark die Schleife korrigiert.
- Sättigung mit sinusförmig: Wie hoch wir den Eingangspegel erhöhen können, bevor es zu Übersteuerungen kommt und wie stark die Wellenform verzerrt wird.
Darüber hinaus gibt es die Analyse von Rauschen, Brummen, Hochfrequenzstörungen und mögliche SchwingungenOftmals glauben wir, der Verstärker sei in Ordnung, obwohl er in Wirklichkeit in Ultraschallfrequenzen schwingt oder Hochfrequenzwellen aussendet, die zwar nicht hörbar sind, aber Bauteile erhitzen oder andere Geräte in der Nähe stören können.
Die Analysen von Frequenzgang und SpektrenÜberprüfen Sie die EQ-Kurve, die Linearität, das Verhalten im Tieftonbereich (bedingt durch den Ausgangstransformator, falls vorhanden) und das Verhalten im Hochtonbereich (Grenzen der Verstärkerstufe, parasitäre Kapazitäten usw.). Für diejenigen, die mit Röhren arbeiten: Kennlinien der Ventile und die Verwendung von Tracern kann ebenfalls Teil des Pakets sein.
Das Schöne an der ganzen Sache ist, dass man sie mit kostenlose Software und ein Oszilloskopoder sogar mit einem Software-Oszilloskop, das die Soundkarte des Computers nutzt, solange wir sorgfältig auf die Pegel und Schutzmechanismen achten.
Verwendung eines Oszilloskops bei HF-Tests: Gleichstromblocker, Abschlusswiderstand und Dämpfungsglied
Wenn der Verstärker nicht nur für Audio, sondern auch für … HF-Verstärker (z. B. bei 1 MHz)Die typische Baugruppe enthält Komponenten, die in der reinen Audiotechnik weniger üblich sind: Gleichstromsperren und HF-Abschlusswiderstände. Eine gängige Konfiguration könnte wie folgt aussehen:
HF-Verstärker → DC-Sperrer → 50 Ω HF-Abschlusswiderstand
Der DC-Blocker wird verwendet, um Entfernen Sie die Gleichstromkomponente. des Signals und schützt so sowohl nachgeschaltete Geräte als auch die Last selbst. Der HF-Abschlusswiderstand, typischerweise ein 50-Ω-Widerstand, dient dazu, die Impedanz anpassen der Linie, wobei Reflexionen und Instabilitäten vermieden werden.
Die zentrale Frage in diesem Zusammenhang lautet: Kann ich das Oszilloskop direkt an den Ausgang des Verstärkers (oder an diese Leitung) anschließen und das Signal ablesen, oder benötige ich ein … HF-DämpfungsgliedDie Antwort hängt von mehreren Faktoren ab: dem vom Verstärker verarbeitbaren Spannungsbereich, der Ausgangsimpedanz, der maximalen Empfindlichkeit des Oszilloskopkanals und der Frage, ob das Gerät für 50 Ω oder für hochohmige Eingänge ausgelegt ist.
In der Praxis ist es oft möglich, das Oszilloskop direkt anzuschließen, indem man ein 10:1 Sonde das bereits als Dämpfungsglied fungiert und eine weniger störende Last darstellt. In reinen HF-Anwendungen ist es jedoch üblich, ein spezielles HF-Dämpfungsglied einzufügen, um:
- Reduzieren Sie die Signalamplitude in einen sicheren Bereich für das Oszilloskop.
- Impedanzanpassung beibehalten (50 Ω) entlang der gesamten Leitung.
- Verhindern Sie, dass der eigene Eingang des Oszilloskops von verändert die Messung erheblich.
Wenn Sie mit 1 MHz arbeiten mit einem kostengünstiger Verstärker Bei der Verwendung mit teureren Geräten ist es unerlässlich, die maximale Ausgangsspannung des Verstärkers und den zulässigen Messbereich Ihres Oszilloskops genau zu kennen. Diese Daten entscheiden darüber, ob eine direkte Verbindung möglich ist, ob eine 10:1-Dämpfungssonde ausreicht oder ob ein HF-Dämpfungsglied in der Leitung erforderlich ist.
Röhrenverstärker messen: typische Prüfungen und ihre Bedeutung
In der Welt der Röhrenverstärker gibt es eine Mischung aus Leidenschaft, Handwerkskunst und WissenschaftViele Enthusiasten bauen ihre eigenen Designs oder modifizieren handelsübliche Verstärker und wollen dann mehr als nur hören, ob das Ergebnis „cool“ ist oder nicht. Hier wird standardisiertes Testen wirklich interessant.
Ein sinnvoller erster Test besteht darin, die EingangsimpedanzDies gibt uns Aufschluss darüber, welche Last die Signalquelle (z. B. ein Röhrenvorverstärker, ein Effektpedal oder ein DAC) sieht. Ist sie zu niedrig, kann dies die vorherige Stufe überlasten, ihren Frequenzgang verändern oder unerwünschte Verzerrungen verursachen. Ist sie zu hoch, ist dies in der Regel unproblematisch für die Quelle, kann die Schaltung aber anfälliger für Störungen machen.
La Ausgangsimpedanz Dies ist entscheidend, wenn wir den Verstärker an einen realen Lautsprecher anschließen. Bei Röhrenverstärkern spielt der Ausgangstransformator eine grundlegende Rolle, und die Ausgangsimpedanz beeinflusst die Schwingung des Lautsprechers, die Dämpfung seiner Membran und den tatsächlichen Frequenzgang des Systems. Dies ist der Ursprung dessen, was man als … bezeichnet. Dämpfungsfaktor (Dämpfungsfaktor), der häufig im Zusammenhang mit Hi-Fi-Geräten verwendet wird.
Neben den Eingangs- und Ausgangsimpedanzen lohnt es sich, auch die folgenden Aspekte zu betrachten: Zwischenstufenimpedanz innerhalb des Verstärkers selbst. Dies beeinflusst die Kopplung der Röhren untereinander, ihre gegenseitige Belastung sowie die Veränderungen des Frequenzgangs und der Gesamtverstärkung.
Ein weiterer grundlegender Baustein ist der/die/das harmonische Verzerrung (THD)Mit und ohne Rückkopplung. Negative Rückkopplung reduziert Verzerrungen in der Regel drastisch, verändert aber auch die Verteilung der Obertöne und kann das subjektive Klangempfinden beeinflussen. Durch Messung mit einem Sinusgenerator und Analyse des Spektrums lässt sich erkennen, welche Obertöne (gerade, ungerade, höhere usw.) vorherrschen.
Schließlich gibt es noch die Beweise für Sättigung und Clipping Mit einer Sinuswelle. Die Amplitude des Eingangssignals wird schrittweise erhöht, bis der Verstärker die Wellenspitze abschneidet. Das Oszilloskop macht dies deutlich sichtbar: Die Welle wandelt sich von einer sauberen Sinuswelle zu einer Form mit abgeflachten Spitzen und Tiefen. Die Beobachtung, wie diese Abschneidung erfolgt (symmetrisch, asymmetrisch, gleichmäßig, abrupt), verrät viel über den Charakter des Verstärkers.
Frequenzgang und Tests mit kostenloser Software
Einer der lohnendsten Tests, die man durchführen kann, selbst mit bescheidenen Mitteln, ist der Frequenzgang des VerstärkersIm Wesentlichen geht es darum zu sehen, wie sich die Verstärkung des Verstärkers über den relevanten Frequenzbereich verändert (zum Beispiel von 20 Hz bis 20 kHz im Audiobereich).
zu Führe diesen Test durch Sie können verwenden:
- Ein physikalischer Signalgenerator das Frequenzen durchlaufen kann.
- Gratis Software auf dem Computer, der einen Frequenzdurchlauf erzeugt und diesen über die Soundkarte ausgibt.
- WAV-Dateien mit rosa Rauschen, weißem Rauschen oder vordefinierten Sweeps.
Die Messung kann direkt mit dem/der/dem durchgeführt werden. Oszilloskop am VerstärkerausgangVergleich der Amplituden für verschiedene Frequenzen. Viele bevorzugen es, bequemer die folgende Methode zu verwenden: Soundkarte als Messinstrument, mit Programmen, die auf dem Bildschirm den Amplituden- (und manchmal Phasen-) Graphen des Frequenzgangs anzeigen.
Es gibt bekannte kostenlose Anwendungen für Audiomessungen (Spektrumanalyse, Klirrfaktormessung, Frequenzgang usw.), die den Line-Eingang des PCs nutzen. Achten Sie lediglich darauf, den Eingang nicht zu überlasten und verwenden Sie gegebenenfalls Dämpfungsglieder oder Spannungsteiler. Auf diese Weise lässt sich die Kombination aus Software + Soundkarte Es wird zu einer Art kostengünstigem „Audioanalysator“.
Der Clou bei dieser Art von Test ist, dass man anhand eines einfachen Diagramms deutliche Leistungseinbrüche erkennen kann. Einschränkungen des AusgangstransformatorsVerluste bei hohen Frequenzen aufgrund interner Kapazitäten, unerwünschter Resonanzen oder auch des Einflusses von Rückkopplungen auf die Glätte der Kurve.
Harmonische, FFTs und was Sie tatsächlich hören
Eine weitere sehr interessante Testgruppe dreht sich um die Harmonische und Spektralinhalt des Ausgangssignals. Hierbei besteht der typische Ansatz darin, eine reine Sinuswelle an den Verstärkereingang anzulegen und mithilfe einer Fourier-Analyse (FFT) zu beobachten, welche Obertöne auftreten und mit welcher Amplitude relativ zur Grundwelle.
Wenn das Oszilloskop über eine eingebaute FFT-Funktion verfügt, können Sie bereits ein Frequenzspektrum Das ist ziemlich eindeutig. Falls nicht, können Sie wieder kostenlose Software verwenden, die mithilfe der Soundkarte das Spektrum des eingehenden Signals aufzeichnet. In beiden Fällen ist es wichtig, die Obertöne zu unterscheiden. gerade und ungerade, Verzerrungspegel niedriger Ordnung versus Verzerrungen höherer Ordnung und das Vorhandensein von Audiokomponenten außerhalb des Frequenzbandes.
In der Praxis haben viele Enthusiasten festgestellt, dass ein Signal, das auf dem Oszilloskop „unsauber“ aussieht, nicht immer auch einen schlechten Klang bedeutet, insbesondere wenn es um … geht. preiswerte VerstärkerEin typisches Beispiel ist ein sehr billiger Class-D-Verstärker (etwa 10 Dollar, gekauft auf AliExpress), der, streng betrachtet anhand der Wellenform, eine beträchtliche Hochfrequenzmodulation, Rauschen und kleine Artefakte aufweisen kann.
Jedoch in Vergleichstests, in denen die echter Verstärkerklang Beim Musikhören über echte Lautsprecher zeigte sich, dass das Ergebnis für den Preis überraschend gut sein kann, obwohl die Aufzeichnung der Wellenform mit einem Oszilloskop eine sehr kritische Herangehensweise erfordert. Dies erinnert uns daran, dass das menschliche Ohr viele Unvollkommenheiten ausblendet und der Zusammenhang zwischen „perfekter Wellenform“ und „angenehmem Klang“ nicht immer eindeutig ist.
Natürlich erwartet man bei teurer oder besonders hochwertiger Ausrüstung exzellente Messwerte und eine möglichst saubere Wellenform. Aber für Preiswerte Verstärker für DIY-Projekte oder AnfängerEs ist wichtig, die Messwerte im Kontext zu betrachten und sich nicht von jedem noch so kleinen Peak im Spektrum vereinnahmen zu lassen.
Rauschen, Brummen, Hochfrequenzstörungen und unerwünschte Schwingungen
Abgesehen von der harmonischen Verzerrung ist ein Bereich, in dem das Oszilloskop besonders nützlich ist, die Rausch- und Schwingungserkennung die möglicherweise nicht leicht durch das Ohr wahrgenommen werden können oder mit anderen Problemen verwechselt werden.
unter den Phänomene Zu denjenigen, die es wert sind, aufgesucht zu werden, gehören:
- Thermisches und bauteilbezogenes Hintergrundrauschen, was auf dem Bildschirm wie eine Art „Wolke“ aussieht.
- 50/60 Hz Brummen und seine Obertöne, typisch für schlecht gefilterte Quellen oder Erdschleifen.
- Parasitäre Hochfrequenz die über die Luft oder über Kabel koppelt, oft über sehr empfindliche Verstärkungsstufen.
- Hochfrequente Schwingungen verursacht durch mangelhaft kompensierte Rückkopplung oder fehlerhafte Verkabelung.
Diese Tests können durchgeführt werden, indem der Verstärkereingang kurzgeschlossen (gegen Masse) und der Ausgang an eine geeignete Last angeschlossen wird, während das Ausgangssignal mit einem Oszilloskop auf verschiedenen Zeitskalen beobachtet wird. Durch Ändern der Zeitbasis lassen sich beide Aspekte leichter erkennen. niederfrequentes Summen wie etwa Schwingungen im kHz- oder sogar MHz-Bereich.
Für diejenigen, die Röhrenverstärker bauen, ist dies besonders relevant, da lange Kabel, schlecht verteilte Erdungen und die Nähe von Transformatoren leicht Probleme verursachen können. Brumm-, Kopplungs- und HF-ProblemeDie Betrachtung des Problems auf dem Oszilloskop hilft dabei, genau zu bestimmen, wo im Schaltkreis es auftritt und welche Verdrahtungs- oder Filteränderungen es verringern.
Diese Beobachtungen in Kombination mit Spektralanalyse-SoftwareDarüber hinaus erhält man einen sehr klaren Überblick über die Frequenzen, bei denen sich das Rauschen konzentriert. Dies ermöglicht es, zu unterscheiden, ob das Problem primär im Stromnetz, in aktiven Bauteilen, im Leiterplattendesign oder in externen Störungen begründet liegt.
Mit all diesen Werkzeugen können Sie ein Heim-Minilabor Überraschend leistungsstark: ein Oszilloskop (physisch oder digital), ein Signalgenerator, eine Soundkarte, kostenlose Software zur FFT- und THD-Messung sowie einige Lasten und Dämpfungsglieder. Damit lassen sich die Verstärker feinabstimmen – von den einfachsten und günstigsten bis hin zu anspruchsvolleren Röhrenprojekten. Dabei ist stets auf die richtigen Spezifikationen zu achten, wobei das Gehör letztendlich den besten Klang liefert.
Arbeiten mit einem Oszilloskop an Audioverstärkern, sei es beim Messen Frequenzgang, Verzerrungen, Rauschen oder SchwingungenEs ermöglicht Ihnen, wirklich zu verstehen, was in Ihren Geräten vor sich geht und warum sie so klingen, wie sie klingen. Einige Messungen bestätigen, dass etwas, das Sie gehört haben, eine objektive Erklärung hat; andere decken Mängel auf, die Ihrem Gehör vielleicht entgangen sind. Und nicht selten werden Sie feststellen, dass ein billiger Verstärker, der auf dem Bildschirm schlecht aussieht, für Ihren vorgesehenen Zweck perfekt funktioniert, während ein sorgfältiger konstruierter Verstärker in den Diagrammen den Unterschied aufzeigt, der die investierte Zeit und das Geld rechtfertigt.
