Masuratori de THD si IMD

[Vizitator]

....fara introducere si teorie (asta o poate gasi oricine pe net) o sa prezint o metoda de masurare a distorsiunilor armonice (THD) si de intermodulatie (IMD) la un amplificator cu tuburi.In principiu metoda se poate aplica oricarui
amplificator sau preamplificator,egal ca e cu siliciu sau lampi.
Pentru cei care vor sa afle cate ceva despre distorsiuni recomand site_ul lui Lloyd Butler

http://users.tpg.com.au/users/ldbutler/index.htm
http://users.tpg.com.au/users/ldbutler/Measurement_Distortion.htm
http://users.tpg.com.au/users/ldbutler/Intermodulation.htm
si deasemenea cartea lui Bob Metzler, AUDIO MEASUREMENT HANDBOOK
http://www.uldis.info/jvc/Audio_Measurement_Handbook.pdf

Incep cu prezentarea sumara a aparatelor si semnalelor folosite in teste.

 

In coltul din dreapta sus e un analizor de distorsiuni THD si IMD,model BKM-120  realizat si folosit pe vremuri

de firma TAB (Tonographie Apparatebau).

 

Panoul frontal are in stanga sus un voltmetru cu scala in dB si V,in stanga jos iesirile generatoarelor de frecventza 0-a-b (0-a si 0-b sunt iesiri nebalansate iar a-b e iesire balansata) urmeaza apoi in partea de jos un comutator Gen.EMK si Eing.Analys (generator frecventza sau intrare analizator) care comuta functzia voltmetrului din stanga sus. Ausg.Pegel (nivel de iesire) are un potentiometru pt reglaj fin si un comutator in trepte gradat in V si dB. Intre cele doua voltmetre de panou in mijloc sus sunt doua comutatoare,cel din partea stanga Frequenzgang (comutator de frecvente) folosit de generatorul de frecventze fixe 40Hz,1KHz,(4,67KHz),

7KHz,11KHz si 14KHz. Cel din dreapta e folosit pt testele de THD pe pozitzia 40Hz K2 si K3 (K2=armonica a 2_a si K3=a 3_a,nemtzii asa simbolizeaza H2 si H3),respectiv 1KHz si 4,67KHz.

Pozitziile D2 si D3 sunt pt testele de IMD,respectiv masurarea distorsiunilor de intermodulatzie de ordinul 2 si 3.

Instrumentul din dreapta e folosit pt citirea in dB sau procente a distorsiunilor ,iar butonul rosu sub care scrie 20dB coboara cu inca 20dB nivelul de masura,deci practic pana la -90dB se pot aprecia semnalele masurate.

Sub butonul rosu sunt 3 iesiri pt osciloscop (0-a-b) folosite pt vizualizarea distorsiunilor.

Comutatorul Bereich (nivel intrare analizator),ZE (impendantza intrare) selectabila 300 ohmi-600 ohmi sau peste 10k ohmi, Potentziometrul de calibrare (Eichen) in functzie de nivelul semnalului de intrare in analizator si intrarile in analizator (Analysator Eingang) balansate si nebalansate.

Sub analizatorul de distorsiuni BKM_120 sunt doua osciloscoape,cel de sus e un Hitachi V-1100A analog cu DVM intern si afisare pe CRT frecventza,tensiune,perioada,faza,masoara pana la 100MHz ,etc.

Sub el e un Tek digital TDS 320,bun pt vizualizare semnale complexe gen IMD.

In stanga jos e un analizor de spectru,un HP-3582A care vede doar pana la 25KHz iar deasupra lui un analizor de THD HP_331A  cu 0,1% full scale si frecventza continuu variabila intre 5 Hz si 600KHz,o vechitura foarte interesanta.

Pe 331A e asezat un generator/analizor  de audiofrecventza profesional,un Neutrik 3300 care poate trasa curba de raspuns in frecventza pe o cartela speciala.

In mare cam astea sunt aparatele de care o sa ma folosesc la testele de distorsiuni armonice si intermodulatzie. Pt amplificatoare eu folosesc o sarcina neinductiva cu prize la 2 ohmi,4 ohmi si 8 ohmi/400W pe canal,o sa apara pe undeva in poze,e o cutie neagra din aluminiu eloxat negru la care se leaga iesirea amplificatorului respectiv intrarea in analizorul de distorsiuni,osciloscop,analizorul de spectru.

In prima poza postata se vede pe analizorul de spectru cam cum arata semnalul de test IMD D2 aplicat la intrarea amplificatorului. Sunt doua frecventze cu ecart de 3KHz intre ele,primul semnal are 10,9KHz iar al doilea 13,9KHz. Raportul este 1:1 si nivelul reglabil din BKM_120.Multzi fac testele de IMD la o putere pe iesire de 4W sau 10W,eu il fac cat mai aproape de Pmax.Atentzie insa  sa nu intratzi in clipping deoarece o sa iasa fum din amplificator,oricum in testul de IMD D3 daca ceva e in neregula in amplificator se duce sigur.

M_am intrebat si eu ''de ce sunt folosite frecventzele astea de 10,9 si 13,9KHz pt testul asta de D2'',si cred ca cel care a realizat aparatul asta stia foarte bine ce urmareste.Sumele si diferentzele dintre frecventzele astea se incadreaza perfect in spectrul audio.Folosirea frecventzelor de 19 si 20KHz sau 80Hz si 7KHz nu releva atatea ca astea de la TAB.Am vazut pe alte aparate teste de SMPTE si CCIF si sincer cam toate amplificatoarele masurau bine.Ma rog asta e alta poveste pe care probabil o sa o discutam pe parcurs.

Pe osciloscoape e acelasi semnal care se vede pe analizorul de spectru,sus vazut de un analog si jos de un digital.

Se observa foarte clar la analiza spectrala cat de curat e semnalul D2 si mai tarziu o sa vedetzi cum il distorsioneaza un amplificator,in cazul de fatza un PP cu 6N13S.

Inca o poza cu D2 si markerul pe analizorul de spectru la 13,9KHz

 

Asa apare D3 cu frecventzele de test de 6,9KHz si 10,9KHz

 

 

 

iar aici cam pe ce nivel se incadreaza nivelul de zgomot

 

 

 

Asta e pacientul,2x50W,PP AB class cu 6H13C,trioda saracului,vreo 50 kile,100W mananca doar pe filamente,iarna nici nu mai ai nevoie de centrala termica...

 

 

 

si asta e sarcina lui in teste

 

 

Masurare THD K2,1KHz,15Vef output pe dummy load

K2= -46dB ~0,5% 1KHz 15Vef_out

 

 

 

 

 

 

THD K3= -42dB ~0,8% 1KHz 15Vef_out

 

 

 

 

IMD -D2= -50dB ~0,3% 10,9KHz/13,9KHz ratio 1:1 20Vef out

 

 

 

 

 

 

Datorita limitarii de ''banda''....episodul 2 ...maine,acum nu mai pot incarca poze pe forum.

[Vizitator]

Foarte "interesant" amplasamentul bateriei de filtraj între cele două cuptoare(8X6H13C).

Curios că H2 este foarte apropiată ca amplitudine de H3 în ciuda etajului final în push-pull ,mă aşteptam să vedem  H2 ceva mai atrofiată în raport cu H3 ,practic foarte greu de echilibrat opt secţiuni triodă în etajul final ,necesita bias independent pentru fiecare triodă astfel mai scădea H2 în raport cu H3(sau trebuia tuburi finale bine sortate/triate cu secţiunile aproape identice).

 

Nu ştiu cum a proiectat circuitul de bias fabricantul...?! dar urât/defectuos amplasament pentru condensatorii de filtraj.

 

Un push-pull bine reglat asigură o diferenţă de 25-30db(chiar mai mult) între H2 şi H3 în cazul de faţă nu se poate datorită secţiunilor multiple 6H13C şi/sau circuitului simplist/defectuos de reglaj bias.

 

Datorită "echilibrului" armonic pare/impare posibil amplificatorul are timbru de clasa A şi imd de clasaAB cu banda extinsă la joase(Raa de valoare mică).

Editat Octombrie 4, 2014 de Vizitator

[Vizitator]

Superb, "doctore"!

 

As fi pus un Leco amp la teste pe sculele alea...

[adigh]

Multumesc der_doktor pentru raspunsul prompt.

Acum ramine cind ai timp sa ne spui concret ce ai gasit in neregula de era IMD (D3) asa de mare in conditiile in care THD nu era asa de mare.

THD daca nu are valori asa de mari nu e chiar asa de suparator. O alta distributie a armonicilor, e echivalentul mutarii corzilor unui instrument cu coarde in alta cutie de rezonanta. Va fi diferit sunetul dar nu neaparat suparator. Ba uneori in noua cutie coardele pot suna mai frumos. Asta e discutabil si depinde de gust.

De IMD insa nimeni nu poate spune ca suna frumos. Rezultantele combinatiei dintre 2 frecvente aproape intotdeauna cad alaturi de portativ.

Rezultantele intermodulatiei sunt percepute ca zgomote si fac mai putin inteligibila muzica. Cu un IMD mare se pierde claritate si se acopera microdetalii reale.

Un IMD mare inseamna harmalaie si oboseste creierul.

Editat Octombrie 4, 2014 de adigh

[Vizitator]

@valderama

 Ideea de a plasa condensatorii de filtraj in centru apartzine proiectantului amplificatorului. Sunt 6 bucatzi de 1000µF/385V/85°C Siemens,impartzitzi in doua surse fiecare cu canalul ei.Eu ii bagam din start sub capota in zone mai reci,oricum nu sunt ''audiofili''. Etajul final foloseste 4 tuburi pe canal,cate doua pe bratz fiecare tub cu sectziunile paralel.

Reglajul fin de bias influentzeaza foarte mult nivelul distorsiunilor de intermodulatzie de ordinul 3.Practic, pe osciloscop, cu sinus la intrare nu se observa mare lucru,sinusoida ramane neschimbata pt o plaja mare de reglaj bias.La fel se intampla in cazul distorsiunilor armonice (THD) de ordinul 2 si 3,modificari putzin semnificative care practic nu spun mare lucru. La IMD in schimb umbland la bias se vede pe analizorul de spectru cum....''creste iarba'',la un bias necorespunzator distorsiunile de intermodulatzie ajung la 20% cu toate ca pe sinus si THD amplificatorul lucreaza in parametri.Cand am sa pun si restul de poze o sa se vada foarte bine diferentza.Sincer,daca as fi avut ''mana libera'' sa scot untul din PP_ul asta ii modificam driverul si etajul final.Pacat de OT_urile alea,dar...na,trebuie sa ramana in stare originala.

 

@Leco,sa stii ca ''silicoanele'' stau mult mai bine la capitolul distorsiuni si potzi sa le reglezi mult mai usor decat pe astea cu  lampi.Cu un semireglabil multitura ( sau doua inseriate,unul pt reglaj fin) potzi obtzine rezultate fantastice.Cand mai prind un amplificator solid_state bun o sa postez testele pt comparatzie.Am avut cateva bune pe masa dar n_am facut poze la teste.Sa stii ca mi_a placut faza aia cand ai remarcat la intalnirea lamparilor ca o boxa e conectata in antifaza,asta denota experientza adevarata in audio.Bravo man,stiam eu ca esti profesionist.

 

@adigh

 

Multumesc der_doktor pentru raspunsul prompt.

Acum ramine cind ai timp sa ne spui concret ce ai gasit in neregula de era IMD (D3) asa de mare in conditiile in care THD nu era asa de mare.

THD daca nu are valori asa de mari nu e chiar asa de suparator. O alta distributie a armonicilor, e echivalentul mutarii corzilor unui instrument cu coarde in alta cutie de rezonanta. Va fi diferit sunetul dar nu neaparat suparator. Ba uneori in noua cutie coardele pot suna mai frumos. Asta e discutabil si depinde de gust.

De IMD insa nimeni nu poate spune ca suna frumos. Rezultantele combinatiei dintre 2 frecvente aproape intotdeauna cad alaturi de portativ.

Rezultantele intermodulatiei sunt percepute ca zgomote si fac mai putin inteligibila muzica. Cu un IMD mare se pierde claritate si se acopera microdetalii reale.

Un IMD mare inseamna harmalaie si oboseste creierul.

 mai clar nici ca se putea explica.  ''Cu un IMD mare se pierde claritatea si se acopera microdetaliile reale'',cred ca asta a fost fraza perfecta din topicul asta. Chiar daca in celelalte teste de THD amplificatorul poate sta bine , cand trebuie sa amplifice un semnal complex e posibil sa apara distorsiuni.Muzica nu inseamna numai sinus sau doar o singura frecventza ci o multitudine de semnale.

 

IMD -D2= -50dB ~0,3% 10,9KHz/13,9KHz ratio 1:1 20Vef out

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Acum putetzi compara ceea ce apare pe analizorul de spectru la iesire cu ceea ce este la intrare.

 

IMD -D3= -17dB ~14%    6,9KHz/10,9KHz ratio 1:1 20Vef out

 

 

 

 

 

Toate astea au fost masurate inainte de a reface reglajele,in starea originala in care a venit amplificatorul.

 

Acum urmeaza poze dupa ce l_am reglat cat a fost posibil pt a obtzine maximul de calitate.

 

THD -K2= -60dB ~0,1% 1KHz 15Vef_out

 

 

 

 

THD -K3= -46dB ~0,5% 1KHz 15Vef_out

 

 

 

 

 

Editat Octombrie 4, 2014 de Vizitator

[Vizitator]

Dacă vrei să vedem valori mici(thd ,imd)... prezintă amplificatorul ăsta şi în clasa A adică maxim 5-6W la ieşire în sarcină.

În cazul unui semnal muzical-real de regulă numai vârfurile de bas ating 50W în sarcină la iesire , mediile şi înaltele se împletesc pe joase şi au amplitudini mici în raport cu joasele.Mai precis cine se respectă foloseşte în cazul unor audiţii setări care să conducă la vârfuri de -3db chiar -6db.

Practic consider că ar trebui măsurat poftim şi pentru -3db în raport cu puterea maximă (continuă sinus nelimitat) ar veni un 25W în sarcină.

 

PS firma care se respectă obţine 50W sinus nelimitat în sarcină şi dă cotaţie 25W pentru 0db (dacă măsoară ceva pentru public o face la 25W sau mai puţin) după 50W cu +3db(dumnezeu cu mila).

Editat Octombrie 4, 2014 de Vizitator

[Vizitator]

@valderama,deocamdata am comandat lampi noi,originale,de la mama lor Russia,rau e ca trebuie sa astept vreo 25-30 zile pana trec de zoll (tzol,vama).Ce am masurat pana acum am facut ''Improvizand'' doua perechi din vreo 16 lesinaturi. In clasa A1 cu un driver bun (impendantza mica,eventual un interstage) in mod sigur semnalul de iesire seamana daca nu chiar coincide cu cel aplicat la intrare.Daca e sa fac un reglaj sa zic la 10W out pot obtzine  un nivel mult mai mic al distorsiunilor.Problema e ca in realitate nu_l pot lasa asa deoarece in mod sigur la 30W de ex o sa creasca exponentzial distorsiunile.Cand o sa vina lampile oricum trebuie sa  il desfac iar pt a reglabias_ul si o sa fac teste la 1W,5W.10W,20W,...50W...cat o sa poata lampile.

 

  IMD -D2= -52dB ~0,25% 10,9KHz/13,9KHz ratio 1:1 20Vef out

 

 

 

 

 

IMD -D3= -46dB ~0,5%    6,9KHz/10,9KHz ratio 1:1 20Vef out

 

 

 

 

 

Diferentza faza semnal in/out

 

 

 

 

 

 

 

Editat Octombrie 4, 2014 de Vizitator

[adigh]

@der_doktor,

Eu eram curios sa stiu daca acel IMD mare provenea din diferenta de bias intre tuburi, cele in paralel dar si cele de pe celalalt brat provenita din desperecherea tuburilor, sau din valoarea curentului de bias, adica o deplasare prea mare spre clasa B.

[Vizitator]

@adigh,uite ca nu am facut teste cu bias dezechilibrat,adica cu diferentze intre ramuri,oricum cred ca in cazul asta nu potzi obtzine nimic ok la iesire.In general un bias foarte mic duce la distorsiuni iar unul prea mare la distrugerea prematura a etajului final,se consuma lampile ca lumanarile,intr-o saptamana trebuie inlocuite.Gasirea unui punct de functionare in care distorsiunile sunt minime, si aici ma refer la THD si IMD,de multe ori nu prea bate cu teoria si asta din cauza tolerantzelor pieselor folosite in constructzia amplificatoarelor.Probabil de asta se si folosesc semireglabile pt a adapta parametrii reali ai componentelor la topologia schemei.

[adrian_pic]

Pun si eu o intrebare (fundamentala) al carui raspuns cred ca intereseaza pe toata lumea: cat era biasul initial si la cat este reglat acum? Nu am vazut specificat daca biasul se regleaza individual pentru fiecare trioda sau nu. Sunt si eu curios cum arata oscilogramele in cazul propus de valderama (5-6W la iesire). 

[Vizitator]

@adrian_pic,bias_ul pt 6N13S se stabileste in functzie de PSF,clasa de functzionare,OT...practic nu e o valoare fixa la care sa fii sigur ca o sa obtzii un nivel de distorsiuni liniare sau non_liniare mic.Sunt prea multe variabile in calcul ca sa aproximezi o valoare in jurul careia sa te joci cu reglajul,important e doar sa nu depasesti Pda max si sa obtzii distorsiuni minime.Fiecare tub are triodele in paralel si reglaj de bias.In plus mai e un semireglabil pt simetrie. Pt 5-6W cred ca arata pe osciloscop la fel,pe analizorul de spectru ma gandesc ca dispare iarba la IMD ,ramane de vazut cand imi vin lampile noi.Mie sincer imi pare rau de OT_urile alea,are 10Kg unul ,sunt facute de Tauscher.Daca exista o posibilitate sa pot regla bias_ul doar cu osciloscopul si sa sune ok sa fii convins ca nu pierdeam atata timp sa caut analizoare de distorsiuni si spectru.Si nici sa ma apuc sa caut pe net materiale despre THD si IMD.

 

La prima postare am uitat sa mentzionez ca pe panoul frontal la analizorul de distorsiuni mai e o pozitzie ''übersprechen''  in engleza  se numeste ''crosstalk'',asta e un alt test interesant.

[adrian_pic]

Deci nu poti regla bias-ul la fiecare trioda in parte ci doar la fiecare tub in parte(cele doua triode din tub sunt legate in paralel). Nu prea vad de ce nu au facut amplificatorul cu reglaj individual de bias pentru fiecare trioda si l-au facut cu reglaj individual de bias pe fiecare tub (se stie ca nu prea sunt tuburi rusesti care sa aiba triode aproape identice in acelasi balon). Noi eram curiosi cum arata pt 5-6W (pentru a trage o concluzie in urma unor masuratori reale) pe analizorul de spectru ca la sinus (parca) am vazut ca si la 50W oscilograma este OK. valderama a si explicat de ce doreste la 5-6W (doar basul aunge la 50W, mediile si inaltele nu ajung niciodata la puterea asta). Urechea noastra deceleaza mai greu distorsiuni in zona frecventelor joase (procentul de distorsiuni trebuie sa fie "destul de generos" ca sa il simta urechea). 

Totusi nu ai mentionat pentru unul din tuburi de exemplu(ca sa tragem a doua concluzie tot in urma unor masuratori reale), care a fost bias-ul initial si la cat este reglat acum. 

[Vizitator]

Daca amplificatorul are 50w in mod sigur  puterea este constanta pe tot spectrul audio deci si pe medii si inalte, Valderama a precizat corect ca de regula impulsurile de putere sint cele de frecventa joasa si de acea nivelul de auditie se pozitioneaza cu -3dB sau -6 dB  sub puterea maxima

Parerea mea este ca fabricantul a selectat tuburile astfel incit ambele triode din tub sa fie cit de cit egale altfel nu imi inchipui cum se poate regla amplificatorul mai ales ca acest tub este din familia lui 6S33S adica una de cosmar...

[adrian_pic]

Testul IMD este facut la frecventa mare (10,9kHz si 13,9kHz). Foarte multe trafuri au o atenuare pe inalte. Daca este si cazul acestor trafuri (aici avem totusi Raa mic) si a fost "impins" in masuratori sa lucreze la 50W (cand probabil lampile nu "trageau" toate la fel, ulterior s-a reglat bias-ul) cred ca este normal "comportamentul" din pozele atasate. Oricum triodele rusesti din acelasi balon nu se uzeaza la fel, deci va trebui reglat destul de des bias-ul. 

Editat Octombrie 5, 2014 de adrian_pic

[zal]

Privind de pe margine e foarte interesant şi instructiv, acum rămîne problema achziţionării aparaturii.