Метод измерения реального разрешения усилителя

[Костя Мусатов]

Предлагаю ввести единую практику по измерениям реального разрешения усилителя. Поскольку музыкальный сигнал многочастотный и сложный, то измерения IMD и THD часто мало говорят о том, что потом реально услышим. Существует достаточно понятный и повторяемый метод многочастотного сигнала. Частоты не должны образовывать кратные блоки, что бы не маскировались гармоники, по крайней мере нижние. Аналогично должно быть и с кросс частотами. Предлагаю ввести ряд из 10 частот от 20Гц до 20кГц:
20
43.1
92.8
200
431
928
2000
4909
9283
20000

Теперь о методике измерения. Делать разные уровни на разных частотах, в соответствии со статистикой может и хорошо, но весьма сложно. Потому предлагаю использовать равные уровни сигналов. Я использую такой метод последние 3 года и не нашел явного ухода результатов от практического прослушивания. Если вы используете симулятор, то вместо генератора поставьте такой объект:

.SUBCKT V10SIN 1 11
+ PARAMS: AMP=1
V1 1 2 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 20)
V2 2 3 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 43.1)
V3 3 4 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 92.8)
V4 4 5 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 200)
V5 5 6 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 431)
V6 6 7 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 928)
V7 7 8 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 2000)
V8 8 9 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 4909)
V9 9 10 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 9283)
V10 10 11 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 20000)
.ENDS

Обратите внимание, что коэффициент амплитуды не 10, а корень из 10. В этом случае мы получаем мощность на выходе усилителя на комплексном сигнале эквивалентную, для случая моночастотного сигнала.

Если вы используете Спектралаб или Спектраплюс, то там уровень пиковый и коэффициент мощности окажется -10дБ, если сравнивать с моносинусоидальным сигналом.

Теперь как интерпретировать результат.
Примерный вид сигнала и его спектр есть на картинках.
В спектре проводим среднестатистическую линию по пикам внесигнальных составляющих. Положение ее на СЧ в районе 1кГц берем как базовый уровень помех, а по пикам сигналов берем уровень сигнала. Так определяем реальное разрешение усилителя. Отдельно можно говорить о разрешении на НЧ, СЧ и ВЧ.

В представленном примере разрешение составило 35 дБ. Между прочим уровень гармоник или интермод для сигнала той же энергии составляет уже около 65 дБ.

По моим наблюдениям такой метод очень неплохо кореллирует с результатами прослушивания.

Отдельное замечание. У усилителей с мягким клиппингом реальное разрешение на высоких мощностях оказывается часто даже лучше, чем у высоколинейных усилителей только из-за жесткого клиппинга и появления на нем большой шумовой подставки.

[MadAleks]

немного "орозоветь" пакет частот - чтобы смотреть, как более-ВЧ "тонут" в продуктах и смеси искажений НЧ и СЧ?

Большие ВЧ составляющие часто дают интермоды с СЧ составлящими, в которых тонут СЧ сигналы

А может быть, просто два теста сделать, один - больше рассчитанный на весьма жёсткие условия - весь спектр сигналов с одинаковой амплитудой, это для подопытного усилителя - весьма серьёзное испытание. А второй тест - как раз на маскировку сильным сигналом слабого, хотя при достаточной линейности в режиме большого сигнала, пожалуй и маскировки как таковой не особо то и наблюдатся будет...

Ну я как бы намекал на то, что в жизни больших ВЧ-составляющих на разных спектрограммах не видел ни разу

Вот и будет проверка при заведомо более тяжелых режимах.

Помнится, мелькал уже подобный метод где-то, там тоже выбирался ряд частот, не дающих пересекающихся гармоник от интермодов.

[anli]

А вот на нетипичных...

Я, честно говоря, жёсткую и тяжёлую электронщину ни разу не смотрел. Ну или уж не знаю, что ты имеешь в виду под нетипичностью

[Sagittarius]

ИМХО, меандер, меандер и тупо меандер с рассмотрением формы сигналов на входах каскадов. Прощей не придумаешь, чай, любой радиолюбитель прямоугольник от круга с децтва отличает.

[Velzivul]

ИМХО, меандер, меандер и тупо меандер с рассмотрением формы сигналов на входах каскадов. Прощей не придумаешь, чай, любой радиолюбитель прямоугольник от круга с децтва отличает.

Не у каждого радиолюбителя есть осцил. дома на полке

[Игорь Гапонов]

рихтанули усилитель под розу, а балалайка выстрелила из пистолета. Костя прав, надо рихтовать под "белый шум", тогда в идеале флейту можно будет разобрать на фоне Ниагарского водопада или на фоне аплодисментов или и с тем и с тем или Ниагару на фоне флейты с аплодисментами и т.д..

[Velzivul]

Собственно метод как раз будет показывать на сколько усилитель "замыливает", тоже кстати аудиофильский термин

[Nota Bene]

надо рихтовать под "белый шум"

по амплитуде, а частоты выбирать из равномерно темперированного строя. Что-то вроде десятипальцевого аккорда

[Костя Мусатов]

Я, честно говоря, жёсткую и тяжёлую электронщину ни разу не смотрел.

А зря... Там не такого насмотришься.

Добавлено через 2 минуты

ИМХО, меандер, меандер и тупо меандер с рассмотрением формы сигналов на входах каскадов. Прощей не придумаешь, чай, любой радиолюбитель прямоугольник от круга с децтва отличает.

Меандр - совсем другой тест и о другом. Я знаю много отлично звучащих усилителей, которые никакие по меандру. Почти все ламповые однотакты пасуют перед меандром вовсю.

Добавлено через 5 минут

Костя прав, надо рихтовать под "белый шум", тогда в идеале флейту можно будет разобрать на фоне Ниагарского водопада или на фоне аплодисментов или и с тем и с тем или Ниагару на фоне флейты с аплодисментами и т.д..

Думаю, что лучше розовый шум, он ближе естественному распределению энергии по спектру. Я делал такой тест: из заранее сгенеренного розового шума цифровым фильтром аудишна вырезал несколько (порядка 5) полос с общей шириной не более четверти спектра. Потом таким сигналом проверял усилитель и смотрел поднятие в полосах подавления. Тест весьма показательный. Но численно результаты были очень близки к результатам по предлагаемому тесту.

[ZugDuk]

Костя Мусатов,
Думаю, что хороший тест. По крайней мере он заводит в усилителе больше разного рода срача.

[Игорь Гапонов]

Думаю, что лучше розовый шум,.

Константин! Но тогда ты должен рекомендовать спадание амплитуд в кластере по закону 1/N

Об измерениях на шуме. Тут такую интересную штучку с прогами можно сделать (т.е. комп, как "измерительный комплекс"). Может быть такое уже и есть в некоторых. Генерим "шумовой файл" (кста, можно и просто вав-отрывок любимой музыки ) достаточной длины. Шоб усреднитель вольтметра мог устаканиться. Например, 1 мин. И крепко этот отрывок запоминаем. Если очень хочется, пропускаем его через фильтр нужного цвета. И подаём на вход девайса через регулятор уровня (программный). Для верности можно эту "минуту шума" повторить неск. раз. С выхода девайса подаём всю смесь на рег. уровня и вычитатель (программные). Туда же на инверсный (шоб вычитало, а не складывало) вход подаём через простую линию задержки входной для девайса сигнал. Т.е. частотных коррекций для этого входа не делаем! Только коррекция по запаздыванию. . Почему- см. ниже. (ясный пень, например, для RIAA-корректоров таки нужен программный "анти фильтр" на входе девайса) Получили "программный компенсатор" входного сигнала. Крутим ручки в задержке и уровня в компенсаторе. Добиваемся "минимума". Минимум можно регистрировать по "осциллограмме" или "устаканенному вольтметру". Записываем показания. Затем, меняем входной для девайса уровень сигнала. Компенсируем. Снова записываем и т.д. Строим зависимость показаний вольтметра после компенсатора от показаний вольтметра на входе. Смотрим отклонения от пропорциональности. Это и есть зарегистрированная нелинейщина девайса "по нестационарному сигналу" с какой-то там точностью... В первом приближении, частотные искажения девайса- линейные, и на "пропорциональность" влиять не особо должны.... Т.е. "вырезать" какие-то "полосы" из выходного шума совсем не обязательно.

Тут можно заметить как раз высочайшие требования к точности аналоговой части звуковухи!

[Костя Мусатов]

Константин! Но тогда ты должен рекомендовать спадание амплитуд в кластере по закону 1/N

Неее. Поясняю. Розовый шум, хотя и обладает плотностью 1/F, но энергия его в равнооктавных полосах одинаковая. Т.е. энергия розового шума в полосах 20-200, 200-2000 и 2к-20к одинаковая. Если сделать синусы по спадающему варианту, то энергия на ВЧ будет снижаться, что не будет соответствовать шумовому распределению.

Добавлено через 2 минуты

...........В первом приближении, частотные искажения девайса- линейные, и на "пропорциональность" влиять не особо должны.... Т.е. "вырезать" какие-то "полосы" из выходного шума совсем не обязательно.

Есть некоторые сомнения в технической реализации метода. Думаю, что Вам стоит провести эксперимент и не только с ламповым, но и с высоколинейным транзисторным усилителем (не обязательно хорошо играющим)

[Игорь Гапонов]

Константин! Вот и добрались до "главного"! На самом деле в таких экспериментах главным становится объективный измеритель уровня! Я не провожу таких экспериментов по одной причине: я не знаю ни одного действительно истинного измерителя среднеквадратичных значений, похожего по точности на преобразователь электричество/тепло и работающего при этом с малыми уровнями сигнала (в районе пико-нано ватта) без усилителей. Т.к. такой измеритель с предварительным усилением становится "не чистым".

С усилителями на транзисторах и на лампах "условия линейности" можно сравнять просто уменьшая входное возбуждение. Причём, если усилитель искажает на малых уровнях больше, чем на больших, то это просто мусор, а не усилитель... Так вот, именно сравнение выходного уровня (объективного) при равном "разрешении" (особенно при равном "пространственном разрешении") для усилителей является ИМХО главным параметром: больший уровень- лучший усилитель. Транзисторы на средних уровнях порядка 60-90дБ от порога слышимости безнадёжно проигрывают лампам (в правильном приготовлении обоих блюд). Вот уже 20 лет, как так сравниваю....

Думаю, по поводу "розы", как универсального эталона "для музыки", я мнения своего не изменю: одиночные импульсы имеют в общем случае "нерозовый" спектр. Поэтому, музсигналы с большим пик-фактором "закону розы" не подчиняются. Например, "экспрессивное соло на ксилофоне" .....

[anli]

Например, "экспрессивное соло на ксилофоне"

На самом деле спектры всяких ксилов со всеми прочими фонами надо смотреть в режиме peak hold - то есть собирать информацию о максимальном уровне, а не усреднять на промежутке времени, что, обычно, происходит при таких измерениях. В этом случае, скажем так, спектральные выводы более честные получаются. Очевидно, что при peak hold спектр будет более жёстким, так как ВЧ составляющие преимущественно коротко звучат - обычно, при атаке.

Говоря вообще, подход с точки зрения мощности (то есть разных цветов) мне кажется менее "отражающим", нежели с точки зрения "случившейся" максимальной амплитуды.

[gross]

Можно говорить как о субъективном разрешении, так и о метрологическом - типа как Костя предложил. Одно другому не мешает, главное - не путать

Но вот Костя ниже отвечает мне, именно про слуховое восприятие. То есть, измеряем измеряемые параметры, и говорим, что это и есть восприятие. Или я ничего не понял.

Но есть другое разрешение, я его назвал реальным разрешением, которое разные эксперты могут оценить более или менее одинаково. В этом случае требуется абстрагироваться от других параметров и вычленить уровень слышимости слабых сигналов на фоне больших. Причем делать это надо на сложных сигналах, например записях БСО и определять слышны ли флейты или другие негромкие инструменты в определенных записях.

Здесь ты все-таки предполагаешь, что измеренные на многочастотном сигнале IMD дадут представление о субьективном разрешении при прослушивании. С эти я пока не согласен. Мы можем думать, что это так, но как оно на самом деле - споры пока что не утихают и вряд-ли когда-нибудь утихнут.

Лет 5 назад я измерял IMD усилителя по похожей методике, как ты предлагаешь - на многотоновом сигнале, только использовал другие частоты, из ряда простых чисел, плюс к этому вокруг каждого тона делал по две составляющие, аля амплитудная модуляция, тоже с некратными частотами. Всего было 20...30 "палок" в спектре. Нового ничего не обнаружил - все мои измерения более-менее коррелировали с обычным IMD. Уровень интермодовых составляющих от к-ва частот у меня особо не зависел. Возможно, если собрать стенд из реальных аналоговых генераторов, объединенных в смесителе, а измерять хорошим анализатором спектра, то результат будет иным. Но таких приборов и меня нет. Есть только комповые звуковые карты, ну еще внешний ЦАП. А разрешения этих "приборов" может быть хуже разрешения приличного усилителя. Благо, вариантов схемотехники усилителей, дающей, при надлежащем конструктивном исполнении нормальный результат, очень много.

[Костя Мусатов]

Вот и добрались до "главного"! На самом деле в таких экспериментах главным становится объективный измеритель уровня! Я не провожу таких экспериментов по одной причине: я не знаю ни одного действительно истинного измерителя среднеквадратичных значений, похожего по точности на преобразователь электричество/тепло и работающего при этом с малыми уровнями сигнала (в районе пико-нано ватта) без усилителей. Т.к. такой измеритель с предварительным усилением становится "не чистым".

Что такое "не чистым"? Вот у нас есть тепловой среднеквадратичный вольтметр. У него есть определенная точность, допустим 0.1%. Добавили к нему усилитель и он стал милливольтметром с той же точностью. Он разве стал "грязным"? Понятно что точность миливольтметра, так же как и точность измеряемого усилителя ограничена некоторым амплитудным уровнем. Однако, учтя что все носители музыкальных сигналов так же имеют ограничение по уровню, такая проблема не должна нас волновать если мы имеем хотя бы 20 дБ запаса (10 кратный по уровню).

С усилителями на транзисторах и на лампах "условия линейности" можно сравнять просто уменьшая входное возбуждение.

Не понял. Усилитель надо исследовать на его штатных уровнях сигналов, мне не важно ламповый он или транзисторный, если у него чувствительность 775мВ, то этот уровень и принимаем за 0дБ.

Так вот, именно сравнение выходного уровня

Если речь идет об амплитудной характеристике, то у усилителей с глубокой ООС она всегда будет лучше, чем у усилителей с низкой или без ООС, причем как в области малых сигналов, так и больших. Но вот переход от линейной области к клиппированию у них будет отличаться.

при равном "разрешении" (особенно при равном "пространственном разрешении") для усилителей является ИМХО главным параметром: больший уровень- лучший усилитель.

Вот это требует очень детального описания методологии измерения. Если в нее будет входить слуховая экспертиза, то нам не удастся получать сопоставимые результаты без привлечения эксперта.

Транзисторы на средних уровнях порядка 60-90дБ от порога слышимости безнадёжно проигрывают лампам (в правильном приготовлении обоих блюд). Вот уже 20 лет, как так сравниваю....

Видишь ли в чем дело, я прихожу к обратному выводу. Относительно долго слушать я могу только "современные" лампы. А "старые", ну класса 300В и т.п., через некоторое время я ощущаю обман. Но это все не метрологические параметры амплитудных характеристик. Это особенности слуха, которые я никому не навязываю. Я даже могу сказать крамолу, практически большинство усилителей HiEnd через лет 10-20 будут в классе D.

[variator]

подаём через простую линию задержки входной для девайса сигнал. Т.е. частотных коррекций для этого входа не делаем! Только коррекция по запаздыванию.

Думаю, простой ЛЗ не обойтись. Акулиничев "научил" своим компенсационным методом. Никогда не получалось при измерениях, чтобы при смене частоты 2кгц/20кГц, не пришлось подстраивать баланс по фазе. Не придется ли, предварительно, снять ФЧХ и "забить" ее в предустановки?

Получили "программный компенсатор" входного сигнала

Какая вообще достоверность компьютерных измерений на ВЧ крае диапазона?

[Костя Мусатов]

Лет 5 назад я измерял IMD усилителя по похожей методике, как ты предлагаешь - на многотоновом сигнале, только использовал другие частоты, из ряда простых чисел, плюс к этому вокруг каждого тона делал по две составляющие, аля амплитудная модуляция, тоже с некратными частотами. Всего было 20...30 "палок" в спектре. Нового ничего не обнаружил

И правильно. Если подходить к измерениям с амплитудной точки зрения. При равных пик уровнях усилитель показывает на сложном сигнале шумовую подставку примерно в рамках ранее измеренного IMD плюс минус особенности характера нелинейности. Я же говорю об измерениях на равных мощностях. Если взять предложенный сигнал, то транзисторный усилитель с глубокой ООС и максимальной мощностью 100Вт начнет терять разрешение уже начиная с мощности 10 Вт.
Я специально проверил PA-14. На нагрузке 8 Ом он имеет максимальную синусоидальную мощность 70-75 Вт. Если поставить предел по разрешению на СЧ порядка 40дБ, то его мощность оказывается уже около 20 Вт, т.е. в 3.5 раза меньше. Теперь берем усилитель с неглубокой ООС, например ламповый двухтаткник Антрацит, с максимальной синусоидальной мощностью 60Вт. Он на том же разрешении показывает уже порядка 30 Вт, всего в 2 раза ниже. Это подтверждает известный миф о том, что ламповые ватты больше транзисторных. Но достаточно поставить на входе транзисторного усилителя грамотный лимиттер и его ватты догонят ламповые.
Но это я отвлекся. Для каждого усилителя можно построить график зависимости разрешения от мощности. Сначала оно будет расти, поскольку будут уходить некореллированные шумы, потом падать из-за увеличения искажений. Такой график позволит понять область применения усилителя.

[anli]

Костя, а ты уже имеешь реальные данные по каким-нибудь усилителям? Скажем, по хорошему ламповому, по хорошему транзисторному, по идеологии стандартного ширпотреба (мощного ОУ)? Если да, можешь показать?

[gross]

Для каждого усилителя можно построить график зависимости разрешения от мощности. Сначала оно будет расти, поскольку будут уходить некореллированные шумы, потом падать из-за увеличения искажений.

Вот тут полностью с тобой согласен. И убедиться в этом можно, просто просмотрев графики THD и IMD от уровня сигнала по различным МС и операционным усилителям в даташитах от брендов. Без ввода нового понятия "разрешение".

[Костя Мусатов]

Вот тут полностью с тобой согласен. И убедиться в этом можно, просто просмотрев графики THD и IMD от уровня сигнала по различным МС и операционным усилителям в даташитах от брендов. Без ввода нового понятия "разрешение".

В том то и дело, что эти стандартные графики почти ничего не показывают, кроме аномалий.Если построить предлагаемый график, то картина сильно изменяется. Причина только и исключительно в большом пикфакторе измерительного сигнала.

Добавлено через 1 минуту

Костя, а ты уже имеешь реальные данные по каким-нибудь усилителям? Скажем, по хорошему ламповому, по хорошему транзисторному

Под руками нет. Постараюсь некоторые сделать.