И снова - про измерение искажений

[bukvarev]

Ниже - материал, посвященный оценке искажений элементов звуковоспроизводящего тракта.
Файл упаковал посильнее, по ссылкам в тексте - картинки в нормальном разрешении и звуковые файлы.

Способ определ&#10.pdf

20.03.2016 Создал новые каталоги в облаке. Основная ссылка проекта: https://drive.google.com/folderview?...Dg&usp=sharing
Старые ссылки из ранних постов позже снесу или обновлю.
В папке "МОДЕЛЬ MATLAB" буду выкладывать файлы программ. Пока выложил функцию генератора тестовых файлов "test_file_generator.m".
В ближайшем будущем напишу развернутое описание, как пользоваться ключами, с примерами.
Теперь есть возможность создания теста по своему вкусу любому, кто захочет .
В папке "ТЕСТОВЫЕ ФАЙЛЫ" буду выкладывать или обновлять/заменять тестовые файлы. Пока там следующие файлы:
TEST-RAND-48000Hz-1ch-16x-3s-500ms-0ms.wav (шум с равномерным распределением)
TEST-NORM-48000Hz-1ch-16x-3s-500ms-0ms.wav (шум звуковой полосы с нормальным распределением)
TEST-PINK-48000Hz-1ch-16x-3s-500ms-0ms.wav ("розовый" шум по DIN)
TEST-FILE--FRNT-48000Hz-1ch-16x-3s-500ms-0ms.wav (фрагмент "Together" Front 242)
TEST-FILE--HOSA-48000Hz-1ch-16x-4s-500ms-0ms.wav (фрагмент "Hosanna" Вебера)
TEST-FILE--JOVI-48000Hz-1ch-16x-3s-500ms-0ms.wav (фрагмент "We Don*t Run" Bon Jovi)
TEST-FILE--META-48000Hz-1ch-16x-3s-500ms-0ms.wav (фрагмент "Dirty Window" Metallica)
Все вышеперечисленные файлы имеют одноименные текстовые файлы с отчетом функции "test_file_generator.m".
Также в папке "ТЕСТОВЫЕ ФАЙЛЫ" создан подкаталог "ИСХОДНЫЕ ФАЙЛЫ", в котором содержатся муз. произведения, использованные при генерации тестовых файлов. Если кому интересно, может сам повторить синтез, введя в командной строке Matlab вызов ф-и test_file_generator.m с соответствуюшими параметрами.

31.03.2016 Обновил файлы моделей : https://drive.google.com/folderview?...zQ&usp=sharing
1. Теперь поиск маркеров стал быстрым (применил комбинированный алгоритм поиска вместо согласованной фильтрации по всему файлу). Открывается возможность "без тормозов" анализировать файлы с очень большим количеством проб - больше 100.
2. В очередной раз скорректирован список рассчитываемых параметров:
-> profile noise level (RMS, ref to 0 dB garm RMS): -111.80 dB - уровень шума по отношению к полной шкале. Характеризует уровень шума паузы в анализируемом тракте. От уровня записи не зависит.
-> average signal to noise ratio: 111.57 dB - реальное отношение мощности тестового сигнала к уровню шума (оно зависит от уровня записи ).
-> signal power deviation to signal, RMS: -44.74 dB - относительное изменение мощности тестового сигнала от пробы к пробе. Косвенно характеризует временнОй уход коэффициента передачи в измеряемом тракте, насколько "дышит" система. Если эта величина значительно больше уровня шума, то есть проблемы со стабильностью системы.
-> FIND (Relative Distortion Power): -88.58 dB - это отношение мощностей продуктов искажений и тестового сигнала. Собственно, "Коэффициент нелинейных искажений".
-> distortion power deviation to distortion average waveform, RMS: 9.45 dB - среднеквадратическое отклонение мощности продуктов искажений от пробы к пробе. Характеризует отношение "нестационарной" составляющей искажений (динамические амплитудные, фазовые, джиттер) к "стационарной" (нелинейность ААХ и усредненные тепловые шумы). Очень условно, данный параметр показывает, в какой степени можно ожидать расхождения результатов классического измерения КНИ и предложенного способа. Если данное отношение значительно меньше 0, то следует ожидать близких результатов. В противном случае есть шанс получить "плохо звучащий аппарат" при его малом Kr.
-> (distortion average waveform power to noise ratio: 13.07 dB) - среднее превышение мощности продуктов искажений над шумом (условная заметность).
И два параметра, характеризующих наихудший случай из всех проб:
-> FIND worst estimation (peak): -82.66 dB
-> (worst case distortion power to noise ratio: 28.91 dB) .

Переписка Теоретика с ИГВИНом по теме предложенного способа. Простое объяснение.

переписка

ИГВИН:
У меня есть предположение, что усилители (и прочие девайсы) нужно измерять в естественной среде их обитания - т.е. непосредственно в составе системы. В ходе воспроизведения музыки. Кажется Букварёв такое делает, но я что-то его плохо понимаю.

Teoretic:
Да. Букварев, Гапонов и К. Ребята нащупали универсальный метод измерения нелинейности именно на музыкальном сигнале. Мощность современных компьютеров позволяет это проделывать даже любителям.
Суть понять не трудно. Методика позволяет сравнить исходный сигнал с воспроизведенным и нечувствительна к линейным искажениям (это бич всех компенсационных/векторных методов). Примеры разностных файлов (чистые нелинейные искажения) можно послушать (выложены по ссылкам в теме https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=72049 )

ИГВИН:
По Букваревской методике надо мне разобраться в сути.
Что с чем сравниваем, как именно. Мельком я не понял.

Teoretic:
В двух словах. Берем музыкальный фрагмент. Пропускаем его через тракт (какой хотите, вплоть до динамиков), записываем результат. Преобразуем фрагмент. Снова пропускаем его через тракт и делаем обратное преобразование. Вычитаем из первого фрагмента второй. Результат (разностный сигнал) соответствует только нелинейным искажениям тракта.

ИГВИН:
Спасибо, суть понятна. Неясно, как это выполнить практически.

Teoretic:
Практически все выполняется на компьютере с хорошей звуковой картой.
Вывод через карту и запись обратно в комп тоже.
Преобразуем - это математика, преобразование Гильберта для исходного фрагмента, потом - обратное преобразование Гильберта, вычитание сигналов. Все в цифре. Букварев пока что это делает в Матлабе (ну, ему так удобнее), программы для пользователя еще не существует.

ИГВИН:
Метод теоретически хорош. Как быть с антиалисинговым фильтром, искажениями АЦП... преобразование возможно без искажения?... искажениями ЦАП и пост-фильтра - пусть авторы метода решают это практически.
И я всё-таки не понимаю, что такое "ортогональный сигнал". И почему после его прохождения через усилитель образуются какие-то другие искажения.

Teoretic:
Преобразование Гильберта сдвигает все спектральные составляющие исходного сигнала на 90 градусов.
Поэтому преобразованный сигнал "ортогональный". В принципе, это все.
Если в тракте есть нелинейные искажения, то прямой и ортогональный сигнал будут искажены по-разному.
Из ортогонального сигнала восстанавливаем обратно прямой. По разнице не преобразованного и восстановленного сигнала судим об искажениях. Эту разницу можно просто послушать.
Меру для величины таким образом полученных искажений еще не определили.

ИГВИН:
Сдвигает по фазе на 90 градусов? Относительно чего? Основная (первая) гармоника остаётся в своей фазе? или тоже отъезжает на 90?
Чем это отличается от задержки?

Teoretic:
Все гармоники сдвигаются на 90 градусов относительно гармоник исходного сигнала. Это совсем не задержка. При временной задержке сдвиг фазы пропорционален частоте, а у нас фаза постоянна. Это идеальный фазовращатель.

Мне самому стало интересно.
Я взял простой сигнал: меандр с ограниченным спектром (от первой до одиннадцатой гармоники):
h(x)=cos(x)-cos(3*x)/3+cos(5*x)/5-cos(7*x)/7+cos(9*x)/9-cos(11*x)/11
После сдвига всех гармоник на 90 градусов получим сигнал
g(x)=sin(x)-sin(3*x)/3+sin(5*x)/5-sin(7*x)/7+sin(9*x)/9-sin(11*x)/11
(все косинусы стали синусами).
И построил их графики. Вот они, "ортогональные" сигналы:
https://drive.google.com/open?id=0B8...GJwZTR6VFk4NTQ

ИГВИН:
Вижу. Здорово!!!
Интегралы по площади равны, форма сильно разная.

Теперь дайте подумать...
Итак, мы смотрим искажения двух разных сигналов. В идеальном случае оба не искажены.
В реале из-за различий формы будут разные амплитудные искажения.
Сравниваем их.
Чем меньше разница - тем меньше зависимость искажения vs амплитуда. То есть устройство более линейно.
Как будто сходится - метод теоретически должен работать.

[свернуть]

09.02.2018 КАК ПРОВЕСТИ ИЗМЕРЕНИЯ (ВРЕМЕННЫЙ СПОЙЛЕР)

Скрытый текст

По ссылке находятся десять тестовых файлов: https://drive.google.com/drive/folde...b_?usp=sharing

Эти файлы делятся на группы по названию:
тесты определения коэффициента гармоник и шумовой полки
-test-1KHz-48.wav
-test_multitone_48.wav

тесты на основе FFT фильтра
-test-nonstationar--NoMercy-FFT-48KHz.wav
-test-nonstationar--NoMercy-FFT-EN-48KHz.wav
-test-nonstationar--NoMercy-FFT-FRQ-48KHz.wav
-test-nonstationar--NoMercy-FFT-FRQ-EN-48KHz.wav

тесты на основе БИХ фильтра Чебшева
-test-nonstationar--NoMercy-IIR-48KHz.wav
-test-nonstationar--NoMercy-IIR-EN-48KHz.wav
-test-nonstationar--NoMercy-IIR-FRQ-48KHz.wav
-test-nonstationar--NoMercy-IIR-FRQ-EN-48KHz.wav

Длительность файлов - 1 минута

Нужно их воспроизвести и записать с выхода усилителя (каскада). Частота дискретизации - 48 КГц, очень желательно использовать при записи режим ASIO.
При использовании для воспроизведения и записи двух различных звуковых карт, их лучше всего синхронизировать по SPDIF.
В крайнем случае, воспроизвести и записать как есть, на внутренних частотах карт.

Стерео или моно - без разницы. Если в разных каналах будут разные сигналы (к примеру, со входа и выхода усилителя), то нужно об этом написать в названии файла.
Самое главное - главное - правильно записать на саму карту. Уровень записи на звуковой карте лучше делать в пределах -20..-10 дБ при испытательном файле 1 КГц (-test-1KHz-48.wav). Это делается внешним делителем напряжения. Все регуляторы уровня в микшерах - на 100% (это проверить с помощью соединения входа и выхода карты напрямую коротким шнурком), все эффекты - отключены.

Вначале записать сигнал напрямую, чтобы привязаться к "сквозному каналу".

Потом включить в тракт усилитель под нагрузкой, и записать повторно. Записанные файлы назвать, как считаете нужным.

Между записями разных файлов ничего в системе не изменять.

Потом заменить усилитель (если есть желание и возможность измерить несколько аппаратов), и повторить запись.

По минимуму нужно записать первые шесть файлов из списка. Обязательно записывать ЦЕЛИКОМ. Можно даже оставить в начале и в конце паузы.

[свернуть]

Ссылки на две интересные темы:
https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=35395
https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=34487

[bondar100]

Дьявол, как обычно, кроется в деталях. Насколько горячими?

Насколько я помню (и если я ничего не путаю), удельное сопротивление кремния (как-то условно легированного) в диапазоне 20-70 градусов меняется в разы, причем следующие 50 градусов (от 70 до 120) изменение уже идет на десятки процентов. То есть как раз в допустимых температурах мы имеем выраженный эффект.
Конечно, много зависит от степени легирования. Но мне кажется, что качественно характер зависимости все-таки не будет меняться (если рассматривать конкретно легированный кремний).
Я не смог сейчас навскидку найти этих графиков (удельного сопротивления кремния от температуры), но если кто найдет, то было бы хорошо посмотреть более пристально и оценить величину эффекта хоть в каких-то цифрах.

---------- Сообщение добавлено 18:33 ---------- Предыдущее сообщение было 18:24 ----------

Да, но сам кристалл может иметь разные размеры, и подложка, к которой крепят кристалл, тоже может иметь разные размеры и массу.

1. Размеры кристалла (вместе с легированным сэндвичем) - это не совсем удельная теплоемкость. Увеличив площадь кристалла мы тем самым снизим удельный ток через единицу площади. Но если удельный ток оставить прежним (то есть увеличить выброс тепла пропорционально увеличению площади) - ничего не изменится в плане разогрева.
А увеличение площади кристалла принципиально решается простым увеличением количества транзисторов. Но, как вы правильно говорите, дело в мелочах. Конечно, подобрать транзисторы так, чтобы они были как один кристалл - сложно. Но мне кажется, что изготовить гигантский кристалл сложнее (особенно на кухне))).
2. Все-таки подложка - это уже другая задача. Подложка - это краевое условие по отношению к тому, что происходит в кристалле. Подложка важна, но это не относится к теплоемкости самой "зоны". Все сказанное - ИМХО.

С другой стороны, для полупроводников повышенные температуры нежелательны, поскольку их свойства быстро деградируют: снижается допустимая мощность рассеивания, резко растёт обратный ток коллектора, снижается максимальное обратное напряжение коллекторного перехода и т.д.

Вот тут я согласен - дешевый сыр только в мышеловке. Но из всех зол нужно выбирать компромиссы, то есть смотреть, насколько "температурная деградация" полупроводника будет ухудшать звук по сравнению с "температурным пампингом". Из практики, многие отмечают, что горячий класс А вполне нормально звучит порой при гигантских (сравнительно) формальных КНИ. Может, частично и потому, что там кристалл постоянно подогревается?

[Геннадий3]

Возможно эти картинки как-то помогут при измерении искажений :


Пояснения:
Модель УМЗЧ с ОООС и Кус = 26дб . Симулируются два режима А и В (просто буквы) . Ток покоя неизменен и равен 115 мА .
На графиках КНИ и КИ - импульсы коммутации плеч ВК . КНИ в обоих режимах практически одинаков , а вот КИ в режиме В увеличиваются более чем в 50 раз .
На 4-ой картинке хорошо видно резкое выключение (розовая линия) верхнего плеча ВК, рождающего значительный колебательный процесс - КИ ( для наглядности режим ВК несколько перекошен - видны различные интервалы комутации плеч ВК ).
В режиме А коммутационные искажения практически отсутствуют .

[bondar100]

То есть -2mV/градус, к примеру, уже изменится?
Важно абсолютное приращение температуры, а не относительное.

Уважаемый Наиль, я вроде бы как раз думал про абсолютные величины.
Если не сложно, поясните, что такое -2mV/градус? Чтобы я мог почитать об этом подробнее. У меня нет профильного образования, а по запросу "-2mV/градус" ничего не смог найти.

[Сухоруков Сергей]

что такое -2mV/градус?

По-видимому, имеется в виду температурный коэффициент напряжения Uб-э.

[Teoretic]

По-моему, именно Наиль (не помню в какой теме) показывал тепловые искажения выходных характеристик транзисторов на характериографе. Очень даже заметные петли.

[Nota Bene]

Очень даже заметные петли.

Да, была такая тема: Тепловые искажения
С картинками тут: https://forum.vegalab.ru/showthread....l=1#post163927 и тут:
https://forum.vegalab.ru/showthread....l=1#post165154
К примеру: частота свипа 50Гц.

Начало про характериограф тут:
https://forum.vegalab.ru/showthread....l=1#post160625

[оператор]

У меня есть такая мысль по этому поводу. Если даже предположить, что в кристалле выделяется определенное количество тепла за импульс независимо от начальной температуры кристалла, то тогда получается, что приращение температуры будет одинаковым (с точностью до сохранения градиента кристалл-подложка). Однако, чем выше по шкале температур, тем ниже крутизна графика зависимости сопротивления полупроводника от температуры. То есть одинаковое приращение температуры будет давать разный эффект при разной начальной температуре кристалла. Чем горячее - тем эффект меньше.
Кстати, возможно еще и на горячем кристалле выделяется меньше тепла, чем на холодном (при одинаковом импульсе)?

То есть практически - нужно держать кристаллы горячими. Или я заблуждаюсь в этих рассуждениях?

Думаю, что Вы правы.
Кроме того, есть практический опыт сравнения звучания холодного усилителя и платы с предварительным нагревом.
Измерений не делал, но разница слышна отчетливо.
Дело в крутизне, скорее всего.
Но, сам процесс внутри кристалла до конца не понятен.

[Сухоруков Сергей]

Кроме того, есть практический опыт сравнения звучания холодного усилителя и платы с предварительным нагревом.
Измерений не делал, но разница слышна отчетливо.

Думаю, тут больше "слышен" нагрев конденсаторов.

[оператор]

Думаю, тут больше "слышен" нагрев конденсаторов.

Каких именно?
Конденсаторы гораздо в меньшей степени являются термо зависимыми элементами, чем полупроводники.
Я, уже предлагал технологию локального нагрева корпусов транзисторов, дабы убедится в этом - отчетливо.
И кроме того - важен факт слабого, звена. Какой именно каскад нужно подогреть7

[Сухоруков Сергей]

Каких именно?

Например, в блоке питания.

Конденсаторы гораздо в меньшей степени являются термо зависимыми элементами, чем полупроводники.

Электролиты-то? Вот уж нет.

[оператор]

Например, в блоке питания.



Электролиты-то? Вот уж нет.

Не буду спорить, это зависит от конкретной реализации.
И при чем тут нагрев конденсаторов в блоке питания?
Я, писал о принудительном нагреве печатной платы усилителя.

[bondar100]

Да, была такая тема: Тепловые искажения
С картинками

Если петли на графиках кт3102 крутятся против часовой, то все вроде бы сходится. В процессе нагрева сопротивление К-Э уменьшается при том же напряжении К-Э и токе базы.
Сравнение величины петель, когда транзистор "на воздухе" и когда он на горячем радиаторе наглядно бы показало влияние "базовой" температуры на искажения. Вдруг бы петли стали меньше на "горячую"?

И как я понимаю, в реальном усилителе температурные искажения ВК и драйверов начинают компенсироваться ОООС, которая имеет тоже свои температурные искажения, которые появляются с некоторым запаздыванием относительно эффектов разогрева кристаллов ВК. Я имею в виду не длительный разогрев, а "мгновенный" нагрев от импульса.

[Сухоруков Сергей]

И при чем тут нагрев конденсаторов в блоке питания?

Вы писали про звучание:

холодного усилителя и платы с предварительным нагревом

А усилитель включает и блок питания, без него он "сферический конь в вакууме".

Кроме того, на плате усилителя тоже, как правило, стоят конденсаторы.

[Rondo]

Разница действительно очевидна (ухослышна) между холодным и "прогретым" усилителем,причем всегда и для любой схемотехники (вакуумной и ПП).Примерно 40-60 минут надо для выхода на "устоявшийся режим".Я тоже всегда думал про конденсаторы,потому что новые и долго не работавшие требуют недель для прихода звука в норму,хотя электрически,в т.ч. и по традиционным замерам КНИ и ИМД никаких изменений не происходит.Это касается и сигнальных,непосредственно в тракте и в питании.Но и усилители без них в цепи сигнала ведут себя точно также.Ну все списать,на те,что в БП,ну я не знаю...

И вот ещё что-с заменой ОУ всё очень похоже.Недавно много в панельке менял (все новые куплены),то есть без пайки,вынул-вставил.Так вот некоторые просто в хлам не "играют" поначалу,в т.ч. и ОРА627,да неважно,и 5532 точно также.Уже перестал думать,просто учитываю это и всё.

[wert]

Разница действительно очевидна (ухослышна) между холодным и "прогретым" усилителем,причем всегда и для любой схемотехники (вакуумной и ПП).Примерно 40-60 минут надо для выхода на "устоявшийся режим".Я тоже всегда думал про конденсаторы,потому что новые и долго не работавшие требуют недель для прихода звука в норму,хотя электрически,в т.ч. и по традиционным замерам КНИ и ИМД никаких изменений не происходит.

Я измерял девиацию амплитуды и фазы нескольких ламповых усилителей. Уровень девиации заметно изменяется в период прогрева от 20 до 40 минут. В этот же период меняется постоянный угол фазы. Затем эти параметры стабилизируется. Изменение уровня девиации и постоянного угла фазы заметно на слух.
В установившемся режиме эти параметры стабильны и слух скорее адаптируется к таким нелинейным искажениям. Транзисторные усилители похожи по эффекту.
На приработку ламп от нового состояния примерно нужно две недели, в этот период также звук не ахти, девиация амплитуды и фазы сигнала в этот период не стабильна.

[ИГВИН]

всегда думал про конденсаторы,потому что новые и долго не работавшие требуют недель для прихода звука в норму,хотя электрически,в т.ч. и по традиционным замерам КНИ и ИМД никаких изменений не происходит.Это касается и сигнальных,непосредственно в тракте и в питании.Но и усилители без них в цепи сигнала ведут себя точно также.

Те конденсаторы, что в питании - через них замыкаются "обратные" токи, так что питающие - тоже в цепи сигнала.
Вот и вся недолга...
По крайней мере в первом её приближении.

[Игорь Гапонов]

...
По крайней мере в первом её приближении.

Не в первом, а во втором. Зависит как от топологии (в однотактах и "вертикальных двухтактах" нет топологических причин компенсации тока через ИП) так и от режима элементов плеч в мостовых и "горизонтальных" двухтактах, где такая компенсация наблюдается (наличие несимметричности параметров и чётных продуктов нелинейности элементов плеч определяет токоотбор от ИП).

Собственно, как и "тепловые" так и "питательные" и прочие искажения традиционно стараются убирать ОООСью - вынужденно добавляют усиление и широкополосность в лошадиных дозах, а на причины просто забивают болт, мол, панацея всё вылечит.

[bukvarev]

Собрал макет "Каменного однотактника" Семынина.


Классические измерения - такие:


Тест Михаила тональным импульсом 4 КГц на нагрузке 4 Ома, амплитуде напряжения 4 В такой:

Фаза стоит, как вкопанная.

Немного фоток
Детали не все "по феньшую", собрал из того, что было. Но и этого для звука хватило. Звук - очень хорош.

[wert]

Фаза стоит, как вкопанная.

Евгений,
В режиме А такой каскад дает мизерную девиацию фазы частотных компонент меандра, в режиме В изменение фазы должно быть заметно при изменении уровня меандра.
Попробуйте, может быть Вам удастся увидеть девиацию фазы.

[Semigor]

Обалдеть . Однако, гармоники даже для него великоваты, особенно высоких порядков. Он не подзванивает случайно на мегагерцах ?