Messung Amplitudengang am Hifi Verstärker

Zeigt eine präzise Amplitudengang Messung für Hifi Verstärker

Der Bericht zeigt die Messtechnik des Amplitudengangs  für einen Verstärker. Vorgestellt wird eine softwareunterstützte Messung in Verbindung mit Präzisionsmultimetern und einem Sinus Pegel Generator.

Was bedeuted der Amplitudengang?

Einführung

Ein Verstärker hat die Aufgabe die am Eingang angelegte Spannung so zu verstärken, daß die Spannung am Ausgang den  exakten gleichen Verlauf hat. Der Benutzer hat in der Hand, ob die am Eingang angelegte Spannung mit einem Faktor multipliziert am Ausgang erscheinen soll. Dieser einstellbare Faktor ist der Lautstärkeregler. Dabei ist es von elementarer Bedeutung, daß dieser multiplizierende Faktor bei allen Eingangsspannungen, Frequenzen und Lasten stets derselbe bleibt.

Amplitudengang

Der Amplitudengang zeigt, wie konstant ist über die Frequenz der multiplizierende Faktor? Darstellungsmöglichkeiten gibt es viele, der Phantasie sind keine Grenzen gesetzt. Üblich ist eine Funktionsdarstellung im x-y Koordinatensystem, dessen Achsen logarithmisch zur Basis 10 aber oft auch linear wiedergegeben werden. Der Profi unter den Lesern, fragt jetzt sofort nach dem Phasengang. Richtig, beide sind zwei untrennbare Geschwister. Es sei mir verziehen, daß der Phasengang mit einem anderen Meßsystem gemessen und darin gesondert behandelt wird.

Der Begriff der Bandbreite? 

Ist im Prinzip eine einfache Angelegenheit, die mathematisch schnell erklärt ist. Sie ist bei einem Verstärker eine nützliche Kenngröße, aber etwas irreführend, insbesondere für einen Laien.

Die Bandbreite ist eine Richtlinie für die Geschwindigkeit von einem Verstärker, ganz primitiv gesagt: je höher die Bandbreite desto schneller. Die Bandbreite ist aus einem Amplitudengang erkennbar. Es ist eine Größe, die in Bezug zu einem Verstärker oft falsch betrachtet wird. Die Bandbreite zeigt den Punkt im Amplitudengang, an dem die Ausgangsspannung auf etwa 70,7% (1/ Quadratwurzel 2) zur Soll Ausgangsspannung abgesunken ist. Jetzt die große Preisfrage: möchtest Du einen Verstärker benutzen bei einer Frequenz, bei der der Verstärker bereits 100%-70,7% = 29,3% Fehler verursacht ? Angenommen die Bandbreite beträgt nur 30 kHz, Wie gut ist so ein Verstärker?

- Schlecht - das Lesen eines Testbericht kannst Du dir getrost sparen.

 Deswegen alle Messgeräte  anzuwerfen ist reine Zeitverschwendung, es sei denn man will genau das Negative bestätigen, was man bereits vorhersehen kann.- Ja, ja - der Verteidiger seiner edlen Stücke kommt jetzt mit diesem beliebten Argument: das menschliche Gehör kann nur etwa 16 kHz -20 kHz hören. Da sag ich doch leicht dagegen  29,3% Fehler bei 30 kHz. Bei 20 kHz sind es dann auch schon zu viel (ist mir zu müßig, wegen Kritikern das für 20 kHz und einen Tiefpaß bestimmter Ordnung auszurechnen). Eine Lahmheit im Verstärker zieht eine ungeheure Kette anderer negativer Effekte hinter sich her. Was richtig anständiges beginnt bei etwa 100 kHz Bandbreite und gleichzeitig hoher Open loop unter Volllastbedingungen. Nicht nur schnell durch hohe Bandbreite, sondern auch präzise durch die hohe offene Schleifenverstärkung.

Die Bilder zeigen die Ergebnisse des Systems aus zwei HP3457A (hier 6,5 Stellen) und einem HP3336B Frequency Sythesizer. Die Messung geschah in einem befreundeten Kalibrierlabor, das mir die Geräte zur Verfügung stellte. Dazu schrieb ich einen automatischen Programmablauf unter Ausnutzung der GPIB Schnittstellen.

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Messung zeigt den Gleichlauf beider Instrumente, die an der selben Signalquelle angeschlossen worden sind

Graph zeigt den sehr konstanten Amplitudengang der Signalquelle, gemessen mit dem Input Voltmeter

Graph zeigt den sehr konstanten Amplitudengang der Signalquelle gemessen mit dem Output Voltmeter

A stability of the signal source is a beautiful thing, but not of primary importance, if the meter measure accurately. Nevertheless the 3336 in connection with the option 05 (precision amplitude divider) an amazingly constant amplitude has vs. frequencies. The waste with higher frequencies is based also on the fact that the frequency response of the voltmeter at meaning wins. In as far the generator, termination rolling it play is unclear, it is however very probable that also these make a small contribution.

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Das linke Bild zeigt den Messaufbau, oben zwei Voltmeter HP3457A unten den Generator HP3336B. Der Leitungsaufbau ist symetrisch mit einem 75 Ohm Abschluß vor dem T-Stück. Ja ich weiß, er soll ans Ende, geht hier aber nicht besser ohne eine Löt Spezialkonstruktion. Wenigstens ist der Fehler symmetrisch. Man beachte, das hier ist 1 MHz.

Wie läßt sich die Meßgenauigkeit noch weiter steigern?

Insbesondere um dem Anspruch "Ultra" tatsächlich gerecht zu werden, sollte noch einiges getan werden.

  • Neue Kalibration der Geräte (der konstante Anteil von 0,003 db ist noch besser auskalibrierbar)
  • Gleiche Temperatur während der Messung wie bei der Kalibration, möglichst bald danach
  • Für beide Voltmeter exakt die gleichen Kabelsorten- und Längen (kurz) verwenden
  • Möglichst idealer reflexionsfreier Abschluß der Generatorimpedanz
  • Über möglichst viele Werte kalibrieren, die entstehende Fehlerkurve in einem Rechner ablegen, fitten und mit dem jeweiligen Messwert verrechnen und damit auskorrigieren.
  • noch längere Messdauer und über mehrere Messwerte automatisch mitteln (Meßzeit steigt an)
  • Messen im High Resolution Mode 7 1/2 digits (Meßzeit steigt stark an)
  • die Oberwellen des Generators ausfiltern, da diese mitgemessen werden

Bequemere Wege zu noch größerer Genauigkeit:

  • Umstieg z,B, auf ein HP3458A Multimeter (7 1/2 und 8 1/2) digits. Das 3457A ist nach dem 3458A eines der besten Multimeter, daß dieses Unternehmen produziert je hat, das 3458A schießt in Punkto Genauigkeit allerdings den Vogel ab.
  • Bitte das Kalibrierlabor besonders gewissenhaft zu arbeiten. Das Labor soll möglichst viele Punkte vermessen, um ein Kennlinienfeld zu erzeugen, das rechnerisch auskorrigiert werden kann. Damit ist die Genauigkeit nahe am Standard.

Macht der Aufwand einer gesteigerten Genauigkeit für Audio Anwendungen überhaupt noch Sinn?

  • nein
  • die Meßzeit darf nicht zu lange werden, da der zu messende Verstärker während einer sehr langen Meßzeit garantiert wesentlich mehr in seinem Amplitudengang driften würde wie dieses Meßsystem genau ist.
  • für Audio Verstärker (auch die besten) ist das jetzige System schon bereits vollkommen ausreichend mit genügend Sicherheiten.

Die Bilder zeigen nun Details eines einzelnen Meßbereichs. Voltmeter sind bekanntlich im Bereich der vollen Auslastung am genauesten, zeigen hier aber selbst bei geringer Aussteuerungen immer noch gute Ergebnisse.

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Schön zu sehen, auch bei wenig Auslastung des möglichen Messbereiches ist das Multimeter immer noch sehr genau.

Diese Spannungen sieht das Input Voltmeter.

Spannungsverlauf des Output Voltmeters. Immer die gleiche Charakteristik.

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Messung des Messbereiches 3 Volt. Der Generator liefert zuwenig Spannung um ihn komplett auszusteuern. Erstaunlich noch die Genauigkeit bei sehr wenig Aussteuerung, hier sollte längst in einen kleineren Bereich geschaltet werden.

Spannung am Input Voltmeter. 

Spannungsverlauf des Output Voltmeters. auch verglichen zum Eingang ein ähnlicher Spannungsverlauf.

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Zeigt den Messbereich 30mV, auch hier die gleichen Erkenntnisse wie bei den vorherigen Bereichen.

Spannung am Input Voltmeter

Spannungsverlauf am Output Voltmeter

Wie verhält es sich mit z.B. mit dem 30V Messbereich und z.B. gemeinsam mit den 300mV?

läßt sich vorhersehen - sehr ähnliche Ergebnisse. Bisher aber noch nicht getestet, benötigt einen frequenzkompensierten Präzisionsspannungsteiler plus GPIB fähigen Generator für höhere konstante Spannungen plus viel Zeit. Da ich das Verhalten für eine solche Kombination aus dem bisher gemessenen vorhersagen kann, möchte ich auf eine solche Messung verzichten, auch wenn eine solche Kombination für Audio Anwendungen sinnvoll ist. Die Genauigkeitsreserven sind immer noch sehr gut genug für Hifi Anwendungen.

Für was nutze ich dieses System?

na klar, um Amplitudengänge von einem Hifi Verstärker aufzuzeichen.

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