Измерение параметров усилителей звуковой частоты
В конструкторской деятельности многих радиолюбителей усилитель звуковой частоты ЗЧ занимает одно из первых мест. От усилителя ЗЧ в значительной степени зависит качество звучания радиовещательного приемника, телевизора, магнитофона.
В описаниях усилителей ЗЧ, предназначенных для электрофонов, магнитофонов, радиовещательных приемников, обычно указывают их номинальную выходную мощность, номинальное входное напряжение, коэффициент гармоник и параметры частотной характеристики. По этим основным данным уже можно судить о качестве работы усилителя и пригодности его для тех или иных целей.
Напомним вкратце, что собой представляют названные параметры усилителя ЗЧ.
Номинальная выходная мощность Рном, выраженная в ваттах или милливаттах,— это мощность, выделяемая на нагрузке (звуковой катушке динамической головки громкоговорителя, обмотке головного телефона), при которой нелинейные искажения, вносимые усилителем, соответствуют указанным в описании. При дальнейшем увеличении выходной мощности эти искажения значительно возрастают.
В процессе усиления любого сигнала из-за нелинейности характеристик транзисторов или электронных ламп в усиливаемом сигнале появляются колебания частотой в 2, 3, 4 и более раз выше основной частоты, т. е. появляются вторая, третья и т. д. гармоники сигнала. Они и искажают усиливаемый сигнал. Гармонические искажения растут по мере увеличения выходной мощности усилителя 34. . Оценивают их коэффициентом гармоник. Мощность, при которой искажения (коэффициент гармоник) достигают 10%, принято называть максимальной выходной мощностью усилителя 34 (ее обозначают Ртах).
Коэффициент гармоник Кг, измеряемый при синусоидальном входном сигнале, можно выразить процентным отношением суммарного напряжения всех гармоник Ur к выходному напряжению иВых:
Допустимый коэффициент гармоник Кг устанавливается соответствующими государственными стандартами (ГОСТ) на бытовую радиоприемную, звукозаписывающую, усилительную и другую аппаратуру. Самые низкие значения коэффициента гармоник установлены для аппаратуры первой и нулевой групп сложности: от 1 ...2 % для магнитофонов до нескольких тысячных долей процента для усилителей 34 в блочном исполнении.
Номинальное входное напряжение усилителя 34 — это то напряжение сигнала в милливольтах, которое необходимо подать на его вход, чтобы получить на нагрузке номинальную выходную мощность. У большинства усилителей 34, предназначенных для воспроизведения механической записи с грампластинок, номинальное входное напряжение составляет 200.„250 мВ, а усилителей канала записи магнитофонов (с микрофонного входа)—1...2 мВ.
Частотные свойства усилителя 34 описывают амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ)—зависимостью напряжения выходного сигнала от частоты при неизменном напряжении входного сигнала USx. По ряду причин усилители 34 неодинаково усиливают колебания разных частот. Обычно хуже других усиливаются сигналы самых низших fH и самых высших fB частот, поэтому АЧХ усилителей 34 неравномерны и имеют спады на краях рабочего диапазона частот. Границами диапазона считают частоты, на которых усиление снижается на 30% (—3 дБ) по сравнению с усилением на частоте 1000 Гц. Эти-то частоты и указывают в описаниях и паспортных данных усилителей 34. Рабочий диапазон частот усилителей 34 сетевых радиовещательных приемников может быть от 30...40 до 15 000...16 000 Гц, а усилителей малогабаритных приемников — от 200...300 до 3000...4000 Гц.
Вы смонтировали и наладили усилитель 34. Как с помощью приборов лаборатории измерить его основные параметры, чтобы сравнить их с заданными? Для этого потребуются: генератор сигналов 34, транзисторный вольтметр переменного тока и блок питания, причем приборы должны питаться от разных источников (исследуемый усилитель 34 обычно имеет свой источник питания). Нужен еще эквивалент нагрузки Иэ — проволочный резистор, сопротивление которого равно полному сопротивлению звуковой катушки динамической головки или номинальному сопротивлению акустической системы, на работу с которыми рассчитан усилитель 34.
В комплекте приборов лаборатории нет измерителя нелинейных искажений (коэффициента гармоник), редко применяемого радиолюбителями. Поэтому оце^ нивать искажения предлагается по упрощенной методике, пользуясь любым низкочастотным осциллографом, например, описанным в этой книге. В таком случае измерения начинают со снятия амплитудной характеристики усилителя — зависимости выходного напряжения иВых усиливаемого сигнала частотой 1000 Гц (1 кГц) от входного напряжения UBx при неизменной нагрузке RH= = Rs.
Схема соединения измерительных приборов с проверяемым усилителем 34 (УЗЧ), амплитудную характеристику которого надо снять, изображена на рис. 103, а (цепи питания для простоты не показаны). Сигнал частотой 1000 Гц с выхода «1 : 10» генератора сигналов 34 (Г34) подают на вход усилителя через экранированный двухпроводный кабель. Его оплетку и одну из жил заземляют на входе усилителя 34. Вольтметр подключают к гнездам «Контроль выхода» генератора и плавно увеличивают сигнал генератора до напряжения 0,3 В. При этом напряжение сигнала на входе усилителя 34 составит примерно 30 мВ. Измерив входное напряжение UBx, вольтметр переключают на предел измерения 10 В, подключают к эквиваленту нагрузки R3 (рис. 103,6). и измеряют выходное напряжение усилителя иВых. Результаты измерений записывают в таблицу, образец которой здесь показан (табл. 2).
Предположим, при входном напряжении 30 мВ вольтметр, подключенный к эквиваленту нагрузки R3, показывает напряжение 1,2 В. В таблицу записывают: UBX = 30 мВ, иВых=1,2 В. Затем входное напряжение повышают ступенями через 10 мВ (40, 50, 60 мВ и т. д.), записывают результаты измерений в таблицу и наблюдают за кривой на экране осциллографа. Входное напряжение увеличивают до тех пор, пока не нарушится пропорциональность прироста выходного напряжения ивЫх- При этом на экране должно появиться заметное на глаз срезание «верхушек» синусоиды (рис. 103, в). Такое явление происходит из-за симметричного ограничения выходного сигнала и сопровождается ростом коэффициента гармоник примерно до 10%. Затем входной сигнал уменьшают до исчезновения заметных искажений синусоиды (рис. 103, б) и считают, что теперь усилитель 34 отдает в нагрузку номинальную выходную мощность Рном. Выходные напряжения, соответствующие мощности Р„ом и Ргаах при коэффициенте гармоник 10% (например, 3,6 и 4,1 В), в таблице следует выделить.
По результатам измерений, записанным в таблицу, строят амплитудную характеристику усилителя 34 (рис. 104). Для этого на горизонтальной оси вправо от нуля отмечают входные напряжения UBX в милливольтах, а на вертикальной оси вверх — выходные напряжения иВЫх в вольтах. Все измеренные значения Uвых при соответствующих значениях UBX отмечают на графике жирными точками или крестиками и проводят через них плавную кривую. Эта линия до точки а прямолинейна, а затем заметно отклоняется вниз, что указывает на нарушение пропорциональности между иВЫх и UBX и появление искажений. Зная напряжение UBHx и сопротивление эквивалента нагрузки R3, можно подсчитать выходную мощность РВых усилителя 34 для различных значений ивых по формуле Рвых=и2вых/Нэ. Например, при RH=Ri,=6,5 Ом и иВЫх=1 В мощность Рвых~0, 15 Вт, при иВЫх=1,8 В Рвых=0,5 Вт и т. д. На рис. 104 параллельно оси иЕых проведена вторая вертикальная ось, на которой отмечены расчетные значения ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ Рвых.
Перегиб амплитудной характеристики обычно соответствует номинальной мощности Р„ом усилителя 34, в нашем примере Р„ом = 2 Вт, РШах=2,5 Вт. Если перегиб характеристики не явно выражен, его уточняют по осциллографу повторными измерениями. Затем берут среднеарифметическое значение иВых, при котором искажения синусоиды на экране осциллографа становятся неразличимыми на глаз.
Численное значение коэффициента гармоник Кг можно измерить с помощью заграждающего фильтра, настроенного на основную частоту 1000 Гц. Включают его между выходом усилителя 34 и вольтметром (рис. 105). Сначала измеряют напряжение иВых, установив переключатель SA в положение 1. Предположим, оно равно 3,6 В (3600 мВ). Затем включают фильтр, переведя переключатель SA в положение 2, и измеряют напряжение гармоник. Допустим, оно равно 72 мВ. После этого рассчитывают коэффициент гармоник по ранее приведенной приближенной формуле (иг/иВых) • 100% ~ (72/3600) 100яв2%.
По амплитудной характеристике (см. рис. 104) легко определить номинальное входное напряжение усилителя 34. В нашем примере номинальная выходная мощность равна 2 Вт, поэтому номинальное входное напряжение усилителя — 90 мВ.
А4Х усилителей 34 нередко снимают при входном напряжении, значительно меньшем номинального. Это предотвращает возможную перегрузку усилителя. Например, А4Х усилителей воспроизведения аппаратуры магнитной записи звука снимают при уровне сигнала, на 20 дБ (в 10 раз) меньшем номинального уровня.
Схема соединения приборов с усилителем 34 для снятия А4Х — та же, что и при снятии амплитудной характеристики (см. рис. 103). Если усилитель не имеет регуляторов тембра и оснащен только обычным (нетонкомпенсирован-ным) регулятором громкости, то Последний устанавливают на максимальную громкость и в процессе снятия А4Х его положения не изменяют. Если же регулятор громкости тонкомпенсированный, АЧХ снимают при крайних и нескольких промежуточных (по желанию конструктора) положениях регулятора.
Исходная частота при снятии АЧХ — та же, 1000 Гц. Установив переключатель генератора сигналов в это положение, ручкой «Амплитуда» доводят входное напряжение усилителя до 20 мВ и в дальнейшем поддерживают его на этом уровне на всех частотах. (Такое напряжение, почти в 5 раз меньшее номинального, выбрано для удобства отсчета результатов измерений по шкале стрелочного прибора авометра.) Затем, переключив вольтметр на выход усилителя, измеряют напряжение на эквиваленте нагрузки Ra. Результаты измерений записывают в таблицу (табл. 3), в две графы: в первую — частоты f входного сигнала, во вторую — выходные напряжения иВых. Записав результат измерения на частоте 1000 Гц, генератор сигналов 34 переключают на частоту 500 Гц. Проверяют вольтметром входное напряжение и затем возможно точнее измеряют выходное напряжение усилителя на эквиваленте нагрузки Ra. Далее точно так же измеряют выходное напряжение на частотах 250, 150, 100, 75 и 50 Гц (усилители 34, подобные рассматриваемому в данном примере, на частоте 25 Гц обычно не проверяют). После этого повторно измеряют выходное напряжение на частоте 1000 Гц, проверяя тем самым стабильность работы и самого усилителя 34, и измерительных приборов.
измерений рассчитывают . отношения выходных напряжений разных частот Uf к напряжению контрольной частоты U1000- Полученные отношения записывают в соответствующую графу таблицы.
Например, на частотах 50 (Uso) и 15 000 Гц (U,5 ооо) выходное напряжение иВых= = 300 мВ. Следователь-
но, отношение U5o/Uiooo= — U15000/U1000 “ 300/600 = 0,5. На частотах 100 и 10 000 Гц имеем отношение 480/600=0,8, а на частотах 150 и 7500 Гц— 540/600=0,9. Пользуясь вспомогательной таблицей (табл. 4), эти отношения пересчитывают в децибелы (отношение в децибелах равно 20 lg Uf/Uiooo) и результаты вписывают в четвертую графу табл. 3.
Далее вычерчивают АЧХ (рис. 106). Обычно для этой цели используют специальную масштабно-координатную бумагу с логарифмической сеткой, однако можно воспользоваться и обычной «миллиметровкой» или даже любой бумагой в клетку. Сначала на горизонтальную ось наносят отметки, соответствующие указанным значениям частот (в логарифмическом масштабе). На рис. 106 верхний ряд чисел соответствует фиксированным частотам генератора сигналов 34 лаборатории, а нижний — частотам, рекомендуемым при снятии АЧХ с помощью промышленной измерительной аппаратуры.
Затем на вертикальной оси, предварительно сделав на ней 8—10 равноотстоящих одна от другой отметок, наносят отношения Uf/Uiooo в децибела-х. В нашем примере спад АЧХ не превышает 6 дБ, поэтому нулевую линию проводят на уровне седьмой отметки, а напротив расположенных ниже остальных шести отметок делают надписи —1, —2, ..., —6 дБ. Проводят также линию через отметку контрольной частоты 1000 Гц. Далее, пользуясь данными табл. 3, последовательно наносят точки или крестики, соответствующие значениям выходного напряжения на частотах от 50 до 15 000 Гц. Плавная линия, проведенная через эти метки, и есть АЧХ исследуемого усилителя 34. Горизонтальная линия, проведенная на уровне —3 дБ, соответствующем общепринятому допуску на неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне, пересекает АЧХ на частотах 75 и 11000 Гц. Следовательно, рабочий диапазон частот усилителя простирается от 75 до 11 000 Гц.
Многие усилители 34 кроме регулятора громкости оснащены еще двумя (реже — тремя и более) регуляторами тембра — по низшим и высшим звуковым частотам. АЧХ таких усилителей снимают не менее трех раз, причем при входном напряжении, пониженном примерно на 20 дБ (в 10 раз) по сравнению с номинальным (во избежание перегрузки при подъеме усиления на краях рабочего диапазона). Сначала оба регулятора тембра такого усилителя 34 устанавливают в положения, соответствующие спаду А4Х на краях диапазона. Полученная А4Х может иметь вид кривой 1 (рис. 107). Затем оба регулятора тембра переводят в другие крайние положения (подъем А4Х на краях диапазона). АЧХ усилителя в этом случае может иметь вид кривой 2. После этого регуляторы тембра устанавливают в средние положения и снимают АЧХ еще раз. Если она близка к кривой 3, то на этом измерения заканчивают, а если значительно отличается от нее, то путем проб находят такие положения регуляторов тембра, при которых АЧХ получается наиболее ровной и параллельной оси частот в возможно более широкой полосе, и на ручках регуляторов делают соответствующие отметки.
Из графиков на рис. 107 ясно видно, что у данного усилителя 34 пределы регулирования тембра на низшей частоте 63 Гц составляют +6 ... —6 дБ, а на высшей, равной 11 ООО Гц,— примерно +6 ... —10 дБ. Так с помощью простых приборов лаборатории, пользуясь изложенной методикой, можно с достаточной для радиолюбителя точностью измерить основные параметры практически любого усилителя 34.