Miernik poziomu szumów sprzętu audio (szumofon)
Wstęp
Zanim w mojej pracowni pojawił się tego typu miernik szukałem szumów przez włożenie ucha do głośnika. Wszelkie dyskusje o szumach na forach były „cyfrowe” czyli albo coś szumi albo nie szumi. A samo konstruowanie urządzeń audio ograniczało się do kupienia zwykłego wzmacniacza operacyjnego albo niskoszumnego. Teraz wiem, że było to błądzenie w ciemnościach. Tego typu przyrząd całkowicie zmienia podejście do konstruowania toru audio, szczególnie wysokiej jakości. Wiedza zdobyta z jego użytkowania jest wręcz bezcenna. Teraz wiem, że samo użycie drogiego super niskoszumnego wzmacniacza operacyjnego nie gwarantuje niskich szumów!
Szumofon to w slangu gitarzystów „piecyk” (wzmacniacz gitarowy) nadmiernie szumiący. Ja nazwałem tak swój miernik
Do czego służy
Miernik służy do pomiaru szumów własnych (wyjściowych) wzmacniaczy mocy, przedwzmacniaczy czy przetworników DAC, a także zasilaczy. Jest niezbędnym przyrządem każdego audio konstruktora. Dzięki niemu w sposób świadomy dobieramy wartości elementów, wzmocnienia, układamy przewody czy ustawiamy „siejące” transformatory/zasilacze.
Jak działa
W praktyce jest to mikrowoltomierz napięcia zmiennego, który charakteryzuje się możliwością zmiany szerokości pasma pomiarowego. Zasada działania jest dość prosta. Bardzo niskie napięcie szumów należy wielokrotnie wzmocnić aby umożliwić jego wyprostowanie i zmierzenie zwykłym woltomierzem. Aby mierzyć ekstremalnie niskie napięcia szumów rzędu 1 mikrowolta należy zastosować wzmocnienie rzędu 100.000 razy!, a sam wzmacniacz musi się charakteryzować wyjątkowo niskimi szumami własnymi. To było duże wyzwanie, pierwsze próby ze znanymi super niskoszumnymi scalakami okazały się tylko stratą czasu i pieniędzy na ich zakup. Pobiła ją topologia wielotranzystorowa ze wzmacniaczem operacyjnym i to na typowych, tanich i łatwo dostępnych elementach!
Budowa
Na jednym ze zdjęć widzimy schemat blokowy i dwa schematy ideowe. Układ został rozbity na dwie płytki, płytkę wzmacniacza i filtrów z prostownikiem. Super niskoszumny wzmacniacz składa się z wielu stopni wzmocnienia. Pierwszy z nich ma największe wzmocnienie (100x) i to on jest odpowiedzialny za szumy całego toru. Dlatego składa się on z czterech par równolegle połączonych tranzystorów uzupełnionych wzmacniaczem operacyjnym. Łączenie równoległe redukuje szumy tego stopnia. Każde podwojenie ilości tranzystorów zmniejsza szumy o 3 dB. Zdecydowałem się na sensowne cztery pary. Oczywiście sam dobór tranzystorów jest też dość ważny. W prototypie testowałem różne tranzystory. Na początek sławne BC550, które okazały się dość mierne. Mają one niższy szum od standardowych BC547 ale zwykłe wysokonapięciowe BC546 pobiły je na głowę. Oczywiście specjalistyczne tranzystory niskoszumne wykazały tu swoja przewagę. Okazało się jednak, że w tym układzie osiągają minimum szumów przy jednej, góra dwóch parach. Zwiększanie ich ilości nie przynosiło już żadnych korzyści a tylko straty w postaci wydanych pieniędzy. Dlatego osiem sztuk popularnych BC546 z „opampem” NE5532 okazało się najtańszym i najlepszym rozwiązaniem. Kolejne trzy stopnie wzmacniają sygnał 10 razy każdy, co zarazem umożliwia przełączanie zakresów pomiarowych. Na drugim schemacie widzimy blok przełączanych filtrów, prostownik i regulowany wzmacniacz słuchawkowy. Filtry to typowe stopnie odwracające z ustalonym pasmem przenoszenia od dołu i od góry. Filtr „krzywa A” jest to filtr o tzw odwróconej charakterystyce ucha ludzkiego. Stosowany tylko w pomiarach szumów sprzętu audio. Nie mając do dyspozycji szczegółowych danych tego typu filtru został zaprojektowany nieco na oko. Rozrzuty pojedynczych decybeli chyba można darować w amatorskim sprzęcie pomiarowym, a jak się okazuje są różne normy określające filtry tego typu. Kolejny blok to prostownik wartości średniej ze wzmocnieniem ustalonym tak, by napięcie wyjściowe dawało wynik wartości skutecznej. Do ustawienia zera i symetrii służą dwa PR-ki. Prostownik ma przełączane stałe czasowe filtru uśredniającego. Jest to czasami potrzebne do pomiarów niskoczęstotliwościowych. Na końcu znajduje się już sam woltomierz analogowy z przełącznikiem zakresów i kalibracją dla każdego z nich. Dodatkowo mamy jeszcze potencjometr i wzmacniacz słuchawkowy. Całość jest zasilana specjalnym niskoszumnym zasilaczem. Zastosowałem dwa stopnie stabilizacji napięcia, co jest konieczne aby tętnienia zasilania były niższe od szumów własnych stabilizatora. Stabilizatory „zgrubne” to 7815/7915 i końcowe LM317/337 pracujące w topologii niskoszumnej. Sam zasilacz został umieszczony tak aby pole magnetyczne transformatora jak najmniej przenikało na czułe wejście przyrządu. Wejście i pierwszy stopień wzmocnienia najlepiej jakby były ekranowane. To drugi prototyp i w nim zrezygnowałem z tego dość kłopotliwego rozwiązania. Przy pomiarach na dużych czułościach należy zadbać aby blisko wejścia nie pojawiły się jakieś źródła zakłóceń.
Dokładność pomiarowa
Projektując i kalibrując miernik skupiłem się na pomiarze czystych sygnałów sinusoidalnych. Potraktowałem go jako prostownik bardzo małego napięcia zmiennego. Po dołączeniu sygnału z generatora za pomocą znanych dzielników na wyjściu miernik miał uzyskać wyższe napięcie stałe o wartości skutecznej przyłożonego napięcia do wejścia. W praktyce cały tor pomiarowy nie musi być kalibrowany a o jego dokładności decyduje precyzja wzmocnienia poszczególnych stopni i prostownika. Przydadzą się tu rezystory jednoprocentowe, choć w amatorskim mierniku 5 % też jest wystarczające. Zwłaszcza, że sam woltomierz analogowy ma klasę dokładności 2,5. Myślę, że dla sygnałów sinusoidalnych dokładność o wartości kilku procent udało się uzyskać, choć zawsze pewną niewiadomą będzie dokładność mierzenia sygnału w postaci szumów. Do precyzyjnej kalibracji przyrządu baaaaaardzoooooo przydałby mi się miernik będący nagroda w konkursie
Dokładność pomiarowa w praktyce
W dzisiejszych czasach niektórzy z politowaniem patrzą na analogowe mierniki. Nie da się ukryć, że dokładność zastosowanego to tylko 2,5%. Do tego dochodzi błąd wzmocnienia może 1%. Wypadkowo więc będzie jeszcze gorzej niż 2,5% a może będzie to 5%? Więc co to za przyrząd pomiarowy? Otóż 5% to zupełnie wystarczająca dokładność! Oto dowód: Policzmy sobie odstęp sygnału od szumu dla np. jakiegoś odtwarzacza CD czy przedwzmacniacza. Wiemy, że jego rzeczywisty poziom szumów na wyjściu to 20uV a znamionowe napięcie wyjściowe to 2V, liczymy:
2V / 0,00002V = 100.000 i dalej 100.000 LOG * 20 = 100dB
Teraz dla błędu 5% czyli miernik pokarze 19uV do 21uV
2V/ 0,000021 = 95238,1 i dalej LOG*20 =99,58dB
2V / 0,000019 = 105263,2 i dalej LOG * 20 = 100,44dB
Oba wyniki po zaokrągleniu do pełnych decybeli dadzą tą sama wartość czyli 100dB odstępu sygnału od szumu! Tak więc 5% dokładności w tym przypadku to wystarczająca dokładność.
Co do wskazówki analogowej, to wierzcie mi ale w tego typu przyrządzie jest ona koniecznością! Oczywiście niektórzy woleliby aby procesor sam za nich policzył magiczne decybele
Obsługa miernika
Obsługa jest intuicyjna. Podłączamy wejście pomiarowe miernika do wyjścia badanego toru audio czy napięcia wyjściowego zasilacza. Przełączając zakresy pomiarowe „szukamy” wskazówki na skali, wybieramy też pasmo pomiarowe. Podłączając słuchawki możemy usłyszeć tak na prawdę co za szum/zakłócenia generuje mierzony układ. Jest to najistotniejsza funkcją w całym mierzeniu szumów. To nie o ich poziom bezwzględny chodzi ale o to co w tych szumach się znajduje. Dzięki bezpośredniemu odsłuchowi możemy szybko ocenić czy jest to brum z zasilacza, brzęczenie trafa czy jakieś ćwierkanie napędu CD, czy cyfrówki. Oczywiście pod to wyjście możemy podłączyć analizator widma i wszystko zobaczyć.
Uwagi
Nieco uproszczona konstrukcja układowa powoduje pewne kłopoty z pomiarami. Ponieważ wzmacniacz pomiarowy pracuje pełnym pasmem a filtry znajdują się dopiero za nim można zauważyć „nasycanie” wzmacniacza przy pomiarach na dużej czułości i wąskim pasmie. Jest szczególnie słyszalne, gdy niskoczęstotliwościowy szum „zatyka” tor pomiarowy i robi się na chwile cisza. Dzieje się tak np. przy podłączaniu przewodów pomiarowych. Utrudnia to pomiary wąskopasmowe sygnału z dużą wartością niskich częstotliwości. Zawsze po włączeniu węższego pasma, szczególnie krzywej A wskazówka miernika opada. Jeśli wtedy zwiększymy czułość wynik pomiaru może być niewiarygodny. Stopnie wzmocnienia mogą się przesterować sygnałami spoza pasma pomiarowego (nie ma detektora clip). Z tego też względu nie ustawiamy czułości tak aby wskazówka wychyliła się najwięcej. Robimy to tylko przy pracy pełnopasmowej a później redukujemy pasmo i odczytujemy wartość.
Parametry miernika
Zakresy pomiarowe: 30 uV, 300 uV, 3m V dla „1/3”: 10 uV, 100 uV, 1 mV
pasma: krzywa A, 20 Hz - 20 kHz, 10 Hz-100 kHz i full (ok 1 Hz - > 200 kHz)
Cool? Ranking DIY
na panelu nie chcieli wydrukować ? 
