Merni lanac za DIY audio

[vladd]

Tebi treba lock in amplifier, da bi izvukao signal iz suma.

Sto mu ne podignes ulazni signal, bice jasnije koliko je slabljenje,a sve iznad nivoa suski. I vaski...

[Braca]

Tebi treba lock in amplifier, da bi izvukao signal iz suma.
Sto mu ne podignes ulazni signal, bice jasnije koliko je slabljenje,a sve iznad nivoa suski. I vaski...

Namerno nisam hteo da idem na aktivnu verziju filtera jer bi u tom slučaju u igri bio i THD+N njegove elektronike.
Nivo od 2Vrms je uobičajen za linijske izvore zvuka (CD, DVD) na RCA izlazu. Inače, pri merenjima koja imam u vidu moraću da idem na skoro upola nižu vrednost (+4dBu) jer je to standardni ulazni nivo profesionalne audio elektronike, u šta ubrajam i moj MOTU mikser.
Pored toga, Viktorov generator ne ide preko 3Vrms, odn. već pre toga mu blago rastu izobličenja.

Pozdrav

[vladd]

Lock in iz tog slabog signala izvlaci originalan, on ne sluzi kao filter, naravno, potreban je pilot triger bazicnog signala, na koji se oslanja.

Cisto sammislio da definises precizno slabljenje filtera, a da se osciloskop ne gubi u sumu sa detektovanjem napona.
Dignes na 10V pa vidis da li je signal na 100mV ili na 80. Daleko si iznad margine suma, a imas jasnije potiskivanje filtera..

To ce isto raditi i sa 2V, sta te briga sto je signal zavejan sumom.
I bas te briga za izoblicenja signal generatora, kao da ce audio signal biti sinusoida..

[Braca]

Za merenje THD+N nije neophodno znati koliko je tačno potiskivanje osn. učestanosti jer se vrednosti harmonika mere u odnosu na nivo signala  na ulazu. Važno je da potiskivanje bude što je moguće veće da bi se rezidualni signal dovoljno izdigao iznad nižih bitova A/D konvertora i tako smanjila greška merenja.
S druge strane, izobličenja signal generatora su itekako bitna jer se superponiraju sa THD uredjaja koji ispitujemo i tada se postavlja pitanje šta je kokoš a šta jaje .

Audio signal je u svakom datom trenutku suma velikog broja sinusoida, pa ako je uredjaj koji ispitujemo linearan, onda je u principu dovoljna jedna sinusoida da bismo znali kolika su mu izobličenja. Medjutim, pošto THD audio uredjaja u najvećem broju slučajeva zavisi i od frekvencije pobude, standardno merenje pri 1kHz se mora dopuniti i merenjem na kraju audio opsega, što se najlakše izvodi merenjem IMD na 18 i 19kHz.

Što se tiče šuma koji se vidi na osciloskopu, on predstavlja zbir pojedinačnih doprinosa oscilatora, filtera, niskošumnog pojačavača od 60dB iza filtera, i samog osciloskopa. Ako isključimo EMI, taj šum je približan frekventno ograničenom belom šumu i za njegovo odvajanje od korisnog signala se brine Monsieur Fourier .
Za ilustraciju, evo šta se nalazi u šumu prikazanom par priloga ranije (akvizicija 24/48, FFT 524288 uzoraka, prozor Hann, 30 osrednjavanja tipa Welch, generator se napaja iz lab. ispravljača (v. prilog). Sa izuzetkom smetnji iz mreže (50 i 150Hz), sve ostale smetnje su bele kao mleko . Pored potisnute osnovne frekvencije, vidi se još i slab drugi harmonik, koji verovatno potiče od audio interfejsa. To ću definitivno znati kada kada iz njega izbacim inferiorne opampove i zamenim ih vrhunskim.
Bez lažne skromnosti, ovo je jedan veoma čist preliminarni rezultat, pogotovo za DIY uredjaje.

Pozdrav

[Braca]

Rezultati preliminarnih merenja THD moja dva preampa iz LA Vol. 5.

Merenja su obavljena pod istim uslovima: pojačanje 0dB, pobudni signal 1Vrms, akvizicija 24/48, FFT 524288 uzoraka, prozor FlatTop -144dB, 35 osrednjavanja tipa Welch, generator se napaja iz lab. ispravljača). Rezulati su kvalitativni jer nisam kalibrisao nivoe, niti sam uzeo u obzir slabljenje filtera u propusnom opsegu.
U prvom spektru se vide izobličenja mog prvog preampa (regulacija jačine zvuka potenciometrom, kako je Putzeys zamislio, ali uz dodatak još jednog otpornika u cilju ograničavanja pojačanja na kraju hoda potenciometra).
U prethodnoj rečenici umesto "izobličenja" trebalo je koristiti jedninu, jer se vidi samo 2. harmonik na nivou od -100dB. Pri ranijim merenjima uz korišćenje analognog izlaza iz zvučne kao pobude video se uvek i 3. harmonik, i to na višem nivou nego drugi. Sada se može mirno reći da preamp nema izobličenja trećeg reda (kompresivna), već samo ona 2. reda (asimetrična), ali zato analogni izlaz iz MOTU kartice ima izobličenja 2. i 3. reda. To me ne čudi jer mu je DAC slabiji od A/D konvertora, a i izlazni opampovi su stvarno niža klasa.

U stvarnosti, zbog ranije prikazane krive slabljenja filtera taj 2. harmonik je jači za oko 10dB, a da bi se došlo do njegovog tačnog iznosa treba još uzeti u obzir i pojačanje rezidualnog signala od 60dB. To ću ubuduće raditi u Matlab-u, zašta još treba da napišem odg. program.
U spektru se jasno vide i harmonici mrežne frekvencije i tu će biti još posla oko identifikacije i otklanjanja uzroka.

Drugi priloženi spektar pokazuje rezultat postignut sa preampom opremljenim relejnim atenuatorom. Osim nižeg nivoa smetnji iz mreže, THD je ostao isti, iako je interno ožičenje, odn. priključivanje atenuatora na preamp izvršeno čeličnim koaksom RG179. Ohrabrujući, mada ne i potpuno neočekivani rezultat u svetlu onoga što su merenjem dobili Groner i Putzeys (LA Vol. 13). Oni su ustanovili da magnetični materijali (reed releji) u audio uredjajima generišu izobličenja tek kada kroz njih teče struja reda par mA, što ovde nije slučaj.
Primećuje se i niži nivo mrežnih smetnji - delimično objašnjenje je da se u prvom slučaju u kutiji preampa nalaze tri mrežna trafoa (preamp + poj. za slušalice), a u drugom dva (preamp + relejni atenuator).

Ohrabrujući rezultati, ali ima još posla...

Pozdrav

[Braca]

Posle sredjivanja uzemljenja i zamene par dugih kablova kraćim, evo rezultata kome sam se nadao.
Radi se o preampu LA Vol. 5 sa relejnim atenuatorom, izmerenom pod istim uslovima kao gore.

Nema potrebe za nekim dugim objašnjenjima - nešto bolje se teško može napraviti.
Očigledno je da ova verzija preampa nema unutrašnjih smetnji iznad 500Hz, a što se THD+N tiče nisu potrebni dalji komentari.
Što se laboratorije tiče, ovaj mali preamp može da počisti dobar deo HiFi tržišta bez obzira na cenu.

Pozdrav

[BeliNinja]

Samo cu da se

[Braca]

U prethodnom prilogu prikazan je spektar na izlazu iz preampa LA Vol. 5, izmeren pre nekih mesec dana. U medjuvremenu sam modifikovao moj Motu interfejs, čime je merni lanac skoro potpuno zaokružen, pa je sada vreme i da se pokažu kvantitativni rezultati.

U principu, spektar dobijen direktnim merenjem (pobuda - DUT - D/A konvertor - FFT) daje posmatraču dovoljno informacija za proračun THD (prikazano na predavanju u Kg). Medjutim, u ovom mernom lancu postoji još i eliminacioni ("notch") filter i niskošumni pojačavač (LNA) iza njega, pa direktan proračun na osnovu spektra više nije moguć jer se karakteristike ova dva elementa moraju uzeti u obzir.

Počećemo od blok šeme mernog lanca (prilog će biti nešto duži jer imam utisak da sam u Kg ostao dužan nešto detaljnijih objašnjenja procedure proračuna, pa se nadam da ću to ovoga puta nadoknaditi).

Na početku je pobudni generator koji mora biti maksimalno čist i niskog šuma (v. šemu u prvom prilogu). Na diyAudio.com se Viktorov oscilator etablirao kao referenca sa THD boljim od -130dB, što je za moje svrhe sasvim dovoljno.
Oscilator napaja preamp LA Vol. 5 sa +4dBu (1,228Vrms) jer je to referentni nivo za profesionalne uredjaje. Bruno je merio na +18dBu, što predstavlja "worst case" kod profesionalaca, ali to u našem slučaju nije potrebno, a u mom nije ni moguće jer Viktorov oscilator ide do max. +11dBu ako napaja samo jedan ulaz u preamp. Nivo ulaznog signala je proveren merenjem sa dva rms voltmetra (Sanwa PC5000a i Philips/Fluke PM2525).
Iza ispitivanog preampa nalazi se eliminacioni filter o kome je već bilo reči i koji u aktuelnoj verziji omogućava potiskivanje pobudnog signala od bar 100dB. Ovo se radi zato da taj signal, koji nas interesuje jedino zbog nivoa, ne bi opterećivao DAC, odn. da slabi harmonici ne bi bili diskretizovani samo sa nekoliko bita rezolucije, što bi bilo praćeno velikim relativnim greškama.

Ovde još treba zapaziti da konkretan filter ima izlaznu impedansu od 120K koja na njegovom izlazu stvara termalni šum od 44nV/rt(Hz). Taj šum nema uticaja sve dok su mereni signali iznad njega. Dodatak šuma je na šemi simbolično prikazan na izlazu iz filtera, što odgovara realnosti.
Uloga LNA je da signal na izlazu iz filtera (ostatak pobude + harmonici + šum) pojača za 60dB i tako ga premesti u deo opsega D/A konvertora gde su greške zmatno manje nego u njegovom donjem opsegu. Koristio sam dva LNA, Wurcer-ov sa sopstv. šumom od 1nv/rt(Hz) i Gronerov (0,4nV/rt(Hz)), i rezultati se nisu mnogo razlikovali. To ne čudi jer je njihov sopstveni šum neznatan u odnosu na šum izlaznog otpora filtera.

Rezultat konkretnog merenja je prikazan u drugom prilogu. Nivo šuma na ulazu u Motu je -112dB i u njemu dominira šum izlazne impedanse filtera, a u spektru se vidi samo drugi harmonik pobude na -97dB. Podsećam da Motu sa +9dBu na ulazu u svom spektru ima četiri vidljiva harmonika, čija je tačnost po amplitudi problematična.

Proračun THD je sada prilično jednostavan: LNA podiže osetljivost Motu ulaza za 60dB, odn. sa 5Vrms na 5mVrms, pri čemu eliminacioni filter slabi drugi harmonik za 10dB, tako da je njegova stvarna vrednost -87dB, čemu pri novoj FS osetljivosti Motu ulaza od 5mVrms odgovara napon od 223nVrms.
Pošto je to jedini vidljivi harmonik, THD preampa pri pobudi od +4dBu (1,228Vrms) je 20*log(223E-9/1.228) = -134.8dB! Skoro neverovatno, ali greška nije velika, što ću pokazati u nekom narednom prilogu.

Klasično merenje THD istom zvučnom karticom daje pri istovetnoj pobudi THD od -123dB, što u suštini predstavlja THD same kartice.
Pojačanjem rezidualnog signala posle filtriranja, prag osetljivosti se pomera naniže, pa ta izobličenja više nisu odlučujuća.


Nije bilo baš lako doći do ovih rezultata, pogotovo u kućnim uslovima. Eliminacija petlji uzemljenja se podrazumeva, dobar kvalitet kablova i konektora takodje, vodjenje mernih kablova i kablova napajanja su samo neki od faktora. Zbog neophodnog osrednjavanja, vreme akvizicije jedne merne tačke ide i do 30 minuta, pa ako neko u komšiluku za to vreme uključi neki veći potrošač ume da se ukaže špic i od nekih 30dB u odnosu na mereni nivo. U proseku sam imao od 3 do 6 takvih špiceva, koje sam naknadno uklanjao audio editorom, što nema uticaja na tačnost merenja.

Po istom principu funkcionišu i profesionalni analizatori, a ovde vidimo da se dobra tačnost može dostići i u DIY uslovima.

Pozdrav

[vladd]

Sjajno si to odradio Braco. Sjajno.

[Braca]

Hvala Vlado.

Nego, obećao sam još nešto na temu greške merenja.

Najbolje bi bilo uporediti ove rezultate sa Brunovim merenjima na +18dBu, ali zbog ograničenog izlaznog napona iz Viktorovog oscilatora to nije moguće.
Medjutim, može se izvršiti analiza trenda THD sa porastom ulaznog napona u preamp, a onda regresijom pokušati ekstrapolaciju na nivo od +18dBu (što reče Čerčil - postoji laž, ogromna laž, i statistika ).

U prilogu je spektar dobijen merenjem na +11dBu (max. mogući nivo oscilatora). Pored drugog harmonika sada se jasno vidi i treći, na nekih -10dB od drugog. Njihovi nivoi su -81,6 i -92,2dB, što posle korekcije slabljenja filtera daje apsolutne nivoe od -131 i -146dB.
Da ne ulazim u matematičke detalje, THD preampa u ovom slučaju iznosi -126dB.

Pošto imam samo dve tačke, nije moguća statistička regresija, već samo linearna ekstrapolacija (kao prva aproksimacija). Bez upotrebe kalkulatora, vidimo da se pri promeni ulaznog nivoa od +7dB (od +4 na +11dBu) THD povećao za nekih 9dB, pa ekstrapolacija daje za sledećih 7dB povećanja ulaznog nivoa rast THD od daljih 9dB, tj. sa -126 na -117dB (kalkulator daje -117.2dB).

Poredeći tu vrednost sa Fig. 28 iz Brunovog članka, vidimo da je on pri toj pobudi izmerio THD od -120dB. Uzimajući u obzir da je on merio pomoću AP uredjaja, ja sam ovim rezultatom prezadovoljan.

Biće još merenja na ovom preampu - živo me interesuje ima li razlike izmedju ovog modela (sa relejnim atenuatorom) i onog sa potenciometrom, itd.
Konačno dolazi trenutak da izmerim i BatoMM - imam ovde jedan kanal koji je izlemio BeliNinja, ali bih morao da ga završim, uključujući i ispravljač. Videćemo...

Pozdrav

[Braca]

Juče završio novu verziju "notch" filtera s nižim šumom od prethodne verzije (v. priloge na prvoj stranici).
Prva verzija ima ulaznu impedansu od 120K, a V2 od 11K, čime je termalni šum smanjen za 10dB. Razlog za gradnju V2 je bio što mi je šum kod V1 bio zadnji ograničavajući faktor u mernom lancu - nisam mogao do kraja da merim Viktorov oscilator, "Crocodile-2" pojačavač, a sada je tu i Gronerov prototip.

Uradio sam ga maksimalno precizno, da ne kažem - manijački.
Tri grupe kondenzatora od po 100nF (v. prvi prilog) su sastavljene od po 10 C0G kondenzatora od 10nF, pa sam kupio 50 kom. s tolerancijom od 5%, izmerio ih i formirao 5 grupa. Svi su bili "u plusu", a najveće odstupanje je bilo 3% (1 komad). Za trimovanje sam imao još 10 komada od 8,2nF.
Na kraju su kombinovanjem ispale tri grupe sa po 9x10nF (nominalno) i 1x8,2nF, sve složene na po 100,6nF.
Proračun je onda dao za frekvenciju od 1kHz vrednost serijskog otpornika od 11027R, a dva iz donje grane su morala da imaju vrednost od 797 i 936R, što sa trimerom od 106R između njih daje varijaciju frekvencije od ±5Hz. Te vrednosti su onda dobijene serijskim i paralelnim kombinovanjem standardnih otpornika.

Kod ovakvog sklopa pločica mora da bude temeljno oprana i tu sam prvi put primenio vibracionu četkicu za zube  . Rezultat: bez ostataka, zatim ispiranje destilisanom vodom, sušenje fenom i "pečenje" u rerni (1 sat na 70°C).

Rezultati:
Prilog 2: oscilogram ulaza u filter V2 i izlaza iz Wurcer-ovog LNA. Potiskivanje osnovne učestanosti je oko -105dB.
Prilog 3: Spektar Viktorovog oscilatora s filterom V2 i Groner-ovim LNA. Nazire se drugi harmonik pobudnog signala (nivo na ulazu je +7dBu).

Ovim je moj merni sistem stigao na poslednju stanicu.
Ostaje još samo da nađem bolje rešenje za podešavanje frekvencije. Ovog puta sam uzeo Bourns-ov trimer od 1W i 22 obrtaja (cermet), ali podešavanje ide teško jer kontakt očigledno nije ravnomeran, pa mi treba nekoliko pokušaja i vrlo mirna ruka da dođem na minimum.
Verovatno ću morati da idem na žičani pot sa 20 obrtaja - tu bi rezolucija frekvencije bila oko 6mHz, što bi trebalo da bude dovoljno. Međutim, tada mi treba i druga kutija jer u postojećoj nema mesta za pot od 22mm  .

Pozdrav
P.S. Filter V1 je sada slobodan, pa ako nekog interesuje, možemo da se dogovorimo . U principu, radi se samo o ceni materijala (treba mu još i kutija).

[Braca]

Evo i prvog merenja na prototipu Gronerovog najnovijeg oscilatora.

Mrežne smetnje su jače nego kod nekih mojih drugih merenja na pločicama bez oklapanja jer je površina prototipa i dužina provodnika koji povezuju njegova tri modula neuporedivo veća (oko 2 metra, sve zajedno).
Međutim, iznad frekvencije oscilatora stanje je potpuno drukčije. Pre svega, prag šuma odgovara vrednosti koju dobijam s kratko spojenim ulazom u ADC, što znači da je sopstveni šum oscilatora najmanje 8dB ispod praga na spektru. Razlog je (pisao sam o tome u temi o LNA) to što se u spoju dva sklopa individualni šumovi kvadratno (RMS) sabiraju i onda je ukupni šum (u principu) viši. Ako je ta razlika veća od nekih 8dB, uticaj slabijeg od ta dva šuma postaje zanemarljiv.
Nivo osnovnog signala je +5dBu, broj osrednjavanja pri analizi 32.

Na spektru se vide i dva slaba špica koji predstavljaju harmonike osnovnog signala od 975Hz. Oni mogu poticati od oscilatora, audio kartice ili su kombinacija ta dva uticaja.
To se sada mora razjasniti pomoću eliminacionog filtra i LNA, ali pošto je moj filter podešen na centar od 1kHz, moraću da menjam frekvenciju oscilatora. Na svu sreću, ne moram da skidam ništa od delova - moram samo da proračunam koliki otpornik treba da zalemim paralelno postojećoj mreži i da se nadam da tu vrednost imam u toleranciji od 0,1%.

Pozdrav

[Braca]

Mislim da će se ovde čekanje isplatiti:
https://www.diyaudio.com/forums/equipmen...11244.html
ADC sa THD od -128dB@1kHz i -123dB@20kHz, pri taktu od 192kHz  
I sve će biti open source.

Ovidiu Popa je napravio ime razvojem ekstremno niskošumnih RIAA pretpojačavača, a sada još i ovo.
Čini mi se da je AP 555 bolji samo za par dB!

Pozdrav

[gorso69]

I ja polako prikupljam komponente za merni lanac😀.
LNA je prvi urađen,sad je stigao USB interfejs i nešto konektora za njega.
Stiglo je pakovanje kondezatora(valjda ću upariti par komada) za notch
filter.

[Braca]

Čestitam!

Filter će morati da ima promenljivu frekvenciju, ali u uskom opsegu, oko ±5Hz (trimer od 100 do 200 oma jer pri većim vrednostima otpora kontaktni otpor klizača postaje smetnja).
Razlog za to je što RC oscilatori lagano menjaju frekvenciju, kako posle uključenja (temperaturski efekti), tako i u dužem vremenskom periodu (moj primerak Viktorovog oscilatora se tokom nekoliko godina pomerio sa 998 na 1000,5Hz).

Za izradu podesivog filtera postoje dve mogućnosti: Gronerova SMD pločica (Gerber postoji), ili sopstvena. Dobro urađen Gronerov filter ima potiskivanje i od preko 100dB, što pri opsegu kartice od 2V i pojačanju LNA od 60dB omogućava testiranje pri izl. naponu DUT-a od 200V (samo teorijski!), a za direktno merenje nekog poj. snage od 100W@8R (28V), minimalno potiskivanje u filteru bi trebalo da bude nekih 90dB. Pretpostavljam da se pažljivom gradnjom to može ostvariti i na DIY pločici u TH verziji, ali  nisam nikada probao.

Puno uspeha u gradnji!

[gorso69]

Hvala Braco,
filter ću kad skupim sve delove probati prvo u 3D varijanti .Gerber Gronerovog
mislim da nemože kod Kineza.Sad je na redu Viktor.

[Braca]

Ja sam svojevremeno kod Kineza bez problema uradio 10 pločica s tim Gerberom.
Trenutno nemam vremena, ali ću proveriti da li ide.

[gorso69]

Braco,
radi gerber ali su oznake elemenata (silk) preko lemnih mesta za otpornike i kondezatore.

[Braca]

Taj "silk screen" se ne pojavljuje na pločici.
Na velikom forumu je 2018. bio organizovan GB, na donjem linku se mogu videti gotove pločice:
https://www.diyaudio.com/forums/group-bu...04863.html
Moje izgledaju isto tako.

[gorso69]

Braco,
kad sam naručivao kondezatore za  notch negde mi je u sećanju bio tvoj post da si koristio COG 1n  *10kom pa sam i uzeo 10n FKP2 da bi sa tri uparena uradio 3D verziju filtera.Sad sam video da si koristio COG 10n * 10kom a na original šemi stoji 10* 100n.Koja kombinacija je prava i kako se računaju otpirnici u filteru?