Merni lanac za DIY audio

[Braca]

Moj merni lanac za THD, IMD, itd. napreduje, pa zato započinjem novu temu.
Neke stvari koje spadaju ovde već sam objavio na temi "Viktorov oscilator" - videćemo da ih možda prebacimo ovde.

Za početak, završio sam niskošumni pojačavač (LNA)  od 60dB koji je konstruisao Scott Wurcer:
http://www.diyaudio.com/forums/group-buy...lexer.html

LNA će se koristiti iza eliminacionog filtera da pojača signal izobličenja.
Nedavno sam kupio pločicu sa te teme, izlemio je i pripremio za ugradnju u kutije - množina je namerna, jer će biti ugradjen prvo u malu čeličnu kutiju, a zatim u aluminijumsku, zajedno sa baterijom.
Dvostruko oklapanje je neophodno zbog velikog pojačanja i veoma visoke ulazne impedanse.

Na slici su prikazani svi delovi, ostaje još samo ugradnja i podešavanje, odn. merenje karakteristika.

Pozdrav

[BeliNinja]

Ti i Gosha, mini-maxi lab

[Braca]

Moraće i Goša da pravi ovako nešto.
Moja tehnika neće ići preko 48kHz (za sada), tako da ćemo morati da se dopunjavamo.

Inače, saznao sam de već ima pločice za filter i LNA .

Pozdrav

[Braca]

Neposredno pred ugradjivanje u kutiju...
Preamp se nalazi u posebnoj kutijici od čelika, kako su se nekada oklapali tjuneri u televizorima.
Baterija od 9V je takodje u kutiji, ćime se dobija kompaktan uredjaj, nezavisan od mreže. Pri potrošnji od 11mA neće biti potrebno često otvarati kutiju radi promene baterije.
Pojačanje od 60dB daje jedan FET (2SK369), iza koga je OPA1642 kao servo i izlazni bafer. Wurcer je tu koristio AD823, a ja sam se zbog predvidjene upotrebe preampa opredelio za opamp sa nižim THD.
Frekventni opseg sklopa je izmedju 300 i 400kHz (procena, da mi je Goša malo bliže znao bih tačno ).
Rezultati preliminarnog testa pomoću osciloskopa Rigol 1074Z (BW 20MHz), sve vrednosti su rms:

• Sopstveni šum osciloskopa: 420uV,
  

• Šum preampa sa kratko spojenim ulazom: 3,83mV, neto napon po rms oduzimanju 420uV: 3,81mV
  

• Sopstveni šum 2SK369 od 0,89nv/rtHz treba na izlazu da proizvede neto napon od 3,98mV . Razika izmedju teorije i merenja je -4,2%, što je odličan rezultat, pogotovo ako se uzme u obzir da je mereno osiloskopom.
  

• Šum preampa sa otpornikom od 50 oma na ulazu: 5,26mV, neto 5,24mV,
  

• Teorijski napon šuma na izlazu sa istim otpornikom (0,9nV/rtHz, BW=20MHz), uzimajući u obzir šum osciloskopa i preampa: 5,39mV, što rezultira greškom od -2,8%.
  
• Za sada, veoma dobra imunost na smetnje, ali to će biti predmet preciznijih merenja.
  

Prema tome, preamp je položio ispit.
Sledeći korak je da završim podesivi eliminacioni filter (uradjeno je već više od 50%).

Pozdrav

[Gosha]

Posto je naziv teme "merni lanac....." a ne "moj merni lanac......."
smatram da ovo nece smetati temi.
Pored spektralca HP3585A dobavio sam i jedan dvotonski generator
plod domace pameti (Institut "Boris Kidric" Vinca, Papak zna o cemu se radi).

Na slici su dva tona od 18KHz i 19KHz, 
a moguce je izabrati bilo koje dve frekvencije u opsegu od 20Hz do 20KHz.

Sto se tice THD, nije bas najsjajnija situacija. 

Posmatran je samo jedan ton od 18KHz i vidi se da prisutna  suma harmonika.
Moguce da nesto nije u redu sa samim generatorom, jos ga nisam osmotrio iznutra.


Ovo je lanac za posmatranje intermodulacionih izoblicenja i nadam se da cemo sve ovo moci da vidimo i u Kg-u
Braco izvini za upad ali i ovo spada u merni lanac za DIY audio.

[Gosha]

Moraće i Goša da pravi ovako nešto.
Moja tehnika neće ići preko 48kHz (za sada), tako da ćemo morati da se dopunjavamo.

Inače, saznao sam de već ima pločice za filter i LNA .

Pozdrav

Sto se ovoga tice bice uradjeno sigurno. Hvala ti za plocice.
Samo malo da se poigram sa ovim novopridoslim spravicama pa se bacam na izradu.

p.s. Sastavio sam onaj kineski low THD oscilator i gle cuda, na ovom spektralcu se jedva nazire treci harmonik.
Zaklucak: moracu da nabavim bolji spektralni analizator

[Braca]

Goša, nema razloga za izvinjavanje, tvoji prilozi svakako spadaju u temu.
Dvotonac u aktuelnom stanju nije za kvalitetna merenja jer mu THD po prikazanom rezultatu nije bolji od -45dB. Bio bi možda nešto bolji da si pri merenju išao samo na prve tri do četiri harmonike jer bi dobio tačnije amplitude.
Kao što sam već napisao. din. opseg HP-a je 80dB i to je granica mernja THD. Njegova prednost je što taj din. opseg stoji na raspolaganju u širokom frekv. opsegu, ali za merenja nižih vrednosti THD moraćeš da ideš na rešenje sa filterom.
Da li će i LN amp biti potreban, ostaje da se vidi.

Pozdrav

[mikikg]

Ja moram da se nadovezem, 80dB je sada vec malo, obican RTL-SDR ima vise i to u opsegu frekvencija do par GHz. Naravno, tesko mozemo da poredimo HP sa kineskim USB stikom ali ljudi to sad prakticno radi iste stvari a da ne pricam sta sve moze u SW da se radi sa tim podacima kada se usempluje.

Od tih starih sprava iskreno samo vrede jos uvek step atenuatori i oscilatori (OCXO), sve ostalo prelazi na brzu A/D konverziju i u digitalnom domenu se sve ostalo radi.

Ne znam koliko je kostao taj HP ali hajde da kazemo da uz njega treba i svakako neki signal generator, to nije ispod par stotina Eur, za tu sumu moze da se kupi Entry-Level VNA koji je daleko daleko korisnija sprava za sva moguca merenja nego samo sprektralni analizator, za Audio, SMPS, RF, snima sve S parametre, napon i fazu ...
http://sdr-kits.net/VNWA3_Description.html

---

Audio kartica EMU koju je Gosha spominjao, za Audio opseg ima bar 10-15dB bolje karakteristike od spomenutog HP i sam D/A od te kartice ima bolje karakteristike nego prikazan generator iz Vince ... ne vredi voditi trku sa tim stvarima, ja vam kazem bolje A/D konverter u ruke pa da se napravi nesto pismeno

Uradite jedan dobar A/D sa simetricnim preamp, to da se potera, to ima dinamike kao dva ona HP jedan preko drugog

Tehnologiju za preamp koliko vidim ste "savladali", sad isto to samo direkt u dobar A/D konverter sa opakim napajanjem i to varijante tipa jedna ili dve OPA-192 koje se samo bave napajanjem i direktno pokrecu neki dobar OP.
A/D konverter mora da bude uz pre-amp, moraju da se preskoce sve moguce interkonekcije da bi se dostigle ozbiljne perfomanse.
Tu se odradi i ozbiljan CLOCK sa vec poznatim tehnikama i oscilatorima i to mora dobro da radi. Tu pricamo o zagarantovanih 120dB a uz dobre PCB i visestruko okplapanje kao sto je Braca radio to moze da ide jos par desetina dB vise!

Kad se to napravi onda se opet uzme RTL-SDR ali ovog puta se iskoristi samo tuner (mixer) iz njega, interni A/D se zanemari i prebaci se na ovaj nov i eto i Spektralnog analizatora sada sa jos vise dinamike i to sve za par GHz!

[mikikg]

---
Ovaj A/D konverter i ta "kockica" pored na slici sa linka, to sempluje CEO bandwith od 30MHz u ovom slucaju, HP radi skeniranje po frekvenciji pa sempluje vrlo uzak deo BW-a i to uz svu pomoc kristalnih filtera koji ide pre ulaza u njegov A/D, "malac" sa linka ponavljam sempluje SVE odjednom, veci je problem sta raditi sa tom kolicinom podataka nego neke tehnicke perfomanse, sa ovim SDR online prijemnikom su se toliko igradili da su u "kockicu" smestili stream server koji moze da obskrbi stotine posetioca/slusaoca i to svako da slusa svoju frekvenciju nezavisno i nezavisno da je demodulise a sve dolazi iz jednog semplovanog signala ...

http://websdr.ewi.utwente.nl:8901

[Gosha]

Goša, nema razloga za izvinjavanje, tvoji prilozi svakako spadaju u temu.
Dvotonac u aktuelnom stanju nije za kvalitetna merenja jer mu THD po prikazanom rezultatu nije bolji od -45dB. 

Treba jos da ucim. Lose je meren dvotonac, nisam dobro podesio spektralac.
Ovo je realna situacija:

Drugi harmonik je na -72dB a treci na -76dB. 
Ovo je nesto sto se moze ocekivati od ovog uredjaja.

[Braca]

---
Ovaj A/D konverter i ta "kockica" pored na slici sa linka, to sempluje CEO bandwith od 30MHz u ovom slucaju, HP radi skeniranje po frekvenciji pa sempluje vrlo uzak deo BW-a i to uz svu pomoc kristalnih filtera koji ide pre ulaza u njegov A/D, "malac" sa linka ponavljam sempluje SVE odjednom, veci je problem sta raditi sa tom kolicinom podataka nego neke tehnicke perfomanse, sa ovim SDR online prijemnikom su se toliko igradili da su u "kockicu" smestili stream server koji moze da obskrbi stotine posetioca/slusaoca i to svako da slusa svoju frekvenciju nezavisno i nezavisno da je demodulise a sve dolazi iz jednog semplovanog signala ...

http://websdr.ewi.utwente.nl:8901

Slažem se da je ključ za ovu vrstu merenja dobar ADC, pod čime podrazumevam vrhunsku linearnost, odn. nizak THD u opsegu do nekoliko stotina kHz.
Na žalost, A/D konvertori takvih karakteristika, a i odg. pločice nisu nešto što se često nudi. Aktuelni model AP555 i dalje koristi jedan Cirrus-ov ADC, ali je elektronika pre njega i softver ono što taj analizator čini referencom.
Inače, tehnika sa "notch" filterom i pojačavanjem rezidualnog signala koristi se praktično u svim komercijalnim THD analizatorima.
Zato ovaj HP ima dobru šansu za proširenje mernog opsega - njegov din. opseg jeste ograničen, ali prebacivanjem rezidualnog signala u sredinu tog opsega uz pomoć ove vrste mernog lanca i korišćenjem njegovih (odličnih) pojačavača može da se dobije veoma dobar rezultat.
Uostalom, isprobaćemo ga. Viktorov oscilator je bolji od -120dB THD, pa ćemo videti da li će se nešto od toga pokazati na ekranu.

Uzgred, problem svih 24-bitnih A/D konvertora je što pouzdanost rezulata brzo opada ispod nekih -100dB.

Pozdrav

[Gosha]

Inače, tehnika sa "notch" filterom i pojačavanjem rezidualnog signala koristi se praktično u svim komercijalnim THD analizatorima.
Zato ovaj HP ima dobru šansu za proširenje mernog opsega - njegov din. opseg jeste ograničen, ali prebacivanjem rezidualnog signala u sredinu tog opsega uz pomoć ove vrste mernog lanca i korišćenjem njegovih (odličnih) pojačavača može da se dobije veoma dobar rezultat.
Uostalom, isprobaćemo ga. Viktorov oscilator je bolji od -120dB THD, pa ćemo videti da li će se nešto od toga pokazati na ekranu.

Uzgred, problem svih 24-bitnih A/D konvertora je što pouzdanost rezulata brzo opada ispod nekih -100dB.

Pozdrav

Upravo u tom pravcu dejstvujem. Isprobavam jedan notch LC filter  koji sam vec kacio u nekoj temi.

[vladd]

Nisam nesto detaljno citao pratecu knjisku, i mislim da moze i sa internim podesavanjima da se spusti ispod 100dB.

Nije to losa sprava, vec je izuzetna, pogotovo sto je odlicno sisla u audio opseg. Ja nazalost na poslu rabim jedan koji je tek od 9KHz, ali tera u GHz, iako trenutno ne preskacemo MHz. Ali ima memorije, komunikacije, racuna fft..
Elem, ne bih taj HP poredio sa nekakvim plugin analizatorima, upotrebljiva su oba za hobi, ali recimo da laboratorije radje koriste i stare pakarde nego te jeftine supstitucije, i ima nekih razloga.

Od stabilnosti, otpornosti na okolni sum, variranja merenja tokom vremana, ponovljivost merenja..to ima svoju cenu, a neko i potrebu.

[Braca]

Podesivi eliminacioni ("notch") filter  za opseg od 990 do 1010Hz u zadnjoj fazi testiranja.
Radi se o Hall topologiji, čija je prednost da se frekvencija podešava samo jednim elementom, u konkretnom slučaju trimerom koji se nalazi u žutom nosaču na prednjoj ploči.
Ostalo je još da se zaleme prekidači za upravljanje atenuatorom i da se zameni improvizovani otpornik kojim je podešena dubina filtra.

Filter trenutno ostvaruje 90dB slabljenja na karakterisitičnoj frekvenciji, ali je signal relativno "prljav" zbog EMI. Iza filtera je ranije pomenuti LNA, čiji izlaz gledam na osciloskopu pri osetljivosti od 50mV.
Kada ga spakujem u kutiju biće detaljnih mernih rezultata, a ako bude interesa objaviću i šemu sa vrednostima elemenata.
Moraju se koristiti kvalitetne komponente (kondenzatori od 1%, otpornici od 0,1%), a na kraju je ipak neophodno fino podešavanje trimerom.

Pozdrav

[Braca]

Još jedan pogled na (privremeno) završen filter pre ugradnje u kutiju. Privremeno, jer se trimer koji sam ugradio loše pokazao (mehanička histereza) i jer mi je potreban otpornik od 3K6/0,1% da zameni provizorijum na žicama. Verovatno ću zameniti i preklopnike za upravljanje atenuatorom. Pošto proračun filtra rezultira nestandardnim vrednostima otpora, Groner je predvideo mogućnost za trimovanje rednim i paralelnim povezivanjem standardnih otpornika. Pri proračunu tih kombinacija mnogo mi je pomogao Excel makro koji sam već ranije pomenuo na forumu:
http://www.diyaudio.com/forums/software-...ons-2.html
Pomoću njega sam dobio kombinacije otpornika sa tolerancijom boljom od 0,1%.
Inače, pločica je razvijena za filter sa konstantnom nom. frekvencijom, tako da sam morao skalpelom da adaptiram donju granu filtera i trimer povežem posebnim vodovima. Nije baš elegantno, ali ne pravi probleme u radu.
Na prednjoj ploči se vidi i EMI zaptivka.
Pločicu sa prao četiri puta propanolom i acetonom

Merenje izvršeno jutros oko 7 sati pokazuje da eff. vrednost rezidualnog signala posle pojačanja od 60dB iznosi 19mV, što pri ulaznom naponu u filter od 1,75V rezultira potiskivanjem osnove učestanosti od 108dB.
Oscilator se pri tom napaja iz baterija koje nisu oklopljene, pa zato u signalu ima smetnji. Ako se i te smetnje uklone, mogu da računam sa slabljenjem od 110dB na nominalnoj frekvenciji, što se može smatrati odličnim rezultatom, pogotovo u DIY uslovima. Konzervativno gledano, mogu uvek da računam sa 100dB atenuacije.
Komercijalni uredjaji su bolji za nekih 20-30dB, ali oni koriste aktivne samopodesive (tracking) filtere.

Biće još rezultata, ali tek od nedelje. Prihvatio sam da radim tonsku režiju na smotri bugarskog folklora u Cirihu, pa su naredni dani rezervisani za praktični audio, gde ću jedino meriti SPL .

Pozdrav

[Bocko]

Ako nemaš, mogu ti poslati čepiće za višak SPL

[Braca]

Ako nemaš, mogu ti poslati čepiće za višak SPL

Ovog puta mi neće trebati jer je master regler u mojoj ruci, a granica je 85dB .
Inače, bez njih ne idem ni na kakav koncert, a pogotovo ne na balkanske fešte.

Pozdrav

[Braca]

Evo simulirane frekv. karakteristike varijabilnog filtera i njegove šeme. Cilj je da se trimerom od 500R dobije varijacija od 990 do 1010Hz, što je i ostvareno (991 do 1011Hz).
Pošto otpornici i kondenzatori imaju svoje tolerancije, morala je još fino da se podesi vrednost rednog otpornika R1 kako bi se dobila maksimalna atenuacija. To je ostvareno pri R1=120,5K (nominalno važi R1 = 6*(R2 + R3), u konkretnom slučaju 120K).
Trimera nema na šemi, a simulacija je uradjeno sinhronom varijacijom vrednosti R2 i R3.

Pozdrav

[Braca]

Prvi pokušaj merenja frekv. odziva filtera i, rekao bih, veoma lep rezultat.

Za praktičnu upotrebu filtera pri merenju THD potrebno je znati koliko je slabljenje harmonika potisnute osnovne učestanosti jer ako se to ne uzme u obzir, dobijena vrednost THD će biti vrlo optimistička. Na primer, ako je slabljenje 2. harmonika 10dB i to se pri proračunu THD ne doda izmerenoj vrednosti, taj harmonik će u ući u proračun sa greškom od -10dB i tako neopravdano poboljšati ukupan rezultat.
Do ovih vrednosti se može doći teorijskim putem (model, odn. simulacija) i merenjem.

Merenje frekventnog odziva se može izvršiti pomoću vrlo čistog generatora sinusa sa promenljivom frekvencijom, ili pobudjivanjem filtera nekim od signala tipa PRBS (Pseudo-Random Binary Sequence) ili MLS. Pošto ja nemam mogućnosti za tu vrstu merenja, isprobao sam pobudjivanje pomoću belog šuma sa ograničenim frekventnim opsegom, u konkretnom slušaju do 20kHz. Zahvaljujući jednom ponosnom vlasniku HP3585 s ovog foruma, imam od pre nekog vremena gen. šuma Brüel&Kjaer 1405 , koji sam iskoristio za pobudu. Ideja je da će beli šum pobuditi filter u celom frekventnom opsegu, tako da će se u spektru lepo videti njegov frekv. odziv. Da bi ovaj zadnji mogao i da se izračuna, potrebno je istovremeno snimiti signal pobude i odziv filtera, a zatim, vrlo aproksimativno rečeno, podeliti njihove spektre, što bi trebalo da rezultira frekv. odzivom.
Pošto se radi sa šumom, potrebno je izvršiti duboko osrednjavanje rezultata, zašta je potreban dug zapis oba signala. Koristeći moju MOTU karticu i program Cockos Reaper snimio sam nekih 5000 sekundi signala 24/48 i evo rezultata dobijenih iz zapisa dužine izmedju 500 i 1000 sekundi.
Prvi prilog pokazuje izmereni frekv. odziv filtera na kome se vide markeri drugog i trećeg harmonika. Njihovo slabljenje u dB iznosi 10,2 i 5,8dB, pri ukupnom slabljenju filtera (insertion loss) od 2,8dB (krajnja desna tačka). Fazni stav im je -281 i -295 stepeni, što nam trenutno ništa ne znači.
Druga slika pokazuje rezultate simulacije, odn. frekv. odziv teorijskog modela. Na ukrsnicama (cursor) se vidi slabljenje od 10,8 i 6,4dB, što je odlično slaganje, pogotovo ako se uzme u obzir da je filter simuliran sa zanemarljivim opterećenjem (100M), a pri merenju je bio opterećen ulaznom impedansom HighZ ulaza u MOTU, koja sugurno nije toliko visoka. Faze se moraju preračunati da bi se uporedile jer LtSpice i Matlab imaju različite konvencije - ako se faze od -281 i -295 stepeni preračunaju u dopunu do -360, dobijamo 79 i 65 stepeni, tj. opet dobro slaganje teorije i merenja.
Filter je dakle overen.
Sada ću do osnujem firmu za merenje THD, koja će članovima foruma davati rabat od 100% .

Pozdrav

[Braca]

Novi, i za sada najbolji merni rezultati filtera.

Pisao sam da je podešavanje filtera sa trimerom koji mi se našao pri ruci bilo vrlo problematično. Juče su mi stigli novi cermet trimeri Vishay T18501KT10 i Bourns 3006P-1-501ZLF, oba od 500R. Ovaj poslednji već ima na sebi čauru za montažu na prednju ploču.
Prvo sam montirao Vishay, i to kao buduću stalnu verziju, počeo da merim i ubrzo zatim i da se preznojavam jer se taj trimer još teže podešavao nego onaj "no name" iz prve verzije. Teško se pokreće i kao da ima neke diskretne skokove - verovatno vrlo male za običnu upotrebu, ali u mom slučaju dubina filtra je varirala i do 10dB, a da sam jedva osetio da se osovina trimera pomerila. Sve u svemu, jedva sam par puta izašao na -100dB. Totalno razočarenje.
Jutros sam montirao Bourns i već pri prvom podešavanju pao mi je kamen sa srca jer sam odmah postigao -100dB. Pošto sam ga nekoliko puta "prošetao" od nule do kraja napravio sam nekoliko merenja i u prilogu je najbolji rezultat koji sam do sada postigao. Eff. vrednost reziduuma od 5mV posle pojačanja od 60dB daje pri ulaznom siganlu od 2Vrms potiskivanje nominalne frekvencije od -112dB. Medjutim, to je postignuto vrlo pažljivim podešavanjem trimera, dok je tipično slabljenje -105 do -108dB.
Kao što se vidi na oscilogramu, reziduum skoro da ima karakter šuma jer je Viktorov oscilator izuzetno čist, a moji uslovi merenja nisu baš najbolji (osc. se napaja iz baterija koje nisu oklopljene (još čekam naručenu kutiju).
Za ilustraciju, na drugom oscilogramu se vidi situacija pri slabljenju od -108dB. Na prvi pogled, drastična razlika, ali ne i na logaritamskoj skali.

Sada vidim da sam pogrešio što sam išao na varijaciju nominalne frekvencije od +-10Hz ("lessons learned"). Prva proračunata verzija je bila za +-5Hz (trimer od 200R), što bi mi dalo 2,5 puta manju promenu frekvencije po stepenu rotacije trimera i na taj način znatno bolju ponovljivost maksimalnog slabljenja. Imao sam čak i delove za tu varijantu, ali sam se u zadnjem trenutku odlučio za širi frekv. opseg jer imam nameru da malo eksperimentišem i sa oscilatorima.
Izgleda da ću morati da napravim još jedan filter za vrhunska merenja, čiji bi opseg bio možda samo +-2,5Hz, odn. ono što se teorijski može postići sa trimerom od 100R .

Pozdrav