Messen mit der Soundkarte für Anfänger

[peter_l]

So, dann trau' ich mich mal.

Nachdem der TK 28 fertig ist, möchte ich mein Versprechen einlösen und etwas zum Messen mit der Soundkarte zu sagen. Ich habe mir vorgenommen, das mit möglichst vielen Bildern und mit möglichst wenig Text zu machen, soweit das möglich ist.
Nach ein paar -auf das nötigste zurechtgestutzten- Grundlagen will ich nach und nach in lockerer Folge ein paar einfache Messanwendungen vorstellen.

Kurz zu meinem background: Maschinenbauer, kein Elektroniker, kein Computerfachmann. Vor einigen Jahren hab ich angefangen Lautsprecher zu bauen. Dazu brauchte ich eine Meßmöglichkeit und das war halt die Soundkarte. Danach kam ein bißchen Verstärkerbasteln und seit einiger Zeit die Tonbänder. In dieser Zeit kamen dann noch Frequenzgenerator, Oszi, Millivoltmeter und ein besseres Multimeter hinzu. Die Soundkarte war aber durchgehend immer dabei.

Meine Schreibe ist gedacht für die Leute, die das noch nicht gemacht haben. Für die Anfänger also, die das einfach mal ausprobieren wollen.

Gefragt sind aber auch die cracks - zum Aufpassen. Also bitte gleich melden wenn ich irgendwelchen gefährlichen Quatsch erzählen sollte - denn ich will absolut nicht schuld sein, wenn ab jetzt reihenweise die Soundkarten abrauchen.

Bitte gleich fragen falls was unklar ist.

1. Allgemeines

Es geht um das Messen Zeit- und Amplituden-kontinuierlicher Signale (Analog) mit einem Zeit- und Amplituden-diskreten Messsytem (Digital).
Das hat Konsequenzen die zu beachten sind:

Die wichtigste Konsequenz, das Abtasttheorem bleibt uns erfreulicherweise erspart weil Soundkarten am Eingang schon geeignet steilflankige analoge Tiefpassfilter eingebaut haben. So schöne Begriffe wie Aliasing oder Nyquist limit können wir damit schon mal getrost vergessen.

Wichtig ist auch die Amplitudenauflösung. Ist aber auch nicht kritisch: Die üblichen 16 bit reichen für unsere Rausch- und Rumpel-Kisten allemal.

Was wir uns aber merken müssen:
Wenn wir z.B. 48 kHz eingestellt haben, dann können wir bis max 24 kHz messen (Theoretisch. Praktisch hört's schon ein bißchen früher auf, sagen wir mal bei 20 kHz). Also immer bis knapp zur Hälfte der verwendeten sogenannten Abtastrate oder sample rate.

Wichtig für die meisten Messanwendungen ist, daß unsere Karte "voll duplex" arbeitet. Das heißt, daß die Soundkarte gleichzeitig senden und empfangen können muß. Die meisten Karten können das, wenn auch nicht immer bis zur höchster Abtastrate. Meine kann's bis 48 kHz. Bei 96 kHz ist dann schon "halb duplex" angesagt, d.h. die Karte kann dann nur noch entweder senden oder empfangen.

Was wir uns merken könnten (das nur der Vollständigkeit halber hier, brauchen werden wird das vorerst nicht):
Die Messdauer bestimmt die Frequenzauflösung. Tiefe Frequenzen können, wenn's genau sein soll, nur mit langer Meßdauer bestimmt werden.

Gut zu wissen ist, was der Eingang der Karte maximal verträgt bevor das "clipping" beginnt. Das Signal wird oben und unten beschnitten, also verzerrt. Bei mir geht das bei 1,9 Vrms los.



Da diese maximale Eingansspannung meist nicht im Datenblatt steht, schadet es nicht, sie gelegentlich nachzumessen.

Beim Clipping, und noch ein schönes Stückchen drüber, passiert dem Eingang der Karte noch nichts. Irgendwann noch weiter drüber könnt's aber schon mal kritisch werden. Es wird daher gelegentlich empfohlen, eine Schutzschaltung aus z.B. zwei Dioden zu verwenden. In einer meiner Messboxen hab ich sowas drin, meistens messe ich aber "ungeschützt". Man muß sich halt im Klaren sein, mit was für einer Spannung man an den Eingang geht. Notfalls vorher nachmessen.
Bei Schutzschaltungen sieht man auch meist nicht so klar, wann die Verzerrungen beginnen. Da ist mir ein klares eindeutiges clipping eigentlich lieber. Aber das muß jeder für sich entscheiden.

Was man eigentlich noch wissen sollte, wäre Eingangs- und Ausgangsimpedanz der Karte. Sowas erfährt man aber bei den neueren nur in den seltensten Fällen. Bei meiner alten Turtle Beach Pinnacle gab's das noch: 10 kOhm am Eingang und 75 Ohm am Ausgang (übrigens eine phantastische Karte, auch wenn die Installation dieser ISA Karte jedesmal ein Abenteuer mit ungewissem Ausgang war. Schade, daß sie irgendwann mal den Geist aufgegeben hat - NEIN, ich habe den Eingang NICHT verbrannt!).
Als Größenordnung kann man, glaub ich, auch bei neueren Karten von ca. 10 kOhm am Eingang und ca. 100 Ohm am Ausgang ausgehen.

Soviel zur Theorie. Ich denk, das reicht an Grundlagen um Anfangen zu können.

Gemessen wird aber diesmal noch nichts - erst möchte ich noch kurz meine Soundkarte vorstellen.

Meine Soundkarte ist eine M-Audio transit. Klein, transportabel, USB-Anschluß. Das war mir wichtig und daß sie natürlich einen guten Frequenzgang hat.

Einen Eingang, einen Ausgang - mehr braucht's nicht und mehr will ich auch gar nicht. Ich will mich aufs Messen konzentrieren können und nicht immer auch noch darauf achten müssen in welchem Zustand die anderen 5.1 Kanäle gerade sind, welche Soundeffekte gerade mitlaufen oder welche sonstigen Mätzchen sonst noch parallel aktiv sein könnten.
Klar kann man solche Karten auch verwenden, aber bitte dann wirklich A L L E diese Spielereien abschalten und A L L E nicht benötigten Kanalregler runterziehen und ausschalten - sonst wird das nix mit dem Messen.

Das ist sie. Beschaltet ist gerade der Eingang, und zwar nur der linke Kanal, mit dem Signal eines externen Signalgenerators bei der Messung des Clipping-Pegels von oben. Parallel dazu hing mein Millivoltmeter. Verkabelt ist, bis auf den Adapter, alles mit BNC - das ist immer gut für die Signalqualität, auch wenn's bei dem hohen Pegel dieser Messung nicht unbedingt nötig gewesen wäre.



Einen wichtigen Punkt sieht man im Bild schon: man braucht Adapter Kabel. Und nicht nur eins. Im Laufe der Zeit entsteht da ganz automatisch eine ganze Sammlung.
Aber für den Augenblick reichen ein oder zwei solche wie im Bild: Klinkenstecker auf Banane. Rot ist bei mir der rechte Kanal, blau der linke und schwarz ist Masse. Beim Klinkenstecker ist der vordere Konktakt links, der mittlere rechts und der hintere die Masse.

Das nächste Mal wird gemessen, und zwar erstmal der Frequenzgang der Soundkarte. Also bis dann

Peter

[peter_l]

Hallo mod's

irgendwie bin ich einer etwas unpassenden Kategorie gelandet - bitte ggf. hinschieben wo das Thema eventuell besser passen könnte.

Danke

Peter

[stony]

Hallo Peter,
hab Dank für die Mühe!
Ich bin auf die Fortsetzung gespannt ;-)

[Huubat]

Prima, daß Du Dir das für uns antust.

Das wird bestimmt ein laaaanger Thread, weil es da viel zu diskutieren gibt.

[peter_l]

danke für's Anfeuern - schau'n wir mal, wie lange ich durchhalte.

Als erstes ein Planänderung. Vor dem F-Gang messen habe ich noch einen Zwischenschritt eingefügt. Ich denke, das ist gut für das Verständnis des prinzipiellen Messaufbaus. Außerdem kann ich mit diesem Einfachstaufbau ein paar Soundkarteneinstellungen zeigen, die ich dann später einfach voraussetzen kann.

2. Frequenzgenerator - Oszilloskop

Mit der Soundkarte haben wir zwei unabhängige Geräte zur Verfügung: einen 2-kanaligen programmierbaren Frequenzgenerator sowie einen 2-kanaligen Eingang der alles mögliche sein kann. Im einfachsten Fall ist es beispielsweise ein 2-kanaliges digitales Speicher-Oszilloskop. Das ist doch auch schon was.

Ich will das mit einer kleinen Übung verdeutlichen, in der das Ausgangssignal des Frequenzgenerators auf die Eingänge des Oszis gelegt werden.

Als Programm dafür nehmen wir "Soundcard Scope" von C. Zeitnitz. Ich hab schon viele Scope Programme ausprobiert. Soundcard Scope gefällt mir im Vergleich mit am besten, da die Bedienung sehr übersichtlich ist und es auch meist das tut was man will. Außerdem hat es eine schöne Anleitung in Deutsch dabei.Das Programm darf für private Zwecke frei genutzt werden (http://www.zeitnitz.de/Christian/scope_de).

Dann wollen wir mal. Wir öffnen das Kontrollfeld der Soundkarte:



Operating mode:
"2 in, 2 out" heißt bei M-Audio voll dupex, das brauchen wir.
"16 bit" Amplitudenauflösung ist o.k. (d.h. 2^16 Amplitudenwerte können unterschieden werden, das ist eine ganze Menge)
"8000 Hz to 48000 Hz" heißt, daß die Abtastrate auf 48 kHz gestellt ist (was die 8 kHz Abgabe soll, ist mir auch schleierhaft)

"Mic Boost" steht auf 0db, also auf keine Verstärkung des Eingangssignals. Die Btezeichnung "Mic" ist hier irreführend. Es gibt nur einen Eingang der Karte, und der ist hier gemeint. Irreführend auch deshalb, weil viele Soundkarten eigene Mic-Eingänge haben. Von diesen ist jedoch im allgemeinen abzuraten, weil sie meist keinen linearen Frequenzgang haben.
Ich finde diese einstellbare Eingangsverstärkung bis (+26dB, also ca. 20fach) meiner Karte sehr praktisch, viele andere Karten haben das nicht.

"latency" lass ich erstmal weg. Nur so viel, das ist ein Maß wie schnell die Karte "anspringt" wenn sie z.B. einen Ton ausgeben oder aufzeichnen muß. Mittlere Werte sind hier für den Anfang anzuraten. Wenn die Karte hier explizite Zahlenangaben verlangt, dann würd ich hier mal Werte in der Größenordnung 20 - 30 ms eingeben. Dieser Wert ist für die folgenden Anwendungen nicht relevant, er sollte nur nicht zu klein gewählt werden. Meine Kombination verträgt "low". Das weiß ich, und hab's deswegen eingestellt.

Mehr gibt's bei der transit nicht einzustellen. Mehr braucht man auch nicht.

Wir öffnen den Eingangsmischer:


Schön übersichtlich, es gibt nur einen einzigen Eingang.

Balance-Regler auf Mitte (Hier würd ich mir eine genauere Einstellmöglichkeit wünschen als diesen kurzen Schieberegler. Offenbar rastet die Mitte aber irgenwie, zumindest hatte ich noch nie ein Problem damit).

Wir machen den Eingang "scharf", indem wir das Häkchen bei "Ton aus" entfernen. Regler vorerst auf Null stellen.
Sollte die jeweilige Karte hier mehr Eingangskanäle bieten, alle außer "Line" tot machen (Ton-Aus-Häkchen setzen und Regler auf Null).
Zur Vorsicht unter Optionen/Eigenschaften prüfen ob auch wirklich alle angezeigt wurden, das ist dort wählbar.
Aufpassen: bei manchen Karten ist die "Ton aus" Frage genau andersrum gestellt. Hier muß man "Auswählen". Ein gesetzter Haken bedeutet hier das exakte Gegenteil.

Jetzt den Ausgangsmischer:


Hier das gleiche Spiel: alles tot machen, was nicht gebraucht wird. Gebraucht wird nur "wave" und der Summenregler "Speaker".
"wave" Regler ganz auf und "speaker" vorerst auf Null. Balance bei beiden natürlich auf Mitte.

WICHTIG für beide Mischer: ALLES ausschalten, was irgenwie den Frequenzgang verbiegen könnte (equalizer, soundeffekte, ...)
Zum Glück hat meine transit sowas nicht. Muß ich mich also gar nicht kümmern drum.

So, jetzt haben wir einen definierten Zustand:
Eingang ist scharf aber es kann nix rein kommen weil der Regler noch zu ist.
Ausgang ist scharf aber es kommt noch nix raus weil der Regler ("speaker") noch zu ist.

Jetzt dürfen wir einen Kurzschluß basteln, d.h. Eingang und Ausgang der Karte direkt miteinander verbinden:


Ein "Kurzschluß" ist das natürlich nicht, sondern eine wohlüberlegte einfache Meßanordnung: Ein Frequenzgenerator (Ausgangswiderstand ca. 100 Ohm angeschlossen an einem Oszilloskop mit einem Eingangswiderstand von ca. 10 kOhm). Kein Problem also.

Jetzt starten wir "Soundcard Scope".

Oszi einschalten (Run/Stop)


Beide Eingangskanäle zeigen eine Null-Linie. Ich hab sie nur im offset etwas verschoben um sie unterscheiden zu können.
Das Programm bietet auch einen Frequenzgenerator, den man "rausziehen" kann. Somit hat man auch optisch am Bildschirm die zwei Geräte.

Jetzt den Eingangsregler voll aufziehen. Am Oszi ist immer noch die Nulllinie, wir haben ja noch kein Ausgangssignal.
Das wird auch noch nicht anders wenn wir den Frequenzgenerator einschalten und einstellen:


Beide Kanäle aktiv. Kanal 1 macht einen Sinus mit 1 kHz und Kanal 2 einen Sinus mit 2 kHz gleicher Amplitude.

Und das Oszi zeigt immer noch Nullline. Warum ? (Der Generator versorgt den Mischerkanal "wav". Der wav-Mischer ist zwar auf, aber der Summenregler "speaker" ist noch zu).

Dem wollen wir jetzt abhelfen, also Ausgangs-Summenregler V O R S I C H T I G aufmachen bis wir ein schönes Oszibild auf beiden Kanälen haben (was clipping ist, wissen wir ja von weiter oben. Eine gute Gelegenheit, das mal auszuprobieren. Aber nicht den Eingang durchbrennen, ich hab euch oben gewarnt ):


Viel Spaß beim weiteren Spielen mit Soundcard Scope, man kann einiges damit machen

Peter

[Heribert W]

Hallo Peter,

ist ja wirklich toll, was Du da schreibst.
Lese gespannt weiter mit.

Auch die Hinweise zur Einstellung der Soundkarte sind hilfreich.

Heribert

[Huubat]

Du machst Dir ja richtig Arbeit damit.
Und gute Grafiken hast Du eingestellt.

[peter_l]

Huubat postete
Du machst Dir ja richtig Arbeit damit.
Und gute Grafiken hast Du eingestellt.

wenn schon, denn schon. Will mir ja schließlich nichts nachsagen lassen

Hab mir übrigens gerade eben die brandneue Version 3.0 vom audiotester runtergeladen. Wie schon gesagt, updates sind für registrierte user kostenlos.
Für 3.0 braucht man jetzt einen neuen Registriercode. War aber innerhalb ein Viertelstunde per mail da - super Service.

Da hab ich was Neues zum Spielen für heute abend.

Peter

[peter_l]

Hallo ihr Lieben, weiter geht's mit der versprochenen Frequenzgangmessung der soundkarte

3. Frequenzgang der Soundkarte (Sweep, 2-kanalig)

Wir wollen eine sogenannte Sweep-Messung beider Kanäle gleichzeitig machen.

Dazu geben wir am Ausgang der Soundkarte eine Folge von Sinustönen aus, deren Frequenz schrittweise während der Messdauer erhöht wird. Ausgang und Eingang der Karte werden wieder direkt mit unserem "Kurzschlußkabel" verbunden.
Bei jeder Frequenz wird dann die jeweilige Amplitude des Signals am Eingang gemessen.
Das Ergebnis ist wie gewünscht der Frequenzgang, also die Amplitude aufgetragen über der Frequenz.

Das ist dann der (Über alles -) Frequenzgang der Soundkarte, da unser kurzes Verbindungskabel keinen Einfluß auf das Signal nimmt. Außer man hat eines dieser bösen Kabel erwischt, die immer diesen tragischen Schleier über das Signal legen ...

Als Meßprogramm wollen wir den audiotester verwenden, jetzt wie schon angekündigt in der neuen Version 3.0. Die ist auch neu für mich. Mal schau'n wie ich zurechtkomme damit.

Aber bevor's losgeht noch ein kleine Frage. Habt ihr in der Zwischenzeit an den Mischern etwas verstellt? Die Lautstärke beim Musikhören erhöht, auf CD umgestellt oder so?
Falls ja, dann sind die Mischer jetzt komplett verstellt und ihr dürft wieder ganz von vorne anfangen (nicht benötigte Kanäle tot machen, Empfindlickeit einstellen ...).
Das ist lästig - und möglicherweise auch fehleranfällig.
Hättet ihr nach der letzten Übung die Mischereinstellungen mit "Quickmix" (http://www.ptpart.co.uk/quickmix) gespeichert, dann bräuchtet ihr jetzt nur die Einstellung von gestern wieder laden und ihr wärt sofort messbereit. So aber ....



Der neue audiotester, irgenwie schon mal etwas übersichtlicher:



Links unten in grüner Schrift sieht man, daß er schon die transit als audio device erkannt hat. Meine 48 kHz will ich noch einstellen. Das geht unter Options / Audio-in-Parameter und Audio-out-Parameter.

Die Meßart Sweep-Messung aktiviert man mit dem dritten Knopf von oben in der Kopfleiste am linken Rand (im Bild bereits gedrückt).

Die Beschaltung der Soundkarte ist wie schon gesagt, die gleiche wie oben, also das Kurzschlußkabel.

Die Mess-Parameter für unseren Sweep können wir nach Drücken des grünen "Setup".Knopfes einstellen:



Aha, das kenn ich. Da hat sich nichts verändert, nicht mal die Fensterfarbe. Wollen mal schau'n was da alles so drinsteht.

"Frequeny generating": der Sweep-Bereich geht also von 20 Hz bis 22 kHz in 50 Frequenzschritten (drüber "Step count"). Das will ich mal ändern, er soll schon bei 10 Hz anfangen. Das kann die transit.
Da Frequenzgänge gerne über einer logarithmischen Frequenzachse aufgetragen werden, ist es günstig "logarithmic" zu lassen. So sind die Frequnzmesspunkte auf einer logarithmischen Achse gleichabständig.

Ich hatte gesagt, wir wollen beide Kanäle gleichzeitig messen, d.h. "Measurement" auf "Stereo, no ch. ref.".
Zu Messungen mit Referenzkanal ("ch. ref.) kommen wir noch, da erklär' ich's dann genauer. Auf jeden Fall ist das der Grund, daß der "Phase" Bereich jetzt bei uns ausgegraut ist: wir kriegen keine Phaseninformation, sondern nur die Amplitude - aber dafür halt für alle beide Kanäle gleichzeitig.

Den Haken bei"sync" im Feld "Mode" lassen wir auf gesetzt . Den muß man wegmachen, wenn man externe Signalquellen messen will.
"continuous" heißt, daß er am Ende des Frequenzsweeps immer wieder von vorne anfangen würde.

"Graph" ohne Haken heißt, er überschreibt immer wieder die vorherige Messkurve. Mit Haken würde er die alte einfrieren und eine separate neue Kurve malen.

Die Erklärung des "Start Sine" Wertes schenk ich mir jetzt. Wer genaueres wissen will kann's im Manual nachlesen. Die 100 ms passen eigentlich immer.

Mit "OK" Fenster zu machen, Start drücken und abwarten bis die Messung fertig ist. Die Kurve baut sich dabei von links nach rechts auf.



Der gemessene Pegel liegt bei knapp 80 % Vollaussteuerung (blaues Feld), das paßt. Man bräuchte aber gar nicht so hoch aussteuern. Niedrigere Pegel sind auch nicht schlechter.
Der dargestellte Amplitudenbereich geht von 0dB (=Vollaussteuerung des Eingangs) bis zu -120 dB. Das ist natürlich viel zuviel für die gute transit.



So sieht man dann schon mehr: Ein leichter Abfall um 0,4 dB von 20 Hz auf 10 Hz, praktisch kein Abfall am oberen Frequenzende. Der rechte Kanal ist um 0,1 dB empfindlicher als der linke, das kann man einfach korrigieren da die Kurven perfekt parallel verlaufen. Mit der Karte kann man messen !

Nur mal schnell zum Vergleich die onboard Soundkarte meines notebooks (Dell D620):



Die taugt wohl eher weniger zum Messen.

Für das nächste Mal will ich diese 2-kanalige sweep Messung anwenden zur Frequenzgangmessung eines 2-Kopf Tonbandgerätes.

Bis dann

Peter

[krismik]

Hallo Peter,

super Sache. Vielen Dank für Deine Mühe.
Hab gestern auch ein wenig herum gemessen, jedoch
hat meine Dell Notebook Karte ähnlich Qualitäten.
Nun werde ich heut Abend meine M-Audio USB
Soundkarte nehmen.
Habe vor eine Nagra 4.2 zu messen.

Beste Grüße

Christian

[peter_l]

Hallo Christian,

danke, mach' ich gerne. Bin zur Zeit richtig auf einem Mess-Trip, träum' schon von bits und abrauchenden Soundkarten ...

Um deine Nagra beid' ich dich - weil sie einfach zu schön sind.

Grüße

Peter

[Heribert W]

Hi Peter,

hatte voller Hoffnung den Scope-Download in den Offline !!!- PC zu Hause kopiert u. install., aber ohne Internet (Lizensierung?) läuft das Programm nicht.

Ärgere mich schon eine Weile darüber, daß viele Software nur noch mit Netzwerkanschluß funktionieren...:mauer:

Heribert

[peter_l]

Hi Heribert,

Lizenzierung braucht's bei Soundcard Scope nicht für private Nutzung, du mußt nur "Schließen" anklicken, dann geht das Fenster weg.



Es läuft auch ohne Internet-Anschluß, da bin ich sicher. In meiner Pendler-Bastelbude unter der Woche hab' ich nämlich gar keinen Internet-Anschluß. Und da lief es.

Peter

edit:
PS: Ich würde ohnehin dazu raten, beim Messen generell auf Netzanbindungen jedweder Art zu verzichten.

[Heribert W]

Hi Peter,

vielen Dank. Ja, hatte dieses Fenster geschlossen. Beim Öffnen zeigt sich nur die Frontseite des Oskars. Sonstiger Mausklick zeigt keine Wirkung.

Windows XP, 2.3 MHz PC

Werde nochmal einen neuen Download ausprobieren.

Heribert

[peter_l]

Hallo zusammen,

wir wollen heute, wie schon angekündigt, den Frequenzgang eines Tonbandgerätes messen. Ich nehm' dafür meine A77.

4. Frequenzgang eines Tonbandgerätes mit 2 kanaliger Sweep Messung

Nach der letzten Übung ist das total easy. Die audiotester Einstellungen bleiben wie sie sind. Das einzige was wir ändern müssen ist, das Kurzschlußkabel durch die folgende Meßstrecke zu ersetzen:



Das ist ein Ausschnitt aus meiner Einmessprozedur für die A77, und zwar der Schritt, in dem die equalizer Potis einzustellen sind mit denen der Frequenzgang bei den Höhen begradigt wird. Diesen Schritt mach ich immer mit dem audiotester.
Links gehts rein ("Audiotester out" heißt Soundkarten Ausgang) und rechts geht's raus ("Audiotester in" = Soundkarte Eingang).
Dazwischen habe ich die funtionalen Blöcke der A77 schematisch skizziert: Input-Verstärker, Record-Verstärker der den Aufnahmekopf treibt, dazwischen dann das Band um zu verdeutlichen, daß es eine Hinterband-Messung ist. Rechts vom Band passiert das Signal vom Wiedergabekopf dann den playback und dann den drive amplifier.
Über der Skizze des Signalwegs hab ich mir die für die Messung erforderlichen Einstellung an der A77 notiert. Links für den Playback und rechts für den Record Bereich.

Der Hardware Aufwand ist jetzt rein optisch gesehen etwas komplexer - aber immer dran denken, vom Prinzip der Messung her ist nur das Kurzschlußkabel ersetzt worden:



Das ist im Einzelnen:
- 1 Adaperkabel Klinke auf Cinch,
- 1 Adaperkabel Klinke auf Cinch mit der Besonderheit, daß ein Ausgabekanal verzweigt wird auf beide Cinchstecker. Das hat den Vorteil, daß beide Input-Kanäle der A77 auch wirklich ein identisches Signal zu sehen bekommen. Außerdem ist noch ein einstellbarer Spannungsteiler drin (Poti). Das hilft, wenn man kleine Spannungen einstellen muß. Ich hab darüber schon berichtet (kleine Signale rauschfrei aus der Soundkarte)
- Millivoltmeter mit Anschlußkabel auf Cinch adaptiert,
und natürlich Rechner, A77, Soundkarte und die Revals. Es stört hoffentlich keinen, wenn ich jetzt weiter rauche beim Schreiben ? Wir Raucher sind ja mittlerweise sowas von rücksichtsvoll geworden.

Ich hatte geschrieben, es sei alles ganz easy. So ganz easy ist es natürlich auch wieder nicht
Wir müssen nämlich beim Eintellen der Pegel etwas mehr Gehirnschmalz reinstecken.

Wie bekannt, ist der Aufnahmepegel beim Tonbandgerät abzusenken, damit speziell die Höhen bei der Frequenzgangmessung nicht übersteuert werden.
Meine A77 ist so eingemessen, daß sie mit einem 257 nWb/m Pegelband (und vollaufgedrehtem Volume Regler) 1,55 V am Ausgang liefert. Laut Service Manual ist die Frequenzgangmessung bei -20dB, d.h. 10 mal kleinerem Eingangssignal durchzuführen. Die Höhe der Eingangsspannung ist daher soweit abzusenken, bis nur noch ein Zehntel von 1,55 V, also 155 mV, an den Ausgangs-Cinchbuchsen rauskommen.
Für diese Einstellung trennen wir nun die Verbindung zum Eingang der Soundkarte und schließen dafür unser Millivoltmeter an die A77 Ausgangsbuchsen an.

Jetzt den Wiedergabewahlschalter der A77 auf INPUT (d.h. Vorband) stellen, audiotester Start drücken (damit ein Soundkarten-Ausgangssignal erzeugt wird) und den Wert am Millivoltmeter ablesen. Unser Ziel ist jetzt, die Ausgangsspannung der Soundkarte soweit zu reduzieren, bis wir die besagten 155 mV haben.

Praktisch bei dieser Einstellerei ist es, wenn wir den audiotester auf "continuous" zu stellen (setup-Knopf) sonst muß man immer wieder von neuem "Start" drücken.

Die 155 mV werden nicht einstellbar sein allein durch Runterziehen des Summenreglers der Soundkarte.
Deshalb diesen Summeregler auf ca. 1/3 stellen, und eine zusätzliche Abschwächung im setup Kontrollfeld "Level dig." auf ca. -30 dBFS (dB full scale = Aussteuerbereich der Soundkarte) vornehmen. Den gleichen Effekt würde man übrigens erzielen, wenn man den "Wave" Regler im Ausgangsgangsmischer um ca. 1/3 runterziehen würde.
Fein einstellen können wir jetzt wieder mit dem Summenregler.
Eine andere (und bessere) Möglichkeit, das Signal geeignet abzuschwächen, ist sich ein Adapterkabel mit integriertem Spannungsteilerpoti zu basteln

Jetzt das Milivoltmeter abklemmen und die Verbindung zwischen A77 Out und dem Eingang der Soundkarte wieder herstellen.

Anmerkung: Nach der reinen Einmess-Lehre müßte man die 155 mV an A77 Out mit konstant 1 kHz einstellen. Aber da der Frequenzgang der A77 Verstärker so glatt ist und weil unser Millivoltmeter im ganzen Frequenzbereich korrekt mißt, kann man's auch wie beschrieben mit dem sweep machen. Die 1 kHz ginge natürlich auch, man könnte dafür z.B. den sweep Frequenzbereich eng um die 1 kHz herum bregrenzen.
Zur Messung der Ausgangsspannung ist ein einfaches Multimeter im Allgemeinen nicht geeignet, wiel diese bei höheren Frequenzen meist nicht mehr richtig messen.


Nach dem Einstellen des richtigen A77 Einganspegels müssen wir nun noch dafür sorgen, daß der Eingangspegel der Soundkarte in einem gesunden Bereich liegt. Ich stell meist einen Pegel um die -20 dBFS (nicht zu verwechseln mit den -20dB von oben !) ein, damit ich genügend Abstand zum Clipping habe.

Jetzt den audiotester auf "Start" und bei laufender Messung den Eingangsmischer so verstellen, daß wir die -20 dbFS hinbekommen. So könnte das Gezittere mit dem Mischer zum Beispiel dann am Bildschirm ausschau'n:



Jetzt ist alles richtig eingestellt. Wenn wir die Messung ganz durchlaufen lassen, haben wir jetzt schon den Vorband-Frequenzgang der A77 vor uns. Der ist bei der A77 einfach Strich - ist schon ein feines Maschinchen.



Für den Hinterband-Frequenzgang müssen wir jetzt die A77 nur noch auf NAB schalten (Hinterband) und die Aufnahme aktivieren. Messung durchlaufen lassen und da kommt er schon, der Frequenzgang über Band:

9,5 cm/s


und nach Umschalten der Geschwindigkeit auf 19 cm/s:


Bei 9,5 cm/s könnt' die Gute mal wieder einen Feinabgleich vertragen, aber Mitte des Jahres ist sie eh turnusmäßig wieder dran.

Kleiner Tip am Rande: Beim Umschalten der Geschwindigkeit, die ja bei der A77 über "Off" geht, steigt die transit regelmäßig aus. Sie ist dann vom Programm her einfach nicht mehr ansprechbar. Wenn das passiert, einfach USB Verbindung trennen und neu anstecken. Man kann es aber auch vermeiden, indem man vor dem Umschalten die Line in und out Klinkenstecker rauszieht.

Die beschriebene Messmethode habe ich natürlich nicht selbst erfunden. Ich hab sie übernommen von http://www.pievox.de/ . Dort gibt es auch eine sehr gute lesenswerte Beschreibung dazu.

Ich weiß, daß diese Messmethode funktioniert. Wenn ich aber ehrlich bin, habe ich aber noch ein kleines Verständnisproblem dabei.
Im Gegensatz zu einer direkten, "schnellen" Verbindung zwischen Ein- und Ausgang z.B. in Form des Kurzschlußkabels, haben wird ja beim Tonband einen Zeitversatz zwischen Ausgangs- und Eingangssignal der Soundkarte, bedingt durch den Abstand zwischen Aufnahme- und Wiedergabekopf.
Das Ausgangssignal wird praktisch sofort vom Aufnahmekopf auf das Band geschrieben. Es dauert aber eine gewisse Zeit, bis diese Bandstelle am Wiedergabekopf eintrifft und von diesem wiedergegeben werden kann. Bei der A77 mit ca. 30 mm Abstand zwischen den Köpfen sind das bei 9,5 cm/s ca. 320 ms. Das Ausgangssignal muß also mindenstes um diese Zeit länger ausgegeben werde.
Das ist kein wirkliches Problem. Mich würd's nur interessieren wie das im audiotest gelöst ist.Vielleicht frag ich bei Gelegenheit mal den Uli Müller direkt, wie er das gemacht hat.
Viielleicht so: Das Programm weiß zu jeder Zeit welche Frequenz gerade ausgegeben wird und wartet dann mit der Ausgabe des nächsten Frequenzschrittes einfach so lange bis die erste sauber ausgewertet ist.
.
So viel für heute - laßt euch nicht erschrecken mit dem vielen Text.
Wenn man's mal kapiert hat, sind das ein paar Handgriffe.

Für das nächste Mal hab' ich mir die Messung mit Referenzkanal vorgenommem

Grüße

Peter

[stony]

Hallo Peter,
Supersache, Danke!

... und nun bin ich wieder beim F1 :-)

[peter_l]

oh Mann, Leute

Jetzt seh' ich's erst. Da hat mir der neue audiotester ein Ei gelegt. Bei der alten Version war die Lizenzinfo nicht im Messfenster sichtbar. Jetzt ist's halt passiert, neu mach ich die Bilder aber auch nicht mehr.

Peter, der die F1 verpennt hat.

[peter_l]

Grüß' euch, weiter geht's mit der

5. Messung mit Referenzkanal

Wir haben insgesamt zwei Kanäle zur Verfügung, die wir oben zur direkten 2-kanaligen Messung verwendet hatten. Das konnten wir ja im Vertrauen auf den guten Frequenzgang der transit beruhigt machen.
Bei der Messung mit Referenzkanal müssen wir jetzt einen Messkanal davon opfern, der jetzt als sogenannter Referenzkanal agiert.

Anschlußschema (ohne Masseverbindungen)



Der Vorteil ist nun der, daß das Meßprogramm durch die Messung des Referenzkanals quasi einen Soll / Ist Vergleich machen kann.
Das Programm kennt also nun beides, das "Soll" das am Eingang des Untersuchungsgegenstand (oder auch DUT = device under test) anliegt, weil es ja dort abgegriffen und parallel wird es am DUT vorbeigeschleift wird, und es kennt auch das "Ist"-Signal ,das das DUT durchlaufen hat und dadurch irgenwie verändert worden ist.

Daraus ergeben sich zwei praktische Nutzeffekte:

1. Wir können damit die Phase, d.h. den (üblicherweise frequenzabhängigen) Zeitversatz zwischen Eingangs- und Ausgangssignal, messen.
2. Ganz automatisch wird ein etwas schlechterer Soundkarten-Frequenzgang glattgebügelt. Dies ist im Prinzip leicht einzusehen.
Nehmen wir z.B. einen typischen Amplituden-Abfall einer schlechteren Karte zu den tiefen Frequenzen hin. Das Programm kennt diesen ja durch die Referenzkanal-Messung und kann damit durch Vergleich, die Veränderungen die das DUT verursacht hat ohne weiteres rausrechnen.

Als Testobjekt nehmen wir mal einen einfachen Tiefpaßfilter

Ich will ihn auf 1 kHz auslegen, um den Amplitudenabfall schön in die Mitte der Messkurve zu bekommen.

Bei der Auslegung solcher Filtern ist immer auf die jeweiligen Ein- und Ausgangswiderstände zu achten um die Spannungsteiler nicht zu sehr zu belasten, oder anders gesagt Spannungsanpassung sicherzustellen.



Da taucht aber jetzt das Problem auf, von dem ich ganz oben schon gesprochen habe: es wäre gut, den Ausgangs- und den Eingansgswiderstand zu kennen.
So kann ich nur annehmen, daß der Eingangswiderstand in der Grüßenordnung von 100 Ohm liegt und folglich R2 um den Faktor 10 größer machen, also R2 = 1 kOhm. 1 kOhm dürfte sich auch ganz gut mit dem angenommenen 10 kOhm Eingangswiderstand der Karte vertragen. Aber wie gesagt, nix gnau's woas ma hoid ned.

Aus f = 1 / (2*pi*R*C), der Formel für die Grenzfrequenz des Filters, ergibt sich C2 zu 0,16 µF. 0,15 µF hab ich in meiner Sammlung. Also mal die Simulation laufen lassen:



Diese Kurve sollte sich also in der späteren Messung einstellen: - 3 dB Amplitudenabschwächung bei der Grenzfrequenz sowie ein Phasendrehung um 90°.

Dann wollen wir die Schaltung mal aufbauen:



Ich hab' mir aus leidvoller Erfahrung schon ziemlich früh angewohnt, mit sauberer Verkabelung (abgeschirmt oder zumindest verdrillt) und guten Steckkontakten zu arbeiten. Mit der Zeit sind auch verschiedene Messboxen für die verschiedenen Anwendungen entstanden. Die gezeigte Box ist im Aufbau die einfachste und gut für solche Prinzipversuche. Aus Gründen der Abschirmung sind alle Boxen bei mir aus Metall.

Ein Blick ins Innere der Messbox:



Rechner läuft, Soundkarte angeschlossen, audiotester gestartet wieder im Modus Sweep-Messung.
Im Setup Kontrollfeld müssen wir nun dem Programm mitteilen, daß wir eine Messung mit Referenzkanal machen wollen. Dazu müssen wir einen Haken setzen bei "Mono, left ch. ref." oder bei "Mono, right ch. ref.". Je nachdem wie unsere Verkabelung aussieht, speziell also welchen Kanal wir als Referenzkanal verwenden wollen.
Wollen wir gleichzeitig zur Amplitude auch die Phase mitmessen, müssen wir im Feld "Phase" noch einen Haken bei "Measurement" setzen.
Die Eingabe des Phasenbereichs soll laut Handbuch nur die Skalierung der Phasenkurve ändern - da tut sich aber nichts. Meiner Meinung ist diese Eingabe wirkungslos. Ihr könnt's ja mal probieren, vielleicht entdeckt ihr ja irgendwelche Auswirkungen.



Messung "Start" drücken, Ende der Messung abwarten:



Obacht geben: Die Messfenster zeigt jetzt nicht mehr wie bei den bisherigen Messungen die Aussteuerung der Karte an (die Amplitudenkurve ist jetzt das Verhältnis von Mess-Signal zu Referenzkanal).
Die Aussteuerung der Karte ist aber nach wie im blauen Fenster als Zahlenwert (von 0 bis 1) zu sehen. Bei Übersteuerung werden die weißen Zahlenwerte übrigens fett rot.

Phasen- und Amplitudenverlauf zeigen sehr schön das erwartete Verhalten. Die Phasenkurve zappelt etwas. Ich hab mit diversen Einstellung rumgespielt, eine deutliche Verbesserung hab ich aber nicht erreicht. Ich finde, das können andere Programme, wie z.B. arta, besser als der audiotester. Oder hat jemand eine Idee wie die Phasenmessung besser wird ?

Der zweite Vorteil, die vollautomatische Korrektur einer nicht so gute Soundkarten, kann jetzt sehr einfach demonstriert werden: die transit abgestöpselt, audiotester darüber informiert, daß wir jetzt mit der onboard Karte arbeiten wollen und den Messaufbau auf die onboard Eingänge umgesteckt - und natürlich Pegel adaptiert:



Die Amplitudenkurve sieht genauso aus wie mit der guten transit. Einzig die Phase beginnt ab 10 kHz wieder anzusteigen, obwohl sie doch eigentlich weiter abfallen sollte. Hier ist also die Grenze der Korrekturmöglichkeit der Referenzkanalmethode erreicht.

Diesen Phasenfehler-Effekt sieht man auch gut, wenn man die Filterschaltung durch unser Kurzschlußkabel ersetzt:



Der Amplitudengang unseres Kurschlußkabels ist, trotz der miserablen onboard Karte, praktisch perfekt glatt. Die Phasenkurve läuft aber bei einigen kHz mit zunehmender Tendenz aus dem Ruder.

Nächstes Mal wollen wir die Referenzkanalmethode bei einem etwas komplexeren Meßobjekt, nämlich einem Verstärker, ausprobieren.
Aber erst muß ich noch eine kleine mehrtägige Dienstreise ins schöne Baden-Württemberg machen - danach geht's aber gleich weiter.

Grüße

Peter

[96k]

Hallo Peter,

sehr schöner Beitrag von Dir!
Zum Thema M-Audio Transit möchte ich aber anmerken, daß die Karte auf dem Eingang eine Versorgungsspannung für Mikros liefert. Diese könnte bei einigen Geräten Probleme machen.
Hast Du die Karte umgebaut oder irgendwo ein C im Aufbau versteckt.


Gruß

96k

[peter_l]

danke 96k,

aufgemacht hab' ich sie nicht und ein verstecktes C gibt's auch nicht. Das mit der Versorgungsspannung wußte ich bisher nicht. Nachgemessen hab ich das auch nicht. Werde ich aber sofort mal machen, das interessiert mich.

Jetzt muß ich mich aber auf die Reise machen, der Kollege scharrt schon mit den Füßen.

Grüße

Peter

[peter_l]

tja, 96k, ich glaub da hast mich jetzt kalt erwischt. Ich wußte nichts davon, daß die transit eine Mikrofonspeisespannung liefert. Ein bissl gezweifelt hab ich auch noch, selbst nach deiner Info - bis ich's dann selber gemessen habe: jeweils 2,2 V gegen Masse gemessen mit einem hochohmigen Multimeter.

Die Frage ist jetzt natürlich, macht das was beim Messen ?

Ich versuch mal eine Annäherung (Elektroniker bitte aufpassen, ein Maschinenbauer begibt sich jetzt auf's Glatteis).

Die Eingangsstufe der Soundkarte mit einem angeklemmten Mikrofon wird wahrscheinlich im Prinzip so aussehen:



Über R1 wird eine Gleichspannung eingespeist, die das Mikrofon zum Betrieb benötigt. Die Kapsel verhält sich nämlich wie ein Kondensator der je nach Schallstärke weniger oder mehr Ladung trägt. Diese Ladungsmenge ist das was Mikrofon liefert, nämlich fast nichts. Dieses fast nichts wird jetzt meßbar gemacht mit einem sogenannten "Impedanzwandler" mit einem extrem hohen Einganswiderstand. Dieser Impedanzwandler benötigt die Speisespannung um am Ausgang eine verwertbare Spannung daraus zu machen.
Diese Ausgangsspannung plus die Speisespannung liegen nun am Eingang der Soundkarte an. Der Koppelkondensator C1 blockt aber die Speispannung (Geichspannung) ab, sodaß nur das gewünschte Mikrofonsignal (Wechselspannung) den Eingang des Operationsverstärkers erreicht.

Die Spannung am offenen Eingang beträgt bei der transit wie gesagt 2,2 V. Ich habe den Eingang kurzgeschlossen und diesen Kurzschlußstrom gemessen zu 0,21 mA. Daraus können wir mit R = U / I ausrechnen, daß R1 ca. 10 kOhm hat.

Klemmen wir jetzt irgendein Meßobjekt der Beispiele von oben an, so hat es immer irgendeinen Ausgangswiderstand R3:



Der Speisegleichstrom fließt durch R1 und natürlich auch durch unser Meßobjekt, also durch den Widerstand R3. Und das ist der Nachteil den ich sehe, denn im Prinzip könnte dieser Speisestrom das Meßobjekt irgendwie beeinflussen Dieser Strom ist allerdings sehr klein. Bei einem R3 von 4 Ohm (wie wir es bei der versprochenen Verstärkermessung sehen werden) fließt beispielsweise ein Strom von nur 0,22 mA. Das beeinflußt den Verstärker garantiert nicht.
Unser Messergebnis beeinflußt die Speisespannung auch nicht, da, wie beim Mikrofon, der Gleichspannungsanteil im Signal von C1 unterdrückt wird.

Puh, ich hoff' , ich hab' die Kurve damit gekriegt - oder hab' ich was wichtiges übersehen ?

Die Mikrofon-Speisespannung stört also unsere Messungen nicht. Es ist aber gut zu wissen, daß sie da ist. Vielleicht will ich ja doch mal ein Mikrofon anstöpseln. Oder ich hab' ein wirklich extrem stromempfindliches Meßobjekt, dann müßte man eventuell doch über irgendwelche Vorsorgemaßnahmen nachdenken.

Danke nochmals für den Hinweis, 96k.

Grüße

Peter

[96k]

peter_l postete

Puh, ich hoff' , ich hab' die Kurve damit gekriegt - oder hab' ich was wichtiges übersehen ?

Hallo Peter,

bei Geräten mit Koppel-C im Ausgang wird dieser durch die Transit geladen. Ein SACD-Spieler eines Bekannten hatte vermutlich deshalb Störungen auf dem Ausgang.
Falls ich die Aufnahme noch finde sende ich Dir mal ein kurzes Stück als Beispiel zu.
Geräte mit Ausgangsübertragern müssten doch früher in die Sättigung gehen. Oder?

Falls Du die passende Leiterbahn in der Transit findest sag bitte bescheid, ich würde das bei meiner auch gern abstellen. ;-)

Das alles ist aber ein Thema der Transit und nicht Deiner tollen Beiträge oben.
Du bist unschuldig. :-)


Gruß

96k

[peter_l]

96k postete

Falls Du die passende Leiterbahn in der Transit findest sag bitte bescheid,..
96k

keine Chance - ich hab sie aufgemacht. Dazu bräuchte man außerdem mikrochirurgische Fähigkeiten.

Peter

[96k]

peter_l postete
keine Chance - ich hab sie aufgemacht. Dazu bräuchte man außerdem mikrochirurgische Fähigkeiten.

Peter

Zu diesem Ergebnis bin ich damals auch gekommen. :-(

[Gyrator]

War eigentlich nicht wirklich schwer. Mit etwas Messen und Adler-Auge oder Lupe.

Wenn R33 und R34 entfernt bzw. einseitig entfernt werden, so ist die Gleichspannung am Eingang weg.

Thomas

PS: natürlich mit Fotos

[peter_l]

Chapeau !



Gleich wird operiert.

Peter

[peter_l]

nach diesem interessanten Intermezzo mit der Mikrofonspeisespannung der transit geht's jetzt programmgemäß weiter mit

6. Frequenzgang eines Verstärkers (Sweep Messung mit Referenzkanal)

Das ist jetzt nach der Übung mit dem einfachen Tiefpaß aus Abschnitt 5 nichts Aufregendes mehr. Es wird nur der Tiefpaß entfernt und dafür als "Device under Test", der Verstärker dazwischen geschaltet.



Diesen Verstärker benutze ich immer, wenn ich Lautsprecher messe. Wegen seiner Größe passt er gut in meinen Messkoffer für mobile Anwendungen. Er basiert auf einem LM1875 Baustein, der gelegentlich auch in den bekannten gain clone Verstärkern verwendet wird.
Der Frequenzgang ist ganz gut. Aber da ich bei der Lautsprecherei eh ausschließlich mit Referenzkanal messe, wäre das ja gar nicht so wichtig - wir erinnern uns ...

Am Lautsprecheranschluß hängt ein 4,5 Ohm 5W-Lastwiderstand im Wasserglas. Bei höheren Verstärkerleistungen entstehen schöne Dampfblasen und das Wasser wird gut warm. Ich glaub, so 50 W kann man da kurzzeitig schon mal durchlassen.
Beim heutigen Aufbau wär' das eigentlich nicht nötig, denn wir messen bei kleiner Verstärkerleistung. Bei größerer Leistung ist der Spannungsabfall deutlich größer als die 2 V, die der Eingang der transit verträgt. Man braucht dann einen Spannungsteiler vor dem Eingang der Karte. Den hab ich heute weggelassen um den Aufbau übersichtlicher zu halten.
Für solche Fälle habe ich eine eigene Messbox mit zuschaltbaren Spannungsteilern. Vielleicht zeig' ich die später mal - obwohl, schön ist sie ja gerade nicht.

Eingangs- und Ausgangsregler der Soundkarte auf Null. Lautstärkeregler des Verstärkers auf Null und Verstärker einschalten. Vorsichtig einpegeln bei laufender Audiotester Messung.
Erst audio in auf Mitte, Lautstärkeregler am Verstärker auf etwas unter 1/3, langsam audio out erhöhen bis die Aussteuerung der Karte in vernünftige Bereiche kommt (blaues Feld). "Vernünftig" heißt: 90 % bis 95 % maximal und kein clipping (rote Pegelanzeige im blauen Feld) bei den höchsten Amplituden.

Und schön können wir den Frequenzgang in Form von Amplitude und Phase messen.

Bass- und Höhenregler auf Mitte gestellt:


Der Frequenzgang ist ja ganz schön. Nicht so schön ist der kleine Phasensprung kurz vor 2 kHz. Dieser Fehler ist leider auch reproduzierbar - hab die Messung einigemale durchlaufen lassen.

Schade, daß der auditester nicht die Möglichkeit bietet, Amplitude und Phase in unterrschiedlichen Skalierungen darzustellen. Es gibt nur einen Wertebereich. Diesen hab ich jetzt so erweitert, daß der ganze Phasenbereich im Fenster ist. Die Meßwerte sind natürlich deshalb nicht verloren - man kann jederzeit reinzoomen.

edit / Nachtrag: Zweite Skala geht doch: Rechtsklick auf Messkurven-Knöpfe rechts. Dort kann dann eine 2te Skala aktiviert werden.

Bassregler auf Maximum


Schon wieder so ein blöder Phasensprung !

Bassregler auf Minimum


Höhenregler auf Maximum


Höhenregler auf Minimum


Interessant ist das schon, was die Phase bei der Klangregelung alles durchmacht. Wenn man bedenkt, daß der Phasengang eines idealen Übertragungssystems konstant, also "Strich", ist.
Einen Fast-"Strich"-Phasengang habe ich bis jetzt nur bei meinem Kenwood Verstärker gemessen, einem Class D, also Digital-Verstärker.
Alles andere, wie Phono Vorverstärker, Tonbandgeräte, und natürlich ganz schlimm Lautsprecher dreht wie wild an der Phase.
Ich frage mich dann schon immer dabei wenn ich sowas sehe, ob man denn diese ganzen Phasenfehler nicht doch irgendwie "hört".

Für das nächste Mal hab ich mir die Messung mit Vergleichswiderstand vorgenommen. Das braucht man wenn man den Impedanzverlauf einer Schaltung, wie zum Beispiel einer Lautsprecherweiche, bestimmen will. Mit manchen Programmen kann man mit dieser Schaltung sogar ein RLC-Messgerät ersetzen. Muß aber erst noch schau'n ob der audiotester das auch kann.

Grüße

Peter

[uk64]

Der Phasensprung ist nicht Real, er beruht auf einen Messfehler bzw. auf das Prinzip der (Software) Auswertung.

Gruß Ulrich

[peter_l]

uk64 postete
Der Phasensprung ist nicht Real, er beruht auf einen Messfehler bzw. auf das Prinzip der (Software) Auswertung.

dann muß heute abend ARTA mal ran.

Peter

[96k]

Gyrator postete
War eigentlich nicht wirklich schwer. Mit etwas Messen und Adler-Auge oder Lupe.

Wenn R33 und R34 entfernt bzw. einseitig entfernt werden, so ist die Gleichspannung am Eingang weg.

Hallo Thomas,

vielen Dank für die Suche und die schöne Anleitung. Meine Transit hat die OP aber noch vor sich.


Gruß

96k

[peter_l]

jetzt hätt' ich euch doch glatt Phasenkurven mit Sprüngen untergejubelt. Danke für's aufpassen Ulrich.
Ich geb's zu, ich war auch schon ein wenig in Sorge wegen meines Verstärkers.
Zu meiner Ehrenrettung muß ich auch sagen, daß ich nicht oft Phasengänge messe. Mit audiotester glaub' ich, hab ich's vorher noch gar nicht gemacht.

Also gleichen Aufbau wie oben hergestellt, gleiche Pegel eingestellt und diesmal an Stelle von audiotester das Programm ARTA angeschmissen.

ARTA (http://www.fesb.hr/~mateljan/arta/) ist eigentlich speziell für Lautsprechermessungen geschrieben worden. Es ist aber auch universell einsetzbar, weil die Lautsprecherei auch die gleichen Meßtechniken verwendet, unter anderem auch die sweep Messung mit Referenzkanal. Das macht das Teilprogramm "Steps".
Ich hab' nur eine ziemlich alte Demo-Version von ARTA, die eine paar kleinere Einschränkungen hat. Die aktuelle Vollversion für 79,- € hab ich mir immer noch nicht geleistet.

So sieht das dann mit ARTA aus. Bass- und Höhenregler auf Mitte (grün ist die Amplitude, violett die Phase):



Ja, werdet ihr sagen, der Wertebereich für die Phase geht ja von -180 bis +180 ° und der Bereich ist stark gestaucht. Kein Wunder, daß die Phase glatt ist.
Ist sie aber tatsächlich, selbst wenn man sie in Excel gespreizt darstellt:



Da zittert nichts mehr wie beim audiotester und von Phasensprüngen ist auch nicht das Geringste zu sehen. Hat da der Algorithmus zur Ermittlung der Phasenlage im audiotester vielleicht gewisse Schwächen ?
Oder weiß sonst jemand was man bei audiotester einstellen müßte um einen vernünftigen Phasengang zu bekommen ?
Ich wüßte nicht wo.

Die Messung mit Bassregler auf Maximum, die vorher auch einen deftigen Sprung zeigte, hab ich auch noch mal mit ARTA gemacht:



Am Anfang hab' ich ja spontan gedacht, daß vielleicht der Mikrofon-Speisespannungseffekt zugeschlagen haben könnte. Meine Karte ist immer noch nicht kastriert (ich hab mich noch nicht getraut) und die Schaltung meines Verstärkers kenn' ich ja auch nicht. Das ist aber klar auszuschließen, mit ARTA geht's ja.

Wieder was gelernt!

Grüße

Peter

[uk64]

peter_l postete
Hat da der Algorithmus zur Ermittlung der Phasenlage im audiotester vielleicht gewisse Schwächen ?

So wird es sein.
Der Betrag ist übrigens richtig, nur das Vorzeichen ab einem Punkt falsch.
Auch die Kurve “Bassregler auf Minimum” dürfte falsch sein, der Fehler beginnt hier nur genau auf der
0 Grad Achse und man sieht den Sprung nicht.

Kein analoger NF Verstärker könnte so einen Phasensprung zu Wege bringen.

Gruß Ulrich

[peter_l]

Hallo zusammen,

zur Zeit bin ich beruflich öfter unterwegs, deshalb tröpfelt's hier ein bißchen ...

Aber heute ist Sonntag, schlechtes Wetter noch dazu. Also können wir heute ein neues Thema angehen:

7. Impedanzverlauf - Messung mit Vergleichswiderstand

Der Aufbau ist schnell erklärt:



Mit einem Signalgenerator (das ist in unserem Fall natürlich der Soundkarten-Ausgang) wird eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Widerstand R und unserem "Device Under Test", gespeist.
Gemessen werden (natürlich mit unserem Soundkarten-Eingang) die beiden Spannungen U und U_DUT.
Der Widerstand R ist der sogenannte Vergleichswiderstand, dessen Widerstand wir vorher mit dem Multimeter genau bestimmt haben.

Der Zweck des Aufbaues ist die Bestimmung der Impedanz Z des D.U.T.
Die Impedanz ist die verallgemeinerte Form des "Widerstandes" eines Bauteils. Sie kann kapazitive, induktive und resistive Beiträge enthalten, und, sie ist im allgemeinen von der Frequenz abhängig.
Die Impedanz kann als komplexe Größe geschrieben werden, wir bleiben aber bei der uns bekannten Darstellung der Amplitude und der Phase. Die Amplitude hat in dieser Darstellung die Einheit Ohm.

Was passiert nun in der Schaltung ?
Dazu können wir zwei Gleichnungen aufstellen:

1. Die Gesamtspannung U setzt sich aus den beiden Spannungsabfällen an Vergleichswiderstand und DUT zusammen, also U = U_DUT + U_R.

2. Vergleichswiderstand und DUT durchfließt der gleiche Strom I. Mit Hilfe der Formel U = R * I können wird dann schreiben U_R / R = U_DUT / Z

Mit ein paar einfachen Umformungen können wir die beiden Gleichungen zusammenfassen, und auflösen nach der gesuchten Impedanz Z:

Z = U_DUT / (U - U_DUT) * R

Mit dieser Formel kann man nun Z berechnen, da alle Größen auf der rechten Seite der Gleichung bekannt sind. Wir messen ja U und U_DUT. R hatten wir vorher schon mit dem Mutimeter bestimmt.
Genau gesagt messen wir nicht die absoluten Spannungen in Volt . Das ist auch gar nicht nötig, denn in der Formel wird nur das Verhältnis der Spannungen benötigt.

Eins muß man sich zum Verständnis noch durch den Kopf gehen lassen: die Impedanz Z ist von der Frequenz abhängig, wir müssen also schreiben Z(f).
R ist es aber nicht, denn der Wert von R ist bei allen Frequenzen gleich. Und das ist der Trick der Schaltung:

Z(f) = Spannungsverhältnis(f) * R

Die Frequenz-Abhängigkeit der Impedanz Z steckt im gemessenen Spannungsverhältnis. Das braucht jetzt nur noch mit dem konstanten Widerstand R multipliziert werden und schon haben wir Z(f).

Ein weiter Trick der Schaltung ist, daß der Frequenzgang unseres Signalgenerators nicht unbedingt "Strich" zu sein hat. Dadurch daß nur das Verhältnis der Spannungen benötigt wird, kürzen sich leichte Frequenzgang-Schwächen quasi von selbst raus.

Damit könnten wir jetzt eigentlich loslegen, es gibt aber noch zwei praktische Punkte zu beachten:

1. Zur genauen Messung / Berechnung des Spannungsverhältnisses ist es vorteilhaft, wenn R und Z in der gleichen Größenordnung liegen. Wenn wir zum Beispiel als DUT einen einfachen ohmschen Widerstand von nur ein paar Ohm messen wollen, ist es nicht gut, einen 1 kOhm Vergleichswiderstand zu nehmen.

2. Jede reale Spannungsquelle hat einen gewissen Innenwiderstand. Das ist in der Schaltung oben der Widerstand Rg und in unserem Falle der Ausgangswiderstand unserer Soundkarte - den wir immer noch nicht kennen
Er dürfte bei der transit irgendwas kleiner 100 Ohm sein, denn der Ausgang kann einen Kopfhörer treiben. Um die Signalquelle nicht zu stark zu belasten, sollte der Vergleichswiderstand zumindestens nicht kleiner als R_g sein.

Punkt 1 und Punkt 2 widersprechen sich aber: Punkt 2 sagt, daß wir etwa 100 Ohm für R nehmen sollen. Punkt 1 sagt aber daß damit nur Impedanzen in der Größenordnung von 100 Ohm genau gemessen werden können.
Für die paar Ohm einer Lautsprecherweiche ist das beispielsweise gar nicht gut. Was können wir dagegen tun ?
Nun - das wird heute noch nicht verraten.

So, aber jetzt:

Schaltung zusammengesteckt:



Der Vergleichswiderstand hat 100,2 Ohm. Das zeigt zumindest mein gutes Fluke Multimeter an, wenn ich den Widerstand mit den angelöteten Steckern direkt reinstecke.

Das DUT ist aus zwei Widerständen zusammengelötet, die zusammen 60,2 Ohm haben.

Audiotester gestartet und aus Messmodus "Impedance Magnitude" umgeschaltet. Dieser Modus arbeitet, wie alle bisher gezeigten Messungen auch, mit einem gestuften Sweep.

Das Setup Kontrollfeld dazu:



Zwei Einstellungen sind zu machen: Haken bei "Phase" (die Impedanz hat ja eine Phase die wir natürlich sehen wollen) und den Wert unseres Vergleichswiderstands in das Feld "series resist. Rs/Ohm" eintippen. Die restlichen Eingaben darunter interessieren uns nicht - wir wollen ja heute keinen Lautsprecher bauen.

Einpegeln (dazu sag ich jetzt nichts mehr, selber schuld wer jetzt immer noch seine Karte grillt ) und die Messung starten:



Die Phase liegt bei konstant Null Grad, wie wir es von einem rein resistiven Bauelement erwarten. Genauso konstant ist der Amplitudenwert, allerdings ein klein wenig höher als erwartet bei 60,5 Ohm.
Will man das genauer haben, kann man jetzt mit dem eingegebenen Wert des Vergleichswiderstandes spielen. Ein Eingabewert von 99,7 Ohm bringt in meinem Beispiel exakt die erwarteten 60,2 Ohm.
Das gleiche Spiel mit ARTA gespielt, führt zu einem Eingabewert von 100,7 Ohm. Das ist offenbar von Programm zu Programm verschieden.

Jetzt den 60 Ohm Widerstand durch einen 150 nF Kondensator ersetzt:



Leider ist in der Heimat mein Bauteilesortiment etwas begrenzt - ich hätte gern einen Wert genommen bei dem der Impedanzabfall schon bei kleineren Frequenzen erfolgt wäre.

Da mein Vertrauen in den audiotester, speziell was die Phase angeht, nicht mehr ganz so felsenfest ist wie es schon mal war, hab ich auch ARTA bemüht:



Ich glaub', ich bleib' eher bei ARTA.

Grüße

Peter

[uk64]

Ich will nicht meckern,
aber der komplexe Widertand Z setzt sich aus dem Wirkwiderstand R und dem Blindwiderstand zusammen.
Die Größen werden wie es oben steht geometrisch addiert. Z = Wurzel (R^2 + X^2).
So weit so gut.
Wenn nun ein Wirkwiderstandwiderstand R zu Z in Reihe geschaltet kann man nicht einfach addieren, auch er liegt nicht im gleichen Phasenwinkel wie Z. Der zusätzlich Widerstand befindet sich nur mit dem Wirkanteil des Scheinwiderstandes im gleichen Winkel.
Das gilt auch für die Spannungen, auch hier (Reihenschaltung) sind Spannung und (Wirk oder Blind) Widerstände Proportional.
Daher geht das so

peter_l postete

1. Die Gesamtspannung U setzt sich aus den beiden Spannungsabfällen an Vergleichswiderstand und DUT zusammen, also U = U_DUT + U_R.
………………………….
Z = U_DUT / (U - U_DUT) * R

nicht.

Man müsste erst den Scheinwiderstand aufdröseln, den Wirk und Blindanteil und damit den Phasenwinkel bestimmen.

Ich denke (oder hoffe) mal das das die Programme intern schon richtig machen werden.

Gruß Ulrich

[peter_l]

da hast du natürlich recht Ulrich. Es ist auch gut, daß du darauf hinweist, daß das ganze etwas komplexer ist als ich es dargestellt habe.

Ich denke aber, daß mit meiner vereinfachten Darstellung, die wesentlichen Eigenschaften und die Konsequenzen daraus, dennoch abgeleitet werden können.

Ich wollte nicht in diesem "für Anfänger"-Thread auch noch komplexe Vektoraddition erklären müssen

Grüße

Peter

[peter_l]

Hallo zusammenn,

irgendwie hat mich der Einwand von Ulrich nicht losgelassen, daß die Beziehung

Z = U_DUT / (U - U_DUT) * R

vielleicht doch eine unzulässige Vereinfachung sein könnte.

Ich hab deshalb für mich alle Schritte die so ein Auswerteprogramm machen müßte nachvollzogen. Als Beispiel hab ich den als letzten betrachteten Fall genommen, also als Vergleichswiderstand 100 Ohm und als DUT den Kondensator mit 150 µF.

Ich hab ein Simuationsmodell dieser Min-Schaltung gemacht und die Spannungen U und U_DUT exportiert. Die weiteren Schritte hab ich dann mit Excel gemacht.

Das sind also die beiden Spannungskurven, die so ein Auswerteprogramm von den beiden Aufnahmekanälen der Soundkarte bekommt:



Wie oben gesagt sind das keine richtigen Spannungen in Volt, sondern nackte Zahlenwerte, die aber zu den korrekten Spannungen propotional sind.

Das erste was so ein Prgramm machen könnte, wäre zu schauen wie hoch die Signalfrequenz war. Das heißt, es muß die Periodendauer einer Schwingung bestimmt werden. Ich hab das mal mit den Nulldurchgängen gemacht und 100 µs Periodendauer T abgelesen.
Die Signalfrequenz ist also

f = 1 / T = 10 kHz.

Genau mit dieser Frequenz hab ich die Simulation laufen lassen, stimmt also.

Als nächstes könnte das Programm die Kurven U und U_DUT voneinander abziehen und den resultierenden Kurvenverlauf mit der U_DUT Kurve vergleichen:



Um den folgenden Schritt verstehen zu können muß man sich überlegen was die Kurve U - U_DUT eigentlich bedeutet (ich hab übrigens ein ganze ganze Zeit dafür gebraucht).
Unser Vergleichswiderstand ist rein resistiv. Wir dürfen daher den Strom durch ihn aus dem Spannungsabfall über ihn (U - U_DUT) und dem bekannten Wert von R berechnen:

I = (U - U_DUT) / R

Das geht auch mit den Momentanwerten, also den Meßkurven die wir vorliegen haben. Die berechnete Kurve (U - U_DUT) ist also praktisch (bis auf einen unbekannten Vorfaktor) der Verlauf des Stroms durch das DUT.
Diese Information ist ausreichend, um den Phasenwinkel zwischen Strom- und Spannungsverlauf bestimmen zu können.
Wir lesen an den Nulldurchgängen ab: delta_t = 25 µs und können daraus den Phasenwinkel berechnen:

phi = delta_t / T * 360 ° = 25 µs / 100 µs * 360° = 90 °
Da der Strom-Nulldurchgang vor dem Spannungs-Nulldurchgang liegt, könnten wir auch ein negatives Vorzeichen setzen, also -90°.

Jetzt müssen wir auf die eingangs schon erwähnte Beziehung

Z = U_DUT / (U - U_DUT) * R

zurückgreifen um auch den Betrag der Impedanz ermitteln zu können. Dies geht, wenn man die Beträge der Spannung verwendet (nicht die Momentanwerte - auch darüber hab ich eine ganze Zeit lang gebrütet). Wir können also z.B. die Maximalwerte wie im Bild ablesen und in die Formel einsetzen:

Z = U_max_1 / U_max_2 * R = 107 Ohm.

Die Zahlenwerte dazu hab ich aus der Excel Tabelle abgelesen.

Die mit unserem Excel-"Auswerteprogramm" ermittelte komplexe Impedanz unseres DUT ist also in der Darstellung mit Betrag und Phase:

Betrag: 107 Ohm
Phase: -90 °

Da wir wissen, daß unser DUT ein 150 µF Kondensator ist, können wir diese Werte einfach nachprüfen:

Der Betrag der Impedanz eines Kondensators ist X_C = 1 / (2 * pi * f * C) = 106 Ohm
Der Impedanzpfeil eines Kondensators zeigt in der komplexen Darstellung genau senkrecht nach unten, der Phasenwinkel ist also wie oben bestimmt -90°.

Nicht schlecht, oder ?

Meine Story ist natürlich kein strenger allgemeingültiger mathematischer Beweis - ich wollte nur mal sehen was so ein Auswerteprogramm eigentlich mit den Messkurven anstellen muß um zu Betrag und Phase der Impedanz zu kommen.

Grüße

Peter

PS: Kleine Anmerkung noch: Vergleicht doch mal, was audiotester und ARTA in den Messungen weiter oben bei 10 kHz rausbekommen haben.

[uk64]

Hallo Peter,
So ganz blicke ich nicht was du damit sagen willst, das stehe ich mal wieder auf dem Schlauch.

Das man Näherungsweise brauchbare Daten erhält bezweifele ich nicht.
Wenn man zwei mal den gleichen Fehler macht gleicht er sich auch wieder aus.

Aber wenn man eine Formel wie

Z = U_DUT / (U - U_DUT) *R
aufstellt sollte sie schon für den Einsatzweck stimmen und richtig aufgestellt sein.

Der Reihe nach aus deinem Beitrag von oben.
U = U_DUT + U_R
Mit Augenblickswerten inklusive des Vorzeichens ist das zwar Richtig, aber man kommt mit Augenblickswerten schnell ins Schleudern.
UX=X*I mit Augenblickswerten ist so eine Falle, mit zeitlich nicht zusammenhängenden Spitzenwerten oder den Effektivwerten passt es dann wieder. Wenn es sich um Leistung dreht ebenso.
Allgmein geht man bei der Variable U auch immer von einem Effektivwert aus wenn nicht anders Gekennzeichnet, der Augenblickswert mit einem kleinen u oder als Zusatz ein Zeitindex t.


Dröseln wir doch erstmal U_DUT auseinander.
Hier nehme ich mal ein vereinfachtes Lautsprechermodel.
Wir haben hier einen induktiven Blindwiderstand XL und einen Wirkwiderstand R,
die Größen so gewählt das bei einer Frequenz f Wirk und Blindwiderstand gleich sind (Grenzfrequenz).
Die Phase zwischen R und X ist immer 90 Grad, daher
ist die Impedanz
Z = Wurzel (R1^2 + XL^2)
Die Spannung
U = Wurzel (UR1^2 + UXL^2)
Das Ganze ist für uns eine Blackbox, hier können wir den Wirkanteil allerdings durch eine Gleichspannungsmessung bestimmen.



Da wir nun Spannungen messen wollen schalten wir einen Wirkwiderstand R2 davor
Du hast oben empfohlen diesen Widerstand ungefähr in gleicher Größe wie Z zu wählen.
Der Wirkwiderstand R2 und der Wirkanteil R1 von Z (die Blackbox) liegen nun in der gleichen Phase.
Wir erhalten eine neuen Scheinwiderstand
Zneu = Wurzel((R1+R2)^2 + XL^2)
Als Spannung
U = Wurzel (( UR1+ UR2)^2 + UXL^2)
Hier kann man nun den Fehler gegenüber der einfachen (linearen) Addition ablesen.



Da man die Spannung UR2 direkt misst und R2 kennt gilt natürlich
I = UR2/R2
Jetzt kommt halt der prinzipielle Fehler ins Spiel,
U = UDUT + UR2 ist falsch
U - UDUT ist nicht gleich UR2.
Die Höhe des Fehlers hängt von den Widerstandsverhältnissen und damit auch von der Frequenz ab.
Mit Augenblickswerten passt das zwar wieder, aber es ist ungwohnt.
Dann sollte man aber die gebräuchlichen Kennzeichnungen für einen Augenblickswert benutzen.

Edit: Zusammenfassend ist es möglich, das ich nur ein Problem mit der Schreibweise (besser Notation) habe. Die Methode dahinter kann richtig sein, dann habe ich hier nur "laut" gedacht

Gruß Ulrich

[peter_l]

Hallo Ulrich,

heut pack' ich das nicht mehr - komm gerade vom Wirtshaus heim
Das geht eh nur wenn ich mal Urlaub hab'.

Grüße

Peter

[peter_l]

Hallo Ulrich,

wahrscheinlich hab ich dich oben mit meinen etwas unsauberen Formulierungen (Maschinenbauer halt ) nur etwas in die Irre geführt.

Ich habe deinen Fall (2tes Schema) nach der beschriebenen Methode nochmal ausgewertet. Wenn ich dich recht verstehe, dann besteht dein DUT aus R2 und L1:



Der Betrag der Impedanz dieses DUT sollte damit sein:

Z = Wurzel ( R2^2 + XL^2), mit XL = 2 * pi * f * L1 ergiebt sich Z = 1,42 kOhm

und die Phase

tan phi = XL / R = + 45 ° .

Diese Werte gilt es also zu bestätigen.

Dazu entnehme ich der Simulation die Spannungsverläufe an den bezeichneten Positionen (leider ist die Namensgebung in meinem Simulationsprogramm etwas unflexibel). Der gesamte Spannungsabfall U heißt also jetzt V(n001) und der Spannungsabfall U_DUT heißt jetzt V(n002).



Zusätzlich habe ich den simulierten Stromverlauf I(L1) durch L1 dargestellt. Meine Behauptung war ja, daß die berechnete Kurve U - U_DUT (ich sollte hier wirklich besser Kleinbuchstaben verwenden, da die Kurvenverläufe, also die Momentanwerte gemeint sind) bis auf einen unbekannten Faktor den Stromverlauf durch das DUT darstellt.
Das ist auch der Fall, wenn man die Kurven V(n001) - V(n002) mit I(L1) vergleicht.

Die Auswertung der Phase:

Zwischen den Nulldurchgängen von V(n001) - V(n002) und V(n001) habe ich einen Zeitversatz von 78 µs herausgemessen.

Mit T = 1 / 1600 Hz = 625 µs ergibt sich phi = 78 / 625 * 360 ° = 45 °, Vorzeichen + da der Stromanstieg später ist als der Spannungsanstieg.

Die Auswertung des Betrags der Impedanz:

Dazu lese ich die jeweiligen Maximalwerte (die Effektivwerte wären genauso gut) von V(n001) - V(n002) und von V(n001) ab, und setze sie in die inzwischen bekannte Formel ein:

Z = 0.526 / 0.557 * 1,5 kOhm = 1,42 kOhm (nochmal zur Klarstellung: hier keine Momentanwerte verwenden)

Wenn ich mich nicht verrechnet habe, dann müßte die Methode also funktionieren.

Grüße

Peter

[uk64]

Hallo Peter,
ich habe gestern schon befürchtet, das du mich nur mit deiner Formelnotation verwirrt hast.
“U” = "Ueff" wechselweise für “Us” oder “u” zu verwenden macht die Sache auch schwierig.
Ich bin ja auch nicht mehr der Jüngste und ein altes Hirn verlässt gewohnte Pfade nur widerwillig.

Mal ein wenig (oder noch mehr) O.T. zur LS Simulation.
Das hier ist übrigens eine typisches Ersatzschaltbild (Simulationsmodel) eines Lautsprechers (Impedanz des Einzelchassis, Impedanzskalierung).
Die nötigen Werte lassen sich aus den Thiele- Small- Parametern gewinnen, hier sind sie nur gewürfelt.

DUT_LS


Gruß Ulrich

[peter_l]

Hallo Ulrich,

gar nicht O.T., sondern eine perfekte Überleitung zum nächsten Beitrag. Da will ich die Impedanzmessung an einem meiner Lautsprecher anwenden - ist aber noch nicht fertig. Mal schau'n wann ich dazu komme.

Das ist übrigens das Ersatzschaltbild des Tieftöners:



Qtc = 0,87, fs = 40,4 Hz, Qms = 6,2, Qes = 1,01.

Wer mag, kann sich ja schon mal überlegen, was das für eine Bauart sein könnte.

Schon ein bißchen komplizierter solche DUT's. Die rechne ich aber jetzt nicht mehr von Hand nach

Grüße

Peter

[peter_l]

Hallo zusammen,

wieder mal Sonntag + schlechtes Wetter. Heute früh soll's angeblich sogar ein bißchen geschneit haben.
Was liegt da näher als hier weiterzumachen.

8. Messung mit Vergleichswiderstand - Anwendung Lautsprecher

Zur Erinnerung: es geht um die Messung des Impedanzverlaufs eines Prüflings. Geübt haben wir das schon an einem Widerstand, einem Kondensator und -zumindest theoretisch- einer Induktivität.

Heute wollen wir uns mal einen etwas komplizierteren Prüfling anschauen, nämlich einen Lautsprecher (einen "DUT_LS" also, © Ulrich).
Ein Lautsprecher ist ein kompliziertes Gebilde - man vergleiche nur mal das elektrische Ersatzschaltbild von Ulrich. Und dieses Ersatzschaltbild beschreibt nur ein einzelnes Lautsprecherchassis alleine. Ein kompletter Lautsprecher besteht aber üblicherweise aus mehreren Chassis sowie einer manchal auch recht aufwändigen Weichenschaltung. Dem enstprechend komplex sehen auch die gemessenen Impedanzverläufe auch aus.

Die Impedanz von Lautsprechern beträgt nur wenige Ohm. Aus Gründen der Messgenauigkeit soll der Vergleichswiderstand in der gleichen Größenordnung liegen. 8 Ohm ist zum Beispiel ein guter Wert. Jetzt haben wir aber das Problem, daß der Ausgangswiderstand unserer Soundkarte erheblich höher liegt. Das ist nicht gut - wir müssen also was tun.

Die Lösung schaut folgendermaßen aus:



Der Prüfling wird jetzt nicht mehr direkt vom Soundkarten-Ausgang angesteuert, sondern von einem zwischengeschalteten "Impedanzwandler" (das Dreieck). Dieser hat einen hohen Eingansgwiderstand und einen sehr kleinen Ausgangswiderstand. So haben wir auf beiden Seiten optimale Anpassung: der Soundkartenausgang sieht den hohen Eingangswiderstand des Impedanzwandlers und unsere Mess-Schaltung hat eine perfekt niederohmige Signalquelle.
Meinen "Impedanzwandler" hab ich schon mal vorgestellt. Es ist der kleine Verstärker, dessen Frequenzgang wir weiter oben schon gemessen haben.

Ansonsten ist die Schaltung wie gehabt: Vergleichswiderstand, Prüfling und die Messabgriffe, die auf die beiden Soundkarten Eingangskanäle gehen.

WARNUNG: Der Verstärker dient nur der Impedanz-Anpassung. Es geht hier nicht d'rum, möglichst viele Watt in den Lautsprecher zu pumpen !!!
Ganz im Gegenteil:
- Die Messung soll mit kleinen Signalen gemacht werden, da nur hier die "Thiele-Small-Geschichten" exakt sind,
- Größere Signale können zur Zerstörung der Chassis führen. Das gilt besonders für den Bereich der Resonanzfrequenz des Chassis, da hier die Membran praktisch schutzlos dem Antrieb ausgeliefert ist. Das sieht man sehr gut bei der Messung: wenn die Anregung in die Nähe der Reso kommt, macht die Membran plötzlich Amplituden, daß man Angst bekommt. Sollte das der Fall sein, S O F O R T Lautstärkeregler zurückdrehen ! Am besten ist es natürlich, es gar nicht so weit kommen zu lassen: von unten anfangen und die Lautstärke nur so weit erhöhen bis die Reso gerade erkennbar wird.

Zusammengestöpselt:



Der Lautsprecher ist ein Eigenbau aus Basis von schönen klassischen KEF Chassis aus den 80ern (KEF SP1014). Die Bausweise ist "geschlossen" - mit Bassreflex hab ich's nicht so. Als Hochtöner hab ich "SEAS NoFerro 12" genommen, da diese schon früh eingekoppelt werden können und weil sie kein Ferrofluid verwenden.

Zur Einstellung vom audiotester gibt's nicht viel zu sagen, wie oben halt. Der einzige Unterschied ist, daß man wesentlich mehr Meßpunkte verwenden sollte um den Bereich der Resonanzfrequenz gut auflösen zu können. Ich hab mal 400 Frequenzschritte gewählt:



Die Phasenkurve vom audiotester brauchen wir ja nicht nochmal diskutieren, also zur Sicherheit mit ARTA nachgemessen:



Was sieht man an der Impedanzkurve:

- Die Resonanz des Tieftöners liegt knapp unter 50 Hz. Hier lohnt auch ein Blick auf die Phasenkurve. Die hat nämlich genau bei der Resonanz einen Nulldurchgang, was sehr praktisch für die genaue Bestimmung der Resonanzfrequenz ist.
Die Form des Impedanzmaximums gibt Aufschluß über die Dämpfung des Chassis. Schmal und hoch würde bedeuten, geringe Dämpfung oder anders gesagt hohe "Quality" Qt. Ich hab den Tieftöner auf ein Qtc (c steht für closed box) von 0,9 eingestellt. Der theoretisch ideale Wert für eine geschlossen Box wäre nebenbei gesagt eigentlich 0,707. Bei 0,9 hat der Bass aber mehr Dampf - reine Geschmacksfrage.

- Der zweite Buckel bei ca. 1.5 kHz zeigt an, wo der Tieftöner von der Weiche zurückgenommen, und dafür der Hochtöner reingefahren wird - die Übernahmefrequenz also.

- Das Impedanzmimimum ist 4,5 Ohm bei ca. 4 kHz. Das ist also ein Lautsprecher mit einer Nenn-Impedanz von 4 Ohm. Bei der Auslegung von Weichen muß man darauf achten, daß dieses Minimum nicht zu tief gerät. Das kann schnell passieren, Chassis und / oder Verstärker wären dann eventuell in Gefahr.

- Die Impedanzkurve gibt auch Aufschluß über akustische Unregelmäßigkeiten von Chassis. Der kleine Sprung bei 400 Hz zum Beispiel, den man in der Betrags- und der Phasenkurve sieht, ist eine Eigenheit des Tieftonchassis. Diese Störung ist auch im akustischen Frquenzgang als eine kleine Senke sichtbar.

Und, die gemessene Impedanzkurve braucht man zur Weichenentwicklung. Aber darauf will ich an dieser Stelle nicht weiter eingehen, denn darüber gibt's bereits viele dicke Bücher. Ein's möcht ich an dieser Stelle empfehlen: "Lautsprecher-Messtechnik" von J. d'Appolito. Wenn's geht in der englichen Original-Fassung - mit der ins deutsche übersetzten Version bin ich nicht so recht glücklich.


So, das war's mit den Messungen im Zeitbereich. Viele der angewandten Messtechniken arbeiten im Frequenzraum. Aber davor steht die Hürde der Fouriertransformation. Ich zögere daher noch etwas, dieses Thema im Rahmen dieses "Anfänger"-threads anzugehen.
Andererseits machen mir gerade die Messungen im Frequenzraum besonders viel Spaß - mal schau'n wie's also weitergeht.

Grüße

Peter

[esla]

Hallo!

ich hole mal diesen etwas älteren, aber sehr interessanten Thread aus der Versenkung. Neulich kaufte ich mir, um über die optische Verbindung von meinem DAT-Tapedeck in den PC einspielen zu können, eine neue, sehr preisgünstige Soundkarte mit optischen Digital-Ein-/Ausgängen. Eine Terratec Aureon 5.1 PCI. So weit, so gut.

Das Einspielen vom DAT klappt auf Anhieb. Nur habe ich gestern versucht, einen durch Audacity generierten 1 kHz-Ton über die optische Verbindung zum DAT hin aufzunehmen. Sollte ja alles klappen (dachte ich). Nur - der linke Kanal am DAT hängt um ein paar dB hinter dem rechten her! Oben das rote ist das Mono-Aufnahmesignal, die beiden blauen Spuren unten ist das, was ich vom DAT-Deck über die optische Verbindung wieder reinbekommen habe.



Links "fehlt" Pegel, ganz eindeutig! Also, in Anlehnung an diesen Thread das Toslink-Kabel vom Soundkartenausgang zum Eingang umgesteckt und mit dem Audiotester 3 mal probiert:



Ein Unterschied von 3 dB! Und das scheinbar bereits am optischen Ausgang der Soundkarte, da mir das Levelmeter am DAT etwa 4 dB Abweichung anzeigt. Ist so etwas noch normal und tolerierbar? Was meint ihr?

Gruß Jens

[96k]

esla postete
Ein Unterschied von 3 dB! Und das scheinbar bereits am optischen Ausgang der Soundkarte, da mir das Levelmeter am DAT etwa 4 dB Abweichung anzeigt. Ist so etwas noch normal und tolerierbar? Was meint ihr?

Hallo Jens,
hier meine kurze Antwort: Nein!
Das Signal muß 1:1 zurück kommen.

Erzeuge bitte eine Stereodatei mit Deinem Testsignal (L und R mit gleichem Inhalt) und versuche es nochmal.

Welches Betriebssystem verwendest Du?

Kann Audacity jetzt ASIO? Falls nein, gibt der Treiber über WDM (falls Du Windows verwendest) das Signal 1:1 an den digitalen Ausgang, oder läuft das über ein Mischpult? Vielleicht sogar dieser Windows-Mixer?
Falls WDM:
Bei der Auswahl des Ausgabegerätes sollte Deine Soundkarte mehrfach vorhanden sein.
"$Soundkarte SPDIF out" oder sowas ist die richtige Wahl.
Gehst Du auf den Analogausgang (bei M-Audio oft "$Soundkartenname 1/2") läuft das Signal erst über das Mischpult der Karte, inkl. aller dort eingestellten Änderungen.

BTW: Völlig ungeeignet ist ein Soundmapper, egal bei welchem Betriebsystem.


Gruß

96k

[hannoholgi]

Hallo,

ich möchte zur Ergänzung mal eben einen Tipp loswerden für diejenigen, die mit dem Laptop oder Netbook messen wollen und an dessen miesem Soundchip verzweifeln. Dazu gehörte ich nämlich auch. Der Frequenzgang meines Asus EeePC war völlig unbrauchbar. Erst oberhalb von 100 Hz überhaupt vorhanden, danach zahlreiche Berge und Täler und oberhalb von 10 kHz ging es rapide in den Keller.
Grausam.
Ich wollte also gern einen geeigneten, über USB zu betreibenden Audio-Adapter mit eingebauten Wandlern, der klein und handlich ist, möglichst mit Cinchbuchsen ausgestattet ist, Line-Pegel verarbeitet, keinerlei Schnickschnack aufweist und natürlich einen linealglatten Frequenzschrieb ergibt.

Nach einiger Sucherei, bei der vorwiegend Audio-Interfaces der gehobenen Preisklasse gefunden wurden, die dann aber über übeflüssige Features wie symmetrische Mikroeingänge mit P 48 verfügten, stieß ich bald auf den Behringer UCA202.
Eine kleine Kiste im Zigarettenschachtelformat, als reines Line-Interface ausgebildet, mit Cinchbuchsen, zusätzlichem Kopfhörer- und S/PDIF-Ausgang.
Das Teil verarbeitet einen max. Input- und Outputlevel von 2 dBV, der Ausgangswiderstand beträgt 400 Ohm, die Eingangsimpedanz liegt bei 27 kOhm.
Und das Beste ist der Preis: 28,- Euro. Einen Versuch war es bei dem Preis allemal wert, als bessere Soundkarte für das Netbook konnte es immer noch herhalten...

Das Gerät wurde bei Thomann bestellt und kam am übernächsten Tag an. Eine erste Überprüfung ergab eine sehr gute Eignung für meine Zwecke. Nicht die geringste Welligkeit zeigte sich im Frequenzgang. Wenn man die Wandler auf 48 kHz schaltet, steht ein Frequenzumfang von unter 10 bis etwa 24000 Hz zur Verfügung. Das Interface hat 24-Bit-Wandler und reicht damit für die üblichen Messungen aus.
Hier die Frequenzkurve des UCA202:



Ich finde, da gibt es nichts zu meckern.

Übrigens wurde mir beim Aufnehmen dieser Kurve deutlich, welch großen Einfluss ein anständiges Kabel auf das Messergebnis hat! Ich hatte zuerst ein billiges "Beipackkabel" geschnappt, das in der Schublade zufällig oben lag. Damit hatte ich sowohl einen Welle bei 12 Hz als auch einen kontinuierlichen Abfall oberhalb von 10 kHz bis auf -4 dB bei 24 kHz. Erst nach einiger Zeit kam ich dann mal auf die Idee, ein anderes Kabel zu nehmen. Das Ergebnis seht ihr oben. Dieses war ein nur 50 cm langes, kapazitätsarmes Koaxkabel mit etwa 40 pF. Das billige hatte fast 300 pF!

Gruß Holgi

[stony]

Hallo Holgi,
Suppi,
thanks für die Info wegen der Behringer UCA202 :bier:

[peter_l]

Hallo Holgi,

deine Anmerkung zur Kabelkapazität interessiert mich. Hätte jetzt nicht gedacht, daß das Kabel so einen großen Einfluß haben kann.

Rein rechnerisch ( f = 1 / (2 pi R C)) kann ich's nachvollziehen, daß die 300 pF mit einem Widerstand von 27 kHz einen Tiefpaß mit 20 kHz ergeben. Schaltungstechnisch ist es mir allerdings nicht ganz klar, wie sich dieser Tiefpaß zusammensetzt, oder speziell welches Bauteil im Messaufbau zusammen mit der Kabelkapazität den Tiefpaß bildet. Ist es der Eingangswiderstand der Karte ?

Noch eine (dumme ?) Frage: wie mißt man eigentlich die Kapazität eines Kabel ?
Einfach die beiden Anschlüsse eines Endes ans Messgerät anschließen und das andere Ende offen lassen ?

Grüße

Peter

PS: Super Tip mit dem UCA202. Wenn mich meine Karte mal verlassen sollte, besorg ich mir auch so eins.

[uk64]

Abgesehen von der Theorie mit der Kabelkapazität, irgendwas stimmt da nicht.
Nach den Unterlagen

http://www.behringer.com/EN/downloads/pd...4_M_DE.pdf

Hat die UCA202 eine maximale Abtastrate von 48kHz, ein Frequenzgang wie in der oberen Kurve (selbst lediglich nur -4dB bei 24 kHz) ist damit nicht möglich.
Oder gibt es ein neueres Model, das nicht auf der Behringerseite erwähnt wird?

Gruß Ulrich

[hannoholgi]

Hallo Ulrich,

ich wüsste nicht, dass es da inzwischen eine neuere Version gibt...
Ich habe mich auch gewundert über die linealglatte Kurve bis über 20 kHz, aber ich kann Fehler ausschließen! Ein- und Ausgang wurden über kurze Cinchkabel verbunden, die im Netbook eingebaute Soundkarte abgeschaltet und der Sweep gestartet. Eingestellt waren Ein- und Ausgangsseitig 48 kHz.
Mit dünnem Billigkabel ging es hinten runter und vorne gab es einen Huckel. Leider habe ich das nicht gespeichert.
Frequenzkurven von Uher Report Monitor und Revox A77 ergaben das erwartete Aussehen, mit leichten Kopfspiegelresonanzen und leichtem Abfall ab 20 bzw. 15kHz.
Ich habe heute Abend nochmals das Interface durchgecheckt - es kam wieder die Gerade heraus, die ich oben gezeigt habe!
Egal, ob Zauberei oder technische Innovation: ich finde das Teil super und habe schon wieder eine Revox eines Bekannten zum Einmessen auf dem Tisch.

Gruß Holgi

Hier die Kurven der Uher vor und nach dem Abgleich des Bias:

[uk64]

Hallo Holgi,
Ich habe mal versucht deine Messungen nachzuvollziehen.
Einstellung im Setup des Audiotesters



Abtastrate der Soundkarte 48kHz.



Der Audiotester gaukelt bei diesen Einstellungen eine besseren Frequenzgang vor (die letzte Messfrequenz liegt deutlich unter 24kHz).

Das gleiche noch mal mit erhöhtem “Step Count” im Setup.





Durch deutlich mehr Messpunkte wird die Kurve genauer und stimmt mit dem erwatetem Frequenzgang deutlicher überein.

Die Messungen im Hochtonbereich werden noch genauer wenn man “Frequenzy generating” auf “linear” stellt.



Man sollte Kurven halt nicht blind vertrauen und vorher schauen auf Grund welcher Daten sie zustande kommen.

Gruß Ulrich