Лабораторная по физике №6 – подбор деталей в программе SpectraPLUS

Недавно хороший знакомый собрал акустику на широкополосных динамиках и говорит, что колонки «играют по-разному». Сам он с электроникой знаком только на уровне отвёртки, паяльника и канифоли, динамики заменил, но проблема осталась. Вот и интересуется – а нельзя ли как-то посмотреть параметры фильтров-пробок, сделанных для коррекции АЧХ? А то, вдруг они разные получились? Отчего ж «нельзя» - можно, приходи, посмотрим.

Смотреть одинаковость фильтров будем на компьютере в программе SpectraPLUS - в ней есть возможность измерения импеданса цепей и элементов. Сначала попробуем стандартную схему подключения (рис.1), рассчитанную на небольшие значения измеряемых сопротивлений и приведённую в описании к программе, а потом немного поэкспериментируем.

Рис.1

Конструктивное исполнение проверяемых фильтров показано на рис.2, «проверочной» платы и кабелей для подключения к компьютеру – на рис.3 (да, без синей изоленты никак :-) ).

Рис.2

Рис.3

Начинаем тестирование с отпаивания резисторов и катушек от «батарей» конденсаторов и проверки тестером отсутствия обрыва в катушках, целостности резисторов 10 Ом и отсутствия короткого замыкания (или омического сопротивления) у конденсаторов. Далее переходим к компьютерным измерениям.

В программе выбираем режим «Spectrum», затем в «Options…» заходим в «Settings» и делаем там установки по рис.4. Подтверждаем «Ok». Это мы выбрали параметры и алгоритм обработки сигналов.

Рис.4

Далее через «Options» заходим в «Scaling…» (рис.5) и выбираем виды шкал. В описании к программе указано, что в «Amplitude Axis» следует выбрать «Linear» (линейная шкала), но мы выберем «Logarithmic» - с логарифмической шкалой можно будет более точно посмотреть разницу между разными измерениями, а сами «абсолютные их значения» нам не так уж и важны. Т.е., не важно, будут ли катушки иметь индуктивность 1 мГн или 1,05 мГн – главное, чтобы они были близкими по параметрам.

Рис.5

Теперь через «Options» и «Calibration…» по рис.6 выставляем размерность шкал. В полях «Left» и «Right» у «Detected levels (Percent full scale)» стоят значения «1.0000» и «10000.0000» и их отношение «10000» соответствует 80 dB. Т.е., при отсутствии измеряемого резистора уровень графика будет максимальным и соответствовать отметке «80 dB».

Рис.6

Затем в программе через «Utilities» заходим в «Signal Generator…» и там выбираем режим генерации белого шума «White Noise». Берём из «тумбочки» резисторы 1 Ом, 10 Ом и 100 Ом. Запускаем анализ (рис.7) и поочерёдно получаем графики с уровнями, соответствующими разным сопротивлениям подключаемых резисторов.

Рис.7

Не зная сопротивление резистора, его примерное значение можно узнать по уровню графика. «Считается» это несложно – от максимального показания в 80 dB следует отнять уровень при подключенном Rx (например, 40 dB) и полученная разница в 40 dB будет соответствовать отношению напряжений, а оно «привязано» к отношению сопротивлений в делителе. И так как 40 dB – это разница в 100 раз, то получается, что сопротивление Rx в сто раз меньше сопротивления R1, т.е. 10 Ом.

Теперь посмотрим «одинаковость» резисторов 10 Ом. Для увеличения точности оценки вводим в поле «Plot Top» число 42, а в «Plot Range» число 4 и измеряем сначала резистор №1 (зелёный график на рис.8), а затем резистор №2 (оранжевый график). Для оценки того, насколько они отличаются, последовательно с резистором №2 включаем резистор сопротивлением 1 Ом и получаем розовый график. Глядя на полученный результат, можно сказать, что резисторы отличаются менее чем на 0,3 Ом. Взяв же из коробки ещё один резистор и измерив его, получаем голубой график, очень близкий к оранжевому. Значит, для установки в фильтр отбираем резисторы №2 и №3.

Рис.8

Теперь проверяем катушки. Поочерёдное их включение в вышеописанную измерительную схему не даёт информативных данных (рис.9). Поэтому было решено изменить принцип измерения – не сравнивать падение напряжения на делителе с образцовым напряжением, а сравнивать напряжения сразу с двух катушек, т.е., смотреть именно получаемую разницу (рис.10).

Рис.9

Рис.10

В этой схеме резисторы R1 и R2 были отобраны «на одинаковость» и взяты с бОльшими сопротивлениями, так как при использовании резисторов 10 Ом из предыдущего эксперимента звуковая карта оказалась бы на низких частотах нагружена на очень низкое сопротивление.

Графики, получившиеся при таком подключении, показаны на рис.11. Зелёный с «задранным краем» на ВЧ – это разница между катушками с «родным» количеством витков. Бордовый график – с отмотанным одним витком на одной из катушек (возможно, что при намотке произошла ошибка). Теперь похоже на то, что катушки одинаковы и можно перейти к проверке собранных фильтров.

Рис.11

Разницу смотрим в этой же схеме подключения.

При первом сравнении получился зелёный график с некоей «петлёй» около частоты 1 кГц (рис.12). Подключение к одному из фильтров дополнительного конденсатора показало, что его «батарея» имела меньшую ёмкость (один из конденсаторов 2 мкФ был «в обрыве»). После его замены и некоторой подгонки конденсаторами небольшой ёмкости, получился более-менее ровный бордовый график.

Рис.12

Окончательно настройка фильтров была проверена в схеме по рис.1. Результат – на рис.13. Видно, что графики совпадают и что на низкой частоте фильтры имеют сопротивление 1 Ом (это омическое сопротивление катушек), что на частотах около 1,1 кГц фильтры имеют максимальное сопротивление близкое к 9 Ом и что около 14 кГц их сопротивление минимально – 0,3…0,4 Ом.

Рис.13

На всякий случай был снят график комплексного сопротивления фильтра с одним удалённым конденсатором 2 мкФ (оранжевый на рис.14). Это имитация неисправного фильтра для того, чтобы иметь некоторое представление о слышимости «разницы». Судя по рис.15, эта разница составляет всего 1 dB, но так как она попадает на самый чувствительный для уха участок частот, то, возможно, поэтому она и слышна.

Рис.14

Рис.15

После установки фильтров в акустику хозяин остался доволен звучанием. Теперь думает о замене катушек на такие же, но с меньшим омическим сопротивлением.

Описанный способ оценки применим и к другим цепям (ФНЧ, ФВЧ). Точность оценки может зависеть от качества исполнения входных цепей звуковой карты. Например, в используемой здесь карте имеется небольшая разница в чувствительности каналов (около 0,3…0,5 dB) и по правилам хорошего тона её следовало бы компенсировать при внесении коэффициентов в меню «Amplitude Calibration». Но сделано этого не было.

Ничего экстраординарного или нового в этом тексте нет – вся информация взята из описания программы SpectraLab (SpectraPLUS), работ Вологдина Э.И., книги Васильченко Е.В и Наседкина К.С и других источников, вплоть до соответствующих тем на форуме сайта Паяльник.

Установки в программе могут отличаться в зависимости от требований или предпочтений – можно увеличить значения «Sampling Rate», «FFT size», разрядность, выбрать обработку «Real Transfer Function», а не «Complex Transfer Function». Можно менять чувствительность, можно выбрать для измерений розовый шум «Pink Noise».

Зная входное сопротивление звуковой карты, можно оценивать большие комплексные сопротивления (100...500 кОм).

Дополнение.

Во время подготовки статьи к публикации в гости заходил хозяин акустики и теперь ему надо было подобрать два резистора сопротивление 30 Ом с максимально близкими значениями. Пару выбрали быстро – это розовый и бордовый графики на рис.16. Для оценки их «одинаковости» последовательно с одним из них был включен резистор сопротивлением 0,1 Ом и получился синий график, говорящий о том, что резисторы имеют практически одинаковое сопротивление.

Рис.16

январь 2021, Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим

Теги:

• Анализатор спектра