Soundkarten Audiomesstechnik

Hallo Christian,

der von Dir verlinkte Bausatz kostet 89 $ plus Versand. Das ist das Zehnfache des Preises des von mir gezeigten China-Oszillators und m.E. schwer begründbar (überteuert), auch, wenn dort das Gehäuse enthalten ist.

Selbst, wenn die für den Akitika angegebenen 0,0002 % THD stimmen, ist er auch beim THD ja nicht besser (auch dann nicht, wenn er sogar auf 0,0001 % THD = -120 dB kommen sollte, wie in der Beschreibung steht, aber in der gezeigten Messung wird nur -115 dB = 0,00017 % THD bestätigt). Glühbirnen-Stabilisierung ist nach meiner Erfahrung problematisch (Amplitudenstabilität ist schlecht). Ausserdem hängt der Klirrfaktor sehr vom individuellen Lämpchen ab, das man gerade eingesetzt hat. Das war jedenfalls meine Erfahrung mit einem Wienbrücken-Generator von ELV mit Lämpchen-Stabilisierung.

Wenn man bereit ist, mehr Geld als 14 € für den China-Oszillator auszugeben, fiele meine Wahl stattdessen auf den Victor Generator (vom Entwickler, der mit Vornamen wohl Victor heisst und in Riga ansässig ist). Der ist für 65 € + MWSt, inkl. Versand, nochmal wenigstens 20 dB besser (nämlich besser als -145 dB, angegeben sind sogar -150 dB) als das von mir hier vorgestellte China-Teil mit ca. -124 dB THD und dürfte sich bereits schon an der Grenze des heute Mach- und Messbaren bewegen.

archimago.blogspot.com/2022/01…illator-as-reference.html
viccc42.wixsite.com/uld-audio

Er benötigt allerdings ein 35 V DC-Power-Supply. Für die Leistung spendiert man das aber wohl gerne.

Gruß
Reinhard

Den vorher noch vorhandenen leichten 50 Hz Brummschleifenpeak mit Ausgangspoti habe ich durch besseren Anschluss des Masse-Verbindungskabels zwischen PC-Gehäuse und dem Signalgeneratorgehäuse inzwischen ganz wegbekommen.

Hier z.B. damit Messung bei Vout = -3dBV (707 mVeff) ist THD = -125 dB = 0,000055 % THD, kein 50 Hz Brumm stört mehr:


(Messbereich 20 Hz - 22 kHz)

Gruß
Reinhard

Bei Cordell kann man sehen, wie die Entwicklung fortschreitet.

Bob Cordell hat seinen THD-Analyzer 1981 in "Audio" veröffentlicht:
cordellaudio.com/instrumentation/thd_analyzer.pdf
Seine Schaltung ist der von mir hier evaluierten kleinen China-Platine gar nicht mal so unähnlich. Beide beruhen auf "state-variable-filter".

Zu Ende der Artikel zeigt Cordell eine Abbildung "Residual (THD) vs. Level". Wie Christian geschrieben hat, kommt er bei 1 Veff gerade mal nur auf 0,0003 % THD (-110 dB) und bei 300 mVeff auf 0,0008 % THD (-102 dB). Kann man direkt mit den gerade von mir hier gezeigten 0,000055 % (-125 dB) bis 0,0001 % THD (-120 dB) vom China-Platinchen bei 900 Hz und 315 mVeff bis 1 Veff vergleichen. Das simple kleine China-Platinchen ist bis um Faktor 10 x "besser" als die vergleichsweise kompliziertere Cordell Schaltung.
Aber um fair zu sein, die Cordell-Angaben beziehen sich auf seinen kompletten THD-Analyzer, der beinhaltet ja nicht nur den Signalgenerator, sondern auch den Analysator, der zum Eigenklirr (residual THD) ebenfalls beiträgt, und vermutlich nicht unerheblich.

Inzwischen unterstützt Bob Cordell mit einem von ihm herausgegebenen Tutorial den schon genannten QuantAsylum QA403 Audio-Analysator, den ich hier ja auch verwende.
cordellaudio.com/instrumentation/QA403-Tutorial-V4.pdf

Gruß
Reinhard

Es geht nichts über das praktische Probieren!

Ausgangspoti Typ und Wert
Ich habe 10k lin und 5k log Poti in der Schaltung erprobt.

10k lin
niedriger THD, auch bei starker Abschwächung, aber zu starke Drehwinkelempfindlichkeit im unteren Stellbereich, so dass sich kleine Ausgangspegel nur schwer exakt einstellen lassen.

5k log
um 5 dB erhöhter THD bei starker Abschwächung ( auch schon bei 1 V Ausgangspegel), wenig THD Verschlechterung nur bei geringer Abschwächung. Sehr gute Stellcharakteristik, auch bei kleinen Ausgangspegeln. Sogar 5 mV (Phono!) lassen sich noch genau einstellen.

Fazit:
Es wird als optimale Lösung ein 10 kOhm, log Poti werden.

Gruß
Reinhard

Optimale Lösung?
Das hatte ich eigentlich so erwartet - aber so ganz optimal war es nicht. Immer noch etwas zu viel THD, gemessen an meiner Erwartung, dass es nicht schlechter werden sollte als vorher schon mit dem 10 kOhm lin Poti gemessen. In der "idealen Welt", sollte es elektrisch ja keinen Unterschied machen (also auch nicht für den resultierenden THD), ob man 1 V Ausgangspegel mit einem 10 kOhm lin Poti einstellt oder mit einem 10 kOhm log Poti.

Aber leider war dem nicht so. Das log Poti ist mutmasslich von einem anderen Herstellerals das lin Poti. bis auf die andere Stellcharakteristik sollte es aber keine weitere wesentliche Unterschiede geben. Wie auch immer, die gemessenen THD-Werte waren mit dem log Poti bei gleicher Ausgangsspannung typisch um ca. 3 dB schlechter als mit dem lin Poti.

Was tun?
Ich habe die Ausgangslast des Sinusgenerators weiter vermindert, in dem ich in Serie vor den Poti-Eingang noch einen 4,7 k Widerstand gelegt habe. Die logarithmische Stellcharakteristik verschlechtert sich dadurch etwas, auch die max. Ausgangsspannung verringert sich etwas, aber ich profitiere von der dadurch verursachten Verminderung des Klirrs.

Damit errreiche ich (nach vorausgegangenem sorgfältigen THD-Minimum-Abgleich der drei Trimm-Potis auf der Platine) nun wieder -123 dB bis -125 dB THD bei 1 Veff Ausgangspege (0 dBV), 900 Hz:


Ebenfalls -123 dB THD bei 707 mVeff (-3 dBV):


Und auch -123 dB THD bei 500 mVeff (-6 dBV):


Glückliche -124 dB THD bei 315 mVeff (-10 dBV):


Bei noch kleinerer Ausgangsspannung kommt der THD - zunehmend aufgrund des immer schlechteren Rauschabstands - "unter Druck".

-118 dB THD bei 100 mVeff (-20 dBV):


-102 dB THD bei 10 mVeff (-40 dBV):


-97 dB THD bei 5 mVeff ( -46 dBV):


Hinweis:
Bei allen obigen Frequenzspektren-Darstellungen sind die Signalpegel auf das Basis-Signal (900 Hz) normiert: Anzeige in dBr (r= relativ)

In allen Fällen (bei den gleichen Amplituden) hat der preiswerte China-Sinusgenerator (für ca. 14 €) mit dieser Lösung für das stufenlos einstellbare Ausgangspoti ungefähr die gleiche Klirrarmut wie der DAC-Ausgang (Generator-out) des (immerhin 700-800 € teuren) QuantAsylum QA403 oder sogar leicht besser. Für Ausgangspegel im Bereich von 200 mVeff bis 4 Veff erreiche ich -123 dB THD (0,00007 %).



Nach diesem guten Ausgang mit dem günstigen (1 €) Kohleschich-Poti, habe ich auf weiteres Probieren mit anderen Potis (Leitplastik, Cermet, Widerstands-Schaltkaskade, usw.) verzichtet.

Gruß
Reinhard

Hallo Martin,

die ARTA-Messbox in der Version V.2 ist in einer speziell dafür erstellten ARTA Application Note beschrieben
artalabs.hr/AppNotes/AN1_SwitchBox-Rev05Ger.pdf

Ich finde sie etwas unübersichtlich und auch nicht optimal, wenn man nur an Verstärkermessung interessiert ist. Tatsächlich wurde die ARTA-Messbox in erster Linie für Lautsprechermessungen (Chassis-Impedanzverlauf und Frequenzgang) entwickelt. Man kann sie aber auch für Verstärkermessungen bei nur kleinen Ausgangsleistungen nutzen, die Schalterstellungen müssen dafür dementsprechend "passend" gesetzt werden.

Dies ist die ARTA-Messbox in der Version V.2:


Verzichtet man auf die Schaltungsteile, die für die Lautsprechermessungen benötigt werden, kommt man mit dem nachfolgenden Stromweg aus (rot = spannungsseitig; blau = masseseitig). Es ist zu beachten, dass die Verstärkermasse und die Soundkartenmasse in der Messbox Schaltung über einen 1 kOhm Widerstand getrennt sind, um eine Masseschleife zu vermeiden (bzw. stark zu bedämpfen). Statt des Lautsprechers verwendet man einen 4 Ohm oder 8 Ohm Lastwiderstand ausreichender Leistung.

Schaltungsteile (im farbigen Stromlaufplan) und Schalterstellung, die nur für Verstärkermessungen benötigt werden:


Aber so, wie gezeichnet, ist der Anschluss noch nicht korrekt.
Denn in der Zeichnung wird der rechte Soundkarteneingang als Messkanal benutzt. Tatsächlich soll aber bei einer Messung eines Verstärkers, bei der die Frequenzgangabweichung der Soundkarte selbst intern kompensiert wird, der rechte Soundkarteneingang als Referenzeingang benutzt werden und der linke Soundkarteneingang der Messkanal sein. Bei ARTA muss man im Menü des Unterprogramms STEPS einstellen, ob man eine Ein- oder Zweikanalmessung macht und im eigentlichen ARTA-Programmteil im "Spectrum Analysis Measurement Setup" welcher Soundkarteneingang (links oder rechts) der Messkanal sein soll. Für genaue Frequenzgangmessung in STEPS muss man eine Zweikanalmessung machen (Kanal bezieht sich hier auf die beiden Soundkarten-Eingänge, nicht auf die Stereokanäle des Verstärkers). Man verwendet also am linken Soundkartenausgang ein Y-Verteiler-Stück, von dem man an den Verstärkereingang geht und auch an den rechten Soundkarteneingang als Referenzeingang abzweigt.

Also folgendermassen (statt Lautsprecher wird ein Lastwiderstand verwendet):

(Auf Abb. klicken, damit sie vollständig angezeigt wird!)

Das ist immer noch etwas unübersichtlich gezeichnet, man kann es vereinfachen. Hier umgezeichnet (nur der Teil ab Verstärkerausgang bis Soundkarteneingang). Man sieht, dass es sich um eine Spannungsteilerschaltung nach dem Lastwiderstand (Dummy-Load) handelt, die die Verstärkerausgangsspannung auf ein für den Soundkarteneingang erträgliches Maß heruntersetzt:


Da die Serie aus R3 und R4 zusammen dem Lastwiderstand parallel liegt, ergibt sich daraus, dass für Verstärkermessungen auf R3 und R4 in der ARTA Messbox V.2 ganz verzichtet werden kann. Darauf komme ich weiter unten mit einer verbesserten Spannungsteiler-Schaltung noch zurück.

Mit den im Schema der Messbox V.2 angegebenen Widerstandswerten und einem 4 Ohm Lastwiderstand wird die am Lastwiderstand anliegende Verstärker-Ausgangsspannung im Verhältnis 12,7 : 1 (-22,1 dB) heruntergeteilt.
Bei einer Verstärkerausgangsspannung von 20 Veff am 4 Ohm Lastwiderstand, das entspricht einer Leistung von P = U^2/R = 100 W beträgt die Spannung am Soundkarteneingang (20 kOhm Soundkarten-Eingangsimpedanz angenommen) demzufolge 1,57 Veff = +3,9 dBV.

In dem Fall, dass man die Spannungsbegrenzung mit den antiseriell geschalteten Zenerdioden wie eingezeichnet vorsehen möchte, ist zu beachten, dass die für die ARTA-Messbox V.2 vorgeschlagenen 4,1 V Zenerdioden bereits bei 1 Veff eine sehr deutlich messbare Beeinträchtigung des Klirrfaktors (THD) bewirken, da eine leichte Stauchung der Sinus-Amplitudenspitze damit bereits einsetzt, lange bevor die Zener-Nennspannung erreicht wird. Sie ist am Oszilloskop mit blossem Auge lange nicht erkennbar, sehr wohl aber in der empfindlichen Klirrfaktormessung. Das Ausmass hängt nicht nur von der Zenerspannung ab (je niedriger die Zenerspannung, um so größer wird der THD), sondern auch vom speziellen Typ der Zenerdioden.

Beispiele:
Mit 3,6 V Zenerdioden (BZX85C3V6) ist bei 1 Veff Ausgangsspannung des Spannungsteilers bereits mit einem Klirrfaktor von bis zu 0,1 % THD zu rechnen. Für Klirrfaktormessungen bei Spannungen > 300 mVeff hinter dem Spannungsteiler schon nicht mehr geeignet.

Mit 4,7 V Zenerdioden (BZX85C4V7) kann man bei 1 Veff Ausgangsspannung des Spannungsteilers noch bis ca. 0,002 % THD messen.

Ich empfehle 6,2 V Zenerdioden (BZX85C6V2), die bei 1 Veff Ausgangsspannung des Spannungsteilers in meinen Tests keine Verschlechterung des Klirrfaktors bis zu 0,0001 % (-120 dB) zeigten. Allerdings ist damit erst ein Schutz des Soundkarteneingangs ab 7 V_spitze (Amplituden-Spitzenwert, Clipping-Level) gegeben. Das macht nur Sinn, wenn der Soundkarteneingang eine Spannung von wenigstens 8Vspitze (bzw. wenigstens 6 Veff) noch schadlos verträgt. Das Datenblatt der Soundkarte ist dafür heranzuziehen.

Angesichts der zunehmenden Verschlechterung des Klirrfaktors bei höherer Spannung hinter dem Spannungsteiler, wenn man den Zenerdioden-Spannungsschutz verwendet, sehe ich die Dimensionierung der Widerstände in der Messbox V.2 kritisch. Will man den Spannungsteiler auf 100 W Ausgangsspannung an 4 Ohm auslegen, ist die Dimensionierung gem. V.2 auch deshalb ungünstig, weil 100 W Vollaussteuerung an 4 Ohm erst bei +3,9 dBV erfolgt. Verwendet man eine 8 Ohm Last, sogar bei noch höherem Wert. Das überfordert u.U. den Eingangs-Headroom einiger Soundkarten und ist ausserdem sehr unpraktisch/umständlich für die Ablesung und Umrechnung von dBV in Volt und/oder Watt.

Besser ist es, wenn 100 W am Soundkarteneingang bei 1 Veff hinter dem Spannungsteiler erreicht werden. Das entspricht genau 0 dBV, was sich bei ARTA besonders leicht ablesen lässt, jede 10 dB weniger sind dann um den Faktor 1/10 weniger Leistung, also -10 dBV sind 10 W, -20 dBV sind 1 W, -30 dBV sind 0,1 W, usw.
Auch die Spannungsablesung für die am Lastwiderstand anliegende Verstärkerspannung gestaltet sich damit intuitiv einfach, weil für die Spannung jeder Sprung um -20 dB ein Zehntel an Spannung bedeutet. Die Skalierung in ARTA sollte dafür immer auf dBV (nicht dBFS) eingestellt sein. Auch die Kalibrierung von ARTA mit der betreffenden Soundkarte sollte sich auf dBV beziehen und nicht auf dBFS.


Verbesserte Schaltung für Verstärkermessung

Ich empfehle deshalb für Verstärkermessungen statt der ARTA-Messbox diese leicht geänderte Schaltung, die umschaltbar für je einen 4 Ohm / 100 W und 8 Ohm / 100 W Lastwiderstand ausgelegt ist:


Der Umschalter für die Lastimpedanz sollte für ca. 5 A Strom ausgelegt sein und über eine kontaktfreie Mittelrastung verfügen oder so ausgelegt sein, dass niemals - auch nicht kurzzeitig - Kontakt zu beiden Lastwiderständen gleichzeitig besteht.
Steht der Umschalter auf 4 Ohm, werden mit dieser Schaltung 100 W Leistung bei - 3 dBV (= 0,71 Veff) der ARTA-Anzeige erreicht (20 kOhm Eingangsimpedanz der Soundkarte angenommen).
Steht der Umschalter auf 8 Ohm, werden 100 W Leistung bei 0 dBV (= 1,00 Veff) der ARTA-Anzeige erreicht.

Die Lastwiderstände müssen auf einem ausreichend großen Kühlkörper mit Wärmeleitpaste montiert sein (z.B. dicke Alu-Platte).


Anzeige der NF-Effektivspannung:
Bis zu einer Frequenz von 1 kHz sind alle neuzeitlichen Multimeter (selbst sehr preiswerte für nur wenige €) in der Stellung "AC" geeignet. Mir genügt das, weil ich die Pegel immer bei 1 kHz einstelle.
Für den gesamten Audiobereich bis 20 kHz kann ein True-RMS Multimeter verwendet werden.

Zur Messung der Verstärker-Ausgangsspannung wird das Messgerät parallel zum Verstärkerausgang (bzw. Dummy-Widerstand) gelegt.
Zur Messung der Soundkarten-Eingangsspannung wird das Messgerät parallel zu R4 (in der verbesserten, letzten Schaltung) gelegt. Die angezeigten Effektivspannungen am Messgerät parallel zu R4 entsprechen (für Sinus) der Anzeige von ARTA in dBV (sorgfältige vorausgegangene Kalibrierung von ARTA/Soundkarte vorausgesetzt). Beispiel: 0 dBV in ARTA sind 1,0 Veff, -26 dBV sind 0,05 Veff.

Man sollte in der Umrechnung von dBV in V dafür etwas eingeübt sein. Es gilt: dBV = 20 x log₁₀ (V) ...oder ein Multimeter parallel zu R4 anklemmen.
ARTA zeigt leider die Spannungen nur in dBV an, nicht in V.

Bei ARTA sollte im Menü "Generator setup" Level (dBFS) auf -3 dB eingestellt werden.
Ebenso bei den "swept sine" für Frequenzgang und THD-Messungen in STEPS unter "Measurement Setup" sollte "Generator level (dBFS)" auf - 3 gestellt sein und bei "Measurement System" "Dual Channel-Frequency Response" ausgewählt sein.

Habe ich Deine Fragen ausreichend beantwortet?
Sonst bitte weiter nachfragen.

Gruß
Reinhard

Hallo Martin,
alles klar?

Gruß
Reinhard