"Méricske" -mérőadapter a SpectraPLUS/SpectraLAB programokhoz
A számítógéppel támogatott hangfrekvenciás mérések már könnyen elérhetőek számunkra. Szinte mindenki rendelkezik PC-vel és a hangkártya is mindennapos dologgá nőtte ki magát. Ha a SpectraPLUS vagy SpectraLAB nevű program rendelkezésünkre áll, akkor az alábbi adapterrel olyan méréseket végezhetünk, amit régebben nem vagy csak nehezen tudtunk elvégezni amatőr körülmények között. Én személy szerint anno hanggenerátorral és millivolt mérővel, milliméter papírra, pontonként vettem fel az impedancia menetet.
A "kulcsszó" az FFT, a Fast Furier Transformation. A matematika eljárás persze már régebben ismert volt, de a valós idejű végrehajtáshoz hiányoztak a megfelelő sebességű számítógépek, pláne tömeges elterjedésben. A mérés lényege az, hogy a digitalizált analóg jel mintáit matematikai eljárásokkal értékeljük ki. Az eredményből már könnyedén megjeleníthető a képernyőn a kívánt diagram, nem szükséges az X-Y szintíró. A fentebb említett programok "Help"-jében is találunk egy-két mérési elrendezést (lásd: Application Notes), ami nem igényel különösebb hardvert, de egy egyszerű mérő adapterrel jobban kihasználhatjuk a lehetőségeket. Nem volt célom, hogy a fenti szoftverek adta összes mérési lehetőségét kiszolgáló áramkört készítsek, de három alapvető hangfrekvenciás mérésre jól használható. Ezek:
Hangszóró impedancia menet (frekvencia-impedancia)
A mérési elrendezés az 1.a ábra szerinti. A hangszóróval sorba kötött kis értékű ellenálláson eső feszültség a hangszóró impedanciájával fordítottan arányos. A referencia feszültség és a söntön mérhető jel hányadosa egyenesen arányos a hangszóró impedanciával. Megfelelő kalibrációval hitelesítendő a mérőkör, tized Ω pontosság elérhető.
Megemlítem, hogy mérhetnénk impedanciát úgy is, hogy egy relatíve nagy értékű ellenálláson (1 kΩ) keresztül táplálnánk meg a hangszórót (kvázi áramgenerátoros meghajtás). Az említett "Application Notes" is ezt javasolja. Az a probléma vele, hogy a hangszóró kapcsain mérhető parányi jel miatt a mérőkör könnyen "brummos" lehet. Ráadásul a hangszóró is mint mikrofon felszedhet némi zavarjelet (szomszédos helyiségben tartózkodók lépései, ajtócsukásai, egyéb zajok), amit az analizátor szépen mutat. Az adapterben alkalmazott nagyjelű meghajtásnak köszönhetően az említett zavarok két nagyságrenddel kisebb jelentőséggel bírnak. Másik előnye a kialakításnak, hogy átkapcsolás szüksége nélkül ugyanaz a vezetékpár csatlakozik a hangszóróhoz impedancia- és SPL mérés üzemmódban egyaránt (-1 kapcsoló, -1 hibalehetőség, egyszerűbb kezelés).
Kinyerhető a szoftverből a mérési eredmény adathalmaz formájában is (nem csak impedancia mérésnél, hanem a többi esetben is). Jelen mérésnél így egy alkalmas EXCEL számoló-tábla segítségével könnyedén meghatározhatjuk a hangszóró jósági (Thiele-Small) paramétereit.
Akusztikus átvitel (frekvencia-hangnyomás = SPL, BODE)
Az 1.b ábra szerinti elvi elrendezés kibővült egy mikrofonnal. Megfelelő (eléggé lineáris átvitelű) eszközzel felvehetjük hangszóróink hiteles akusztikus átvitelét (SPL). Ha nem rendelkezünk jó minőségű mikrofonnal, az sem tragédia, mert a program lehetőséget nyújt kalibrációs fájl figyelembevételére. A kalibrációs fájl nem más, mint az adott mikrofon átviteli hibái. Ha ezt előjel helyesen kivonjuk a mérési eredményből, lineáris átvitelt kapunk. Beszerezhetőek kalibrációs fájllal ellátott mikrofonok is, de egy jó minőségű kölcsön mikrofonnal és némi rátermettséggel mi is készíthetünk ilyet fájlt a szoftverrel.
Villamos átvitel (frekvencia-amplitúdó = BODE)
Az 1.c ábra elrendezésével megmérhetjük erősítőnk, hangszínszabályozónk, aktív hangváltónk stb. átvitelét. Passzív váltó átvitelét is vizsgálhatjuk, mert az adapter teljesítmény fokozatú kimenettel (is) rendelkezik (lásd hangszóró meghajtása). Sőt, mérhető a fázismenet is! Némi leleménnyel ismeretlen értékű induktivitás vagy kapacitás is meghatározható, ha az LC kör mért rezonancia pontja alapján visszaszámolunk a Thomson képlet szerint.
1. ábra
A 2. ábra szemlélteti a kapcsolást. A készülék "lelke" a két tranzisztorból álló zajgenerátor [1]. Többféle elrendezésű generátor vizsgálata után ez bizonyult a megfelelőnek. Nagy kimenőjellel és egyenletes spektrummal rendelkezik. Egyetlen szépséghibája, hogy próba úton kell meghatározni a megfelelő típusú tranzisztort, ha a kimenő zaj szintje nem adódik megfelelőre (nálam a BC182B nem volt eléggé zajos, de a fiókban kallódó KC509 jól szerepelt). A potenciométer segítségével állítjuk be a TDA2003 végerősítőre jutó fehérzaj nagyságát. A fentebb említett "szintezés" azért szükséges, hogy a potméter "feltekert" állásában a végfok teljes kivezérléssel tudjon dolgozni. A kimenetre a hangszóró/sönt páros és egy ellenállás osztó csatlakozik, melynek osztásai: 0, -6, -12 és -18 dB. Az osztó rövidzárakkal (jumper) állítható (J5..J8), segítségével biztosítható, hogy a végfok névleges kivezérlési szintjén a hangkártya bemenete is 0 dB körüli jelet kapjon (megfelelő bitmélység elérése). Az OPA feladata pedig a szükséges erősítés biztosítása a különböző üzemmódokban. Ez szintén rövidzárakkal állítható (J9..J15): 0, +6, +12, +18, +24, +30, +36 és +42 dB. Van még egy eddig nem említett állítási lehetőség is, egy beiktatható sávkorlátozás (J4). A szintállító potméter egy kisebb értékű kondenzátoron keresztül kap csak jelet, melynek eredménye az, hogy a mérőjel spektrumából a 100 Hz-es tartománytól lefelé 6 dB/oktáv vágást iktatunk be. Erre akkor lehet szükség, ha a drága és sérülékeny magassugárzó mérésekor nem akarjuk, hogy arra relatíve nagy amplitúdójú mélyfrekvenciás komponensek kerüljenek. Vitatható e fogás értelme, hiszen a végfok által nyújtott néhány Watt teljesítményt még egy dómsugárzónak is el kell viselni. Mindenki eldöntheti maga, hogy kialakítja-e a sávkorlátozást vagy nem. A J1..J3 rövidzárakkal pedig a szükséges üzemmód választható ki (SPL, BODE, impedancia).
2. ábra
A 3. ábra a fóliázat, a 4. pedig a beültetési vázlat. A mintázat biztosítja, hogy a zajgenerátorba beépíthetünk a TO92 tokozású tranzisztorok helyett olyanokat is, ahol a kivezetések egy sorban helyezkednek el és a kollektor középen van (pl. a narancssárga színű orosz tranzisztorok esete a fióktakarításkor). A rövidzárakhoz szükséges tüskesorokat roncs PC alkatrészekből "ingyen" kitermelhetjük. Az összezáró darabka gyanánt jobb az a fajta, melynek kis nyúlványa, "kapaszkodója" van. A panelen a szűkebb helyeken történő rövidzár áthelyezésekkor tapasztalhatjuk meg azok előnyeit. A kapcsolási rajzon szerepel két, csillaggal jelölt kondenzátor. Az egyik (2,2 nF) a zajgenerátor spektrumát hivatott korlátozni kb. 24 kHz felett, a másik (100 nF) pedig a 78L09 [2] kimenetét hidegíti. Ezeket nem szerepelnek a beültetési rajzon, helyhiány miatt a forrasztási oldalra kerültek. Hasonlóan az NE5534 külső kompenzáló kapacitásához. Ha ezt a típusú OPA-t építjük be, akkor szükséges egy 22 pF értékű kondenzátor az 5-ös és 8-as kivezetések közé [3]. A BODE mérésekhez kialakított RCA aljzatok roncs játékkonzolokban szolgáltak fénykorukban, a 3,5 mm-es sztereo JACK aljzat lelőhelye pedig szintén roncs Walkman volt. A TDA2003 [4] helyett használhatunk LM383 [5] típust is, ha az van. Ez esetben a kimeneten lévő 1 Ω-100 nF soros RC-tag kondenzátorát növeljük meg 220 nF-ra (lásd adatlap, [5]). A transzformátor kiválasztásakor ügyeljünk arra, hogy a puffer kondenzátorokon mérhető feszültség ne haladja meg a 18 V-ot (végfok IC!). A kapcsolási vázlatból ugyan kiderül, de megemlítem, hogy két vezetékes, Elektret-mikrofon kapszula használható a készülékhez [6]. A betét itt 2 kΩ DC és 1,8 kΩ AC lezárást kap, +9 V táplálással. A végfok kimenetén, még a csatoló elkó előtt tartalmaz egy megszakítást a vezetősáv. Ha ezt kialakítjuk, ide rövidzár védelem gyanánt a forrasztási oldalra elhelyezhetünk egy 1,5..2 Ω/2 W ellenállást. Körültekintő használat mellett ez elhagyható és az IC is rövidzár védett, de akár szükség is lehet rá.
3. ábra
4. ábra
Jó tanács a hangszóró kimenet kialakításához: Masszív, szorítós banánhüvelyt használjunk vagy még jobb, ha beforrasztunk fixre egy két méter hosszú, minél vastagabb keresztmetszetű, két eres vezetéket. Az esetleges veszteségek (bontható kontaktus, vékony vezeték) impedancia méréskor hamisíthatják meg az eredményt. A kalibráció ezen nem segít! A kalibrált impedancia (10 Ω) mérésekor pontos eredményt kapunk, de eltérő lezárásnál ronthatja a pontosságot a nem megfelelően kialakított kimenet. Ne sajnáljuk a 2 x 2,5 mm2 vagy nagyobb keresztmetszetű réz vezetéket és ne restelljünk krokodil csipeszek helyett forrasztott kötésekkel csatlakozni a hangszóróhoz!
A "Méricske" mechanika kialakítása olyan, hogy a panel két csavarral fel lett fogatva egy alumínium lemezre, ahol a végfok hűtőbordája mögött kapott helyet a hálózati transzformátor.
Végül felhívnám a figyelmet, hogy a fenti programok használatakor ne feledkezzünk meg az ide vonatkozó licensz szerződésről (30 napos próba változat, regisztráció, stb.).
Irodalomjegyzék:
[1]: Zajgenerátorok (Hobby Elektronika, 1995 január)
[2]: National Semiconductor LM78LXX Series 3-Terminal Positive Regulators (PDF adatlap)
[3]: Texas Instruments NE5534, NE5534A, SE5534, SE5534A LOW-NOISE OPERATIONAL AMPLIFIERS (PDF adatlap)
[4]: SGS-Thomson TDA2003 10W CAR RADIO AUDIO AMPLIFIER (PDF adatlap)
[5]: National Semiconductor LM383/LM383A 7W Audio Power Amplifier (PDF adatlap)
[6]: Elektret-mikrofonok csatlakoztatása (Elektor, 1991/1)
folia.png (A "Méricske" fólia oldala, mérete: 81,3 mm x 81,3 mm.)
A Méricske:
Függelék (A Méricske használata)
A SpectraPLUS/SpectraLAB prgramok használatát és beállításait itt nem részletezem, az megtalálható benne a "Help / Application Notes" pontok alatt.