Vervormingsmeters

De meting gebeurt door een signaal van 1kHz aan de versterker aan te bieden, en het uitganssignaal terug te voeren naar het apparaat. Hier wordt de grondtoon weggefilterd en blijven er enkel de harmonischen over. In een vorig hoofdstuk hebben we geleerd dat de harmonischen een mate van de vervorming van de versterker zijn. Het toestel kan ook de harmonischen kwalificeren (even, oneven,...), maar noodzakelijk is dit niet voor een meting van de vervorming (het kan wel nuttig zijn om te achterhalen welke trap de vervorming veroorzaakt heeft: een (asymmetrische) voorversterkertrap of een (symmetrische) eindtrap). De totale vervorming heet THD: total harmonic distortion.

Rekenmodule skoop

Met mijn systeem kan ik testen uitvoeren met verschillende golfvormen (doorgaans gebruik ik enkel sinus en driehoek), maar de uiteindelijke nauwkeurigheid is beperkt: ik kan geen vervorming meten kleiner dan 0.1%. Er blijft altijd "ruis" hangen (kleine faseverschillen), daarom dat ik bij bepaalde gerealiseerde versterkers moet aangeven "vervorming minder dan 0.1%".

Om vervormingen van minder dan 0.1% te meten gebruik ik bij versterkers met tegenkoppeling het signaal op de anode van de triode die de tegenkoppeling krijgt. Omdat ik de mate van tegenkoppeling ken, kan ik ook berekenen hoeveel de vervorming effektief bedraagt aan de hand van dit signaal, die een veel hogere vervorming heeft (het anodesignaal is het correctiesignaal om de vervorming tegen te gaan).

Ik toon de twee curves op m'n skoop. De volumepotentiometer wordt op 50% ingesteld. Er komt 500mV RMS toe, de versterker levert bijvoorbeeld een spanning van 10V RMS. Ik regel de skoop zodanig af dat beide traces dezelfde amplitude hebben.

De derde trace, dat is een berekende trace, namelijk A - B. Ik regel de volumepotmeter om een zo lage amplitude van de trace te hebben. De rekenmodule moet enkel de vervorming meten, niet de verschillen in amplitude.

Ik heb een kleine trimmer om de fasefout te compenseren tussen ingang en uitgang. Deze instelling moet meestal wat gewijzigd worden als er op een andere frekwentie getest wordt.

De fout die de versterker veroorzaakt is altijd kleiner dan de fout die gemeten wordt, want verschillende elementen zoals faseverschuiving en amplitudeverschillen vergroten het foutsignaal. Vandaar mijn uitspraak: "vervorming minder dan...".

De skoop toont als derde trace de RMS spanning van de berekening. Dit is geen percentage, maar een absolute waarde ten opzichte van ingang B. We veronderstellen een RMS waarde van 50mV: de vervorming bedraagt dus 0.5% (ten opzichte van de 10V uitgangssignaal). Met een beetje ervaring kan ik de vervorming van een versterker met het blote oog schatten door de twee traces A en B over elkaar te laten lopen.

Het heeft weinig zin om een vervorming van minder dan 0.1% te halen, luidsprekers hebben doorgaans een vervorming van 0.5% of meer. Een zeer lage vervorming kan slechts gehaald worden door een extreme tegenkoppeling, en die brengt andere nadelen met zich mee.

Fast Fourrier Transform

Bij de eerste signaalvorm is het uitgangssignaal duidelijk vervormd (dit is ook goed hoorbaar). Er zijn vooral even harmonischen zichtbaar (en ze klinken heus even slecht als oneven harmonischen). De twee markers staan op 1 en 2kHz. Zo'n golfvorm kan veroorzaakt worden door een verkeerd gepolariseerde drivertrap, waarbij de anodespanning veel te laag is (lekkende roostercondensator tussen deze trap en de vorige).

Bij gitaarversterkers wordt deze eerste vervorming vaak gebruikt om de gitaarklank rijker aan harmonischen te maken. Niet doen als je een hifi versterker ontwikkelt!

De tweede vervorming is zo erg dat die enkel veroorzaakt kan worden door een transistorversterker. Hier heeft de transistor een te lage basisspanning, waardoor die soms afgeknepen wordt. We hebben hier nog meer harmonischen (tot 9kHz) die het geluid zeer onaangenaam maken, met de typische klank die bij clipping hoort.

Een sinussignaal met er onder in het rood een analyse van de harmonische frekwenties. Een perfecte sinussignaal heeft een grondtoon en geen harmonischen. Het ruis dat hier zichtbaar is ontstaat door de conversie en is normaal bij een logaritmische weergave.

Een driehoeksignaal en een blokgolfsignaal hebben harmonischen die hoog in frekwentie oplopen. Een blokgolfsignaal heeft zelfs een oneindige reeks harmonischen. Het zijn oneven harmonischen die akelig en sterk klinken omdat ze al het frekwentiespectrum omvatten. De eerste harmonische is de derde harmonische op 13.5kHz (grondfrekwentie 4.5kHz).

Een sinussignaal die slecht weergegeven wordt (versterker waarvan de eindtrappen versleten zijn). Het betreft een single ended versterker die zijn nominaal vermogen niet kan halen, of een push pull versterker waarvan een eindtrap defekt is. Er zijn even en oneven harmonischen, maar die snel zwakker worden. De vervorming is hoorbaar en er is een risico op intermodulatie.

De typische vervorming van een single ended versterker die volledig uitgestuurd wordt. De versterker produceert enkel een even harmonische van de eerste orde (de bovenkant van de sinus is afwijkend van de onderkant). De vervorming bedraagt 10%, wat een normale waarde is voor een versterker uit de jaren 1950 op maximum vermogen. De vervorming is weinig hoorbaar, maar komt vooral naar voren door de intermodulatievervorming.

De kenmerkende vervorming van een push pull versterker die overstuurd wordt of een probleem heeft met de eindrappen. We hebben hier een zachte clipping die aanvaardbaar is (enkel de derde harmonische is aanwezig). Een transistorversterker zou een harde clipping geven met oneven harmonischen die oplopen in frekwentie.