Distortiomètre

La mesure se fait en envoyant le signal à l'entrée de l'ampli et en mesurant le résultat. Comme charge on utilise une résistance pure de puissance suffisante. On élimine d'abord la fréquence de base pour ne garder que les harmoniques qui représentent la distorsion introduite par l'ampli.

L'appareil peut généralement classer les harmoniques, ce qui peut aider à déterminer d'où vient la distorsion, mais il n'y a pas de "bonne" et de "mauvaise" distorsion. Les harmoniques paires sont produites par des étages asymmétriques (préamplificateur) ou par un étage symmétrique qui ne fonctionne pas bien et cause une asymmétrie. Les harmoniques impaires sont toujours produites par un étage symmétrique.

La distorsion totale est appellée THD: total harmonic distorsion. Je dispose d'un analyseur de distorsion Keithley THD multimeter pour les mesures aux amplis que je réalise.

Module de calcul de l'oscilloscope

Pour calculer la distorsion, j'ai un module de calcul sur mon oscilloscope. J'envoie le signal arrivant à l'ampli sur l'entrée A et le signal à la sortie sur l'entrée B, l'ampli étant chargé avec une résistance ohmique pure. Le générateur est mis sur 1kHz, 400Hz ou 2.5kHz (c'est interessant de voir comment évolue la distorsion selon la fréquence).

Je montre les deux traces sur l'oscilloscope. Le potentiomètre du volume est à 50%. J'entre en 500mV effectifs, la sortie est à 10V effectifs. Je règle l'oscilloscope pour qu'il me montre les deux traces avec une amplitude identique.

La troisième trace, c'est le résultat du calcul A - B. Je règle maintenant le potentiomètre du volume pour que l'amplitude de la trace calculée soit la plus faible possible. Il faut que l'appareil calcule uniquement la distorsion, par la différence de niveau.

J'ai un petit circuit pour déphaser la trace A (et compenser le déphasage de l'ampli), à régler pour encore réduire l'amplitude de la trace calculée. Ceci pour annuler l'erreur causée par le déphasage de l'ampli (ce réglage doit être refait si on fait une mesure à une autre fréquence).

L'oscilloscope indique également la tension RMS de la trace calculée. Ce n'est pas un pourcentage, mais une mesure absolue par rapport à la trace B. Supposons que l'oscilloscope affiche une valeur de 50mV RMS par rapport au signal de 10V RMS en B. Nous avons donc une distorsion de 0.5%. Avec un peu d'expérience, on a directement une idée du taux de distorsion en comparant visuellement les traces A et B superposées à l'écran.

Pour déterminer plus précisément le taux de distorsion sur les amplificateurs équipés d'une contre réaction, je mesure le signal sur l'anode de la triode qui compare le signal entrant au signal de contre réaction. Comme je connais le taux de contre réaction, je peux aisément calculer les distorsions. Le signal sur l'anode est le signal correcteur, qui contient une plus grande proportion de déformations.

Tenter d'obtenir un taux de distorsion inférieur à 0.1% n'a pas beaucoup de sens, la distorsion des haut parleurs est généralement supérieure à 0.5%.

FFT: Fast Fourrier Transform

Le premier tracé est celui de l'étage de commande (driver). Il y a une déformation notable (elle s'entend très bien). Il s'agit principalement d'harmoniques paires, les marqueurs se trouvent sur 1 et 2kHz. Les harmoniques paires sont aussi désastreuses que les harmoniques impaires. La condition a été causée par un condensateur qui fuit, placé entre l'anode du tube précédent et la grille de ce tube, la polarisation correcte de ce tube n'étant alors plus assurée.

Dans certains amplis de guitare on crée volontairement une telle distorsion pour rendre le son de la guitare plus riche, mais il ne faut pas l'essayer avec un ampli hifi.

La seconde distorsion est si prononcée, qu'elle n'a pu être réalisée qu'avec un ampli à transistors. Le transistor reçoit une tension trop basse sur sa base et passe momentanément hors conduction. Il y a ici encore plus d'harmoniques, et elles s'étendent jusqu'à 9kHz, ce qui rend le son particulièrement desagréable, avec le son caractéristique du clipping.

Un signal sinusoidal avec en dessous en rouge l'analyse des harmoniques. Une fréquence sinusoidale a une fréquence fondamentale et pas d'harmoniques. Le bruit qui apparait ici est du bruit à la conversion (normal quand on demande un affichage logaritmique).

Un signal en dents de scie et un signal en crénaux ont des harmoniques qui montent très haut en fréquence (le signal en crénaux est une suite infinie d'harmoniques). Ce sont des harmoniques impaires qui produisent un son très désagréable et à cause des fréquences élevées elles s'entendent fort. La première harmonique est impaire à 13.5kHz (fondamentale à 4.5kHz).

Un signal sinusoidal mal reproduit (amplificateur dont les étages finaux sont en bout de souffle). Il s'agit d'un amplificateur single ended qui ne peut plus fournir la puissance demandée, ou bien d'un push pull dont un tube de puissance est défaillant. Il y a des harmoniques paires et impaires, mais qui se réduisent très vite. La distorsion s'entend fortement et il y a un risque d'intermodulation

La distorsion typique d'un amplificateur single ended qui travaille à puissance maximale. Cet amplificateur ne produit qu'une harmonique paire de premier ordre, on le voit au bas de la sinusoidale qui n'est pas identique au haut. La distorsion est de 10%, c'est la valeur normale d'un amplificateur des années 1950 qui travaille à sa puissance nominale. La distorsion s'entend faiblement, mais est surtout révélée par l'intermodulation.

Les harmoniques impaires apparaissent dans les amplificateurs push pull quand il y a un problème avec l'étage de puissance. Dans l'exemple il y a un clipping doux qui est acceptable (uniquement la troisième harmonique est présente). Cela peut aussi être causé par un amplificateur utilisé à puissance trop élevée ("overdrive"). Un amplificateur à transistors produirait un clipping "hard" avec beaucoup d'harmoniques impaires désagréables qui montent en fréquence.