You are not logged in.

  • "peter_l" started this thread

Posts: 537

Date of registration: Dec 5th 2005

Location: Wurmannsquick

  • Send private message

31

Tuesday, March 23rd 2010, 5:10pm

jetzt hätt' ich euch doch glatt Phasenkurven mit Sprüngen untergejubelt. Danke für's aufpassen Ulrich.
Ich geb's zu, ich war auch schon ein wenig in Sorge wegen meines Verstärkers.
Zu meiner Ehrenrettung muß ich auch sagen, daß ich nicht oft Phasengänge messe. Mit audiotester glaub' ich, hab ich's vorher noch gar nicht gemacht.

Also gleichen Aufbau wie oben hergestellt, gleiche Pegel eingestellt und diesmal an Stelle von audiotester das Programm ARTA angeschmissen.

ARTA (http://www.fesb.hr/~mateljan/arta/) ist eigentlich speziell für Lautsprechermessungen geschrieben worden. Es ist aber auch universell einsetzbar, weil die Lautsprecherei auch die gleichen Meßtechniken verwendet, unter anderem auch die sweep Messung mit Referenzkanal. Das macht das Teilprogramm "Steps".
Ich hab' nur eine ziemlich alte Demo-Version von ARTA, die eine paar kleinere Einschränkungen hat. Die aktuelle Vollversion für 79,- € hab ich mir immer noch nicht geleistet.

So sieht das dann mit ARTA aus. Bass- und Höhenregler auf Mitte (grün ist die Amplitude, violett die Phase):



Ja, werdet ihr sagen, der Wertebereich für die Phase geht ja von -180 bis +180 ° und der Bereich ist stark gestaucht. Kein Wunder, daß die Phase glatt ist.
Ist sie aber tatsächlich, selbst wenn man sie in Excel gespreizt darstellt:



Da zittert nichts mehr wie beim audiotester und von Phasensprüngen ist auch nicht das Geringste zu sehen. Hat da der Algorithmus zur Ermittlung der Phasenlage im audiotester vielleicht gewisse Schwächen ?
Oder weiß sonst jemand was man bei audiotester einstellen müßte um einen vernünftigen Phasengang zu bekommen ?
Ich wüßte nicht wo.

Die Messung mit Bassregler auf Maximum, die vorher auch einen deftigen Sprung zeigte, hab ich auch noch mal mit ARTA gemacht:



Am Anfang hab' ich ja spontan gedacht, daß vielleicht der Mikrofon-Speisespannungseffekt zugeschlagen haben könnte. Meine Karte ist immer noch nicht kastriert (ich hab mich noch nicht getraut) und die Schaltung meines Verstärkers kenn' ich ja auch nicht. Das ist aber klar auszuschließen, mit ARTA geht's ja.

Wieder was gelernt!

Grüße

Peter

32

Tuesday, March 23rd 2010, 7:29pm

Quoted

peter_l postete
Hat da der Algorithmus zur Ermittlung der Phasenlage im audiotester vielleicht gewisse Schwächen ?
So wird es sein.
Der Betrag ist übrigens richtig, nur das Vorzeichen ab einem Punkt falsch.
Auch die Kurve “Bassregler auf Minimum” dürfte falsch sein, der Fehler beginnt hier nur genau auf der
0 Grad Achse und man sieht den Sprung nicht.

Kein analoger NF Verstärker könnte so einen Phasensprung zu Wege bringen.

Gruß Ulrich

  • "peter_l" started this thread

Posts: 537

Date of registration: Dec 5th 2005

Location: Wurmannsquick

  • Send private message

33

Sunday, March 28th 2010, 4:54pm

Hallo zusammen,

zur Zeit bin ich beruflich öfter unterwegs, deshalb tröpfelt's hier ein bißchen ...

Aber heute ist Sonntag, schlechtes Wetter noch dazu. Also können wir heute ein neues Thema angehen:

7. Impedanzverlauf - Messung mit Vergleichswiderstand

Der Aufbau ist schnell erklärt:



Mit einem Signalgenerator (das ist in unserem Fall natürlich der Soundkarten-Ausgang) wird eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Widerstand R und unserem "Device Under Test", gespeist.
Gemessen werden (natürlich mit unserem Soundkarten-Eingang) die beiden Spannungen U und U_DUT.
Der Widerstand R ist der sogenannte Vergleichswiderstand, dessen Widerstand wir vorher mit dem Multimeter genau bestimmt haben.

Der Zweck des Aufbaues ist die Bestimmung der Impedanz Z des D.U.T.
Die Impedanz ist die verallgemeinerte Form des "Widerstandes" eines Bauteils. Sie kann kapazitive, induktive und resistive Beiträge enthalten, und, sie ist im allgemeinen von der Frequenz abhängig.
Die Impedanz kann als komplexe Größe geschrieben werden, wir bleiben aber bei der uns bekannten Darstellung der Amplitude und der Phase. Die Amplitude hat in dieser Darstellung die Einheit Ohm.

Was passiert nun in der Schaltung ?
Dazu können wir zwei Gleichnungen aufstellen:

1. Die Gesamtspannung U setzt sich aus den beiden Spannungsabfällen an Vergleichswiderstand und DUT zusammen, also U = U_DUT + U_R.

2. Vergleichswiderstand und DUT durchfließt der gleiche Strom I. Mit Hilfe der Formel U = R * I können wird dann schreiben U_R / R = U_DUT / Z

Mit ein paar einfachen Umformungen können wir die beiden Gleichungen zusammenfassen, und auflösen nach der gesuchten Impedanz Z:

Z = U_DUT / (U - U_DUT) * R

Mit dieser Formel kann man nun Z berechnen, da alle Größen auf der rechten Seite der Gleichung bekannt sind. Wir messen ja U und U_DUT. R hatten wir vorher schon mit dem Mutimeter bestimmt.
Genau gesagt messen wir nicht die absoluten Spannungen in Volt . Das ist auch gar nicht nötig, denn in der Formel wird nur das Verhältnis der Spannungen benötigt.

Eins muß man sich zum Verständnis noch durch den Kopf gehen lassen: die Impedanz Z ist von der Frequenz abhängig, wir müssen also schreiben Z(f).
R ist es aber nicht, denn der Wert von R ist bei allen Frequenzen gleich. Und das ist der Trick der Schaltung:

Z(f) = Spannungsverhältnis(f) * R

Die Frequenz-Abhängigkeit der Impedanz Z steckt im gemessenen Spannungsverhältnis. Das braucht jetzt nur noch mit dem konstanten Widerstand R multipliziert werden und schon haben wir Z(f).

Ein weiter Trick der Schaltung ist, daß der Frequenzgang unseres Signalgenerators nicht unbedingt "Strich" zu sein hat. Dadurch daß nur das Verhältnis der Spannungen benötigt wird, kürzen sich leichte Frequenzgang-Schwächen quasi von selbst raus.

Damit könnten wir jetzt eigentlich loslegen, es gibt aber noch zwei praktische Punkte zu beachten:

1. Zur genauen Messung / Berechnung des Spannungsverhältnisses ist es vorteilhaft, wenn R und Z in der gleichen Größenordnung liegen. Wenn wir zum Beispiel als DUT einen einfachen ohmschen Widerstand von nur ein paar Ohm messen wollen, ist es nicht gut, einen 1 kOhm Vergleichswiderstand zu nehmen.

2. Jede reale Spannungsquelle hat einen gewissen Innenwiderstand. Das ist in der Schaltung oben der Widerstand Rg und in unserem Falle der Ausgangswiderstand unserer Soundkarte - den wir immer noch nicht kennen :(
Er dürfte bei der transit irgendwas kleiner 100 Ohm sein, denn der Ausgang kann einen Kopfhörer treiben. Um die Signalquelle nicht zu stark zu belasten, sollte der Vergleichswiderstand zumindestens nicht kleiner als R_g sein.

Punkt 1 und Punkt 2 widersprechen sich aber: Punkt 2 sagt, daß wir etwa 100 Ohm für R nehmen sollen. Punkt 1 sagt aber daß damit nur Impedanzen in der Größenordnung von 100 Ohm genau gemessen werden können.
Für die paar Ohm einer Lautsprecherweiche ist das beispielsweise gar nicht gut. Was können wir dagegen tun ?
Nun - das wird heute noch nicht verraten.

So, aber jetzt:

Schaltung zusammengesteckt:



Der Vergleichswiderstand hat 100,2 Ohm. Das zeigt zumindest mein gutes Fluke Multimeter an, wenn ich den Widerstand mit den angelöteten Steckern direkt reinstecke.

Das DUT ist aus zwei Widerständen zusammengelötet, die zusammen 60,2 Ohm haben.

Audiotester gestartet und aus Messmodus "Impedance Magnitude" umgeschaltet. Dieser Modus arbeitet, wie alle bisher gezeigten Messungen auch, mit einem gestuften Sweep.

Das Setup Kontrollfeld dazu:



Zwei Einstellungen sind zu machen: Haken bei "Phase" (die Impedanz hat ja eine Phase die wir natürlich sehen wollen) und den Wert unseres Vergleichswiderstands in das Feld "series resist. Rs/Ohm" eintippen. Die restlichen Eingaben darunter interessieren uns nicht - wir wollen ja heute keinen Lautsprecher bauen.

Einpegeln (dazu sag ich jetzt nichts mehr, selber schuld wer jetzt immer noch seine Karte grillt ;)) und die Messung starten:



Die Phase liegt bei konstant Null Grad, wie wir es von einem rein resistiven Bauelement erwarten. Genauso konstant ist der Amplitudenwert, allerdings ein klein wenig höher als erwartet bei 60,5 Ohm.
Will man das genauer haben, kann man jetzt mit dem eingegebenen Wert des Vergleichswiderstandes spielen. Ein Eingabewert von 99,7 Ohm bringt in meinem Beispiel exakt die erwarteten 60,2 Ohm.
Das gleiche Spiel mit ARTA gespielt, führt zu einem Eingabewert von 100,7 Ohm. Das ist offenbar von Programm zu Programm verschieden.

Jetzt den 60 Ohm Widerstand durch einen 150 nF Kondensator ersetzt:



Leider ist in der Heimat mein Bauteilesortiment etwas begrenzt - ich hätte gern einen Wert genommen bei dem der Impedanzabfall schon bei kleineren Frequenzen erfolgt wäre.

Da mein Vertrauen in den audiotester, speziell was die Phase angeht, nicht mehr ganz so felsenfest ist wie es schon mal war, hab ich auch ARTA bemüht:



Ich glaub', ich bleib' eher bei ARTA.

Grüße

Peter

34

Sunday, March 28th 2010, 5:56pm

Ich will nicht meckern,
aber der komplexe Widertand Z setzt sich aus dem Wirkwiderstand R und dem Blindwiderstand zusammen.
Die Größen werden wie es oben steht geometrisch addiert. Z = Wurzel (R^2 + X^2).
So weit so gut.
Wenn nun ein Wirkwiderstandwiderstand R zu Z in Reihe geschaltet kann man nicht einfach addieren, auch er liegt nicht im gleichen Phasenwinkel wie Z. Der zusätzlich Widerstand befindet sich nur mit dem Wirkanteil des Scheinwiderstandes im gleichen Winkel.
Das gilt auch für die Spannungen, auch hier (Reihenschaltung) sind Spannung und (Wirk oder Blind) Widerstände Proportional.
Daher geht das so

Quoted

peter_l postete

1. Die Gesamtspannung U setzt sich aus den beiden Spannungsabfällen an Vergleichswiderstand und DUT zusammen, also U = U_DUT + U_R.
………………………….
Z = U_DUT / (U - U_DUT) * R

nicht.

Man müsste erst den Scheinwiderstand aufdröseln, den Wirk und Blindanteil und damit den Phasenwinkel bestimmen.

Ich denke (oder hoffe) mal das das die Programme intern schon richtig machen werden.

Gruß Ulrich

  • "peter_l" started this thread

Posts: 537

Date of registration: Dec 5th 2005

Location: Wurmannsquick

  • Send private message

35

Sunday, March 28th 2010, 7:39pm

da hast du natürlich recht Ulrich. Es ist auch gut, daß du darauf hinweist, daß das ganze etwas komplexer ist als ich es dargestellt habe.

Ich denke aber, daß mit meiner vereinfachten Darstellung, die wesentlichen Eigenschaften und die Konsequenzen daraus, dennoch abgeleitet werden können.

Ich wollte nicht in diesem "für Anfänger"-Thread auch noch komplexe Vektoraddition erklären müssen ;)

Grüße

Peter

  • "peter_l" started this thread

Posts: 537

Date of registration: Dec 5th 2005

Location: Wurmannsquick

  • Send private message

36

Sunday, April 4th 2010, 7:43pm

Hallo zusammenn,

irgendwie hat mich der Einwand von Ulrich nicht losgelassen, daß die Beziehung

Z = U_DUT / (U - U_DUT) * R

vielleicht doch eine unzulässige Vereinfachung sein könnte.

Ich hab deshalb für mich alle Schritte die so ein Auswerteprogramm machen müßte nachvollzogen. Als Beispiel hab ich den als letzten betrachteten Fall genommen, also als Vergleichswiderstand 100 Ohm und als DUT den Kondensator mit 150 µF.

Ich hab ein Simuationsmodell dieser Min-Schaltung gemacht und die Spannungen U und U_DUT exportiert. Die weiteren Schritte hab ich dann mit Excel gemacht.

Das sind also die beiden Spannungskurven, die so ein Auswerteprogramm von den beiden Aufnahmekanälen der Soundkarte bekommt:



Wie oben gesagt sind das keine richtigen Spannungen in Volt, sondern nackte Zahlenwerte, die aber zu den korrekten Spannungen propotional sind.

Das erste was so ein Prgramm machen könnte, wäre zu schauen wie hoch die Signalfrequenz war. Das heißt, es muß die Periodendauer einer Schwingung bestimmt werden. Ich hab das mal mit den Nulldurchgängen gemacht und 100 µs Periodendauer T abgelesen.
Die Signalfrequenz ist also

f = 1 / T = 10 kHz.

Genau mit dieser Frequenz hab ich die Simulation laufen lassen, stimmt also.

Als nächstes könnte das Programm die Kurven U und U_DUT voneinander abziehen und den resultierenden Kurvenverlauf mit der U_DUT Kurve vergleichen:



Um den folgenden Schritt verstehen zu können muß man sich überlegen was die Kurve U - U_DUT eigentlich bedeutet (ich hab übrigens ein ganze ganze Zeit dafür gebraucht).
Unser Vergleichswiderstand ist rein resistiv. Wir dürfen daher den Strom durch ihn aus dem Spannungsabfall über ihn (U - U_DUT) und dem bekannten Wert von R berechnen:

I = (U - U_DUT) / R

Das geht auch mit den Momentanwerten, also den Meßkurven die wir vorliegen haben. Die berechnete Kurve (U - U_DUT) ist also praktisch (bis auf einen unbekannten Vorfaktor) der Verlauf des Stroms durch das DUT.
Diese Information ist ausreichend, um den Phasenwinkel zwischen Strom- und Spannungsverlauf bestimmen zu können.
Wir lesen an den Nulldurchgängen ab: delta_t = 25 µs und können daraus den Phasenwinkel berechnen:

phi = delta_t / T * 360 ° = 25 µs / 100 µs * 360° = 90 °
Da der Strom-Nulldurchgang vor dem Spannungs-Nulldurchgang liegt, könnten wir auch ein negatives Vorzeichen setzen, also -90°.

Jetzt müssen wir auf die eingangs schon erwähnte Beziehung

Z = U_DUT / (U - U_DUT) * R

zurückgreifen um auch den Betrag der Impedanz ermitteln zu können. Dies geht, wenn man die Beträge der Spannung verwendet (nicht die Momentanwerte - auch darüber hab ich eine ganze Zeit lang gebrütet). Wir können also z.B. die Maximalwerte wie im Bild ablesen und in die Formel einsetzen:

Z = U_max_1 / U_max_2 * R = 107 Ohm.

Die Zahlenwerte dazu hab ich aus der Excel Tabelle abgelesen.

Die mit unserem Excel-"Auswerteprogramm" ermittelte komplexe Impedanz unseres DUT ist also in der Darstellung mit Betrag und Phase:

Betrag: 107 Ohm
Phase: -90 °

Da wir wissen, daß unser DUT ein 150 µF Kondensator ist, können wir diese Werte einfach nachprüfen:

Der Betrag der Impedanz eines Kondensators ist X_C = 1 / (2 * pi * f * C) = 106 Ohm
Der Impedanzpfeil eines Kondensators zeigt in der komplexen Darstellung genau senkrecht nach unten, der Phasenwinkel ist also wie oben bestimmt -90°.

Nicht schlecht, oder ?

Meine Story ist natürlich kein strenger allgemeingültiger mathematischer Beweis - ich wollte nur mal sehen was so ein Auswerteprogramm eigentlich mit den Messkurven anstellen muß um zu Betrag und Phase der Impedanz zu kommen.

Grüße

Peter

PS: Kleine Anmerkung noch: Vergleicht doch mal, was audiotester und ARTA in den Messungen weiter oben bei 10 kHz rausbekommen haben.

37

Sunday, April 4th 2010, 9:26pm

Hallo Peter,
So ganz blicke ich nicht was du damit sagen willst, das stehe ich mal wieder auf dem Schlauch.

Das man Näherungsweise brauchbare Daten erhält bezweifele ich nicht.
Wenn man zwei mal den gleichen Fehler macht gleicht er sich auch wieder aus.

Aber wenn man eine Formel wie

Z = U_DUT / (U - U_DUT) *R
aufstellt sollte sie schon für den Einsatzweck stimmen und richtig aufgestellt sein.

Der Reihe nach aus deinem Beitrag von oben.
U = U_DUT + U_R
Mit Augenblickswerten inklusive des Vorzeichens ist das zwar Richtig, aber man kommt mit Augenblickswerten schnell ins Schleudern.
UX=X*I mit Augenblickswerten ist so eine Falle, mit zeitlich nicht zusammenhängenden Spitzenwerten oder den Effektivwerten passt es dann wieder. Wenn es sich um Leistung dreht ebenso.
Allgmein geht man bei der Variable U auch immer von einem Effektivwert aus wenn nicht anders Gekennzeichnet, der Augenblickswert mit einem kleinen u oder als Zusatz ein Zeitindex t.


Dröseln wir doch erstmal U_DUT auseinander.
Hier nehme ich mal ein vereinfachtes Lautsprechermodel.
Wir haben hier einen induktiven Blindwiderstand XL und einen Wirkwiderstand R,
die Größen so gewählt das bei einer Frequenz f Wirk und Blindwiderstand gleich sind (Grenzfrequenz).
Die Phase zwischen R und X ist immer 90 Grad, daher
ist die Impedanz
Z = Wurzel (R1^2 + XL^2)
Die Spannung
U = Wurzel (UR1^2 + UXL^2)
Das Ganze ist für uns eine Blackbox, hier können wir den Wirkanteil allerdings durch eine Gleichspannungsmessung bestimmen.



Da wir nun Spannungen messen wollen schalten wir einen Wirkwiderstand R2 davor
Du hast oben empfohlen diesen Widerstand ungefähr in gleicher Größe wie Z zu wählen.
Der Wirkwiderstand R2 und der Wirkanteil R1 von Z (die Blackbox) liegen nun in der gleichen Phase.
Wir erhalten eine neuen Scheinwiderstand
Zneu = Wurzel((R1+R2)^2 + XL^2)
Als Spannung
U = Wurzel (( UR1+ UR2)^2 + UXL^2)
Hier kann man nun den Fehler gegenüber der einfachen (linearen) Addition ablesen.



Da man die Spannung UR2 direkt misst und R2 kennt gilt natürlich
I = UR2/R2
Jetzt kommt halt der prinzipielle Fehler ins Spiel,
U = UDUT + UR2 ist falsch
U - UDUT ist nicht gleich UR2.
Die Höhe des Fehlers hängt von den Widerstandsverhältnissen und damit auch von der Frequenz ab.
Mit Augenblickswerten passt das zwar wieder, aber es ist ungwohnt.
Dann sollte man aber die gebräuchlichen Kennzeichnungen für einen Augenblickswert benutzen.

Edit: Zusammenfassend ist es möglich, das ich nur ein Problem mit der Schreibweise (besser Notation) habe. Die Methode dahinter kann richtig sein, dann habe ich hier nur "laut" gedacht

Gruß Ulrich

  • "peter_l" started this thread

Posts: 537

Date of registration: Dec 5th 2005

Location: Wurmannsquick

  • Send private message

38

Monday, April 5th 2010, 1:16am

Hallo Ulrich,

heut pack' ich das nicht mehr - komm gerade vom Wirtshaus heim ;)
Das geht eh nur wenn ich mal Urlaub hab'.

Grüße

Peter

  • "peter_l" started this thread

Posts: 537

Date of registration: Dec 5th 2005

Location: Wurmannsquick

  • Send private message

39

Monday, April 5th 2010, 12:54pm

Hallo Ulrich,

wahrscheinlich hab ich dich oben mit meinen etwas unsauberen Formulierungen (Maschinenbauer halt ;)) nur etwas in die Irre geführt.

Ich habe deinen Fall (2tes Schema) nach der beschriebenen Methode nochmal ausgewertet. Wenn ich dich recht verstehe, dann besteht dein DUT aus R2 und L1:



Der Betrag der Impedanz dieses DUT sollte damit sein:

Z = Wurzel ( R2^2 + XL^2), mit XL = 2 * pi * f * L1 ergiebt sich Z = 1,42 kOhm

und die Phase

tan phi = XL / R = + 45 ° .

Diese Werte gilt es also zu bestätigen.

Dazu entnehme ich der Simulation die Spannungsverläufe an den bezeichneten Positionen (leider ist die Namensgebung in meinem Simulationsprogramm etwas unflexibel). Der gesamte Spannungsabfall U heißt also jetzt V(n001) und der Spannungsabfall U_DUT heißt jetzt V(n002).



Zusätzlich habe ich den simulierten Stromverlauf I(L1) durch L1 dargestellt. Meine Behauptung war ja, daß die berechnete Kurve U - U_DUT (ich sollte hier wirklich besser Kleinbuchstaben verwenden, da die Kurvenverläufe, also die Momentanwerte gemeint sind) bis auf einen unbekannten Faktor den Stromverlauf durch das DUT darstellt.
Das ist auch der Fall, wenn man die Kurven V(n001) - V(n002) mit I(L1) vergleicht.

Die Auswertung der Phase:

Zwischen den Nulldurchgängen von V(n001) - V(n002) und V(n001) habe ich einen Zeitversatz von 78 µs herausgemessen.

Mit T = 1 / 1600 Hz = 625 µs ergibt sich phi = 78 / 625 * 360 ° = 45 °, Vorzeichen + da der Stromanstieg später ist als der Spannungsanstieg.

Die Auswertung des Betrags der Impedanz:

Dazu lese ich die jeweiligen Maximalwerte (die Effektivwerte wären genauso gut) von V(n001) - V(n002) und von V(n001) ab, und setze sie in die inzwischen bekannte Formel ein:

Z = 0.526 / 0.557 * 1,5 kOhm = 1,42 kOhm (nochmal zur Klarstellung: hier keine Momentanwerte verwenden)

Wenn ich mich nicht verrechnet habe, dann müßte die Methode also funktionieren.

Grüße

Peter

40

Monday, April 5th 2010, 10:06pm

Hallo Peter,
ich habe gestern schon befürchtet, das du mich nur mit deiner Formelnotation verwirrt hast.
“U” = "Ueff" wechselweise für “Us” oder “u” zu verwenden macht die Sache auch schwierig.
Ich bin ja auch nicht mehr der Jüngste und ein altes Hirn verlässt gewohnte Pfade nur widerwillig.

Mal ein wenig (oder noch mehr) O.T. zur LS Simulation.
Das hier ist übrigens eine typisches Ersatzschaltbild (Simulationsmodel) eines Lautsprechers (Impedanz des Einzelchassis, Impedanzskalierung).
Die nötigen Werte lassen sich aus den Thiele- Small- Parametern gewinnen, hier sind sie nur gewürfelt.

DUT_LS :)


Gruß Ulrich

  • "peter_l" started this thread

Posts: 537

Date of registration: Dec 5th 2005

Location: Wurmannsquick

  • Send private message

41

Tuesday, April 6th 2010, 11:14am

Hallo Ulrich,

gar nicht O.T., sondern eine perfekte Überleitung zum nächsten Beitrag. Da will ich die Impedanzmessung an einem meiner Lautsprecher anwenden - ist aber noch nicht fertig. Mal schau'n wann ich dazu komme.

Das ist übrigens das Ersatzschaltbild des Tieftöners:



Qtc = 0,87, fs = 40,4 Hz, Qms = 6,2, Qes = 1,01.

Wer mag, kann sich ja schon mal überlegen, was das für eine Bauart sein könnte.

Schon ein bißchen komplizierter solche DUT's. Die rechne ich aber jetzt nicht mehr von Hand nach ;)

Grüße

Peter

  • "peter_l" started this thread

Posts: 537

Date of registration: Dec 5th 2005

Location: Wurmannsquick

  • Send private message

42

Sunday, April 11th 2010, 2:23pm

Hallo zusammen,

wieder mal Sonntag + schlechtes Wetter. Heute früh soll's angeblich sogar ein bißchen geschneit haben.
Was liegt da näher als hier weiterzumachen.

8. Messung mit Vergleichswiderstand - Anwendung Lautsprecher

Zur Erinnerung: es geht um die Messung des Impedanzverlaufs eines Prüflings. Geübt haben wir das schon an einem Widerstand, einem Kondensator und -zumindest theoretisch- einer Induktivität.

Heute wollen wir uns mal einen etwas komplizierteren Prüfling anschauen, nämlich einen Lautsprecher (einen "DUT_LS" also, © Ulrich).
Ein Lautsprecher ist ein kompliziertes Gebilde - man vergleiche nur mal das elektrische Ersatzschaltbild von Ulrich. Und dieses Ersatzschaltbild beschreibt nur ein einzelnes Lautsprecherchassis alleine. Ein kompletter Lautsprecher besteht aber üblicherweise aus mehreren Chassis sowie einer manchal auch recht aufwändigen Weichenschaltung. Dem enstprechend komplex sehen auch die gemessenen Impedanzverläufe auch aus.

Die Impedanz von Lautsprechern beträgt nur wenige Ohm. Aus Gründen der Messgenauigkeit soll der Vergleichswiderstand in der gleichen Größenordnung liegen. 8 Ohm ist zum Beispiel ein guter Wert. Jetzt haben wir aber das Problem, daß der Ausgangswiderstand unserer Soundkarte erheblich höher liegt. Das ist nicht gut - wir müssen also was tun.

Die Lösung schaut folgendermaßen aus:



Der Prüfling wird jetzt nicht mehr direkt vom Soundkarten-Ausgang angesteuert, sondern von einem zwischengeschalteten "Impedanzwandler" (das Dreieck). Dieser hat einen hohen Eingansgwiderstand und einen sehr kleinen Ausgangswiderstand. So haben wir auf beiden Seiten optimale Anpassung: der Soundkartenausgang sieht den hohen Eingangswiderstand des Impedanzwandlers und unsere Mess-Schaltung hat eine perfekt niederohmige Signalquelle.
Meinen "Impedanzwandler" hab ich schon mal vorgestellt. Es ist der kleine Verstärker, dessen Frequenzgang wir weiter oben schon gemessen haben.

Ansonsten ist die Schaltung wie gehabt: Vergleichswiderstand, Prüfling und die Messabgriffe, die auf die beiden Soundkarten Eingangskanäle gehen.

WARNUNG: Der Verstärker dient nur der Impedanz-Anpassung. Es geht hier nicht d'rum, möglichst viele Watt in den Lautsprecher zu pumpen !!!
Ganz im Gegenteil:
- Die Messung soll mit kleinen Signalen gemacht werden, da nur hier die "Thiele-Small-Geschichten" exakt sind,
- Größere Signale können zur Zerstörung der Chassis führen. Das gilt besonders für den Bereich der Resonanzfrequenz des Chassis, da hier die Membran praktisch schutzlos dem Antrieb ausgeliefert ist. Das sieht man sehr gut bei der Messung: wenn die Anregung in die Nähe der Reso kommt, macht die Membran plötzlich Amplituden, daß man Angst bekommt. Sollte das der Fall sein, S O F O R T Lautstärkeregler zurückdrehen ! Am besten ist es natürlich, es gar nicht so weit kommen zu lassen: von unten anfangen und die Lautstärke nur so weit erhöhen bis die Reso gerade erkennbar wird.

Zusammengestöpselt:



Der Lautsprecher ist ein Eigenbau aus Basis von schönen klassischen KEF Chassis aus den 80ern (KEF SP1014). Die Bausweise ist "geschlossen" - mit Bassreflex hab ich's nicht so. Als Hochtöner hab ich "SEAS NoFerro 12" genommen, da diese schon früh eingekoppelt werden können und weil sie kein Ferrofluid verwenden.

Zur Einstellung vom audiotester gibt's nicht viel zu sagen, wie oben halt. Der einzige Unterschied ist, daß man wesentlich mehr Meßpunkte verwenden sollte um den Bereich der Resonanzfrequenz gut auflösen zu können. Ich hab mal 400 Frequenzschritte gewählt:



Die Phasenkurve vom audiotester brauchen wir ja nicht nochmal diskutieren, also zur Sicherheit mit ARTA nachgemessen:



Was sieht man an der Impedanzkurve:

- Die Resonanz des Tieftöners liegt knapp unter 50 Hz. Hier lohnt auch ein Blick auf die Phasenkurve. Die hat nämlich genau bei der Resonanz einen Nulldurchgang, was sehr praktisch für die genaue Bestimmung der Resonanzfrequenz ist.
Die Form des Impedanzmaximums gibt Aufschluß über die Dämpfung des Chassis. Schmal und hoch würde bedeuten, geringe Dämpfung oder anders gesagt hohe "Quality" Qt. Ich hab den Tieftöner auf ein Qtc (c steht für closed box) von 0,9 eingestellt. Der theoretisch ideale Wert für eine geschlossen Box wäre nebenbei gesagt eigentlich 0,707. Bei 0,9 hat der Bass aber mehr Dampf - reine Geschmacksfrage.

- Der zweite Buckel bei ca. 1.5 kHz zeigt an, wo der Tieftöner von der Weiche zurückgenommen, und dafür der Hochtöner reingefahren wird - die Übernahmefrequenz also.

- Das Impedanzmimimum ist 4,5 Ohm bei ca. 4 kHz. Das ist also ein Lautsprecher mit einer Nenn-Impedanz von 4 Ohm. Bei der Auslegung von Weichen muß man darauf achten, daß dieses Minimum nicht zu tief gerät. Das kann schnell passieren, Chassis und / oder Verstärker wären dann eventuell in Gefahr.

- Die Impedanzkurve gibt auch Aufschluß über akustische Unregelmäßigkeiten von Chassis. Der kleine Sprung bei 400 Hz zum Beispiel, den man in der Betrags- und der Phasenkurve sieht, ist eine Eigenheit des Tieftonchassis. Diese Störung ist auch im akustischen Frquenzgang als eine kleine Senke sichtbar.

Und, die gemessene Impedanzkurve braucht man zur Weichenentwicklung. Aber darauf will ich an dieser Stelle nicht weiter eingehen, denn darüber gibt's bereits viele dicke Bücher. Ein's möcht ich an dieser Stelle empfehlen: "Lautsprecher-Messtechnik" von J. d'Appolito. Wenn's geht in der englichen Original-Fassung - mit der ins deutsche übersetzten Version bin ich nicht so recht glücklich.


So, das war's mit den Messungen im Zeitbereich. Viele der angewandten Messtechniken arbeiten im Frequenzraum. Aber davor steht die Hürde der Fouriertransformation. Ich zögere daher noch etwas, dieses Thema im Rahmen dieses "Anfänger"-threads anzugehen.
Andererseits machen mir gerade die Messungen im Frequenzraum besonders viel Spaß - mal schau'n wie's also weitergeht.

Grüße

Peter

esla

Unregistered

43

Sunday, September 5th 2010, 8:24pm

Hallo!

ich hole mal diesen etwas älteren, aber sehr interessanten Thread aus der Versenkung. Neulich kaufte ich mir, um über die optische Verbindung von meinem DAT-Tapedeck in den PC einspielen zu können, eine neue, sehr preisgünstige Soundkarte mit optischen Digital-Ein-/Ausgängen. Eine Terratec Aureon 5.1 PCI. So weit, so gut.

Das Einspielen vom DAT klappt auf Anhieb. Nur habe ich gestern versucht, einen durch Audacity generierten 1 kHz-Ton über die optische Verbindung zum DAT hin aufzunehmen. Sollte ja alles klappen (dachte ich). Nur - der linke Kanal am DAT hängt um ein paar dB hinter dem rechten her! Oben das rote ist das Mono-Aufnahmesignal, die beiden blauen Spuren unten ist das, was ich vom DAT-Deck über die optische Verbindung wieder reinbekommen habe.



Links "fehlt" Pegel, ganz eindeutig! Also, in Anlehnung an diesen Thread das Toslink-Kabel vom Soundkartenausgang zum Eingang umgesteckt und mit dem Audiotester 3 mal probiert:



Ein Unterschied von 3 dB! Und das scheinbar bereits am optischen Ausgang der Soundkarte, da mir das Levelmeter am DAT etwa 4 dB Abweichung anzeigt. Ist so etwas noch normal und tolerierbar? Was meint ihr?

Gruß Jens

Posts: 815

Date of registration: Feb 23rd 2006

  • Send private message

44

Monday, September 6th 2010, 1:19am

Quoted

esla postete
Ein Unterschied von 3 dB! Und das scheinbar bereits am optischen Ausgang der Soundkarte, da mir das Levelmeter am DAT etwa 4 dB Abweichung anzeigt. Ist so etwas noch normal und tolerierbar? Was meint ihr?
Hallo Jens,
hier meine kurze Antwort: Nein!
Das Signal muß 1:1 zurück kommen.

Erzeuge bitte eine Stereodatei mit Deinem Testsignal (L und R mit gleichem Inhalt) und versuche es nochmal.

Welches Betriebssystem verwendest Du?

Kann Audacity jetzt ASIO? Falls nein, gibt der Treiber über WDM (falls Du Windows verwendest) das Signal 1:1 an den digitalen Ausgang, oder läuft das über ein Mischpult? Vielleicht sogar dieser Windows-Mixer?
Falls WDM:
Bei der Auswahl des Ausgabegerätes sollte Deine Soundkarte mehrfach vorhanden sein.
"$Soundkarte SPDIF out" oder sowas ist die richtige Wahl.
Gehst Du auf den Analogausgang (bei M-Audio oft "$Soundkartenname 1/2") läuft das Signal erst über das Mischpult der Karte, inkl. aller dort eingestellten Änderungen.

BTW: Völlig ungeeignet ist ein Soundmapper, egal bei welchem Betriebsystem.


Gruß

96k

Posts: 4,415

Date of registration: Nov 12th 2004

Location: Am Hohen Ufer der Leine

Occupation: Stadtbahnfahrer i.R.

  • Send private message

45

Thursday, December 2nd 2010, 5:56pm

Hallo,

ich möchte zur Ergänzung mal eben einen Tipp loswerden für diejenigen, die mit dem Laptop oder Netbook messen wollen und an dessen miesem Soundchip verzweifeln. Dazu gehörte ich nämlich auch. Der Frequenzgang meines Asus EeePC war völlig unbrauchbar. Erst oberhalb von 100 Hz überhaupt vorhanden, danach zahlreiche Berge und Täler und oberhalb von 10 kHz ging es rapide in den Keller.
Grausam.
Ich wollte also gern einen geeigneten, über USB zu betreibenden Audio-Adapter mit eingebauten Wandlern, der klein und handlich ist, möglichst mit Cinchbuchsen ausgestattet ist, Line-Pegel verarbeitet, keinerlei Schnickschnack aufweist und natürlich einen linealglatten Frequenzschrieb ergibt.

Nach einiger Sucherei, bei der vorwiegend Audio-Interfaces der gehobenen Preisklasse gefunden wurden, die dann aber über übeflüssige Features wie symmetrische Mikroeingänge mit P 48 verfügten, stieß ich bald auf den Behringer UCA202.
Eine kleine Kiste im Zigarettenschachtelformat, als reines Line-Interface ausgebildet, mit Cinchbuchsen, zusätzlichem Kopfhörer- und S/PDIF-Ausgang.
Das Teil verarbeitet einen max. Input- und Outputlevel von 2 dBV, der Ausgangswiderstand beträgt 400 Ohm, die Eingangsimpedanz liegt bei 27 kOhm.
Und das Beste ist der Preis: 28,- Euro. Einen Versuch war es bei dem Preis allemal wert, als bessere Soundkarte für das Netbook konnte es immer noch herhalten...

Das Gerät wurde bei Thomann bestellt und kam am übernächsten Tag an. Eine erste Überprüfung ergab eine sehr gute Eignung für meine Zwecke. Nicht die geringste Welligkeit zeigte sich im Frequenzgang. Wenn man die Wandler auf 48 kHz schaltet, steht ein Frequenzumfang von unter 10 bis etwa 24000 Hz zur Verfügung. Das Interface hat 24-Bit-Wandler und reicht damit für die üblichen Messungen aus.
Hier die Frequenzkurve des UCA202:



Ich finde, da gibt es nichts zu meckern.

Übrigens wurde mir beim Aufnehmen dieser Kurve deutlich, welch großen Einfluss ein anständiges Kabel auf das Messergebnis hat! Ich hatte zuerst ein billiges "Beipackkabel" geschnappt, das in der Schublade zufällig oben lag. Damit hatte ich sowohl einen Welle bei 12 Hz als auch einen kontinuierlichen Abfall oberhalb von 10 kHz bis auf -4 dB bei 24 kHz. Erst nach einiger Zeit kam ich dann mal auf die Idee, ein anderes Kabel zu nehmen. Das Ergebnis seht ihr oben. Dieses war ein nur 50 cm langes, kapazitätsarmes Koaxkabel mit etwa 40 pF. Das billige hatte fast 300 pF!

Gruß Holgi

Posts: 383

Date of registration: Nov 28th 2009

Location: A / 8605

Occupation: Nix mehr, es reicht, finish ;-)

  • Send private message

46

Thursday, December 2nd 2010, 6:38pm

Hallo Holgi,
Suppi,
thanks für die Info wegen der Behringer UCA202 :bier:
lG Walter

SUCHE:

Kofferradio LOEWE Opta LORD 92 368, 92 369 (Vorgänger vom T70)

  • "peter_l" started this thread

Posts: 537

Date of registration: Dec 5th 2005

Location: Wurmannsquick

  • Send private message

47

Thursday, December 2nd 2010, 9:55pm

Hallo Holgi,

deine Anmerkung zur Kabelkapazität interessiert mich. Hätte jetzt nicht gedacht, daß das Kabel so einen großen Einfluß haben kann.

Rein rechnerisch ( f = 1 / (2 pi R C)) kann ich's nachvollziehen, daß die 300 pF mit einem Widerstand von 27 kHz einen Tiefpaß mit 20 kHz ergeben. Schaltungstechnisch ist es mir allerdings nicht ganz klar, wie sich dieser Tiefpaß zusammensetzt, oder speziell welches Bauteil im Messaufbau zusammen mit der Kabelkapazität den Tiefpaß bildet. Ist es der Eingangswiderstand der Karte ?

Noch eine (dumme ?) Frage: wie mißt man eigentlich die Kapazität eines Kabel ?
Einfach die beiden Anschlüsse eines Endes ans Messgerät anschließen und das andere Ende offen lassen ?

Grüße

Peter

PS: Super Tip mit dem UCA202. Wenn mich meine Karte mal verlassen sollte, besorg ich mir auch so eins.

48

Thursday, December 2nd 2010, 11:22pm

Abgesehen von der Theorie mit der Kabelkapazität, irgendwas stimmt da nicht.
Nach den Unterlagen

http://www.behringer.com/EN/downloads/pdf/UCA202_P0484_M_DE.pdf

Hat die UCA202 eine maximale Abtastrate von 48kHz, ein Frequenzgang wie in der oberen Kurve (selbst lediglich nur -4dB bei 24 kHz) ist damit nicht möglich.
Oder gibt es ein neueres Model, das nicht auf der Behringerseite erwähnt wird?

Gruß Ulrich

Posts: 4,415

Date of registration: Nov 12th 2004

Location: Am Hohen Ufer der Leine

Occupation: Stadtbahnfahrer i.R.

  • Send private message

49

Sunday, December 5th 2010, 5:32pm

Hallo Ulrich,

ich wüsste nicht, dass es da inzwischen eine neuere Version gibt...
Ich habe mich auch gewundert über die linealglatte Kurve bis über 20 kHz, aber ich kann Fehler ausschließen! Ein- und Ausgang wurden über kurze Cinchkabel verbunden, die im Netbook eingebaute Soundkarte abgeschaltet und der Sweep gestartet. Eingestellt waren Ein- und Ausgangsseitig 48 kHz.
Mit dünnem Billigkabel ging es hinten runter und vorne gab es einen Huckel. Leider habe ich das nicht gespeichert.
Frequenzkurven von Uher Report Monitor und Revox A77 ergaben das erwartete Aussehen, mit leichten Kopfspiegelresonanzen und leichtem Abfall ab 20 bzw. 15kHz.
Ich habe heute Abend nochmals das Interface durchgecheckt - es kam wieder die Gerade heraus, die ich oben gezeigt habe!
Egal, ob Zauberei oder technische Innovation: ich finde das Teil super und habe schon wieder eine Revox eines Bekannten zum Einmessen auf dem Tisch.

Gruß Holgi

Hier die Kurven der Uher vor und nach dem Abgleich des Bias:


50

Sunday, December 5th 2010, 6:53pm

Hallo Holgi,
Ich habe mal versucht deine Messungen nachzuvollziehen.
Einstellung im Setup des Audiotesters



Abtastrate der Soundkarte 48kHz.



Der Audiotester gaukelt bei diesen Einstellungen eine besseren Frequenzgang vor (die letzte Messfrequenz liegt deutlich unter 24kHz).

Das gleiche noch mal mit erhöhtem “Step Count” im Setup.





Durch deutlich mehr Messpunkte wird die Kurve genauer und stimmt mit dem erwatetem Frequenzgang deutlicher überein.

Die Messungen im Hochtonbereich werden noch genauer wenn man “Frequenzy generating” auf “linear” stellt.



Man sollte Kurven halt nicht blind vertrauen und vorher schauen auf Grund welcher Daten sie zustande kommen.

Gruß Ulrich

  • "peter_l" started this thread

Posts: 537

Date of registration: Dec 5th 2005

Location: Wurmannsquick

  • Send private message

51

Monday, December 6th 2010, 10:56pm

ups - erschrocken - gleich nochmal die Transit nachgemessen:

1. mit ARTA, 48 kHz, 24 bit, 48 Messpunkte pro Oktave



2. mit dem Audiotester, 48 kHz, 200 Messpunkte



Die Darstellung ist schon stark gespreizt, das Gezittere aber trotzdem nicht schön. Vielleicht liegt's ja daran, daß ich nur mit 16 bit messen konnte, den 24 Bit Modus hab ich um's Verrecken nicht zum Laufen gebracht.

=> wenn's genau sein soll, lieber ARTA

Grüße

Peter

gogosch

Unregistered

52

Thursday, December 9th 2010, 12:26pm

Habe heute eine ASUS XONAR DX/XD eingebaut. Liefert ein linealglattes Spektrum bis genau 21kHz bei 192kHz Samplingfrequenz und 16Bit Auflösung.
K3 ist 0,004% bei 10kHz. S/N:110db.
Die PCIe-Karte kostet im Netz etwa 60 Teuros!
LG
Hartmut

gogosch

Unregistered

53

Thursday, December 9th 2010, 6:33pm

Frage an alle: Hat schon jemand die Behringer UCA202 am Windows7 Rechner unter 64Bit im Einsatz?
Ich teste jetzt verschiedene Karten und kriege die UCA202 nicht hin: Der linke Kanal ist "inputmäßig" tot.
Ausgegeben werden beide Kanäle an der Karte aber am Audiotester sehe ich nur den linken Kanal. Der rechte Kanal (blauer Graph) ist einfach nicht vorhanden. Auch nicht ganz unten oder sonst wo.
In den Einstellungen vom AUdiotester sind beide Kanäle aktiviert!
Am 32Bit-Rechner unter XP läuft die Karte einwandfrei.
LG
Hartmut
ARTA reagiert genauso: Rechter Kanal tot!

Posts: 473

Date of registration: Jun 30th 2008

Location: Schweiz

  • Send private message

54

Thursday, December 9th 2010, 9:12pm

Ich habe die UCA222 an Win7 64BIT, aber erst seit gestern ;) Die ersten Tests waren positiv, beide Kanäle sind da. Hast du den Behringer-Treiber installliert? Ohne klappts vermutlich nicht.

Gruss
Richard

P.S. Die UCA222 soll baugleich mit der 202 sein, nur das SW-Packet ist umfangreicher.

gogosch

Unregistered

55

Thursday, December 9th 2010, 9:28pm

Habe den Behringer-ASIO-Treiber gerade installiert. Läuft.
Allerdings ist nun die Sampling-Frequenz mit 48kHz begrenzt!

LG
Hartmut

  • "peter_l" started this thread

Posts: 537

Date of registration: Dec 5th 2005

Location: Wurmannsquick

  • Send private message

56

Thursday, December 9th 2010, 10:43pm

nur - 5 dB bei der halben Abtastfrequenz ?

Das kann nicht sein, da hätten die Herren Nyquist oder Shannon was dagegen.
Auch wenn links unten 48 kHz steht, die wahre Abtastrate muß bei dieser Messung höher gewesen sein.

Peter

gogosch

Unregistered

57

Thursday, December 9th 2010, 10:58pm

Quoted

peter_l postete
nur - 5 dB bei der halben Abtastfrequenz ?

Das kann nicht sein, da hätten die Herren Nyquist oder Shannon was dagegen.
Auch wenn links unten 48 kHz steht, die wahre Abtastrate muß bei dieser Messung höher gewesen sein.

Peter
Genau diese Werte bekomme ich auch mit einer anderen Karte (ASUS) bei 192kHz.
Irgendwas stimmt da (bei der Behringer-Karte) nicht!
LG
Hartmut

58

Thursday, December 9th 2010, 11:03pm

Es ist der Audiotester der hier tickst.
Der Audiotester (vielmehr die Art der Messung) ist im oberen Grenzbereich extrem ungenau.
Mehrere Messungen hintereinander, mit unveränderten Parametern, führten bei mir im bei fs/2 zu Unterschieden von über 60dB.
Bei einer Abtastrate von 48kHz würde ich Audiotester bis maximal (auch hier schon mindestens plus/minus 1dB) 20kHz vertrauen.
Die gleich Einschränkung besteht natürlich auch auf der analogen Seite des Testobjektes (bzw. mit einem analogen Testobjekt).

Gruß Ulrich

gogosch

Unregistered

59

Thursday, December 9th 2010, 11:11pm

Mit ARTA kann ich leider keine Vergleiche fahren, da ARTA ASIO nicht unterstützt. Es werden nur die USB-WDM-Treiber angeboten. Schade!
LG
Hartmut

Posts: 983

Date of registration: Nov 19th 2004

  • Send private message

60

Sunday, December 19th 2010, 8:50pm

...seit 18. Dez. kann ARTA offenbar ASIO! Auf ein (gutes ;-) ) Neues!