THD Messung mit Soundkarte (<0.00002%)
Heute stehen uns ja im PC mit der Soundkarte schon in der Grundausstattung Messmittel und Software zur Verfügung, die Oberwellen eines Signals zu analysieren. Das Ergebnis ist leider aber meistens nicht wirklich gut, ein THD von besser -100dB wird dabei selten erreicht. Für echtes High End ist das aber bei weitem nicht gut genug. Ich möchte hier einen Weg zeigen, solche Systeme mit geringem Aufwand deutlich aufzuwerten. Als Ergebnis steht ein Aufbau zur Verfügung, der ein THD von besser -136dB, also 0,000015% erreichen kann.
Abb. Beispiel eines Messaufbaus für die Referenzmessungen. Der LowDistGen liefert hier nur das Referenzsignal für den -80dB Kanal. Die Filter sind auf selbst hergestellten Platinen.
Fangen wir vorne an und machen eine Referenzmessung, bei der der Ausgang der Soundkarte auf 1Veff eingestellt und über einen (eingebauten) Abschwächer auf den Eingang der Soundkarte geschleift wird. Die Amplitude wird dabei so hoch wie möglich eingestellt, aber es sollten noch keine zusätzlichen Verzerrungen durch Übersteuerung zu sehen sein. In meinem Beispiel nutze ich eine externe USB Soundkarte von Focusrite und ARTA als Analysesoftware.
Abb. Referenzmessung der Soundkarte: Ausgang direkt auf Eingang
Bei 1kHz sieht man die Grundwelle mit dem Eingangsabschwächer der Sounkarte von 0dB auf -20dB abgeschwächt. K2 ist relativ dazu bei ca. -100dB und K3 bei ca. -108dB. THD ist damit bei ca. 0,00125%. Da fehlt uns (hoffentlich) noch mindestens eine Zehnerpotenz an Qualität zur Messung von hochwertigen HighEnd Komponenten.
Als erste Stufe der Verbesserung kann man eine Bandsperre für die Grundwelle vor dem Empfänger einfügen. Diese reduziert den Anteil der Verzerrungen vom Empfänger. Dabei muß die Grundwelle nicht vollständig unterdrückt werden. Eine Dämpfung von 20dB, besser 40dB wird schon deutlich wirken. Dabei ist natürlich zu beachten, dass die Oberwellen das Sperrfilter möglichst unverfälscht passieren.
Abb. Schaltplan Grundwellendämpfungsfilter (Dimensionierung 1kHz)
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Für das Grundwellensperrfilter nutze ich ein SVF. Diese eignen sich durch ihre einfache Anpassungsfähigkeit an die Anforderungen durch Variation einzelner Bauteilwerte besonders für Filter die einen Abgleich benötigen. Die Güte des Filters kann mit R2 angepasst werden, die Frequenz mit einem einzelnen 10-Gang Trimmer RV1. Hierzu ist es aber notwendig C1 und C2 auszumessen und die Widerstände R8+R9 und R6+R4+RV1 an die Kapazitätswerte anzupassen. Da die Ausgangsfrequenz der Soundkarte ja sehr stabil ist und wir in einem sehr eingeschränktem Temperaturbereich arbeiten, ist dies sehr langzeitstabil möglich. Die hier gezeigte Dimensionierung führt bei meinen Toleranzen zu ca. 40dB Grundwellendämpfung bei einer Dämpfung der ersten Oberwelle von weniger als 0,5dB.
Abb. Referenzmessung der Sounkarte mit Grundwellendämpfungsfilter vor dem Empfänger
Das Ergebnis macht schon Mut. Bei 1kHz sieht man die um 40dB gedämpfte Grundwelle, K2 relativ zu 0dB bei -115dB und K3 bei -108dB. THD ist damit ca. 0,00045%. Schon besser, aber immer noch weit vom Ziel entfernt.
Insbesonere K3 scheint eine Wirkung des Generators zu sein. Also ist hier unser nächster Ansatzpunkt. Ein direkt hinter den Signalausgang der Soundkarte geschaltetes Bandpassfilter, dass die Grundwelle passieren lässt, aber die Oberwellen dämpft, ist der nächste Schritt der Opimierung. So sollten die harmonischen Verzerrungen des Generators deutlich zu dämpfen sein. Entscheidend sind natürlich dann die Eigenverzerrungen des Filters.
Abb. Schaltplan des Bandpassfilters zur Oberwellendämfpung des Generators (Dimensionierung für 1kHz)
Auch dieses Filter basiert auf einem SVF. Die Güte ist über R2 auf 100 eingestellt. C7 und C8 müssen wieder ausgemessen und die dazu gehörigen frequenzbestimmenden Widerstände RV1+R4+R6 bzw. R8+R8 individuell angepasst werden. Mit R1 kann dann bei Abweichungen die Verstärkung der Grundwelle auf 0dB korrigiert werden. Die Oberwellendämpfung der ersten Oberwelle ist >40dB. Dazu kann über J2 wieder ein -80dB Referenzsignal eingespeist werden, was die Sicherheit in der Auswertung stark verbessert.
Abb. Referenzmesung Soundkarte mit Bandpass hinter dem Generator und Grundwellendämpfungsfilter vor dem Empfänger
Bei 1kHz sieht man die um 40dB unterdrückte Grundwelle, bei 14kHz den -80db Referenzton. K2 liegt relativ zur Grundwelle bei -136dB und K3 bei -138dB, der Noisefloor liegt bei -138dB. Der THD liegt so unter 0,000015%. Damit kann man was anfangen. Diese Werte liegen auf dem Niveau professioneller Messgeräte.
Natürlich erstmal nur bei einer Frequenz. Aber das Ganze jetzt auch für 50/100/200/500/1k/2k/5k/10k Hz zu realisieren, ist sowohl vom Aufwand als auch von den Kosten sehr überschaubar.