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Mit Oszilloskop und Bode-Plot das Klangbild untersuchen

| Autor / Redakteur: Patrik Gold * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Möchte man Audiokomponenten wie Lautsprecher verbauen, muss das von der Quelle ausgegebene Frequenzband möglichst linear und vollständig wiedergegeben werden. Mit einem günstigen Oszilloskop sowie einem Bode-Plot lässt sich das Klangbild untersuchen.

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Audiokomponenten: Damit die Systeme untereinander harmonieren, lässt sich mit Oszilloskop und Spektrumanalysator die Qualität abschätzen.
Audiokomponenten: Damit die Systeme untereinander harmonieren, lässt sich mit Oszilloskop und Spektrumanalysator die Qualität abschätzen.
(Bild: © svetazi - stock.adobe.com )

Produktdesigner und Ingenieure müssen in der Lage sein, elektronische Geräte mit Mikrofon und Lautsprecher auszustatten. Das kann beispielsweise eine smarte LED-Leuchte sein, die nebenher Musik spielt. Man greift hier meist auf günstige Massenprodukte zurück, die zugekauft werden. Doch mit den zugekauften Audiokomponenten müssen sich Entwickler beispielsweise bei einem Verstärker mit einer geringen Total Harmonic Distortion (THD), also die gesamte harmonische Verzerrung, oder einem sehr linearen Frequenzgang beschäftigen.

Hat der verwendete Verstärker eine zusätzlich einstellbare Verstärkung und arbeitet mit unterschiedlichen Lautsprecher-Impedanzen, wird klar, dass die ermittelten Werte in einem Testszenario erfasst wurden. Bei einem abweichenden Testszenario passen die Werte dann nicht mehr.

Was bei der Frequenzganganalyse zu beachten ist

Besser ist es, Audiokomponenten mit einem geringen zeitlichen und finanziellen Aufwand auf wichtige Eigenschaften zu prüfen. Hier unterstützen Oszilloskop und Signalgenerator, um die Frequenz zu analysieren. Sie erfasst die frequenzabhängige Verstärkung und Phasenverschiebung verschiedener Komponenten. Die FFT-Analyse erkennt frühzeitig Probleme und man kann diese noch im frühen Entwicklungsstadium beheben. Welche Tests sind bei der Auswahl der Komponenten wichtig und wie prüft man, ob die Komponenten für die geplante Applikation geeignet sind oder eher nicht?

Bei der Audioanalyse wird eine Quelle für weißes Rauschen in Kombination mit einem FFT-Analysator verwendet. Damit lässt sich das Frequenzverhalten der Komponenten testen. Obwohl die Messung dabei auf wenige Schritte reduziert wird, ist teure Hardware notwendig. Mit Oszilloskop und Signalgenerator ist die Messung zwar eingeschränkt, aber für viele Applikationen reicht es für eine ausreichende Genauigkeit. Nur für wenige Messungen reicht die Qualität der Messergebnisse nicht aus. Eine Frequenzganganalyse gibt zusätzlich detaillierte Einblicke in die Komponenten und Gesamtsysteme; auch bei kleinem Budget.

Bild 1: 
Für den Frequenzgang benötigt man Amplitudengang (Magnitude) und Phasengang (Phase).
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Für den Frequenzgang benötigt man Amplitudengang (Magnitude) und Phasengang (Phase).
(Bild: Siglent )

Mit dem Frequenzgang lässt sich der Einfluss beschreiben, den ein System auf ein definiertes Eingangssignal hat. Er wird anhand der Differenzen von sinusförmigen Eingangssignalen zu den Ausgangssignalen bestimmt. Man ermittelt den Amplitudengang (Magnitude) und den Phasengang (Phase). Der Amplitudengang entspricht in der Theorie der FFT der Impulsantwort vom System. Der Amplitudengang ergibt sich aus dem Verhältnis der Eingangsamplitude zur Ausgangsamplitude und wird in [dB] angegeben. Der Phasengang entspricht der Verzögerung mit der das injizierte Signal am Ausgang wieder erfasst werden kann. Dieser wird in Grad Verschiebung vom Eingangssinussignal gemessen. Es wird keine absolute, sondern eine relative Messung zwischen Ein- und Ausgangssignal durchgeführt. Sobald der Sinus die 360° überschreitet, wird er innerhalb des Frequenzganges wieder als 0° betrachtet.

Der grundlegende Aufbau eines Audiosystems

Das grundlegende Audiosystem besteht aus Quelle, Verstärker und Lautsprecher. Inzwischen ist es schon bei sehr günstigen und kompakten Systemen üblich, verschiedene Lautsprecher für unterschiedliche Frequenzbereiche zu verwenden. Daher sind häufig zusätzlich eine Frequenzweiche und ein weiterer Lautsprecher in vielen Systemen verbaut. Bei Geräten für die Kommunikation oder Sprachsteuerung ist oft ein Mikrofon verbaut. Hier wollen Anbieter sich durch eine gute Klangqualität vom Markt abheben und dies über teurere, also scheinbar bessere, Komponenten erreichen.

Obwohl sich das theoretisch beliebig nach oben skalieren lässt, entspricht das Ergebnis häufig nicht den Vorstellungen. Es geht aber nicht um teure, sondern um zueinander passende Komponenten und ein Gesamtsystem, das zur Applikation passt.

Bild 2: Der Frequenzgang am Verstärker mit einer maximalen Verstärkung
Bild 2: Der Frequenzgang am Verstärker mit einer maximalen Verstärkung
(Bild: Siglent )

Der Verstärker passt die niedrige Ausgangsspannung der Signalquelle, die meist einen hohen Ausgangswiderstand hat, auf die niederohmige Last eines Lautsprechers an. Bei einem Verstärker spielen die Verzerrungsfreiheit und ein stabiler Frequenzgang eine Rolle. Abhängig vom Einsatzgebiet kommen eine große Übertragungsbandbreite und Impulstreue hinzu. Das Ziel ist es, von 20 Hz bis 20 kHz eine möglichst lineare Verstärkung zu liefern. Eine beispielhafte Messung einer Endstufe aus dem Fahrzeugbau: Drei Frequenzgänge; Der erste zeigt einen nahezu idealen Verlauf mit ~0,2 dB Amplitudenänderung von 30 Hz bis 20 kHz. (Bild 2). Der Frequenzgang ist im Datenblatt angegeben, aber ohne angeschlossenen Lautsprecher.

Die folgenden Frequenzgänge zeigen das Frequenzverhalten mit einem 4-Ohm-Lautsprecher (Bild 3) und einen Lautsprecher mit acht Ohm (Bild 4). Bei vier Ohm bleibt der Ausgang zwar stabil, allerdings sieht man bei acht Ohm, wie sich die Fehlanpassung auf die Stabilität des Ausgangs auswirkt, obwohl für acht Ohm spezifiziert.

Bild 3: Das Frequenzverhalten mit einem Vier-Ohm-Lautsprecher
Bild 3: Das Frequenzverhalten mit einem Vier-Ohm-Lautsprecher
(Bild: Siglent )

In der Praxis sind Abweichungen von 0,5 dB für das menschliche Ohr nicht erkennbar. Auch Abweichungen bis etwa 2 dB stören nicht. Als idealer Frequenzgang ist eine zu den höheren Frequenzen hin leicht abfallende Kurve. Das hält die Endstufe selbst ein. Bei einem Lautsprecher mit ähnlichen Frequenzgang ist das schwierig. Um das Eigenrauschen zwischen Verstärkern zu vergleichen, sind die gleichen Testbedingungen notwendig. Für den Vergleich muss die maximale Verstärkung (die später geliefert werden soll) und die Last definiert sein.

Bild 4: Frequenzverhalten mit einem Acht-Ohm-Lautsprecher
Bild 4: Frequenzverhalten mit einem Acht-Ohm-Lautsprecher
(Bild: Siglent )

Um das Eigenrauschen, das sich durch brummende Lautsprecher äußert, zwischen Verstärkern zu vergleichen, gilt es natürlich für alle die gleichen Testbedingungen zu erzeugen. Um einen guten Vergleich zu gewährleisten, müssen die maximale Verstärkung, die der Verstärker später liefern soll, und die Last definiert sein. Auf diese stellt man alle Verstärker ein. Um Fehler zu vermeiden, verwendet man idealerweise einen 2- oder 3-Kanal-Bode-Plot. Dies zeigt direkt die Differenzen in der Verstärkung auf und ob der eingestellte Pegel identisch ist. Ist nun sichergestellt, dass alle Verstärker die gleiche Leistung bringen, vergleicht man die im Leerlauf ausgegebene Spannung am Oszilloskop.

Bild 5: Vergleich zwei verschiedener Endstufen im selben System. Beide Geräte weisen ein gutes lineares Verhalten auf, wobei nur das System an CH3 ab 20 Hz stabil ist.
Bild 5: Vergleich zwei verschiedener Endstufen im selben System. Beide Geräte weisen ein gutes lineares Verhalten auf, wobei nur das System an CH3 ab 20 Hz stabil ist.
(Bild: Siglent )

Um externe Signale als Verursacher auszuschließen, sollte man den Eingang des Verstärkers kurzschließen. Als Spannungsquelle nimmt man idealerweise dieselbe, die man später im vollständigen System einsetzen will. Mindestens sollte aber für alle Prüflinge dieselbe Spannungsquelle verwendet werden. Da man nur die Störsignale messen will, die tatsächlich auch wiedergegeben werden, sollten die Filter am Eingang und Ausgang verwendet werden, die später in das System integriert werden sollen.

Sind diese Voraussetzungen gegeben, lässt sich direkt vergleichen, welches Gerät das bessere Rauschverhalten aufweist. Man bewertet die Amplitude des Grundrauschens und überprüft mit einer FFT, ob womöglich spezifische Frequenzen besonders häufig auftreten. Es gilt: Der Test stellt kein komplettes Bild der Leistungsfähigkeit der Komponente dar. Doch erhält man eine Aussage über die Nutzbarkeit mit der gewünschten Ausgangsleistung.

Gleichtaktstörung über ein Referenzsignal messen

Es ist wichtig, die Stereokanäle zu vergleichen. Denn Differenzen schaden dem Klang mehr als eine nicht-lineare Verstärkung. Eine Phasenverschiebung führt zu unschönen Ergebnissen. Die Störfestigkeit der einzelnen Komponenten ist ein zentrales Thema. Innerhalb eines Verstärkers übertragen sich Störungen über Masselayer, Spannungsversorgungen und dicht-liegenden Leitungen. Auch hier hilft der Bode-Plot des Oszilloskops.

Die Gleichtaktstörung wird über ein Referenzsignal gemessen, das an einem der Kanäle angeschlossen ist und der Bode-Plot an den nicht angesteuerten Kanälen. Wichtig ist das bei Geräten, die mit unterschiedlichen Spannungsquellen angetrieben werden. Auch wenn sie den Normen entsprechen, unterscheiden sie sich stark von den leitungsgebundenen Störungen. Mit Signalgenerator, Oszilloskop und einem Injektor für die Versorgungsspannung wird geprüft, welche Störungen es in das System schaffen. Diese werden dann gefiltert.

Bei kleinen Eingangsspannungen lässt sich die Messgenauigkeit erhöhen, indem anstatt kleiner Referenzsignale auf Dämpfungsglieder zurückgreift. Ein Beispiel ist die Messung des Frequenzgangs oder der spektralen Reinheit eines Mikrofonverstärkers. Die gesamte harmonische Verzerrung (THD) ist das Verhältnis der summierten Leistung aller Störsignale zum Nutzsignal. Hier reicht ein Oszilloskop nicht aus, aber mit einer FFT kann man die gesamte Signalqualität ableiten. Auch hier gilt es, realistische Bedingungen abzubilden.

Lautsprecher für definierte Frequenzbereiche stellen Töne mit weniger Aufwand gut dar. Ein Paket aus zwei bis drei Lautsprechern und einer Frequenzweiche ist meist günstiger und verfügt über ein besseres Klangbild, als ein Lautsprecher mit ganzem Klangspektrum. Es muss der Frequenzgang der Frequenzweiche mit dem Frequenzgang der Lautsprecher zusammenpassen, wobei ein Bode-Plot unterstützt. Dazu muss die Frequenzweiche belastet sein, wobei zwingend Verstärker und Lasten erforderlich sind. Außerdem muss die Impedanz der Lautsprecher zur Frequenzweiche passen.

Grundregeln zur Frequenzweiche

Bild 6: Beispiel einer guten Anpassung an die Frequenzweiche
Bild 6: Beispiel einer guten Anpassung an die Frequenzweiche
(Bild: Siglent )

Bild 7: Beispiel einer fehlangepassten Frequenzweiche
Bild 7: Beispiel einer fehlangepassten Frequenzweiche
(Bild: Siglent )

An dieser Stelle gilt es ein paar Grundregeln zu beachten. Zuerst muss der Frequenzgang der Frequenzweiche mit dem Frequenzgang der Lautsprecher zusammenpassen. Ein Bode-Plot verschafft wieder schnell die notwendigen Informationen. Eine solche Bewertung lässt sich aber nur durchführen, wenn die Frequenzweiche auch belastet wird. Deswegen sind für solche Messungen zwingend Verstärker und Lasten erforderlich.

Weiterhin muss die Impedanz der Lautsprecher zur Frequenzweiche passen. Es gibt verschiedene Frequenzweichen, die für verschiedene Impedanzen ausgelegt sind. Eine Fehlanpassung führt dazu, dass der Frequenzgang nicht mehr linear ist. Insbesondere treten hier Probleme auf, wenn innerhalb eines Systems Lautsprecher mit unterschiedlichen Impedanzen verwendet werden. Auch wenn die Frequenzweiche für die unterschiedlichen Impedanzen spezifiziert ist, müssen diese zueinander passen. Es kommt ansonsten an den Übergängen zwischen den Frequenzbereichen zu Nichtlinearitäten.

Der Testaufbau für einen Lautsprecher

Ein Lautsprecher als Komponente hat viele Merkmale, die zur Applikation passen muss. Bauform, Material und Gehäuse sind vorgeschrieben. Für den Test der Lautsprecher benötigt man einen Verstärker, der die zu testenden Szenarien durchhält, ohne selbst ein Störfaktor zu sein, und einen Tonsensor mit einem linearen Frequenzgang. Auch hier lassen sich die wichtigsten Informationen aus dem Bode-Plot auslesen. Amplituden- und Phasengang sollen theoretisch stabil sein. Für die Praxis gilt, dass es vor allem zu dem System passen muss. Hat man einen Verstärker, dessen Ausgangsamplitude in den höheren Frequenzen abfällt, wählt man eine Lautsprecherkombination, die das kompensiert. Für eine realistische Bewertung muss auch der Amplitudengang des Sensors oder Mikrofons in die Analyse einfließen.

Neben einem stabilen Frequenzgang muss der Lautsprecher die Töne verzerrungsfrei wiedergeben. Der Test erfolgt mit einer maximalen Ausgangsamplitude des Verstärkers, die durch das komplette Frequenzband des Lautsprechers „sweept“. Das mit dem Tonsensor erfasste Signal wird mit einer FFT verarbeitet und die spektrale Reinheit des Signals geprüft. Bei Verzerrungen kann der Lautsprecher übersteuert sein oder einen gewissen Frequenzbereich nicht klar darstellen. Jeder Lautsprecher wird ab einer gewissen Eingangsamplitude anfangen, die Töne zu verzerren. Hier sollte man die allgemeine Pegelfestigkeit prüfen, indem am Lautsprecher ein Signal anlegt wird, das die maximale Ausgangsleistung des Verstärkers um 5 bis 10% übersteigt. Sollte der Lautsprecher das ohne Verzerrung wiedergeben, sind Probleme durch Fertigungstoleranzen vermieden. Anmerkung: Ein Oszilloskop kann nicht die Signale erfassen, wie mit einem Audioanalysator. Die Impulstreue eines Lautsprechers zeigt, wie lange ein Ton nachhallt oder braucht, um sich einzustellen.

Obwohl von einer Impedanz des Lautsprechers die Rede ist, so hat die keine Impedanz über die gesamte Frequenz. Eine möglichst stabile Impedanz im Nutzbereich ist eine Herausforderung für Designer. Eine steigende oder fallende Impedanz deutet darauf hin, dass manche Töne zu laut und andere wieder gar nicht dargestellt werden. Eine instabile Impedanz bringt einen Verstärker schnell in einen Bereich, in dem er Signale nur noch verzerrt wiedergeben kann. Eine einfache Möglichkeit sich einen Überblick über die Impedanz zu verschaffen, ist mit einem Shunt oder einer sensiblen Stromzange zu prüfen, ob die Stromaufnahme über die verschiedenen Frequenzen stabil bleibt.

Ein Fazit – Die Komponenten müssen harmonieren

Wenn man Audiokomponenten einsetzt, ist es wichtig, dass die verschiedenen Komponenten miteinander harmonieren. Das von der Quelle ausgegebene Frequenzband soll möglichst linear und vollständig wiedergegeben werden. Ob dies in der Kombination, in der die Komponenten verwendet werden, tatsächlich der Fall ist, lässt sich aber selten nur anhand der Informationen im Datenblatt bestimmen.

Einige schnelle Messungen am Prüfling können einem schnell aufzeigen, was man tatsächlich von ihm erwarten kann. Ein gutes Klangbild wird vor allem durch eine vollständige Wiedergabe ohne Verzerrungen ermöglicht. Häufig ist es sogar der Fall, dass günstige Komponenten, wenn sie gut aufeinander abgestimmt sind, ein besseres Ergebnis liefern als deutlich teurere Komponenten, die ohne Abstimmung zu einem System zusammengestellt werden. Hier bieten die Oszilloskope mit integrierter Bode-Plot-Funktion eine günstige aber sehr effektive Lösung.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Messtechnik, Sensorik und Test I der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

Lesetipp

* Patrik Gold arbeitet als technischer Support- und Applikations-Manager bei Siglent.

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