Uniwersalna przystawka pomiarowa komputerowej karty dźwiękowej

Komputerowa karta dźwiękowa może być znakomitym narzędziem pomiarowym w pracowni elektronika. Niniejszy artykuł prezentuje koncepcję realizacji prostej przystawki pomiarowej o szerokich możliwościach i dużej precyzji. Jest to projekt edukacyjny, sygnalizujący ogromne możliwości, jakie można uzyskać przy zastosowaniu dobrej karty dźwiękowej i tego rodzaju, tylko bardziej dopracowanej przystawki buforowej.

Komputerowa karta audio w połączeniu z odpowiednim programem ma naprawdę ogromny potencjał pomiarowy, ale po informacjach z artykułu MR081 i następnych  słusznie zauważyliśmy, że źródłem poważnych błędów może być nie tylko nieduża oporność wejściowa wejścia Line In, ale też znaczna oporność wyjściowa i mała wydajność prądowa wyjścia Line Out. Na przykład przy pomiarze impedancji mała rezystancja wzorcowa R_S i mała impedancja badana Z_X spowodują silne obciążenie wyjścia Line Out. Znaczna oporność wyjściowa wyjścia Line Out spowoduje nie tylko zmniejszenie amplitudy, ale może też silne zwiększyć zniekształcenia nieliniowe.

Dlatego nie tylko do pomiaru impedancji, ale i do innych zastosowań, warto do karty dźwiękowej dobudować bufory. Bufor wyjściowy powinien mieć małą impedancję wyjściową i możliwie dużą wydajność prądową. Bufor wejściowy powinien mieć dużą oporność wejściową.

Oprócz bardzo dokładnego pomiaru impedancji, taka karta dźwiękowa pozwala też precyzyjnie mierzyć charakterystyki częstotliwościowe najróżniejszych czwórników. Karta dźwiękowa może też pełnić funkcję precyzyjnego generatora przebiegów o rozmaitych kształtach oraz bardzo niskoszumnego oscyloskopu. Znajdzie również inne zastosowania, choćby do określania charakterystyk Bodego, mających związek ze stabilnością i skłonnością do samowzbudzania. Niestety, karty dźwiękowe większości dzisiejszych komputerów nie mają podwójnego wejścia liniowego Line In (kanał lewy i kanał prawy), a jedynie pojedyncze wejście dla mikrofonu elektretowego. Opisywana przystawka przeznaczona jest dla karty dźwiękowej, mającej dwukanałowe wejście Line In – w praktyce dla zewnętrznych kart dźwiękowych dołączanych poprzez USB.

Roboczy zakres częstotliwości na pewno obejmuje 20Hz … 20kHz, czyli pasmo audio. Po samodzielnej przeróbce karta audio może mierzyć także napięcia stałe. Większość kart zewnętrznych ma możliwość zwiększenia częstotliwości taktowania do 96kHz, co pozwala mierzyć w paśmie do 48kHz, a nieliczne nawet w paśmie do 96kHz (o ile na wejściu nie ma filtru antyaliasingowego o stałej częstotliwości granicznej nieco ponad 20kHz). Dlatego opisana dalej przystawka powinna mieć pasmo przenoszenia co najmniej 0…100kHz.

Zestaw czterech buforów współpracuje z kartą dźwiękową, która jest dołączona do gniazda USB komputera, a konkretnie laptopa. W komputerze pracuje program (freeware), realizujący pomiary. Do drugiego gniazda USB dołączona jest przetwornica zasilająca przystawkę napięciem symetrycznym.

Jak pokazuje rysunek 1, daje to autonomiczny przyrząd, a nawet system pomiarowy, który może być zasilany z akumulatora w laptopie, a to oznacza całkowite oddzielnie od sieci energetycznej, która jak wiadomo, jest źródłem różnych zakłóceń.

Opis układu

Potrzebne bufory najprościej można zrealizować z użyciem wzmacniaczy operacyjnych według prostej idei z rysunku 2.

Ale na pewno nie na popularnych LM358, co niestety jest zalecane w licznych źródłach dostępnych w Internecie, a nawet w artykułach w poważnych czasopismach.

Wybór jest szeroki. Jeżeli nie zależy nam na najwyższych możliwych parametrach, bufory wyjściowe warto zrealizować na bardzo dobrym, popularnym i tanim wzmacniaczu operacyjnym NE5532. Z kolei chcemy, by bufory wejściowe miały jak największą oporność, wyznaczoną przez wartość rezystorów polaryzujących R_I, dlatego trzeba tu koniecznie zastosować wzmacniacz operacyjny z tranzystorami polowymi na wejściu, na przykład popularny i tani TL072. W buforze wejściowym przy dużej wartości R_I nie może to być NE5532 z uwagi na duży wejściowy prąd polaryzujący, a także bardzo duże tzw. szumy prądowe. Tym bardziej nie może to być LM358, który w zastosowaniach audio ma wręcz fatalne parametry. W wersji budżetowej warto zastosować właśnie TL072 o przyzwoitej katalogowej gęstości szumów napięciowych 15 nanowoltów na pierwiastek z herca, ale w razie potrzeby można też wykorzystać popularniejszą kostkę TL082, która ma trochę większe szumy. Później zajmiemy się także możliwością i sensem wykorzystania dużo lepszych wzmacniaczy, jak na przykład w buforze wyjściowym audiofilskiej kostki OPA2134 z wejściami JFET o szumach napięciowych 5nV/√Hz i zniekształceniach 0,00008%  czy w buforze wyjściowym bipolarnego LME49720 o szumach 2,7nV/√Hz i zniekształceniach 0,00003%.

Teoretycznie tego rodzaju bufory mogłyby być zasilane napięciem pojedynczym, jednak w przypadku kostek NE5532 i TL072, którym bardzo daleko do wzmacniaczy rail-to-rail, musiałoby ono być znacząco wyższe niż dostępne w każdym gniazdku USB 5V, a ponadto dałyby o sobie znać kłopoty ze sztuczną masą. Także z jeszcze innych względów zasilanie powinno być symetryczne.

Ja zrealizowałem bardzo prostą przystawkę zasilaną napięciem symetrycznym według rysunku 3, gdzie z danej pary (kanał prawy i lewy) pokazany jest tylko jeden kanał.

Ważnymi elementami są kondensatory ceramiczne C1, C2 oraz C3, C4, które umieszczone są blisko obu układów scalonych. Dodatkowo zasilanie całości filtrują dwa elektrolity o stosunkowo dużej pojemności 100uF.

W torze wyjściowym rezystor R1 polaryzuje wejście wzmacniacza U1 typu NE5532, co zapewnia  właściwy stan spoczynkowy oraz brak stuków przy dołączaniu karty. Wartość rezystora R1 nie jest krytyczna i może wynosić 1kΩ…100kΩ. Na wyjściu tego wzmacniacza dodany jest prościutki wzmacniacz prądu z tranzystorami mocy T1, T2. Ja wykorzystałem BD243/BD244, ale mogą tu być zastosowane dowolne komplementarne tranzystory mocy (zwykłe, a nie darlingtony). Gdy jumper Z1 zwiera rezystor R2 i złącza baza-emiter tranzystorów, wtedy ten wzmacniacz prądu jest wyłączony – tak jakby go nie było. Rozwarcie Z1 powoduje, że przy małych napięciach i prądach wyjściowych, prąd do obciążenia jest dostarczany tylko z wyjścia wzmacniacza operacyjnego przez rezystor R2. Przy małych prądach dodatkowe tranzystory T1, T2 nie pracują, jednak rezystancja wyjściowa wcale nie jest wtedy wyższa o wartość R2. Dynamiczna rezystancja wyjściowa jest znikoma, ponieważ w każdym przypadku zmniejsza ją pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego. Jeżeli jumper Z1 jest zdjęty, tranzystory pracują przy silnych sygnałach: gdy chwilowy prąd wyjściowy staje się większy niż około 10mA, wywołuje on na rezystorze R2 spadek napięcia około 0,68V, co otwiera jeden z tranzystorów. Zdecydowanie zwiększa to wydajność prądową bufora, nawet do ponad 1 ampera. Pozwala to pracować z bardzo małymi rezystancjami obciążenia, rzędu kilku omów, a nawet 1 oma.

Sygnał sprzężenia zwrotnego podawany jest z wyjścia bufora przez przełącznik – zworę Z2. Założenie jumperka na „prawe” kołki, jak na rysunku 3, daje wtórnik o wzmocnieniu dokładnie 1×. Przełożenie jumperka na „lewe” kołki daje wzmacniacz o wzmocnieniu około 11×. Może to być przydatne w niektórych zastosowaniach, gdy do testów potrzebny jest sygnał większy, niż może dać wyjście karty dźwiękowej.

Bufor wejściowy z kostką U2 typu TL072 standardowo ma rezystancję wejściową 1MΩ – taką jak wartość rezystora R5. Wzmacniacz TL072 ma znikomy prąd polaryzacji wejścia, typowo w temperaturze pokojowej 20pA, max. 200pA. Dlatego rezystancja R5 może być większa i wynosić np. 10MΩ albo jeszcze więcej – prąd 20pA wywoła na rezystancji 10MΩ spadek napięcia tylko 0,2mV. W moim modelu standardowo będzie zastosowana podana na schemacie i w spisie wartość, ponieważ jeśli ten moduł miałby kiedyś pracować w roli oscyloskopu, to powinien mieć rezystancję właśnie 1MΩ, co pozwoli bez większego problemu dołączać typowe bierne sondy oscyloskopowe 1:10 i 1:100.

W moim modelu najpierw rezystory R5 w obu kanałach wlutowałem w płytkę. Jednak po kilku dniach, w związku z testami jeszcze jednego interesującego darmowego programu do pomiaru impedancji, zdecydowałem się je zdemontować, w płytkę wlutować gniazda goldpinowe, a rezystory R5 dołączać za pomocą goldpinów. Stąd na rysunku 3 dorysowana później zielona strzałka i zielone oznaczenie gniazda G2.

W zdecydowanej większości zastosowań wejście przystawki będzie sprzężone zmiennoprądowo przez kondensator C7. Wartości elementów C7, R5 dają dolną częstotliwość graniczną 0,16Hz, czyli dużo poniżej pasma akustycznego. Wartość C7 można zmniejszyć, na przykład do 100nF, co da trzydecybelowe pasmo 1,6Hz. W każdym razie kondensator C7 powinien być foliowy – całkowicie wystarczy popularny MKT (poliestrowy), naprawdę nie ma potrzeby stosowania audiofilskich polipropylenowych.

Do ewentualnych późniejszych eksperymentów z oscyloskopem i przeróbkami karty dźwiękowej przewidziano też możliwość sprzężenia stałoprądowego po założeniu jumperka Z3.

Układ scalony U2 zawsze ma być buforem o wzmocnieniu 1, a nie wzmacniaczem, jednak w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego przewidziałem gniazdo G1, które normalnie będzie zwarte. Zostało dodane w związku z przewidywanymi, ewentualnymi eksperymentami z oscyloskopem i być może będzie później wykorzystane do przesuwania poziomu spoczynkowego napięcia stałego. Ja wykorzystałem tu tzw. gniazdko goldpinowe i samodzielnie wykonaną zworkę, ale w roli G1 mogą też pracować dwa kołki goldpinowe plus jumper.

W zasadzie w układzie można zastosować popularne rezystory o tolerancji 5%. W przypadku przede wszystkim R5, ale także R3, R4 można się zastanowić, czy nie zastosować lepszych, o tolerancji 1% i do tego dobieranych za pomocą omomierza, by oba kanały wejściowe miały identyczne parametry. Może się to wydać niepotrzebne w takiej prostej przystawce, ale jak się okazuje, pomiary za pomocą karty dźwiękowej mogą być zaskakująco precyzyjne i w niektórych przypadkach idealnie jednakowe parametry kanałów lewego i prawego mogą się okazać pożądane. Ja jedynie w roli R5 zastosowałem lepsze rezystory 1MΩ 1% (ale nie dobierałem jednakowych C7 w obu kanałach z uwagi na małą ich reaktancję w roboczym pasmie częstotliwości w porównaniu z rezystancją R5).

Ogranicznik napięcia. Na wyjściu wzmacniacza U2 dołączony jest obwód ogranicznika napięcia z rezystorem R6 i dwiema niebieskimi diodami LED. Jest on niezbędny! Został dodany jako ochrona dla wejścia liniowego karty dźwiękowej, co jest konieczne, zwłaszcza w przypadku użycia kosztownych kart wysokiej jakości. Więcej informacji na ten ważny temat jest przedstawionych w drugiej części artykułu oznaczonej MR085. A teraz…

Montaż i uruchomienie

Do eksperymentalnej przystawki nie przewidywałem dedykowanej płytki drukowanej. Ja układ z rysunku 3 zmontowałem bardzo prosto, na płytce uniwersalnej – porządnej płytce „dwustronnej” z metalizowanymi otworami na laminacie szklano-epoksydowym FR-4, jak widać na fotografii 4.

W przypadku tego prostego, ale bądź co bądź precyzyjnego układu pomiarowego z dwóch względów stanowczo odradzam tanie płytki uniwersalne, też z miedzianymi padami z obu stron, ale bez metalizacji otworów i na laminacie papierowo-fenolowym. Dla porównania taką dużo gorszą, i dużo tańszą, płytkę też widać na fotografii 4 w roli podkładki.

Przed odcięciem fragmentu płytki z grubsza rozrysowałem na papierze w kratkę rozmieszczenie elementów w skali 2:1, żeby zorientować się, jaka szerokość płytki jest minimalna. W przypadku układów audio rozmieszczenie elementów nie jest krytyczne, bo pasożytnicze pojemności i indukcyjności w zakresie do 100kHz niewiele dają o sobie znać. Trzeba jednak podkreślić, że jest to bardzo prosta przystawka i jej właściwości nie są optymalne. W szczególności może wystąpić niewielki przesłuch między kanałami, który nie przeszkadza w prostych pomiarach, ale może mieć znaczenie, jeśli potrzebne są najwyższe wszystkie parametry. Wtedy trzeba optymalizować układ, głównie pod kątem minimalizacji przesłuchów międzykanałowych, co w wersji z elementami THT spowoduje zwieszenie rozmiarów płytki i może oznaczać nawet konieczność ekranowania poszczególnych torów.

Montaż elementów jest w sumie prosty. Warto jednak wstępnie przymierzyć elementy i unikać pomyłek, bo wylutowanie elementów z metalizowanych otworów naprawdę bywa kłopotliwe. O ile wstępne wlutowanie samych elementów (bez obcinania ich końcówek) trwa krótko, o tyle potem trzeba poświęcić sporo czasu, żeby od strony lutowania wykonać wszystkie potrzebne połączenia – większość z wykorzystaniem drucianych końcówek już wlutowanych elementów.

Przy takim montażu na płytce uniwersalnej bardzo łatwo o pomyłki, dlatego przed włożeniem w podstawki układów scalonych należy starannie skontrolować wszystkie połączenia, podłączyć zasilanie (±5V…±6V) i sprawdzić, czy napięcia zasilające występują we właściwych punktach.

Przed finalnym uruchomieniem trzeba pozakładać jumperki na goldpiny Z1, Z2 oraz włożyć zworę w gniazdo G1. W gniazda G2 w obu kanałach wejściowych trzeba włożyć goldpiny z przylutowanymi rezystorami 1MΩ. Zworki Z3, Z4 pozostawiamy rozwarte.

U mnie po dwukrotnym starannym skontrolowaniu montażu układ prawidłowo pracował od razu.

Jak widać na fotografiach, w moim pierwotnym modelu duża część płytki została niewykorzystana, ale nie odcinałem jej, przewidując możliwość dodania pewnych obwodów przy wstępnie planowanych eksperymentach z oscyloskopem bazującym na karcie dźwiękowej.

Z uwagi na ryzyko zakłóceń, planowana docelowo do zasilania przetwornica impulsowa, wytwarzająca napięcie symetryczne dla przystawki, raczej nie powinna być montowana na płytce w pobliżu buforów, tylko ma być umieszczona w znacznej odległości, gdzieś blisko gniazda USB. Stąd u mnie trzy dość długie przewody zasilające. Różne interesujące możliwości zasilania tej i podobnych przystawek mogą zostać opisane oddzielnie. Podczas większości testów ja zasilałem przystawkę napięciem ±5V z dwóch zasilaczy liniowych z kostkami 7805 i LM317.

Wykaz elementów umieszczony na tej stronie w ramce obok nie obejmuje  zewnętrznych połączeń punktów sygnałowych wejściowych i wyjściowych. Ja połączenia z kartą dźwiękową zrealizowałem za pomocą przeciętego na pół fabrycznego metrowego kabla stereo z końcówkami RCA (cinch).

Jak widać, na wyjściach bufora wyjściowego z NE5532 wlutowałem „gołe” gniazda – tulejki pod zgrabne „małe bananki” 2mm (najpopularniejsze „bananki” mają średnice 4mm). Końcówkami wejściowymi bufora wejściowego są u mnie pojedyncze kołki – goldpiny (plus 2 goldpiny masy między kondensatorami C7A, C7B).

Wykaz elementów (bez połączeń zewnętrznych)

C1…C4 100nF ceram.

C5, C6 100uF/25V

C7A, C7B 1uF foliowy

R1A, R1B,R3A,R3B 10kΩ

R2A, R2B 68Ω

R4A, R4B,R6A,R6B 1kΩ

R5A,R5B 1MΩ

LED1A,LED2A,LED1B,LED2B niebieskie

T1A, T1B BD243 lub podobny NPN

T2A, T2B BD244 lub podobny PNP

U1 NE5532

U2 TL072

Z1A,Z1B,Z3A,Z3B,Z4A,Z4B 2 piny (goldpin + jumper)

Z2A,Z2B 2 piny (goldpin + jumper)

G1A,G1B, G2A, G2B 2 piny (gniazdo goldpinowe + zwora)

podstawka precyzyjna – 2szt

płytka uniwersalna FR4 z metalizowanymi otworami

Adaptery i przewody

Opisywana przystawka buforowa z jednej strony będzie dołączona do karty dźwiękowej. Z drugiej strony przystawki dołączane będą różne badane obwody i układy. Dlatego przewidziane są tu połączenia rozłączne.

Przystawka między innymi będzie służyć do pomiaru impedancji elementów. Jej budowę planowałem od dawna, ale powstała teraz głównie na potrzeby praktycznej części ważnego cyklu na temat niedoskonałości elementów (artykuły wstępne o numerach od ER001).

Potrzebny do pomiaru elementów RLC adapter zbudowałem według schematu z rysunku 5.

Taka konfiguracja pozwala łatwo przeprowadzić pomiary z użyciem opisywanego programu REW, do którego będziemy wracać.

Mój model adaptera RLC pokazany jest na fotografii 6.

Jak widać, dla wygody rezystor odniesienia R_S jest montowany w złączu śrubowym ARK3 5mm, co pozwala na jego stosunkowo łatwą wymianę.

Natomiast do badania czwórników za pomocą tej przystawki wystarczą kabelki – fotografia 7.

Do badania charakterystyk Bodego wzmacniaczy i zasilaczy potrzebny będzie „niskoomowy” adapter z izolacją galwaniczną, wprowadzający maleńki sygnał testowy do mierzonego systemu.

A do przewidywanych zastosowań karty dźwiękowej w roli oscyloskopu niewątpliwie potrzebne będą dodatkowe, współpracujące z 1-megaomowymi  wejściami, wysokoomowe tłumiki, które zapewne będą wymagać kompensacji częstotliwościowej. Z kolei do pracy w roli warsztatowego generatora bufory wyjściowe z NE5532 trzeba będzie wyposażyć w dodatkowe tłumiki niskoomowe, zapewne o rezystancji charakterystycznej 50Ω. Bufory wyjściowe przystawki mają znikomą impedancję wyjściową, a większość generatorów laboratoryjnych ma rezystancję wyjściową właśnie 50Ω. To tematy na oddzielne artykuły.

 

Ogranicznik napięcia

Wcześniej stwierdziliśmy, że dla ochrony wejść współpracującej karty audio niezbędny jest obwód ogranicznika. Oto szczegóły.

Problem w tym, że skuteczne obwody chroniące wejścia przed uszkodzeniem powinny zawierać szeregowy rezystor i przez to niestety zwiększają szumy. Wprawdzie wejścia Line In karty prawdopodobnie wytrzymają obecność sygnału wejściowego powodującego silne przesterowanie. Ale nie wiadomo, jak dużego. Wygląda na to, że w niektórych kartach prawdziwych zabezpieczeń nie ma, a odporność na zbyt duże sygnały wejściowe określa maksymalny prąd, jaki w sytuacji awaryjnej może popłynąć do linii zasilania przez pasożytnicze diody wejściowego układu scalonego .

Problem w tym, że nie sposób znaleźć szczegółowych schematów większości kart audio. A obwody wejść Line In są budowane w bardzo różny sposób. Sygnał z nich jest podawany bez wzmacniania na wejście przetwornika ADC, ale nie bezpośrednio. Najczęściej przez jakieś wtórniki ze wzmacniaczami operacyjnymi, a ponieważ zwykle są to symetryczne wejścia ADC, także przez jakieś obwody symetryzujące, też z co najmniej jednym wzmacniaczem operacyjnym. Często w takim torze są jakieś przełączniki: albo przekaźniki, co jest znakomitym rozwiązaniem, albo przełączniki elektroniczne – klucze analogowe, co może nieco obniżyć parametry z uwagi na nieliniowość takich kluczy. Przykładem są znalezione gdzieś w sieci informacje na temat budowy obwodów wejściowych karty Sound Blaster X-Fi SB1240 – uproszczony tor sygnału jest pokazany na rysunku 9.

Fotografia 10  pokazuje płytkę w okolicy gniazd – wejść Line In / Phono. Maleńkie układy scalone oznaczone GAD SAP to klucze elektroniczne Renesasa (d. Intersil) ISL54405. Wygląda na to, że wejściowy klucz ISL54405, a także wejście wzmacniacza LM33078 we wzmacniaczu gramofonowym (PHONO) nie są niczym zabezpieczone.

W kartach innych producentów budowa jest zupełnie inna.

Fotografia 11 pokazuje wnętrze dobrej jakości, ale sprawiającej duże kłopoty karty ASUS Xonar U5, gdzie jest jedno wejście minijack (3,5mm), które może pełnić albo funkcję stereofonicznego wejścia Line In, albo wejścia mikrofonowego. W okolicach tego wejścia są jakieś nieoznaczone elementy SMD, ale nie wiadomo, jaką grają rolę.

Karty audio USB z reguły zasilane są pojedynczym napięciem 5V z gniazda USB. Opisywana przystawka buforowa standardowo ma być zasilana napięciem symetrycznym ±5V…±6V. Oznacza to, że na wyjściu wzmacniacza U2 mogą się pojawić napięcia zmienne o wartości międzyszczytowej rzędu 10V (na przykład podczas przesterowania czy samowzbudzenia systemu). Podanie takiego maksymalnego napięcia zmiennego na wejście karty dźwiękowej stwarza jakieś ryzyko uszkodzenia niezabezpieczonego wejścia Line In. Ryzyko niezbyt wielkie, ale nie można go wykluczyć. Wydajność prądowa wyjścia TL072 w naszej przystawce to co najmniej kilkanaście miliamperów (według katalogu zwarciowy prąd wyjściowy to typowo 40mA, maksymalnie 60mA), więc lepiej dmuchać na zimne. Co istotne, przystawka w razie potrzeby może być zasilana wyższym napięciem, do ±18V, bo tyle wytrzyma TL072 (NE5532 ma zakres napięć zasilania do ±22V i większy prąd wyjściowy). W roli U2 być może będą zastosowane wzmacniacze o większym prądzie wyjściowym. Żeby znaczne napięcia i prądy zmienne na wyjściu U2 nie uszkodziły wejścia Line In karty dźwiękowej, dodany jest obwód z rezystorem R6 i diodami LED. Nieprzypadkowo z diodami niebieskimi.

Na marginesie: podczas zbierania materiałów na temat nietypowego wykorzystania kart dźwiękowych do pomiarów, na kilku stronach internetowych znalazłem nieliczne wzmianki o potrzebie ochrony wejść przed zbyt dużym sygnałem. Większość napisana przez osoby słabo rozumiejące szczegóły. Niektóre twierdzenia i rady mogły wprowadzić w błąd. Na przykład ktoś radził, żeby na wejściu zamontować dwie połączone równolegle-przeciwsobnie… diody Schottky’ego. Dałoby to schemat zastępczy jak pokazuje rysunek 12.

Rysunek 13 pokazuje typowe charakterystyki popularnych 200-miliamperowych diod Schottky’ego BAT42/BAT43. Zapewne w ograniczniku będą one pracować w temperaturze pokojowej. A wtedy typowe napięcie potrzebne dla uzyskania prądu przewodzenia 10uA wyniesie około 150mV. Oznacza to, że sygnały zmienne o wartości szczytowej 150mV (międzyszczytowej 300mV) spowodują przewodzenie takich diod w szczytach sygnału, popłynie znaczny prąd, a to spowoduje spłaszczenie wierzchołków, czyli powstanie zniekształceń nieliniowych. Wielkość tak wprowadzonych zniekształceń będzie w niewielkim stopniu zależeć od rezystancji wewnętrznej źródła sygnału R_W.

Tymczasem na wejścia liniowe podajemy sygnały o napięciu międzyszczytowym ponad 2V! Diody Schottky’ego obetną takie sygnały w stopniu absolutnie niedopuszczalnym. Z ogranicznikiem „szotkiego” według rysunku 4 maksymalne napięcie międzyszczytowe sygnału musiałoby być mniejsze niż 300mV, co może miałoby sens dla czułego wejścia mikrofonowego, ale nie liniowego. Jednak i na wejściu mikrofonowym lepiej byłoby raczej włączyć ogranicznik o większym napięciu obcinania, choćby ze zwykłymi diodami krzemowymi. Wejścia mikrofonowego nie wykorzystuje się do przeprowadzania wysokiej jakości pomiarów audio, ponieważ zawsze wbudowany tam wzmacniacz mikrofonowy ma gorsze właściwości niż wejścia Line In.

Do pomiarów trzeba wykorzystywać wejścia Line In i chronić je przed zbyt dużymi sygnałami, które mogłyby uszkodzić obwody wejściowe. A zakres roboczych napięć na wejściach Line In sięga co najmniej 1V_RMS, czyli 2,82Vpp, zwykle więcej, nawet do 4Vpp. Czyli ogranicznik powinien reagować dopiero przy sygnałach o wartości międzyszczytowej około 4…5V.

Wprawdzie do większości pomiarów nie są potrzebne karty dźwiękowe o najwyższej jakości, o znikomych szumach i zniekształceniach nieliniowych, jednak przewidując takie potrzeby, w opisywanej przystawce pod wzmacniacze U1, U2 przewidziano podstawki (precyzyjne), co pozwala też wykorzystać inne wzmacniacze operacyjne, o lepszych parametrach. A wtedy, jeżeli zniekształcenia mają być jak najmniejsze, przy roboczych poziomach sygnałów ani trochę nie powinny przewodzić diody LED w ograniczniku. Zbadałem więc, przy jakim napięciu diody zaczynają przewodzić. Jak wiadomo, prąd diod, także diod LED wykładniczo wzrasta w funkcji napięcia. Problem dotyczy urządzeń, które mają zniekształcenia rzędu setnych i tysięcznych części procenta, a nawet mniejsze, więc jako „początek przewodzenia” ostrożnie przyjąłem prąd o znikomej wartości 0,1 mikroampera. Sprawdziłem, że posiadane (niedawno kupione) małe czerwone, żółte i zielone diody LED taki prąd mają przy napięciu przewodzenia 1,4…1,5V (starsze diody były produkowane inaczej i najprawdopodobniej mają niższe napięcia przewodzenia). Przez diody białe, a ściślej przez ich niebieskie struktury, prąd 0,1uA płynie przy napięciu około 2,0V. Natomiast spośród posiadanych diod niebieskich, z dużej ich liczby (fotografia 14) wybrałem egzemplarze, które w temperaturze pokojowej mają prąd 0,1uA przy napięciu 2,30V (przy wzroście temperatury otoczenia napięcie przewodzenia zmniejsza się o 1…5mV/°C).

Sprawdziłem też, że użyte egzemplarze przy prądzie 10mA mają napięcie przewodzenia około 3,0V. Oznacza to, że mój ogranicznik bez żadnych zniekształceń nieliniowych powinien przepuścić sygnały o wartości międzyszczytowej do 4,6V. Natomiast w razie przeciążenia (przesterowania lub samowzbudzenia systemu) napięcie na diodach LED ogranicznika z rezystorem R6 = 1kΩ nie powinien przekroczyć 6Vpp, a ewentualny prąd – kilku miliamperów, co na pewno nie uszkodzi wejścia Line In współpracującej karty dźwiękowej.

Pierwotnie wlutowałem R6 o wartości 220Ω. Po wstępnych testach zmieniłem R6 na 1kΩ i dodałem zworkę Z4. Otóż (zgodnie z oczekiwaniami) okazało się, że obecność szeregowego rezystora ochronnego R6, nawet niewielkiego 220-omowego, zauważalnie zwiększa nie tylko szumy, ale też zniekształcenia wejścia Line In karty. A przystawka, choć prosta, według założeń może też być wykorzystana do bardzo precyzyjnych pomiarów sprzętu wysokiej jakości. Wtedy trzeba minimalizować wszelkie zniekształcenia i szumy.

Idea jest taka, że normalnie przystawka ma pracować bez zworki Z6, a w razie potrzeby przy najdokładniejszych pomiarach można tę zworkę założyć – ale tylko na czas właściwego pomiaru, po wstępnych testach i ustawieniu prawidłowych, bezpiecznych poziomów napięć. Zwarcie R6 nie oznacza całkowitego braku zabezpieczenia, bo ograniczające diody LED pozostają, ale przy większych prądach wyjściowych wzmacniacza operacyjnego napięcie ograniczania na diodach będzie większe, może przekroczyć 7Vpp, a w skrajnych przypadkach możliwe byłoby przepalenie LED-ów zbyt dużym prądem wyjściowym U2.

Rysunek 15 pokazuje poziomy szumów oraz zniekształceń z rezystorem R6 (1kΩ)  W sumie zniekształcenia i szumy (parametr THD+N) to tylko 0,047%, a same zniekształcenia nieliniowe THD to 0,044%.

Zdecydowanie podkreślam, że w ogromnej większości zastosowań nie ma potrzeby zwierania rezystora R6, bo jego obecność oznacza skuteczniejsze działanie ogranicznika przepięć z diodami LED, a minimalizacja szumów i zniekształceń jest niezbędna tylko w nielicznych pomiarach.

Zniekształcenie poniżej pięciu setnych procenta można uznać za bardzo małe, ale zwarcie rezystora R6 znacząco polepsza sytuację, jak pokazuje rysunek 16.

Jak widać, współczynnik THD+N zmniejsza się do 0,018%, a same zniekształcenia nieliniowe THD do bardzo dobrej wartości 0,0076%! Zaskakująco duży okazuje się więc wpływ szeregowego rezystora 1kΩ – być może z uwagi na to, iż na wejściu Line In używanej do tego testu karty SB1240 pracują klucze analogowe ISL54405, których rezystancja nie jest idealnie liniowa. Niemniej jak na tanie kostki NE5532 i TL072, które można kupić po złotówce, takie parametry naszej przystawki można uznać za bardzo dobre!

Nie da się ich radykalnie poprawić przez wymianę wzmacniaczy operacyjnych, ponieważ rysunek 5 pokazuje sumaryczne zniekształcenia i szumy nie tylko przystawki, ale też użytej karty dźwiękowej. To odrębny interesujący temat, do którego możemy wrócić.

Opisana przystawka ma charakter edukacyjny: jest zrealizowana bardzo prosto i jej projekt nie był optymalizowany. Osoby zainteresowane tematem, w tym realizacją podobnej przystawki o jeszcze lepszych parametrach mogą do mnie w tej sprawie napisać na stronie Zapytaj, Odpowiedz.

Piotr Górecki