A mobil nézet még fejlesztés alatt!
>> váltás asztali nézetre <<

Mikrofon-előerősítő szimmetrikus vonalbemenetű hangkártyához, akusztikus mérésekre

kép

Előzmény és indíttatás

Régóta tervezett dolog, hogy laptopra helyezem át a mérést, rettentő kényelmetlen volt már, hogy egy számítógépsarokhoz vagyok drótozva. USB-s hangkártya után kellett nézni, és a használt piaci felhozatalból egy E-MU 0202 típusra esett a választás potom 17.000Ft-ért. A hangkártya vonalbemenetein és ASIO drivert használva ámulatbaejtően jó, de mikrofon bemenetről (legalábbis elektrét mikrofonnal) már elég középszintűnek tűnt, és a gain szabályozás miatt kényelmeten is a használata. Bár sok kedvem nem volt a barkácsoláshoz, de végülis muszáj volt: kellett készíteni egy fix erősítésű kb 30mVeff bemeneti érzékenységű elektrét-mikrofon előerősítőt!

A bemutatásra kerülő eszköz elsősorban a fent említett E-MU hangkártyához lett tervezve, de bármilyen stúdiós hangkártyához felhasználható. Mivel a stúdió hangkártyák többnyire szimmetrikus bemenetekkel rendelkeznek, célszerű volt az előerősítő kimenetét is szimmetrikusra tervezni, és egy kettős műveleti erősítővel ez könnyen meg is valósítható. (egyik OPA az erősítő, a másik az invertáló)

Az előerősítő főbb paraméterei és jellemzői:

  • Telepes táplálás 9V-os elemről
  • Automatikus ki/be kapcsolás a mikrofon csatlakoztatásakor (jack aljzat segédérintkezőin)
  • 30mVeff bemeneti érzékenység / 10kΩAC bemeneti impedancia
  • 2.2kΩ-os előfeszítés 4-5V-os egyenfeszre (fantomtáp)
  • 2Veff szimmetrikus kimenet 6.3mm-es jack csatlakozón

A kapcsolási rajz a következő ábrán látható:

kép

A készülék tápellátása 9V-os elemről történik, a bekapcsolás a bemeneti jack segédérintkezőin keresztül valósul meg automatikusan: akkor üzemel, amikor be van dugva a mikrofon. Ez különösen azért volt fontos, hogy ne maradhasson véletlenül bekapcsolva, de ugyanakkor egy folyamatosan világító power on LED-et se akartam felhasználni benne, a minimális fogyasztás és hosszú telepélettartam miatt. Az aszimmetrikus táplálás miatt szükséges egy munkaponti feszültség, melyet egy 4.3V-os zenner állít be, valamint ez lesz az elektrétmikrofon fantomtápja is. A bemeneten DC csatolással egy 2.2kΩ-os ellenállás feszíti elő a mikrofont, majd a C1 csatolókondi után 10kΩ-os ellenállás képezi az AC bemeneti impedanciát. A bemeneti RC-tag felüláteresztő töréspontja 0.34Hz, hogy az egészen alacsony frekvenciák is jól átmenjenek. Az NE5532 duál műveleti erősítő egyik fele erősíti a mikrofon jelét invertáló kapcsolásban, és ez lesz a szimmetrikus kimenet (-) melegpontja is. A visszacsatolásban lévő 330kΩ a bemeneten lévő 10kΩ-al 33-szoros erősítést állít be erre a fokozatra, de mivel a szimmetrizálás feszültségduplázással jár, így az eredő erősítés 66-szoros lesz. Az IC másik fele egységnyi erősítésű invertáló fokozat, mely előállítja a szimmetrikus kimenet (+) melegpontját. 2Veff bemeneti érzékenységet feltételezve a hagkártyán, a mikrofonbement érzékenysége ~30mVeff. Korábbi gyakorlati méréseket, valamit konkrét számításokat alapul véve ez egy jó gyakorlati érték, 5mV/Pa érzékenységű (tipikus elektrét érzékenység) mikrofonnal hangkártya klipphatárnál (0dB digitalizált szinten) elvben 109.63dB hangnyomásig használható, ill. egy 90dB érzékenységű hangsugárzó 1m távolságból történő mérésekor -19.63dB digitalizált szintet mérünk. (fél méterről ugyanez -13.61dB)

Bármilyen mérést is csinálunk PC-n, mindig hagyjunk kellő ráhagyást a mérőjel esetleges kiemeléseinek. Egy hangsugárzó esetén egészen biztosan vannak néhány dB-es egyeletlenségek a mért görbén, és ezek egyike se menjen klipp fölé! (Gyengébb hangszórók esetében még a 12-20dB-es rezonáns kiemelések se ritkák!) A -20dB környéki digitalizált szoftveres jelszint ezért igencsak ideális, és -10dB fölé ne nagyob engedjük a jelszintet, akkor inkább csillapítsunk a mérőjelet! Itt jegyzem meg amúgy, hogy mérőjelből se kell foggal-körömmel ragaszkodnunk a 2,83Veff értékhez, nyugodtan el lehet térni tőle egészséges határok között.

Ugyanakkor figyelemmel kell lenni, hogy az elektrétmikrofon kimenetén megjelenő jelszint erősen függ az őt követő bemenet impedanciájától, gyakorlatilag a kapszula kimenete áramgenerátoros jelleggel üzemel, így a pontos amplitúdókalibrálás nem maradhat el, az akusztikus méréseket össze kell majd vetni ismert érzékenységű hangszórókkal, és korrigálni szükséges a mikrofonérzékenységen!

A kimeneten csatolókondik, soros- és párhuzamos ellenállások vannak. A kondik a 4.3V-os DC munkaponti feszültséget vágják le, a soros ellenállások pedig az IC-t tehermentesítik a kábel reaktív terhelésétől, valamit biztosítják, hogy monó jackdugó csatlakoztatásakor ne essen zérusra a jobb csatorna terhelőimpedanciája az IC kimenetén. A párhuzamos nagyértékű ellenállások a kondik feltöltését segítik, ha esetleg még nincs csatlakoztatva a hangkártya, ill. ha annak (mint jelen esetben is) túl nagy a bemenőimpedanciája. A csatolókondik szintén kellően nagyok a jó alacsonyfrekis átvitel érdekében.

kép

A készüléket egy kis 9V-os elemtartóval rendelkező zsebrádió méretű műanyagdobozkába építettem be, ennek belső méretei szabták meg a nyáklap méretét is. A beültetési rajz a baloldali ábrán látható, a képet letöltve, az 200dpi felbontásban méretarányosan nyomtatható. Fóliaoldal a jobboldali képen található szintén 200dpi felbontásban. Jobb minőségű 600dpi-ben is letölthető, lásd a cikk végén lévő csatolmányokban!

kép

Az alkatrészek zöme a HQ Elektronikában lett megvásárolva, beleértve a dobozt is. A bementi 3.5-es jack egy tévé fejhallgató csatlakozója volt, a korábban említett segédérintkezőin megvalósítható automatikus ki/be kapcsolás miatt. Összeszereléskor figyeljünk, hogy az IC alatt van egy átkötés, valamint a kimeneti ellenállások egy része a 6.3mm-es jack aljzat alatt vannak, így ezeket kell előbb beültetni. Ellenállásokból 1%-os fémréteg típus javasolt, bizonyos pontokon párbaválogatni is lehet (pl. R4-R5 pozíciókba minél egyformábbat). A 100nF-os kondik 50V-os kerámia tárcsakondik, a 47uF-odak jó minőségű elkók. (Sajnos nálam a csomagba 10kΩ helyett 1MΩ-ot raktak, így kénytelen voltam otthoni készletekből 10kΩ-os ellenállásokat keresgélni, de csak 5% tűrésűt találtam, nem túl egyformákat. Ezzel nálam az erősítés kicsit eltér a 66-szorostól, és a szimmetria se tökéletes, de így is használható. Saját tapasztalat még, hogy a 4.3V-os zenner kb 3.5V-ot szolgáltatott, és az 1kΩ felhúzóellenállás 500Ω-ra cserélése se javított rajta érdemben, csak kb egy tizedet. Ezt egy soros 1N4148 diódával korrigáltam. Mindenesetre érdemes többet venni ebből a zennerből, és kikeresni a jó értékűt! Elvben megfelelő ide 3.9, 4.7, 5.0 vagy 5.1V-os is, a lényleg, hogy kb 4V-ot határoljon el a 0 vagy a +9V-tól, de a mikrofon fantomozásához is még jó érték legyen!)

A szerelt nyomtatott áramkör:

A panelt érdemes vasalásos technikával készíteni, bár kézzel se nehéz megrajzolni, nincsenek benne 2,5mm-nél sűrűbb részletek. A 9V-os elemcsatlakozó kivételével nincs huzalozás, egyszerűen és esztétikusan szerelhető. Az elemtartó beforrasztásánál előrelátóak legyünk, a csak simán beforrasztott vezeték néhány elemcsere után megtörhet és leszakadhat. Két megoldás javasolt: Egyik, hogy a vezetéket a fóliaoldalon forrasztjuk úgy, hogy kicsit megkapja a szigetelést is. Én egy kulturáltabb utat választottam; a forrpontokba jumper tüskéket forrasztottam, és erre forrasztottam rá a zsinort, majd egy 2mm-es zsugorcsövet húztam az egészre. Ez jól tart, strapabíró lesz. A hangkártyával való csatlakozáshoz jó minőségű 6mm külső átmérőjű szimmetrikus mikrofonkábelt használjunk, két végén sztereó 6.3mm-es jack-el. Ez lehet gyári szerelt kábel, de én mindenesetre jóminőségű OFC szimmetrikus mikrofonkábelt vettem, és magam forrasztottam rá Jack csatlakozókat. Fontos még megemlítenem, hogy a képen is látható 6.3mm-es jack magasságát tekintve nem fér be a dobozba, de kicsit megfaragva ez orvosolható. Ezt még beforrasztása előtt tegyük meg!

A készülék dobozolva, használatra készen:

Villamos átvitel kalibrálása

Bár az előerősítőnknél mindent megtettünk, hogy az akusztikai mérési tartományban tökéletesen egyenes legyen az átvitel, de a mérési lánc többi tagjára nem feltétlen igaz ez. Elvben az lenne az ideális, ha minden tökéletesen lineáris lenne, legfeljebb csak a mikrofon átvitelével kellene kalibrálni. Sajnos ez nem így van. Még ha mindent meg is teszünk saját eszközeink linearitása érdekében, a hangkártya különféle be- és kimenetei egyáltalán nem biztos, hogy megfelelő linearitással rendelkeznek. Azonban az, hogy minden fokozat linearitását külön-külön ellenőrizzük nem kényelmes, de nem is valósítható meg (pl. a hangkártya ki- és bemenetét összekötő kábellel történő méréskor a ki és bemenet együttes átvitelét mérjük. Hogy ebben mennyit görbít a kimenet, és mennyit a bemenet, azt ebből a mérésből nem tudhatjuk meg) A célravezető tehát az, hogy a teljes zárt villamos lánc átvitelét egy lépésben mérjük meg. Ehhez a méréshez használt végfokozat kimenetét össze kell kötni a mikrofonerősítőnk bemenetével. Nos itt nem kis jelszint- és impedaanciaillesztési problémával kerülünk szembe. (Több voltos jelet vezetünk egy 30mV érzékenységű bemenetre kisimpedanciásan, holott a bemeneten a kapszula erősen áramgenerátoros, nagyimpedanciás forrás) A Probléma könnyen áthidalható, ha a mikrofonerősítő bemenetére egy 100kΩ soros ellenálláson keresztül visszük be a jelet: megvalósítja az impedanciaillesztést, és leosztja a végfok jelét olyan szintre, ami már nem vezérli túl az előerősítőt, valamint a hangkártya vonal bemenetét. Az előerősítő bemenőimpedanciája 2.2X10kΩ, azaz 1.8kΩ, a leosztás aránya így 101.8:1.8 azaz kb 56-od részre oszt le. A 30mV-os jelszintet kb 1.7Veff kimenőjellel érnénk el (végfok kimenetén mért), de kb 1V-os jellel érdemes a mérést végezni. A pontos méréshez használjuk a Steps-szet single ch módban, és ha kell normalizáljuk a görbét 1kHz-re. Frd-be való exportálással megkaptuk a mérőkör villamos kalibrációs fájlját. Mivel azonban az ARTA-ba csak egy kalibrációs fájl vihető be, mégpedig a mikrofoné, így ezt a kapott villamos kalibrációt szozozni kell a mikrofonunk kalibrációs görbéjével, ezt legkényelmesebben az LspLAB szoftverben tehetjük meg, frekvenciafüggvények szorzásával. (Calculator menüpont Multiplied curves almenü) Az eredményt exportáljuk frd-be (fázis nélkül, oda úgy is hazudni fog valamit az LspLAB), majd .mic-re átnevezve máris használható az ARTA-ban kalibrációs görbének. (Ha szükségesnek látjuk, az LspLAB-ban adhatunk rá még egy kis simítást, ill. ellenőrizzük, hogy kb 500Hz-1kHz között 0dB-re van-e normalizálva!)

Használhatóság egycsatornás fázishelyes mérésekhez

Az Impulzusválasz alapú mérések harmadik részében írtam egy relatív fázishelyes mérési módszerről, melynek lelke, hogy a hangkártya vonal ki- és mikrofon bemenete között legyen egy kicsi áthallás, ez akarva-akaratlanul is generál nekünk egy markerjelet a jelfeldolgozó transzformációk végén. Nos felmerült bennem, hogy vajon egy majd egy nagyságrenddel jobb dinamikájú, jel/zaj viszonyú kártyánál, jól elkülönített analóg áramkörök mellett, ráadásul sokkal érzéketlenebb nagyszintű vonalbemenetről lesz-e látható markerjelünk? A válasz, hogy -legalábbis a fenti kártya esetében- igen. Nagyon kicsi, nagyon sokat kell nagyítani a grafikonon, de ott van! Ennek oka pont a sokkal kisebb zajban keresendő: Igaz, hogy az áthallás sokkal kisebb, de a zaj is, így nem vész el a zajban ez a kis tüske. Érdemes amúgy megjegyezni, hogy az E-mu 0202 vonalbemenetei nem egyformán jók, a jobb csatorna kicsit áthallásosabb, mint a bal, így a hangváltós méréseket ezen érdemes végezni.

UPDATE: 2016.04.20

Időközben pótoltam néhány hiányosságot, így pl. rendeltem 10kΩ 1% ellenállásokat, és 10db 4V3 zennert is. Legnagyobb meglepetésemre a 10 zenner mind 3,5-3,7V Uz nyitófesszel rendelkezett 10mA áramon mérve... Érthetetlen. Próbaképpen kicseréltem az IC-t OPA2227 típusra, de jel-zaj viszony szempontból semmi változást nem hozott, annak ellenére, hogy ez az IC lényegesen jobb típus katalógusadat szerint (lehet hamisítványt kaptam?) ellenben a sávszélesség csökkent, és már 20kHz-nél esésnek indult... (tuti hamis példány volt) Zaj szempontjából tapasztaltam, hogy a kontaktok mennyire sokat számítanak. Sajnos a 6,3mm-es sztereó jack dugóim minden elvárást alulmúlóan gyenge minőségüek voltak, forogtak, lötyögtek, kilazult bennük a csőszgecs, az egyikben el is tört, és a dugó hegye beletört az EMU aljzatába... Figyelni kell tehát az ilyen apróságok minőségére, most ezeket is lecseréltem, bosszúból Neutrik gyártmányúakra, ezek sokkal jobbak, robosztusabbak, mint a noname csatlakozók, és sajnos jó drágák is voltak. Sajnos sztereó 6,3mm-es gyári szerelt kábelt sehol nem lehet beszerezni, ami szintén kissé érthetetlen számomra, mindenféle mást (pl. Jack/RCA) viszont van, így lehet, hogy a kezdetben célszerűnek látszó 6.3mm-es jack kimenet nem olyan bölcs döntés, a nyák áttervezésével lehetne pl dupla RCA vagy 3.5 mm-es jack alzatot használni. A 4V3 zenner maradt (mivel a vásárolt további 10 példány se jó) ill. a vele nyitóirányban sorbakötött 1N4148 is. Az előfeszítő ellenállás viszont akkor és most is 500Ω (a forrasztási oldalon is kapott egy 1k-s ellenállást párhuzamosan). Megoldható lenne ebbe a soros körbe egy LED beépítése, és akkor plusz áramfelvétel nélkül lehet bekapcs visszajelzésünk is.

Fontos tapasztalat, hogy bekapcsolás (mikrofon csatlakoztatás) után várjunk legalább 10 mp-et, de inkább fél percig, mire mérésre fogjuk a készüléket! Ugyanis a jól túlméretezett csatolókondik hátránya, hogy lassan kúszik be a készülék a DC nyugalmi állapotába. Erre tesz még egy lapáttal, hogy az IC1a erősítő indulás után nincs egyensúlyban, a C1 csatolót kezdetben a 330kΩ-on keresztül is tölti, miközben tápfeszig kivágja a kimenetét. Ezalatt az idő alatt természetesen a kimeneti csatolók se tudnak a 4.3V-os végértékre töltődni, azon kezdetben túltöltődnek. A lényeg, hogy ezen bekapcsolási tranziensek lefutására biztonságos időt hangyjunk! Végül egy ábrával mutatnám be a készülék (NE5532-vel mért) villamos zajszintjét:

A fenti ábrán a készülék mérés közbeni zajszintjét látjuk. A kimenőjel (ami nem volt) 2.83Veff értéknek megfelelően volt beállítva, vagyis a szabvány szerint 1W-on mért (8Ω) esetben ennyi a villamos zajszint: 10dB, de magasban felmegy 20dB-ig, ill. az 50Hz-es hálózati brumm, ami most az átlagoló simító szűrő miatt 1 oktáv széles. Ha az EMU alján a lift gnd kapcsolóval levaláasztjuk a földkontaktot, akkor árnyalatnyit javul a zajszint, ami viszont sokat számít, az a laptop töltőjének kihúzása, ekkor teljesen eltűnik az 50Hz-es brumm! (ugye elvben szimmetrikus jelátvitel miatt el-liftezjetjük a földet, de ennek ellenére én ezt mérés alatt nem javasolnám) Értékét tekintve az SNR nagyságát úgy foghatjuk fel, hogy pl. egy 90dB SPL mérés alatt 80-70dB SNR körüli értéket kapunk. Ha figyelembe vesszük, hogy 109dB környékén érjük el a klipphatárt, akkor lényegében 100-90dB körül alakul a tényleges értelembe vett jel-zaj viszony (SNR), ami igen csak jó értéknek mondható! (Őszintén szólva kb 70-80dB SNR-t jósoltam előre, szóval ez az érték még engem is meglepett!) Ezt persze meg is mértem, ugyanis kikapcsolt (mindent 1-re és 0-ra állító) amplitúdókalibrálás mellett a kártya digitális klipphatára 0dB-en lesz, és közvetlenül az SNR értéke olvasható ki a grafikonból: SNR mérve Fontos még megemlíteni, hogy a fenti mérés pink zajjal történik, ami magasban vágva van oktávonként -3dB karakterisztikával, így magas tartományban csökken a mérőjel nagysága, amit szoftveresen magasemeléssel kompenzál a mérőprogram, ez ad magyarázatot a magasban monoton csökkenő dinamikavesztésnek, a zaj emelkedésének. Valamint a zaj mérésénél az se mindegy, hogy az FFT ablakba belefoglaljuk-e a kártya Out→In áthallásából (ld. fázishelyes akusztikus mérést, ahol ezt jól ki is használtuk markernek) következő jelet, vagy közvetlenül mögötte vesszük fel az ablakot. Mivel mérésnél ezt a tüske szerű (markernek keresztelt) képződményt kihagyjuk az FFT-ből, így itt is így jártam el, azonban ha bevesszük a mérésbe, akkor látni fogjuk magának az áthallásnak a magasbahúzó karakterisztikáját, és hogy ez mennyit vesz el a mérés dinamikájából. Mindenesetre az előerősítő jel-zaj viszonya bőven elég a szükségeshez, nem ezen áll vagy bukik a mérésünk. Pl. mikrofon csatlakoztatásakor rögtön az akusztikai zaj lesz a sarokpont, hogy mennyire csendes a mérésre használt helység.

Mégegy fontos megjegyzés: az ARTA frekvenciamenet ablakának menüjében View/Sound pressure units értéket állítsuk 20uPa/2.83V értékre, csak ekkor méri azt az SPL értéket, amit várunk tőle (Egyszer egy újratelepítés után két napig kerestem az okát, hogy a bekalibrált SPL szintem mért mászott el 11dB-t...)

Csatolmányok:

Fontosabb anyagok lelőhelye:

Az apróságokat (ellenállások) és egyértelmű dolgokat (pl jackdugó) nem részletezve!