דילמת האודיו: חיבור Floating Ground או חיבור Balanced?
13 ספטמבר, 2011
נתח האודיו החדש, Agilent U8903A, מגיע עם חיבורי BNC ו-XLR. בנוסף לתכונותיו המיוחדות, הוא מספק מענה לצרכים המיוחדים של המשתמשים שהתרגלו לנתח המיתולוגי HP8903B
נתח האודיו Agilent U8903A, מגיע עם חיבורי BNC ו-XLR ומספק מענה לצרכים המיוחדים של המשתמשים שהתרגלו לנתח המיתולוגי HP8903B, שיצא לשוק לפני 30 שנה
מאת: Chew Kah Meng, Agilent Technologies
כאשר חברת Hewlett-Packard הציגה בשנת 1980 את ה-Audio Analyzer הראשון (HP 8903B), הוא קבע שיא בניתוח Audio, במיוחד בתחום המטרולוגיה, בזכות הדיוק הגבוה של מקור האות לתדרים נמוכים (דוגמת תדרי אודיו).
בשלושת העשורים שחלפו מאז, הוכפלו האתגרים: רוב נתחי האודיו בשוק כבר אינם מספקים יכולת Floating Ground, והמשתמשים מתקשים לעבור לנתח אודיו חדש, בגלל תצורת מערכי הבדיקה שלהם. מאמר זה מציע פתרון מצויין עבור המשתמשים הנאמנים ל-HP 8903B, אשר זקוקים לפתרונות חדשים.
אדמה צפה… ושקטה
חיבור בתצורת אדמה צפה (Floating Ground) או בתצורה לא-מוארקת (Ungrounded Connection) מתייחסת לאופן החיבור של מעגל אלקטרוני שאינו מוארק. תצורת אדמה צפה יעילה בהקטנת שגיאות מדידה הנגרמות על-ידי Ground Loop Noise ומסייעת להפחית רעשי תדר נמוך, דוגמת רעשי רשת החשמל. בניתוח אודיו ניתן להשיג זאת כאשר המקור (Source) ומבוא הנתח (Analyzer) מחוברים בתצורת אדמה צפה.
לפני 30 שנה יישם אותה HP 8903B באמצעות בידוד מוליכי המעגל מהארקת המארז. ל-HP 8903B היו רק מחברי BNC שאיפשרו חיבור כבלים מסוככים שסייעו לצמצם את ההפרעות האלקטרומגנטיות (EMI). המוליך החיצוני של כל אחד ממחברי ה-BNC התחבר ישירות להארקת המארז, כדי להתגבר על הפרעות הנובעות מאותות RF סמוכים.
הפרעות Ground Loops Noise הן המקור העיקרי לשגיאות במהלך מדידת אות AC בעוצמה נמוכה, או מדידות Low Distortion . האיור למטה מראה התקנה טיפוסית למדידה באמצעות Audio Analyzer. קו הייחוס לאדמה (Common Line) מתחבר ישירות להארקה או להארקת המארז בשתי נקודות נפרדות: מארז הנתח ונקודת הייחוס לאדמה של המכשיר הנבדק.
מכיוון שלנקודות אלה יש רק לעתים רחוקות פוטנציאל הארקה זהה, נוצר זרם בקו הייחוס לאדמה. התנגדות המוליכים (RC) בקו גורמת לירידת מתח (Common Mode Voltage) המסתכמת עם האות הנמדד, ועלולה לגרום לקריאה שגויה. לכן הארקת קו הייחוס לאדמה המשותפת בנקודה אחת, מקטינה את השפעת ירידת המתח על דיוק המדידה.
כאן נעוץ יתרונה של תצורת אדמה צפה בנתח: היא מבודדת את המוליכים מהארקת המארז ולכן מעגלי המבוא והמוצא של הנתח מוארקים רק דרך ההתקן הנבדק. הארקת קו הייחוס לאדמה נמצאת עתה בנקודה משותפת אחת.
ביטול רעשים באמצעות קוטביות הפוכה
תצורת Balanced Connections בתעשיית האודיו נועדה להקטין את הרעש הנוצר במעגלים. היא כוללת שלושה מוליכים במחבר: שני מוליכים נושאים את הפוטנציאל של האות אך הם מצויים בקוטביות הפוכה זה לזה. החיבור השלישי הוא קו הארקה ייעודי.
במקרה זה, הרעש בכבלים יהיה בעל עוצמה זהה בשני המוליכים ויתבטל במהלך המדידה, מכיוון שהמגבר בנתח מודד את הפרש המתח ביניהם ורעש זהה אך בעל קוטביות הפוכה בשני המוליכים לא יזוהה על-ידי מגבר ההפרש שבמבוא. גם קו ההארקה הנפרד תורם לדחיית הרעש בהשוואה לתצורת Unbalanced Connection, שכן מוליך ההארקה מעניק סיכוך ל-Signal Return.
במערכות Balanced Connections, הזרמים הנגרמים כתוצאה מרעש לא יאופננו ישירות על האות, והדבר מונע רעשי Ground Loops Noise הנוצרים מהפרדת הארקת המארז מה-Signal Ground. מנגד, תצורת Unbalanced Connection (המוכרת בכינוי Single Ended Connection) מצריכה שני מוליכים – אחד בפוטנציאל האדמה והשני נושא את האות.
בנתח אודיו מודרני נהוג להשתמש במחברי BNC בתצורת Unbalanced Connection. כאשר מחברי XLR משמשים בתצורת Balanced Connections, משמש תקע 1 להארקת המכשיר, תקע 2 נושא את האות ותקע 3 נושא את האות בקוטביות הפוכה. תקן EIA RS-297-A מתאר את השימוש במחבר XLR ליישום Balanced Connections באותות אודיו.
הבחירה של התעשייה
תצורת Balanced Connections מועדפת מכיוון שהיא עמידה יותר בהפרעות: השדה האלקטרומגנטי מסביב לכבל הוא כמעט אפסי, והדבר מפחית את ההפרעות ההדדיות (Crosstalk). כאשר חל שינוי בעכבת המוצא של המגבר בתדרים גבוהים, בשל חוסר איזון, השינוי יהיה זהה בשני הקווים והם יבטלו אחד את השני. בדרך-כלל (אם כי לא תמיד) ציוד מקצועי 4+4dBuמיישם תצורת חיבור Balanced Connections למבוא ולמוצא.
תצורת האדמה הצפה במכשיר HP 8903B שיקפה מאמץ להפחתת הרעש במערכות Audio וסללה את הדרך עבור תצורת חיבור Balanced Connections ב-Audio Analyzer. מהאיור למטה ניתן להבחין שהמקור (Source) של HP 8903B מספק אות חזק ממחברי ה-High, ורעש ממחברי ה-Low. המצב שונה ב-Audio Analyzer בעל תצורת Balanced Connections, שבו כל מקור אות בכל קו הוא סימטרי.
המכשיר Audio Analyzer U8903A של Agilent מספק ערוץ כפול גם בתצורת Balanced Connections וגם בתצורת Unbalanced Connections במוצא. הוא כולל מחברי BNC המאפשרים לנתח אותות אודיו בתצורת Unbalanced Connections, ומחברי XLR המאפשרים לנתח את האותות בתצורת Balanced Connections.
עם זאת, משתמשים רבים ב-HP 8903B עדיין מעדיפים להשתמש בתצורת Float Mode (הסרה אלקטרונית של רעשים במהלך ביצוע בדיקות בתצורת אדמה צפה), בשל מערכי הבדיקה הקיימים שלהם. בשנת 1975 החליטה קבוצת AES שמחבר XLR הוא גנרי ואינו נושא הגבלות קנייניות, לכן ניתן לספק מחבר XLR (נקבה) לשני כבלי BNC (זכר) ולאפשר למשתמשים לחבר את התקני הבדיקה מבלי לשנות את מערכי הבדיקה.
זהו מהלך מובהק המאפשר למשתמשי HP 8903B המיושן, לעבור ל-U8903A המתקדם יותר, תוך שמירה על הגדרות הבדיקה שלהם.
מערכת בדיקת אודיו U8903A
המכשיר החדש, U8903A, הוא מערכת מדידת אותות Audio דיגיטלית, המשלבת מחולל אותות (Audio Generator) ונתח (Analyzer). הוא כולל שני ערוצים למחולל האותות ושני ערוצים לנתח, המתחברים בתצורת Balanced ו-Unbalanced. בנוסף, תצורות המוצא והמבוא עצמאיות לחלוטין.
מחולל האותות ב-U8903A הוא בעל טווח תדרים של 5Hz-80KHz ומשרעת אמפליטודה של 0Vrms-8Vrms, כלומר 11.3Vp בתצורת Unbalanced. בתצורת Balanced המשרעת היא 0Vrms-16Vrms, כלומר 22.6Vp.
מחולל האותות מאפשר להפיק אות סינוס בסיסי, גלים מרובעים, סינוס כפול, אות משתנה בפאזה, DC, רעשים, Multitones ו-Arbitrary Waveforms. טווח מדידות התדר הוא 10Hz-100KHz עם אפשרות למדידת אמפליטודה בטווח של פחות מ-1μVrms עד ל-140 Vrms, כלומר 200 Vp.
ה-U8903A מצוייד בתצוגה גרפית בתחום התדר והזמן, ויכול לבצע Sweep לתדר, אמפליטודה ופאזה. הדבר מאפשר לבצע מדידות מתח, תדר, עיוותים הרמוניים, יחס אות לרעש, SINAD, הפרעות הדדיות, DFD, סטיות פאזה, THD+N ועוד. המכשיר תומך בממשקי ההתחברות הסטנדרטיים למחשב, כמו GPIB, USB ו-LAN.
פורסם בקטגוריות: חדשות , ציוד בדיקה
