MEASSY: lo strumento di misura per gli audiofili

Gli audiofili, e gli appassionati di elettronica in generale, che amano costruire da sè le proprie casse acustiche, sanno bene quanto sia importante disporre di una strumentazione elettronica precisa e affidabile, in grado di velocizzare e semplificare il lavoro di progettazione. In questo articolo presentiamo il progetto MEASSY, lo strumento progettato appositamente per chi ama autocostruire le casse acustiche. Per molto tempo, l’autore del progetto (Sergej Koschuch, il cui articolo è stato pubblicato sul numero Elektor di Novembre-Dicembre 2015), ha utilizzato il pacchetto software ARTA [1] sviluppato da Ivo Mateljan presso l’Università di Spalato. Al fine di misurare la risposta in frequenza e l’impedenza degli altoparlanti, l’autore ha utilizzato una scheda audio per la generazione del segnale a livello software, e un microfono come sorgente del segnale in ingresso.

Introduzione

Nonostante la Measuring Box di ARTA riduca considerevolmente l’ingombro dei cavi necessari per la misura, la stessa rappresenta soltanto una soluzione parziale. Un approccio migliore consiste nel collocare tutto il circuito e gli altri componenti richiesti per la misura (compreso l’amplificatore di potenza) all’interno di un contenitore. Ciò consente di ridurre il numero di cavi richiesti, liberando parecchio spazio sul banco da lavoro. Il nome del dispositivo, MEASSY, non è altro che l’acronimo di “Measurement Assistant” (assistente alla misura), e include i seguenti componenti:

  • un preamplificatore microfonico bilanciato, a guadagno variabile (MPA), con indicatore di picco;
  • un alimentatore phantom a 48 V per microfono a condensatore o per preamplificatore integrato;
  • un amplificatore di potenza da 30 W con indicatore della saturazione (clipping);
  • una resistenza di shunt commutabile, corrispondente alla Measuring Box di ARTA;
  • una scheda audio USB (opzionale).

La lista precedente rappresenta, di fatto, la specifica tecnica del progetto.

Requisiti di qualità

Prima di esaminare il progetto, occorre anzitutto definire i requisiti in termini di qualità, ed è meglio fare una distinzione tra requisiti relativi all'MPA e requisiti relativi all’amplificatore di potenza.

Requisiti per il preamplificatore microfonico

Oltre al microfono, il preamplificatore microfonico (MPA) rappresenta il componente chiave per garantire la dinamica e la linearità dello strumento MEASSY. Il rapporto segnale/rumore (SNR) è infatti largamente influenzato dal livello del rumore in ingresso all’MPA.

Se si vuole ottenere una dinamica vera a 16-bit (96 dB) con l’ingresso line (livello del segnale -10 dBV) di una scheda audio al guadagno di 26 dB, il massimo livello consentito di rumore sull’ingresso MPA deve essere pari a 250 nV. Se si considera che il livello  del rumore termico di una resistenza da 100 Ω è pari a 182 nV, si comprende facilmente come questo requisito possa essere difficile da raggiungere. Fortunatamente, i microfoni utilizzati per la misurazione non presentano questo livello di SNR. Anche con dispositivi di alta qualità, l’SNR è solo pari a 74 dB riferito alla pressione sonora di 1 Pa, corrispondente a un livello di pressione acustica del suono di 94 dB. Ciò equivale a un livello di rumore di 20 dB. Eseguendo le misure con un livello del suono pari a 106 dB, il microfono raggiunge un SNR effettivo di 86 dB. In altre parole, possiamo togliere 10 dB dal requisito iniziale, impostato a 96 dB.

Il corrispondente livello di rumore in ingresso (0,8 µV o inferiore), costituisce comunque una sfida molto ardua. La linearità è molto più semplice da ottenere. Sebbene esistano circuiti integrati con una distorsione armonica totale (THD) pari a -100 dB al guadagno unitario, le cose cambiano quando il guadagno passa a 40 dB. Relativamente al guadagno, la sensibilità dei microfoni a condensatore è compresa nel range tra 2 e 20 mV/Pa. Noi ci porremo nelle condizioni peggiori per eseguire il calcolo del guadagno: sensibilità dell’altoparlante pari a 80 dB/W-m (abbastanza bassa), potenza di uscita dell’amplificatore pari a 3 W, distanza della misura di 3 m, e sensibilità del microfono pari a 2 mV/Pa. In queste condizioni, il livello del suono in corrispondenza del microfono di misura è pari a 75,2 dB. Il guadagno necessario per un livello del segnale di -10 dBV (316 mV) è perciò 62,8 dB. Ciò significa che un guadagno di 60 dB è sufficiente anche nelle condizioni più sfavorevoli. A livello pratico, supponendo di utilizzare degli altoparlanti ad alta efficienza, un livello di potenza relativamente elevato, e una piccola distanza di misura, il guadagno può anche ridursi a 0 dB.

Requisiti per l’amplificatore di potenza

Una potenza di uscita di 30 W è più che sufficiente per misurare le caratteristiche tecniche dei sistemi home audio. La situazione cambia quando si ha a che fare con i sistemi utilizzati nei concerti rock, ma quest’ultima non rappresenta l'applicazione tipica per cui è stato progettato MEASSY.

Relativamente all’SNR, valgono le stesse considerazioni fatte per l’MPA, anche se ora occorre prendere in considerazione dei livelli di potenza più bassi, e pertanto è più conveniente assumere 100 dB come requisito. Ciò comporta un livello del rumore in uscita pari a 110 µV al livello di potenza nominale (11 VRMS con un carico di 4 W). Il livello equivalente del rumore in ingresso può essere ottenuto sottraendo il guadagno (ad esempio, 3,44 μV con un guadagno di 30 dB, corrispondenti a un fattore di amplificazione 32). Questo livello di rumore non rappresenta dunque un problema significativo. Anche la distorsione non rappresenta un problema, dal momento che anche i circuiti più semplici possono raggiungere una THD di 0,01% (80 dB sotto il livello del segnale). La robustezza è invece più difficile da ottenere. Un amplificatore di potenza dovrebbe infatti disporre di protezione dai corto circuiti e, date le dimensioni ridotte di MEASSY, si potrebbe pensare di aggiungere anche un opportuno sistema di raffreddamento e di spegnimento automatico in condizioni di sovratemperatura.

L’elettronica di MEASSY

Le singole parti che compongono il circuito elettronico di MEASSY sono state sviluppate tenendo presenti i requisiti citati precedentemente. L’alimentazione rappresenta sicuramente la parte più semplice, per cui possiamo partire analizzando le sue caratteristiche e funzionalità tecniche.

Alimentatore

L’alimentatore ha il compito di fornire diversi livelli di tensione: ± 15 V bilanciati per l’MPA, 48 V phantom per il microfono, e ± 24 V bilanciati per l’amplificatore di potenza. Le tensioni di alimentazione per l’MPA e per il microfono dovrebbero essere stabilizzate, mentre per l’amplificatore di potenza è sufficiente una tensione di alimentazione non regolata, ma con una maggiore capacità del carico.

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Figura 1: Il circuito di alimentazione

Come si può osservare dalla Figura 1, tutto ciò che occorre è un circuito di tipo tradizionale basato su diodi e condensatori di filtro, oltre a diversi regolatori di tensione. Date le tensioni richieste, è necessario utilizzare un trasformatore di potenza con due avvolgimenti secondari a 18 V. Relativamente ai requisiti di potenza, si può prendere come riferimento un amplificatore di classe AB. Per una potenza di 30 W, da erogare su un carico di 4 oppure di 8 Ω, la scelta più adeguata è rappresentata da un trasformatore toroidale da 50 VA. Le tensioni di alimentazione di ± 24 V per l’amplificatore di potenza sono prelevate direttamente dai condensatori di filtro C21 e C22. Le tensioni di ± 15 V sono invece fornite dai regolatori di tensione complementari LM317 (IC3), e LM337 (IC4). I condensatori C25 e C26 servono a sopprimere il ronzio dell’alternata e a ridurre il livello del rumore. I diodi di protezione non sono necessari, in quanto i due circuiti integrati non consentono il flusso di corrente in direzione inversa. Tuttavia, sono stati inseriti i diodi D6 e D7 per proteggere gli integrati dai picchi di tensione che possono interessare le linee di alimentazione.

Per quanto riguarda l’alimentazione phantom, al posto del trasformatore verrà utilizzato un apposito circuito. Il raddrizzatore a ponte BR2 e i condensatori C17-C20 formano un moltiplicatore di tensione (pompa di carica) che genera 70 V sui terminali positivi di C19 e C20, pari a circa tre volte la tensione di picco del trasformatore secondario. La tensione in assenza di carico può anche raggiungere il valore di 80 V. Le resistenze R15 e R16 servono a limitare i picchi di corrente. Per ridurre la tensione di lavoro di C19 e di C20 (e di conseguenza le loro dimensioni), i rispettivi terminali negativi sono riferiti a C21. Il regolatore di tensione a valle è basato su un circuito applicativo standard dell’LM317, in grado di operare con tensioni relativamente alte [3]. IC5 è configurato come regolatore flottante, con una precisione dipendente in larga misura dalla corrente che attraversa il regolatore. Le resistenze R17-R20 sono dimensionate in modo tale da assicurare la corrente minima richiesta di 2,5 mA in condizioni di assenza del carico. Se la corrente attraverso il regolatore è troppo bassa, la tensione di uscita salirà. Occorre poi [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 22 novembre 2016

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