7 Messungen

7.1  Koppelkondensatoren C6 und C10

Schaltungen unbesehen mit ausgeschaltetem Hirn zu übernehmen, kann daneben gehen, so wie hier. Die ELO-Leute [1] waren knauserig bei der Dimensionierung der Koppelkondensatoren mit jeweils 47µF, in Abb. 1.1 C6 und C10. Diese werden mit den Spannungsteilern R12 bis R14 an C6 und R15 bis R17 an C10 mit jeweils 1,5kΩ belastet. Zusammen wirken sie als RC-Hochpässe mit einer bestimmten Grenzfrequenz.

RC Highpass

Abb. 7.1.1: RC-Hochpässe mit R = 1,5kΩ und C = 47 bzw. 220µF.

Für ein Audiomessgerät ist ein Verlust von 0,5% bei 22Hz im linken Bild wenig ehrgeizig. Dabei ist der serielle Verlustwiderstand (ESR) des Koppelkondensators noch gar nicht berücksichtigt. Mit C = 220µF sind wir auf der sicheren Seite, auch wenn uns das ESR noch einen Streich spielen sollte. Mit 100µF würden wir rechnerisch mit 0,5% Abschwächung bei ca. 10Hz landen. Low ESR-Elkos sind auf alle Fälle hier eine gute Wahl.

Nachtrag vom 16.02.2018:
Bei den nachfolgend gezeigten Messergebnissen wurde unterstellt, dass die Ausgangsamplitude des DDS-Generators frequenzlinear ist. Dem ist nicht so. Die mit dem nachgemessenen Amplitudengang des DDS-Generators korrigierten Messergebnisse sind im Download zusammengefasst.

7.2  Messbereiche 2 und 20 mV

In den beiden unteren Messbereichen 2 und 20mV ist der 100-fach Verstärker IC3 aktiv. Hier wurden die FET-Typen eingesetzt:

  • DG1KPN: LF357 (20MHz), abgekündigt, nur noch schwer und zudem teuer beschaffbar.
    Hereingefallen sind wir mit preiswert erscheinenden Angeboten aus China über die Bucht.
    Trotz Aufdruck mit dem Logo von National Semiconductor waren die gelieferten LF357N entweder Ausschussware, die dann wohl nicht gestempelt worden wäre, oder aber dreiste Fakes. Immerhin bekamen wir nach Reklamation das Geld zurück.
  • DL6GL: OPA604 (20MHz), bei reichelt.de zu bekommen, vorab probeweise LT1122 (14MHz).

Zur Begradigung des Frequenzgangs am oberen Ende kommt hier C9 in der Gegenkopplung (Abb. 1.1) ins Spiel. Zu höheren Frequenzen hin verringert er den Ableitwiderstand R10 vom invertierenden Eingang nach GND, so dass die Gegenkopplung frequenzabhängig kleiner und damit die Verstärkung größer wird.

In Abb. 1.1 sind experimentell ermittelte Richtwerte für C9 angegeben. Die Auswirkungen auf die frequenzabhängige Gegenkopplung nachfolgend beispielhaft für den schwächeren LT1122.

LT1122-Kompensation

Abb. 7.2.1: Frequenzkompensation des LT1122.

C9 von 270pF (Abb. 1.1) auf 390pF vergrößert. Für den langsameren LT1122 waren 270pF als Gegenkopplungs-Bypass zu R10 zu wenig. Es ergab sich ein Abfall am oberen Frequenzende. Kompensation des Verstärkungsverlustes mit 390pF. Damit erweitert sich der 1%-Messbereich von ca. 41 nach 64kHz.

Nachfolgend zeigen wir die mit den eingesetzten IC3 (OPA604 und LF357) gemessenen Frequenzgänge. In der Version OPA604 sind C6 und C10 jeweils 220µF, in der Version LF357 nur 100µF. Die bisweilen zu sehenden Sprünge sind der begrenzten Anzeigegenauigkeit geschuldet.

Es wurden die bis 65kHz reichenden DDS-Frequenzgeneratoren hier bzw. hier (ohne Endverstärker) verwendet.

Frequency Response OPA604 2mV

Abb. 7.2.2: Frequenzgang und Messfehler im Messbereich 2mV (OPA604).

Frequency Response LF357 2mV

Abb. 7.2.3: Frequenzgang und Messfehler im Messbereich 2mV (LF357).

Frequency Response OPA604 20mV

Abb. 7.2.4: Frequenzgang und Messfehler im Messbereich 20mV (OPA604).

Frequency Response LF357 20mV

Abb. 7.2.5: Frequenzgang und Messfehler im Messbereich 20mV (LF357).

Bei der Bemessung des Kompensationskondensators C9 muss ein Kompromiss zwischen Anstieg (Abb. 7.2.4) und Abfall (Abb. 7.2.2) beim OPA604 am oberen Frequenzende eingegangen werden. Der LF357 verhält sich in Bezug auf die Frequenzkompensation wesentlich neutraler. Wie kann man so einen tollen OpAmp einfach abkündigen? Das untere Frequenzende ist mit C6/C10 = 220µF geringfügig besser.

Wer die Mühe des Ausprobierens der Frequenzkompensation scheut, kann C9 auch weglassen. Ohne C9 wurden am OPA604 gemessen (Exemplarstreuungen jedoch möglich):

OPA604 ohne C9
Bereich Präzision ... bis Frequenz
2mV -0,5% 47kHz
  -1,0% 57kHz
20mV +0,5% 38kHz

Im Bereich 2mV fällt die Frequenzkurve ab ca. 32kHz. Im Bereich 20mV steigt sie ab 10kHz an bis ca. 55kHz (+0,6%), um dann wieder abzufallen auf +0,4% bei 65kHz.

Für Messungen an Audioverstärkern bis 20+x kHz allemal ausreichend.

Insgesamt schwächelt der OPA604 am oberen Frequenzende ein wenig, was vermutlich auf die nach Datenblatt grenzwertige Versorgungsspannung ±5V zurückzuführen ist.

7.3  Höhere Messbereiche

Im Messbereich 200mV wird das Signal 1:1 zum RMS-Konverter durchgereicht.

Frequency Response OPA604 200mV

Abb. 7.3.1: Frequenzgang und Messfehler im Messbereich 200mV (OPA604).

Frequency Response LF357 200mV

Abb. 7.3.2: Frequenzgang und Messfehler im Messbereich 200mV (LF357).

Frequency Response OPA604 2V

Abb. 7.3.3: Frequenzgang und Messfehler im Messbereich 2V (OPA604).

Hier erfolgt eine 1:10 Signalabschwächung mit dem Spannungsteiler R12 bis R14.

Frequency Response LF357 2V

Abb. 7.3.4: Frequenzgang und Messfehler im Messbereich 2V (LF357).

Die oberen Messbereiche konnten wir mangels "Dampf" nicht messen. Zumindest die Messung der Netzspannung mit einem 10:1-Tastkopf zeigte, dass an jenem Tag etwas mehr als 230V geliefert wurde.

7.4  Präzision und Frequenzgang

Frequenzbereiche um den Frequenzgang des DDS-Generators korrigiert (16.02.2018).

IC3 Messbereich Präzision Frequenzbereich (Hz)
von bis
OPA604 2mV 0,5% 18 32.000
LF357 2mV 0,5% 40 37.000
OPA604 2mV 1,0% 13 65.000
LF357 2mV 1,0% 16 50.000
OPA604 20mV 0,5% 18 24.000
LF357 20mV 0,5% 23 36.000
OPA604 20mV 1,0% 12 32.000
LF357 20mV 1,0% 15 51.000
OPA604 200mV 0,5% 15 24.000
LF357 200mV 0,5% 15 35.000
OPA604 200mV 1,0% 10 32.000
LF357 200mV 1,0% 10 45.000
OPA604 2V 0,5% 15 23.000
LF357 2V 0,5% 17 36.000
OPA604 2V 1,0% 12 31.000
LF357 2V 1,0% 12 45.000

OPA604: C6/C10 = 220µF, LF357: C6/C10 = 100µF.

Die oberen Messbereiche konnten wir mangels "Dampf" nicht messen. Zumindest die Messung der Netzspannung mit einem 10:1-Tastkopf zeigte, dass an jenem Tag etwas mehr als 230V geliefert wurde.

Fehlt noch die RMS-Messung von Nicht-Sinussignalen, die der DDS-Generator auszugeben vermag,
Messbereich 2V, Sinussignal 3,926Vpp bei 1kHz:

Signal Crest Vpp (V) V-RMS berechnet Anzeige (V) Diff (%)
Sinus 1,414 3,926 1,3880 1,388 0,00
Rechteck 1,000 3,926 1,9629 1,953 -0,51
Dreieck 1,732 3,926 1,1333 1,133 -0,03
Sägezahn 1,732 3,926 1,1333 1,132 -0,11