Yêu cầu thử nghiệm đối với thiết bị khuếch đại âm thanh theo tiêu chuẩn IEC 62368-1

Tín hiệu tham chiếu là 1000 Hz

Theo tiêu chuẩn ITU-R 468-4 (Đo mức độ nhiễu âm thanh trong phát thanh truyền hình), đáp tuyến tần số ở 1000 Hz là 0 dB (xem hình bên dưới), do đó nó phù hợp làm tín hiệu mức tham chiếu để đánh giá hiệu suất đáp tuyến tần số của bộ khuếch đại âm thanh.

Tín hiệu tần số đáp ứng đỉnh

Nếu nhà sản xuất tuyên bố rằng bộ khuếch đại âm thanh không được thiết kế để hoạt động ở tần số 1000 Hz, thì tần số nguồn tín hiệu âm thanh cần được thay đổi thành tần số đáp ứng cực đại. Tần số đáp ứng cực đại là tần số nguồn tín hiệu mà tại đó công suất đầu ra tối đa được đo trên trở kháng tải định mức (sau đây gọi là loa) trong phạm vi hoạt động dự định của bộ khuếch đại âm thanh. Trên thực tế, người kiểm tra có thể cố định biên độ nguồn tín hiệu và quét tần số, sau đó kiểm tra tần số nguồn tín hiệu tương ứng với điện áp RMS cực đại xuất hiện trên loa—đây chính là tần số đáp ứng cực đại.

Các loại công suất đầu ra và điều chỉnh — Công suất đầu ra tối đa

Công suất đầu ra tối đa là công suất tối đa có thể cung cấp cho loa, tương ứng với điện áp RMS tối đa. Các bộ khuếch đại âm thanh thông thường thường sử dụng mạch OTL hoặc OCL dựa trên nguyên lý khuếch đại Class AB. Khi tín hiệu âm thanh hình sin 1000 Hz được đưa vào bộ khuếch đại âm thanh và nó đi vào vùng bão hòa từ vùng khuếch đại, biên độ tín hiệu không thể tăng thêm nữa, điện áp đỉnh bị giới hạn và xuất hiện hiện tượng méo dạng đỉnh phẳng ở các đỉnh của dạng sóng.

Bằng cách sử dụng máy hiện sóng để theo dõi dạng sóng đầu ra trên loa, có thể quan sát thấy rằng khi biên độ tín hiệu không thể tăng thêm nữa về giá trị RMS, hiện tượng méo đỉnh sẽ xảy ra (xem Hình 2). Tại thời điểm này, nó được coi là đã đạt đến trạng thái công suất đầu ra tối đa. Khi xuất hiện hiện tượng méo đỉnh, hệ số đỉnh của dạng sóng đầu ra giảm xuống dưới hệ số đỉnh của sóng sin là 1.414 (như thể hiện trong Hình 2, hệ số đỉnh = điện áp đỉnh / điện áp RMS = 8.00 / 5.82 ≈ 1.375 < 1.414).

Các loại công suất đầu ra và điều chỉnh — Công suất đầu ra không bị méo tiếng

Công suất đầu ra không bị méo là công suất đầu ra đạt được bằng cách giảm độ khuếch đại (giảm tín hiệu) xuống ranh giới giữa vùng bão hòa và vùng khuếch đại trong khi loa hoạt động ở công suất đầu ra tối đa với hiện tượng méo tín hiệu cực đại (điểm hoạt động nghiêng về vùng khuếch đại). Dạng sóng âm thanh đầu ra thể hiện một sóng sin 1000 Hz hoàn chỉnh mà không có hiện tượng méo tín hiệu cực đại hoặc bị méo, và điện áp RMS của nó cũng thấp hơn so với điện áp ở công suất đầu ra tối đa (xem Hình 3).

Vì bộ khuếch đại âm thanh hoạt động chính xác ở ranh giới giữa vùng khuếch đại và vùng bão hòa không ổn định và có thể tạo ra hiện tượng dao động biên độ tín hiệu (các đỉnh có thể không bằng nhau), nên 50% điện áp đỉnh-đỉnh có thể được sử dụng làm điện áp đỉnh để tính toán hệ số đỉnh. Trong Hình 3, điện áp đỉnh = 0.5 × 13.10 V = 6.550 V, điện áp RMS = 4.632 V, hệ số đỉnh = điện áp đỉnh / điện áp RMS = 6.550 / 4.632 ≈ 1.414.

Các loại công suất đầu ra và điều chỉnh — Phương pháp điều chỉnh công suất

Bộ khuếch đại âm thanh nhận tín hiệu đầu vào nhỏ, sau đó khuếch đại và xuất ra loa. Độ khuếch đại thường được điều chỉnh từng bước nhỏ bằng núm điều chỉnh âm lượng (ví dụ: âm lượng TV có thể điều chỉnh từ 30 đến 100 mức). Việc điều chỉnh biên độ nguồn tín hiệu để thay đổi độ khuếch đại dẫn đến khả năng điều khiển thô hơn nhiều, vì ngay cả khi giảm biên độ nguồn một chút, sau khi khuếch đại ở mức cao, vẫn gây ra sự sụt giảm đáng kể công suất đầu ra của loa (xem Hình 4).

Trong Hình 3, bằng cách điều chỉnh âm lượng, công suất đầu ra của loa được giảm từ mức tối đa xuống mức không bị méo tiếng, với điện áp RMS ở mức 4.632 V. Trong Hình 4, bằng cách điều chỉnh biên độ nguồn tín hiệu, điện áp RMS chỉ đạt 4.066 V khi giảm xuống mức không bị méo tiếng. Theo công thức tính công suất:

Công suất đầu ra = (điện áp RMS)² / trở kháng loa

Công suất đầu ra không bị méo tín hiệu trong Hình 3 cao hơn khoảng 30% so với trong Hình 4, do đó Hình 4 không thực sự thể hiện trạng thái công suất đầu ra không bị méo tín hiệu.

Do đó, cách đúng để giảm công suất đầu ra từ mức tối đa xuống mức không bị méo tiếng là cố định biên độ nguồn tín hiệu và điều chỉnh độ khuếch đại của bộ khuếch đại âm thanh (tức là điều chỉnh âm lượng), thay vì thay đổi biên độ nguồn tín hiệu.

Các loại công suất đầu ra và điều chỉnh — Công suất đầu ra không bị méo tiếng 1/8 inch

Điều kiện hoạt động bình thường của bộ khuếch đại âm thanh nhằm mô phỏng trạng thái hoạt động tối ưu thực tế của loa. Mặc dù đặc tính âm thanh thực tế rất khác nhau, hầu hết các âm thanh đều có hệ số đỉnh nằm trong khoảng 4 (xem Hình 5).

Lấy dạng sóng âm thanh trong Hình 5 làm ví dụ, hệ số đỉnh = điện áp đỉnh / điện áp RMS = 3.490 / 0.8718 ≈ 4. Để xuất ra âm thanh mục tiêu mà không bị méo tiếng, bộ khuếch đại âm thanh phải đảm bảo rằng các đỉnh cực đại của nó không bị cắt xén. Nếu sử dụng sóng sin 1000 Hz làm tham chiếu để đảm bảo không bị méo tiếng và đỉnh 3.490 V không bị giới hạn, thì điện áp RMS của tín hiệu phải là 3.490 V / 1.414 = 2.468 V. Tuy nhiên, điện áp RMS của âm thanh mục tiêu chỉ là 0.8718 V, vì vậy tỷ lệ giảm điện áp RMS so với sóng sin 1000 Hz tham chiếu là 0.8718 / 2.468 = 0.3532. Theo công thức tính công suất, tỷ lệ giảm điện áp RMS là 0.3532 tương ứng với tỷ lệ giảm công suất là 0.3532² ≈ 0.125 = 1/8.

Do đó, điều chỉnh công suất đầu ra của loa xuống mức công suất đầu ra không bị méo tiếng 1/8 tương ứng với tín hiệu sóng sin 1000 Hz cho phép phát ra âm thanh mục tiêu với hệ số đỉnh là 4 mà không bị méo tiếng. Nói cách khác, công suất đầu ra không bị méo tiếng 1/8 đối với sóng sin 1000 Hz là trạng thái hoạt động tối ưu để bộ khuếch đại âm thanh phát ra âm thanh mục tiêu với hệ số đỉnh là 4 mà không bị hư hại.

Thiết lập điều kiện hoạt động của bộ khuếch đại âm thanh dựa trên việc cung cấp công suất đầu ra không bị méo tiếng (non-clipping) bằng 1/8 cho loa. Ở trạng thái không bị méo tiếng, điều chỉnh âm lượng sao cho điện áp RMS giảm xuống khoảng 35.32% giá trị — đây là công suất đầu ra không bị méo tiếng bằng 1/8. Vì nhiễu hồng (pink noise) gần giống với âm thanh thực tế hơn, sau khi đạt được công suất đầu ra không bị méo tiếng với sóng sin 1000 Hz, hãy chuyển sang sử dụng nhiễu hồng làm nguồn tín hiệu. Khi sử dụng nhiễu hồng, hãy thêm bộ lọc thông dải (như hình bên dưới) để giới hạn băng thông của nhiễu.

Điều kiện vận hành bình thường và bất thường — Điều kiện vận hành bình thường

Khi thiết lập các điều kiện hoạt động bình thường cho các loại thiết bị khuếch đại âm thanh khác nhau, hãy xem xét tất cả những điều sau:

• Ngõ ra của bộ khuếch đại âm thanh được kết nối với trở kháng tải định mức bất lợi nhất, hoặc với chính loa (nếu có);
• Tất cả các kênh khuếch đại âm thanh hoạt động đồng thời;
• Đối với đàn organ hoặc các nhạc cụ tương tự có bộ tạo âm, không sử dụng sóng sin 1000 Hz; thay vào đó, hãy kết hợp tùy ý việc nhấn hai bàn đạp bass (nếu có) và mười phím bàn phím. Kích hoạt tất cả các nút và phím tăng công suất đầu ra, và điều chỉnh nhạc cụ ở mức 1/8 công suất đầu ra tối đa;
• Nếu chức năng dự định của bộ khuếch đại âm thanh phụ thuộc vào sự chênh lệch pha giữa hai kênh, hãy áp dụng sự chênh lệch pha 90° giữa các tín hiệu trên hai kênh;
• Đối với các bộ khuếch đại âm thanh đa kênh mà một số kênh không thể hoạt động độc lập, hãy kết nối với trở kháng tải định mức và điều chỉnh công suất đầu ra đến công suất đầu ra không bị méo tiếng 1/8 được thiết kế cho bộ khuếch đại;
• Nếu không thể vận hành liên tục, hãy vận hành bộ khuếch đại âm thanh ở mức công suất đầu ra tối đa cho phép để hoạt động liên tục.

Điều kiện vận hành bình thường và bất thường — Điều kiện vận hành bất thường

Các điều kiện hoạt động bất thường đối với bộ khuếch đại âm thanh dựa trên các điều kiện bình thường nhưng mô phỏng các tình huống bất lợi nhất có thể, chẳng hạn như điều chỉnh âm lượng để loa hoạt động ở điểm bất lợi nhất giữa công suất đầu ra bằng không và tối đa, hoặc thiết lập các điều kiện ngắn mạch trên loa, v.v.

Điều kiện vận hành bình thường và bất thường — Thử nghiệm tăng nhiệt độ

Trong quá trình thử nghiệm tăng nhiệt độ của bộ khuếch đại âm thanh, hãy đặt thiết bị theo vị trí được nhà sản xuất khuyến nghị. Nếu không có khuyến nghị đặc biệt nào, hãy đặt thiết bị trong một hộp thử nghiệm bằng gỗ mở phía trước, cách mép trước của hộp 5 cm, chừa khoảng trống 1 cm dọc theo các cạnh hoặc phía trên, và cách phía sau hộp 5 cm đến mặt sau của thiết bị — cách bố trí tổng thể mô phỏng tủ đựng TV thông thường trong nhà.

Điều kiện hoạt động bình thường và bất thường — Lọc nhiễu và Khôi phục sóng cơ bản

Một số mạch khuếch đại kỹ thuật số truyền nhiễu cùng với tín hiệu âm thanh đến loa, gây ra hiện tượng nhiễu loạn trên dao động ký khi theo dõi dạng sóng đầu ra của loa. Nên sử dụng mạch lọc tín hiệu đơn giản như hình dưới đây (phương pháp đấu nối: điểm A và C nối với các cực đầu ra của loa, điểm B nối với điểm nối đất tham chiếu/nối đất hồi tiếp của bộ khuếch đại âm thanh, điểm D và E nối với đầu dò của dao động ký). Mạch này có thể lọc bỏ hầu hết nhiễu và khôi phục phần lớn sóng sin cơ bản 1000 Hz (lưu ý: 1000F trong hình là lỗi đánh máy và phải là 1000 pF).

Đối với một số bộ khuếch đại âm thanh hiệu năng cao có thể loại bỏ các vấn đề về méo tiếng ở đỉnh, cho phép không có hiện tượng méo tiếng hoặc cắt tín hiệu có thể nhìn thấy ngay cả ở công suất đầu ra tối đa, thì công suất đầu ra không bị cắt tín hiệu bằng với công suất đầu ra tối đa. Khi không thể xác định được hiện tượng cắt tín hiệu một cách rõ ràng, hãy coi công suất đầu ra tối đa là công suất đầu ra không bị cắt tín hiệu.

[IMAGE_PLACEHOLDER: Mạch lọc tín hiệu đơn giản]

Phân loại nguồn năng lượng điện tín hiệu âm thanh và bảo vệ an toàn

Bộ khuếch đại âm thanh có thể khuếch đại và xuất ra tín hiệu âm thanh điện áp cao, do đó tín hiệu âm thanh phải được phân loại là nguồn năng lượng điện và được trang bị biện pháp bảo vệ an toàn. Trong quá trình phân loại, hãy đặt các nút điều chỉnh âm sắc ở vị trí cân bằng để bộ khuếch đại âm thanh hoạt động ở trạng thái cung cấp công suất đầu ra tối đa không bị méo tiếng cho loa, sau đó tháo loa và kiểm tra điện áp hở mạch. Xem bảng bên dưới để biết phân loại nguồn năng lượng điện và biện pháp bảo vệ an toàn cho tín hiệu âm thanh:

Câu hỏi thường gặp – Tiêu chuẩn IEC 62368-1 về yêu cầu kiểm tra bộ khuếch đại âm thanh – Các câu hỏi và câu trả lời thường gặp

Q1: Tại sao phải sử dụng 1000 Hz làm tín hiệu tham chiếu? Điều gì xảy ra nếu bộ khuếch đại có đáp ứng kém ở tần số 1000 Hz? A: Theo tiêu chuẩn ITU-R 468-4, đáp ứng tần số ở 1000 Hz được định nghĩa là 0 dB, do đó đây là điểm tham chiếu tiêu chuẩn để đo nhiễu âm thanh và so sánh nhất quán hiệu suất đáp ứng tần số của bộ khuếch đại. Nếu nhà sản xuất tuyên bố rằng bộ khuếch đại “không được thiết kế để hoạt động ở tần số 1000 Hz” (ví dụ: một số bộ khuếch đại nhạc cụ chuyên nghiệp hoặc các thiết kế được tối ưu hóa cho các dải tần cụ thể), thì tần số đáp ứng cực đại có thể được sử dụng thay thế: cố định biên độ nguồn tín hiệu, quét tần số và chọn tần số mà tại đó điện áp RMS cực đại xuất hiện trên tải định mức (loa). Đây trở thành tín hiệu tham chiếu thay thế.

Câu 2: Làm thế nào để phân biệt giữa công suất đầu ra tối đa và công suất đầu ra không bị méo tiếng? Trả lời:

• Công suất đầu ra tối đaÁp dụng sóng sin 1000 Hz; bộ khuếch đại đi vào vùng bão hòa, dạng sóng đầu ra hiển thị hiện tượng cắt đỉnh phẳng, và hệ số đỉnh giảm xuống dưới 1.414 (thường là 1.37–1.38). Theo dõi các đầu ra loa bằng máy hiện sóng để xác nhận hiện tượng cắt tín hiệu.
• Công suất đầu ra không bị méoTừ trạng thái công suất đầu ra tối đa, rút lui (Giảm độ khuếch đại) cho đến khi bộ khuếch đại hoạt động ở ranh giới giữa vùng khuếch đại và vùng bão hòa. Dạng sóng trở thành sóng sin sạch không bị méo tín hiệu, và hệ số đỉnh trở lại ≈1.414. (Nếu xảy ra hiện tượng dao động biên độ nhẹ ở ranh giới chính xác, hãy sử dụng 50% điện áp đỉnh-đỉnh làm giá trị đỉnh để tính toán hệ số đỉnh.) Điện áp RMS tại điểm này thấp hơn so với công suất đầu ra tối đa. Đây là hai trạng thái liên tiếp trong cùng một quy trình thử nghiệm. Công suất đầu ra không bị méo tín hiệu là giá trị tham chiếu được sử dụng phổ biến nhất cho “điều kiện hoạt động bình thường” trong thử nghiệm an toàn.

Q3: Tại sao chúng ta điều chỉnh âm lượng (độ khuếch đại) thay vì biên độ nguồn tín hiệu khi giảm công suất đầu ra từ mức tối đa xuống mức không bị méo tiếng? A: Điều chỉnh biên độ nguồn tín hiệu chỉ cung cấp khả năng điều khiển thô. Do độ khuếch đại cao của bộ khuếch đại, ngay cả một thay đổi nhỏ về biên độ nguồn cũng gây ra sự tăng đột biến lớn về công suất đầu ra (ví dụ, trong Hình 4 ban đầu, việc giảm công suất bằng cách giảm biên độ nguồn chỉ đạt được 4.066 V RMS, trong khi điều chỉnh âm lượng đạt được 4.632 V RMS — chênh lệch công suất khoảng 30%). Phương pháp đúng : Cố định biên độ nguồn tín hiệu và điều chỉnh núm điều khiển âm lượng/độ khuếch đại của thiết bị cho đến khi hiện tượng méo tiếng biến mất. Điều này phản ánh tốt hơn cách sử dụng thực tế và phù hợp với mục đích của Phụ lục E.1.

Câu 4: Công suất đầu ra không bị méo 1/8 đến từ đâu? Tại sao lại là 1/8 mà không phải tỷ lệ khác? Trả lời: Tín hiệu âm nhạc và lời nói thực tế thường có hệ số đỉnh ≤4 (ví dụ trong Hình 5 ban đầu cho thấy ≈4). Để tái tạo tín hiệu có hệ số đỉnh = 4 mà không bị méo, bộ khuếch đại phải xử lý đỉnh mà không bị méo. Sử dụng sóng sin 1000 Hz (hệ số đỉnh = 1.414) làm tham chiếu, nếu đỉnh tín hiệu mục tiêu là 3.490 V, thì RMS sóng sin cần thiết để tránh méo đỉnh sẽ là 3.490 / 1.414 ≈ 2.468 V. Tuy nhiên, RMS tín hiệu mục tiêu thực tế chỉ là 0.8718 V. Tỷ lệ điện áp là ≈0.3532, và tỷ lệ công suất tương ứng là 0.3532² ≈ 0.125 = 1/8 . Do đó, việc thiết lập bộ khuếch đại để cung cấp công suất đầu ra không bị méo tiếng ở mức 1/8 (dựa trên tín hiệu tham chiếu hình sin 1000 Hz) tương ứng với điểm hoạt động tối ưu để tái tạo tín hiệu thực tế điển hình với hệ số đỉnh ≈4 mà không bị méo tiếng. Trên thực tế: trước tiên điều chỉnh đến mức không bị méo tiếng ở mức 1/8 với sóng sin (RMS ≈35.32% RMS không bị méo tiếng tối đa), sau đó chuyển sang nhiễu hồng + bộ lọc thông dải.

Câu 5: Tại sao cần bộ lọc thông dải khi sử dụng nhiễu hồng? Trả lời: Nhiễu hồng có phổ tần rất rộng (20 Hz–20 kHz). Cấp trực tiếp nhiễu hồng có thể làm quá tải bộ khuếch đại ở một số tần số nhất định hoặc tạo ra nhiễu tần số cao quá mức, khiến dạng sóng trên dao động ký trông hỗn loạn và khó đánh giá hiện tượng méo tín hiệu. Việc thêm bộ lọc thông dải (thường giới hạn ở dải tần âm thanh hiệu quả, như trong mạch gốc) sẽ loại bỏ nhiễu ngoài dải tần, làm cho dạng sóng sạch hơn và gần với âm thanh thực hơn để đo RMS chính xác và đánh giá hiện tượng méo tín hiệu.

Câu 6: Nên thiết lập các điều kiện hoạt động bình thường như thế nào cho bộ khuếch đại đa kênh hoặc các kênh không thể hoạt động độc lập? Trả lời:

• Kết nối trở kháng tải định mức bất lợi nhất với tất cả các kênh;
• Vận hành tất cả các kênh cùng lúc;
• Đối với các kênh phụ thuộc vào các kênh khác (ví dụ: liên kết nội bộ trong IC nguồn), vẫn kết nối tải định mức và đặt công suất đầu ra không bị méo tiếng ở mức 1/8 theo thiết kế;
• Đối với các thiết bị không thể hoạt động liên tục ở công suất tối đa (ví dụ: một số amply chuyên nghiệp có chức năng bảo vệ nhiệt), hãy sử dụng công suất hoạt động liên tục tối đa do nhà sản xuất công bố làm điều kiện bình thường.

Câu 7: Các tình huống xấu nhất thường gặp khi điều kiện vận hành bất thường là gì? Trả lời: Điều kiện bất thường diễn ra trên nền điều kiện bình thường nhưng lại gây ra những lỗi đơn lẻ nghiêm trọng nhất có thể xảy ra, ví dụ như:

• Điều chỉnh âm lượng ở bất kỳ vị trí nào giữa 0 và mức tối đa (đặc biệt là vị trí gây ra sự tăng nhiệt độ cao nhất);
• Loa bị chập mạch;
• Loa bị hở mạch;
• Nguồn tín hiệu bất thường (ví dụ: độ lệch DC);
• Các lỗi khác có thể dẫn đến quá nhiệt, quá tải hoặc giải phóng năng lượng không kiểm soát. Chúng được sử dụng để xác minh rằng nhiệt độ, cách điện và bảo vệ vẫn đáp ứng các yêu cầu an toàn (xem Phụ lục E.2, B.3, B.4).

Câu 8: Nên đặt thiết bị ở vị trí nào trong quá trình thử nghiệm tăng nhiệt độ? Trả lời: Đặt thiết bị theo hướng dẫn lắp đặt của nhà sản xuất. Nếu không có hướng dẫn cụ thể, hãy sử dụng cách bố trí điển hình trong tủ đựng TV gia đình :

• Hộp thử nghiệm bằng gỗ, mở phía trước;
• Cạnh trước của thiết bị cách cạnh trước của hộp 5 cm;
• Khoảng hở 1 cm ở hai bên và phía trên;
• Khoảng cách 5 cm giữa mặt sau thiết bị và thành sau hộp. Cách bố trí này mô phỏng môi trường lắp đặt thông thường trong gia đình.

Q9: Bộ khuếch đại kỹ thuật số xuất ra dạng sóng lộn xộn với nhiều nhiễu chuyển mạch — làm thế nào để nhìn rõ hiện tượng méo tín hiệu trên dao động ký? A: Sử dụng mạch lọc đơn giản được đề xuất trong bài viết gốc (điểm A & C nối với cực loa, B nối với điểm tham chiếu/nối đất, D & E nối với đầu dò dao động ký, bao gồm cả tụ điện 1000 pF, v.v.). Mạch này loại bỏ hầu hết nhiễu chuyển mạch tần số cao, cho phép thu được sóng sin cơ bản 1000 Hz rõ ràng để đánh giá hiện tượng méo tín hiệu. Lưu ý: nhãn “1000F” trong sơ đồ gốc là lỗi đánh máy và phải là 1000 pF.

Q10: Điều gì xảy ra nếu bộ khuếch đại không hiển thị hiện tượng méo tiếng rõ rệt ngay cả ở công suất đầu ra tối đa? A: Một số bộ khuếch đại Class D hiệu suất cao hoặc các bộ khuếch đại được thiết kế tốt khác vẫn không có hiện tượng méo tiếng/biến dạng rõ rệt ngay cả ở công suất đầu ra định mức tối đa. Trong những trường hợp như vậy, hãy coi công suất đầu ra tối đa đo được là công suất đầu ra không bị méo tiếng — không cần giảm công suất thêm nữa — và tiến hành các thử nghiệm tiếp theo (1/8 công suất, tăng nhiệt độ, v.v.) bằng cách sử dụng giá trị đó.

IEC 62368-1 Phụ lục E Máy phát tiếng ồn hồng