저는 아직 오디오 스펙트럼에 대한 개념도 없는데 이거 또 공부해야겠습니다.

중국산 DDS 신호 발생기를 사용하여 6E5P 단단 PP 앰프의 THD 및 하모닉 프로파일을 측정해 보았습니다. DDS 신호 발생기는 출력 임피던스가 50옴입니다. ARTA 프로그램의 컴퓨터를 이용한 신호 발생기는 출력 임피던스가 600옴일 것 같습니다(정확한 값은 더 알아보아야 합니다). 1KHZ 2.86Vpp  출력에서 DDS 신호 발생기의 THD는 0.35% 이었고 ARTA 프로그램에서 잰 전압은 2.864Vpp 이었습니다. 여기에서 신호발생기 전압이 2.83Vpp 를 선택하지 않고 2.86Vpp 를 선택한 이유는 로드 저항이 8.2옴이라 그렇습니다. 8옴 이라 사고 측정해 보니 8.2옴이 나왔습니다. 반면에 ARTA 프로그램의 신호 발생기는 THD가 0.0061% 이지만 앰프 출력의 THD를 측정해 보면 ARTA 프로그램의 신호 발생기를 사용한 경우의 THD가 더 높았습니다. 그 이유는 입력 트랜스에서 신호 증폭이 일어 나는데 입력 임피던스가 영향이 아주 큰 것 같습니다. 50옴 입력의 경우 입력에서 병렬 연결되므로 입력트랜스의 입력 임피던스는 12.5옴입니다. ARTA의 신호 발생기 출력 임피던스가 600옴이라고 하면 입력트랜스의 입력 임피던스는 150옴 입니다. 입력트랜스의 입력 임피던스가 두 경우 10배 이상의 차이가 납니다. 출력도 50옴 DDS 신호 발생기를 사용한 경우가 4.13와트에서 사인파로 보면 찌그러 지지 않습니다. ARTA 내부 신호 발생기를 사용한 경우 1.003947Vrms 입력으로 3.15W 출력이 얻어지지만 출력 사인파의 모양이 아래에서 뭉특해 지는 것이 보입니다. 실제 음악 입력 신호의 경우 입력 임피던스가 RCA  단자의 경우 600옴이 되기에 ARTA 내부 신호 발생기가 더 실제 상황을 반영한다고 생각합니다. 앰프 성능 측정에서 성능이 더 좋게 보이려면 입력 트랜스가 있는 경우 50옴 신호 발생기가 아주 유리합니다.

하모닉 프로파일에 대해서는 더 정리해 보겠습니다. 아래 표와 그래프는 50옴 출력임피던스의 DDS 신호 발생기를 사용하여 측정한 결과입니다

                                                                     DDS 신호 발생기를 사용한 측정 ( 100Kohm 볼륨기 없이 앰프를 만든 경우)

                                                                   ARTA 내부 신호 발생기를 사용한 측정

                                                                                        DDS 신호 발생기

                                                                                        ARTA 프로그램 내부 신호 발생기

아래는 DDS 신호 발생기를 사용하여 앰프 출력 4.13W에서의 하모닉 스펙트럼입니다. 수치는 1KzHz의 값을 뺀 값입니다. 2차 하모닉의 경우 -40.17dB(0.9806%) 이며 3차 하모닉은 -29.50dB(3.3497%) 이며 2차와 3차 차이는 -10.67dB 입니다.

아래는 DDS 신호 발생기를 사용하여 앰프 출력 1.17W에서의 하모닉 스펙트럼입니다. 수치는 1KzHz의 값을 뺀 값입니다. 2차 하모닉의 경우 -48.52dB(0.375%) 이며 3차 하모닉은 -46.80dB(0.4571%) 이며 2차와 3차 차이는 -1.72dB 입니다.

입력트랜스(룬달 LL1674)의 한쪽 출력에서 THD를 재 보았습니다. DDS 신호 발생기를 1KHz 2.86Vpp 로 설정하고 입력트랜스의 출력을 측정하니 10.268Vpp 출력이 나옵니다. 1:4 전압 증폭을 예상했으나 3.59배의 전압 증폭입니다. 신호 발생기의 THD가 0.35%(-49.1186dB) 이고 입력트랜스 10.268Vpp 출력에서 1.34%(-37.4579dB) 입니다. 3.59배의 전압 증폭이면 11.1dB 이므로 출력 예상 -38dB이기에 출력 왜곡이 어느 정도는 일치합니다(예측치 -38dB vs 실측치 -37.4579dB).

위에서 살펴 보았듯이 신호 발생기의 출력 임피던스와 THD에 따라 앰프 측정이 많이 차이가 납니다. 측정 수치상 가장 좋은 결과는 50옴 출력 임피던스 -120dB 1KHz 신호 발생기를 사용함으로 얻어질 것 같습니다.

PC 기반 스펙트럼 분석기를 이용하여 앰프의 어느 단계에서 특히 왜곡이 발생되는지 입력 트랜스부터 검증하고 있습니다.

참고로 제이앨범의 KD-33 7.5Kohm : 8ohm 출력트랜스를 사용한 앰프의 구형파 응답과 최대출력에서 사인파 출력입니다. KD-33 및 여러 코어로 출력트랜스를 감는 작업을 이제 시작했습니다. PC 기반 스펙트럼 분석기가 디지털 오실로스콥 역활을 하며 스펙트럼 분석을 통해 더 우수한 앰프의 설계 및 제작에 많은 도움을 줄 것으로 생각합니다. 주파수 응답은 ARTA는 스피커 측정에 촛점이 마추어진 프로그램이고 Dr Jordan Design의 프로그램을 사용하면 더 쉽게 측정이 가능해 보입니다. 아쉽게도 이 프로그램은 유료 프로그램입니다. ARTA 프로그램 신호 발생기를 이용해 입력트랜스 출력의 스펙트럼을 측정하고 DDS 신호 발생기와 비교해 보려 합니다.

한가지 언급하면 Meguro MAK-6581 과 ARTA 프로그램의 THD 값이 차이나는 이유는 저는 메구로 장비에서 HPF 400Hz, LPF 80kHz를 설정하고 THD 측정하였기에 메구로 장비에서 THD가 더 낮게 측정된 것으로 보고 있습니다. 

ARTA 프로그램을 사용하는 방법입니다. ARTA 프로그램은 정식판을 구입하지 않아도 데모 모드로 돌릴 수 있습니다. 정식 구입 프로그램과의 차이는 정식에서는 저장한 스펙트럼 측정 데이타를 다시 볼러올 수 있으나 데모에서는 그 기능이 빠져 있습니다. 실 사용에는 전혀 문제가 되지 않습니다. 이에 반해 Dr Jordan Design 의 프로그램은 89USD 정도의 비용이 들어가며 USB 동글을 우편으로 받아야 프로그램을 돌릴 수 있습니다.

http://www.artalabs.hr/download.htm 에서 ARTA 프로그램을 다운로드 하신후 원도우 컴퓨터에 설치합니다.

저는 스피커 측정 목적으로 이전에 M-audio M-track USB 사운드 카드가 있어 이를 이용합니다. 컴퓨터 내장 사운드 카드도 측정에 사용할 수 있습니다. 외장 USB 사운드 카드이면 ASIO 드라이버를 설치합니다. USB 사운드 카드는 EMU 0404 사운드 카드를 추천하며 이베이 중고 가격이 30USD - 70USD에 형성되어 있습니다. EMU 0404 카드는 24-bit/192kHz A/D and D/A 컨버터로 (A/D: 113dB SNR, D/A: 117dB SNR) 성능이 아주 우수합니다. 이에 반해 M-track의 성능은 아래와 같습니다. M-track은 24비트/48kHz 성능의 AD 및 DA 컨버터를 가지고 있습니다. 사양으로 보면 EMU 0404 카드가 훨 우수합니다. EMU 0404 카드는 이베이에서 중고 구입할 수 있을 것 같은데 한국으로 배송이 문제가 될 것 같습니다. 

구입 정보는 아래에서 볼 수 있습니다.

http://prod.danawa.com/info/?pcode=1423975&cate=1131911

아래는 M-track의 사양입니다.

Mic inputs:
SNR: 97 dB
THD+N: 0.005%
Frequency Response: ±0.35 dB

1/4" guitar/line inputs:
SNR: 96 dB
THD+N: 0.034%
Frequency Response: ±1.2 dB

Analog outputs:
SNR: 97 dB
THD+N: 0.005%
Frequency Response: ±0.35 dB

ARTA 프로그램을 실행하면 아래와 같은 화면이 뜹니다. "데모 모드로 계속" 선택하면 됩니다.

아래와 같은 초기 화면이 나옵니다.

"Setup" 메뉴를 선택하시고 "Audio devices"를 선택 하면 아래와 같은 화면이 나옵니다. 컴 내장 사운드 카드의 경우는 원도우 미디어 드라이버를 선택하시면 됩니다. 입력과 출력을 선택하시면 됩니다. 라인인 민감도와 라인 아웃 민감도는 아래 그림은 캘리브레이션 후의 그림이므로 이 수치와 다를 수 있습니다.

외장 USB 사운드 카드의 ASIO 드라이버를 설치한 경우는 아래와 같이 ASIO 드라이버를 선택하면 자동으로 입력과 출력이 설정됩니다.

ASIO 드라이버를 이용하는 경우는 원도우 맨 아래 우측 상태바에 보면 드라이버 세팅하는 아이콘이 보입니다. 좌측에 M 자로 보이는 아이콘을 클릭하면 

아래와 같이 샘플링 정도와 버퍼 크기를 정해줍니다. 저는 샘플링은 48kHz, 버퍼 크기는 4096으로 설정하였습니다. 

이제 캘리브레이션으로 가 봅니다. 초기 "Setup" 메뉴를 선택한 후 Calibrate devices" 선택하시면 아래와 같은 그림이 나옵니다. 제일 좌측의 "Generate sinus (400Hz)" 버튼을 누릅니다. 아웃풋 레벨은 -3dB로 그대로 두고 사운드 카드의 라인 아웃에서 오실로 스콥을 이용하여 Vpp를 잰 후 Vp 로 환산하여 "Enter voltmeter (scope) " 아래에 값을 입력합니다. 멀티미터의 AC 전압이 정확하지 않기에 오실로스콥으로 측정하시는 것을 추천합니다. 이전에 "Stop Genrator"를 눌러야 값을 입력할 수 있습니다. 제 경우는 오실로스콥에서 4Vpp 이었으므로 2000mVpeak를 입력하였습니다. 입력 후 "Estimate Peak Ouput mV" 버튼을 누르면 현재치와 추정치가 나옵니다. 이 후 아래의 "Accept" 버튼을 누르면 사운드 카드 출력의 캘리브레이션은 끝납니다. 그 다음으로 입력 캘리브레이션 과정입니다. 사운드 카드의 출력을 사운드 카드의 입력에 연결(Loop back 연결) 한 후 즉, 라인 아웃 출력을 라인 인 입력에 연결 한 후 입력 채널이 좌우측인지 설정하고 입력 전압을 기재해 줍니다. 제 경우는 2000mVpeak 를 입력하였습니다. 이 수치는 출력 캘리브레이션 때의 값을 적어주면 됩니다. 이 후 "Estimate Peak Input mV" 버튼 누르면 입력 측(좌측 혹은 우측)의 현재치와 추정치 값이 보이게 됩니다. 이 후 반대 입력 채널에 사운드 카드의 출력을 연결하고 같은 과정을 반복해 현재치와 추정치를 완성하고 자동으로 차이가 계산되어 나옵니다. 이 후에 "Accept" 버튼을 누르면 입력의 캘리브레이션이 완성됩니다. 마이크를 사용하는 경우 캘리브레이션을 시행할 수 있으나 대부분의 측정 마이크에는 "캘리브레이션" 파일이 있어 나중에 이 파일 불러들여 마이크 캘리브레이션을 대신할 수 있습니다. 이제 우측 제일 하단의 "OK" 버튼을 누르면 측정으로 들어갈 수 있습니다.

이제 초기 화면에서 스펙트럼 분석 측정으로 들어 갑니다. 메뉴 아래의 "Spa" 아이콘을 누르면 

아래와 같이 나옵니다. 그림의 위에서 3번째 줄의 Gen 우측에서 내부 신호 발생기를 이용하려면 "Sine"을 선택하고 외부 신호 발생기를 이용하려면 "External"을 선택하면 됩니다.

내부 신호 발생기를 이용하기 위하여 "Sine"을 선택한 후 "Generator" 선택한 후 "Configue" 를 선택하면 아래와 같은 그림이 나옵니다. 1kHz 의 경우 1000을 넣어주고 Level을 선택하는데 -6dB을 선택하면 제 경우에는 1.004Vrms 출력이 나옵니다. Dither Level 은  20비트를 선택했습니다. OK 하면 신호 발생기의 설정이 마무리 됩니다. 

측정 그래프의 보이는 모양을 설정하기 위하여 파란색 스타트 버튼의 우측에 있는 "ABC" 아이콘을 누르면 아래와 같이 보이면 아래와 같이 설정하시면 됩니다.

"ABC"  아이콘 우측의 "Setup Measurement" 아이콘을 누르면 아래와 같이 보입니다. 입력 채널을 선택한 후 나머지는 동일 하게 하시면 됩니다.

마지막으로 설정 과정 중 Graph Setup 만 남았습니다. "Setup" 메뉴에서 "Graph Setup"을 누르시면 아래와 같이 보입니다. To은 20, Range는 160를 입력한 후 주파수 범위는 20000 과 20을 입력하고 제일 우측의 "Frequency axis에서 타입을 결정해 줍니다. "Log" 설정하고 Smoothing을 1/3옥타브로 설정하면 아래와 같은 측정그래프를 볼 수 있습니다. 

그래프가 잡음이 많은 것 처럼 보이지만 사실은 이 경우 8192 포인트를 샘플링하고 결과를 보여 주기에 더 정밀합니다. 

타입을 옥타브 스무딩으로 선택하고 스무딩을 1/24 옥타브로 선택하면 512 포인트 샘플링을 하고 그래프는 아주 깨끗하게 보입니다.

이제 측정으로 들어갑니다. ARTA 내부 신호 발생기를 사용하는 경우 "Generator" 메뉴의 "Configue" 를 이용하여 출력 레벨과 주파수를 설정하고 위에서 두번째 줄의 빨간색 스타트 버튼을 누르면 측정이 시작됩니다. 측정된 값이 실시간으로 보여 집니다. 그래프가 적정 범위에 보여지도록 맨 우측의 "Top"아래의 "Fit" 버튼을 누르면 적정 범위로 보입니다. 이 후 빨간색 스탑 버튼을 누르면 정지 화면이 되며 그 그래프를 화면 캡춰 합니다. 입력 전압을 확인하기 위해서는 "Recorder" 메뉴의 "View Time Record"를 누르면 입력 신호의 오실로스콥 파형이 뜹니다. 아래와 같이 Vpeak 전압을 측정하고 파형이 찌그러져 있는지 확인해 봅니다. 

측정한 결과를 저장하기 위하여 "File" 메뉴의 "Export"를 선택하고 "CSV" 파일을 선택하면 확장자 CSV 파일로 저장되어 엑셀 프로그램으로 1KHz 부터 24KHz까지 각각 하모닉의 크기를 알 수 있습니다(1차는 기본 주파수). 2차 이상 각각의 하모닉 양은 1차 값을 빼 주어야 정확한 값이 됩니다.

이 자료를 통해 PC 기반 스펙트럼 분석기를 사용하여 앰프 설계 및 측정에 새로운 길이 열리기를 소망해 봅니다. 감사합니다. 

<입력 트랜스에서 신호 증폭이 일어 나는데 입력 임피던스가 영향이 아주 큰 것 같습니다.>
뭔가 가 잘못되여 있습니다. 입력 회로를 점겁해봐야 겠습니다.

입력회로 올려주십시요