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Von admin / BlogTechnikecke

Quasi-Spitzenwertgleichrichter für psophometrische Messungen

Dieser Beitrag befasst sich mit der Darstellung von Signalgemischen, mithilfe von Zeigerinstrumenten und den dazu verwendeten Gleichrichtern, wie sie ab den 1970er Jahren in der NF-Messtechnik eingesetzt wurden. Die im Folgenden aufgeführten Messungen wurden mit dem Brüel & Kjaer Psophometer 2429 vorgenommen. Ebenso bezieht sich ein Großteil der Beschreibungen auf dieses Gerät. Für die dazu von Brüel & Kjaer zur Verfügung gestellten Unterlagen sei an dieser Stelle gedankt.

 

Für das Erfassen kurzeitiger Amplituden in Signalgemischen, spielt die Einschwingzeit des Anzeigeinstruments eine besondere Rolle, wobei die mechanischen Gegebenheiten die Grenzen setzen. Die Einschwingzeit ist definiert als die Zeit, die der Zeiger benötigt, um 99% des anzuzeigenden Sollwertes zu erreichen. Die benötigten Zeitkonstanten für Vor- und Rücklauf des Zeigers, können im Messgleichrichter vorgegeben werden. Effektivwertmessgeräte aus dieser Zeit nehmen in der Regel eine Bewertung sinusartiger Wechselspannungen vor. Die Einschwingzeit ist oft auf 200-300ms ausgelegt und wird als "flink" bezeichnet. Damit beim Messen von Wechselspannungen mit Frequenzen <25Hz bis unter 10Hz der Zeiger nicht flattert, kann die Einschwingzeit bei einigen NF-Pegelmessgeräten (z.B. Grundig MV-5) auf 2 Sekunden erhöht werden. Die Funktionsbezeichnung lautet dafür "träge". Wie die Zeitangaben leicht erkennen lassen, werden kurzzeitige Impulse im 1- und 2-stelligen Millisekundenbereich, aufgrund der Trägheit des Anzeigeinstruments sowie der genannten Einschwingzeiten des Messsystems, mit zu geringen Amplituden bzw. gar nicht erfasst. Um hier Abhilfe zu schaffen, hat man Messgleichrichter entwickelt, die in der Lage sind, den Zeiger eines Instruments derart zu beschleunigen, dass er in der kurzen Zeitspanne von wenigen Millisekunden die geforderten 99% des Sollwertes erreicht. Diese speziellen Vorgaben des Messgleichrichters werden benötigt, um eine Quasi-Spitzenwert-Messeinrichtung nach DIN 45405 zu realisieren.

 

Der Quasi-Spitzenwertgleichrichter ist eine Sonderform des Effektivwertgleichrichters und darf nicht mit dem Spitzenwertgleichrichter verwechselt werden!

 

Ein Spitzenwertgleichrichter zeigt das 1,414-fache des Effektivwertes an. Es wird der Spitzenwert einer gleichgerichteten, kontinuierlichen Signalspannung zur Anzeige gebracht. Im Gegensatz dazu zeigt ein Anzeigegerät mit Quasi-Spitzenwertgleichrichter bei einer kontinuierlichen Signalspannung den gleichen Wert, wie ein Anzeigegerät mit Effektivwertgleichrichter an. Beim Quasi-Spitzenwertgleichrichter handelt es sich um einen Effektivwertgleichrichter mit kleiner Zeitkonstante für den Vorlauf und großer Zeitkonstante für den Rücklauf. Die Beschleunigung des Zeigers dient dazu, kurze Signalereignisse erfassen zu können. Die Verlangsamung des Rücklaufs ist erforderlich, damit der Maximalausschlag des Zeigers mit dem Auge sicher erfasst und ermüdungsfrei beobachtet werden kann. Der Rücklauf des Zeigers ist auf 20dB pro 1,5 Sekunden festgelegt. Schaltungstechnisch werden die Zeitkonstanten des im Gerät ohnehin schon vorhandenen Effektivwertgleichrichters umgeschaltet (siehe Schaltbild). Der Quasi-Spitzenwertgleichrichter ermöglicht die Kontrolle von Signalgemischen in Bezug auf kurzzeitig auftretende Amplituden und deren sichere Erkennung. Hierunter ist, wie schon beschrieben, nicht der höchste Augenblickswert der Messspannung zu verstehen, sondern ein "Quasi-Spitzenwert", der im Allgemeinen kleiner ist, als der höchste Augenblickswert. Dessen Größe ist einerseits von der Zeitdauer der Spannungsspitzen und andererseits von den Zeitkonstanten des Millivoltmeters abhängig. Der Quasi-Spitzenwertgleichrichter bildet einen Spannungsmittelwert (angenähert, quadratischer Mittelwert = Effektivwert) und einen zeitlichen Mittelwert. Wie man die Funktion eines NF-Pegelmessgerätes mit Quasi-Spitzenwertgleichrichter überprüfen kann, wird im Folgenden beschrieben.
Anmerkung: B&K bezeichnet den Effektivwertgleichrichter im 2429 mit Q-RMS, also als Quasi-Effektivwertgleichrichter. Damit wird angezeigt, dass es sich um einen Gleichrichter handelt, dessen Ausgangsspannung von der Kurvenform der Eingangsspannung abhängig ist. Das ist beim Messen von Wechselspannungen mit nicht-sinusförmigem Verlauf sowie bei Rauschspannungen zu berücksichtigen. Bei weißem Rauschen waren Abweichungen von +5% im Vergleich zu einem Messgerät mit echter quadratischer Mittelwertbildung zu beobachten. Bei rosafarbenem Rauschen wurden keine Unterschiede zum Referenzgerät (R&S URE) festgestellt. Beim Umschalten auf den Quasi-Spitzenwertgleichrichter ergaben sich bei den Rauschsignalen jeweils um 4dB höhere Messwerte. Bei Signalen mit kontinuierlichem Schwingungsverlauf arbeiten beide Gleichrichterarten des B&K-Gerätes (Q-RMS und Q-PEAK) im Frequenzbereich 20Hz bis 20kHz, linear.

Zur normgerechten Beurteilung von Quasi-Spitzenwertgleichrichtern benötigt man Schwingungspakete (Bursts) von verschiedener Dauer. Die Einzelschwingung hat eine Frequenz von 5kHz (Periodendauer 0,2ms) - eine Einzelschwingung entspricht hier 1 Burst. Die Wiederholrate der Schwingungspakete beträgt 1,5 Sekunden oder länger. Auf diese Weise lässt sich sowohl der Vorlauf, als auch der Rücklauf gut beobachten.

 
Das Bild zeigt beispielhaft zwei ausgetastete Einzelschwingungen (Bursts) - aus Darstellungsgründen - mit einer kurzen Wiederholzeit.
Das Bild zeigt beispielhaft zwei ausgetastete Einzelschwingungen (Bursts) - aus Darstellungsgründen - mit einer kurzen Wiederholzeit.
 

Nach DIN 45405 ist die Quasi-Spitzenwertanzeige so definiert, dass beim Anlegen eines einmaligen Schwingungspaketes von bestimmter Dauer ein Zeigerausschlag erzielt wird, der einem bestimmten Anteil derjenigen Anzeige entspricht, die ein kontinuierliches Signal gleicher Amplitude hervorrufen würde. Den Bezugspunkt bildet eine kontinuierliche Wechselspannung der Frequenz 5kHz mit einer Amplitude von 2/3 des Skalenendwertes. Die bei verschiedenen Impulsbreiten (Dauer der Schwingungspakete) anzuzeigenden prozentualen Werte sind in nachstehender Tabelle zusammengefasst.

 

Die dynamischen Eigenschaften entsprechen durch geeignete Wahl der verwendeten Zeitkonstanten den Forderungen der DIN 45405 Abs. 3.5.1.

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Das Diagramm stellt die Anzeige bezogen auf die Anzeige bei Dauerton in Abhängigkeit der Impulsdauer Ti, entsprechend DIN 45405 Abs. 3.5.1. dar. Der Wechselspannungsimpuls hat dabei eine Frequenz von 5kHz.
Das Diagramm stellt die Anzeige bezogen auf die Anzeige bei Dauerton in Abhängigkeit der Impulsdauer Ti, entsprechend DIN 45405 Abs. 3.5.1. dar. Der Wechselspannungsimpuls hat dabei eine Frequenz von 5kHz.

Damit sich der Praktiker eine Vorstellung machen kann, ist der Messvorgang im Folgenden ausführlich bebildert.

Vergrößerte Darstellung durch anklicken der Bilder.

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Die Tabelle zeigt von links die Sollwerte, die Schwingungspakete sowie die jeweils daraus resultierende Quasi-Spitzenwertanzeige und rechts die Quasi-Effektivwertanzeige, B&K 2429.
Die Tabelle zeigt von links die Sollwerte, die Schwingungspakete sowie die jeweils daraus resultierende Quasi-Spitzenwertanzeige und rechts die Quasi-Effektivwertanzeige, B&K 2429.

 

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Die Bilder zeigen den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannungen des Quasi-Spitzenwertgleichrichters und den des Quasi-Effektivwertgleichrichters in Abhängigkeit der verschiedenen Eingangsspannungen, B&K 2429.

 

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Anzeigeinstrumente mit Quasi-Spitzenwertgleichrichter können nicht nur für die Ermittlung von Fremd- und Geräuschspannungen eingesetzt werden, sondern auch zur Überwachung und Aussteuerung von Speichermedien, Verstärkern und Übertragungssystemen. Noch besser als Zeigerinstrumente sind dafür Anzeigegeräte mit Lichtbalken geeignet, die beinahe trägheitslos agieren, einen weiten Anzeigeumfang bieten und sehr gut ablesbar sind. Als Beispiel dient hierfür das bewerte Anzeigegerät NTP 277-400 aus den 1980er Jahren. Es ist ebenfalls mit einem Quasi-Spitzenwertgleichrichter ausgestattet und kann darüber hinaus noch den Korrelationsgrad eines Stereosignals anzeigen.

Dem Lichtbalkenzeiger reicht in Funktion "FAST" eine Schwingung (1 Burst) aus der kontinuierlichen 5kHz Schwingung (0,2ms), um die 0dB Marke zu erreichen. Das heißt also, selbst kurze Impulse eines Signalgemisches werden einwandfrei detektiert und erkannt, sodass eine Übersteuerung sicher vermieden werden kann.

 

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Die Prüf- und Abgleichbedingungen für Messapparaturen mit Lichtbalkenzeiger sind in der DIN 45406 und IEC 268-1 0 festgelegt.
Hier ein Auszug aus den technischen Daten des beschriebenen Gerätes:

 

Integration Time:
10ms for -1dB +/-0,5dB
5ms for -2dB +/-1dB
3ms for -4dB +/-1dB
0,4ms for -15dB +/- 2dB

 

Fall back time: 1,5s for 20dB
IRT-ELA KE/Mr 4.5.70: 2,5s +/-0,1s for 0dB to -40dB

Die psophometrischen Bewertungsfilter

 

Nicht genug, dass spezielle Gleichrichter für Messungen in audiotechnischen Anlagen zu verwenden sind, die Ergebnisse sind je nach Situation auch noch frequenzabhängig zu bewerten. Hier kommen die psophometrischen Filter ins Spiel.

 

Nach DIN 45405 (1983) müssen sowohl Geräuschspannungen als auch Fremdspannungen mit einem Quasi-Spitzenwertmesser ermittelt werden. Demgegenüber wird vor allem im Ausland, aber auch bei Messungen nach DIN 45500, die A-Bewertete Störspannung als Effektivwert gemessen (Zollner, Zwicker).

 

Bei der Messung von weißem Rauschen mit dem Effektivwertgleichrichter ist, je nach Bewertungsfilter, mit folgenden Unterschieden zu rechnen:

Tabelle

 

Beim Messen des gleichen Rauschsignals unter Verwendung der obigen Filter, aber mit dem Quasi-Spitzenwertgleichrichter, ergeben sich gegenüber den Effektivwerten um 4 bis 5dB höhere Werte (R&S, Zollner, Zwicker). Eigene Messungen bestätigten den Sachverhalt.

 

Zur Ermittlung des Geräuschpegels in elektroakustischen Breitbandübertragungssystemen ist nach DIN, CCIR-468 und CCITT eine bewertete Messung vorgeschrieben, die einen Störeindruck nachbildet, wie er gehörmäßig bzw. subjektiv beim Beobachter entsteht. Die Nachbildung der subjektiven Störwirkung wird durch ein psophometrisches Bewertungsfilter sowie das dynamische Verhalten des Messgleichrichters und der Anzeige erreicht. Durch diese Anzeigeart wird die Lästigkeit impulsartiger Störspannungen bewertet. Hintergrund ist, dass Knackstörungen mit großen Scheitelwerten und geringer Häufigkeit subjektiv als genauso störend empfunden werden, wie Knackstörungen mit kleinen Scheitelwerten bei großer Häufigkeit.
Die nach den Vorgaben der DIN 45405 erzielten Messwerte stehen immer schlechter dar, als die nach der (zurückgezogenen) Norm für den HiFi-Bereich (DIN 45500) erzielten Ergebnisse. Wonach Störspannungen A-bewertet und mit Effektivwertgleichrichtung ermittelt werden. Störabstände wurden danach auf den Pegel +6dBu bezogen. Da die nach DIN 45500 ausgeführten Messungen zu „geschönten“ Ergebnissen führen, dürfen diese Messmethoden in der professionellen Tonstudiotechnik nicht angewendet werden.

Wichtig ist bei allen Messungen festzuhalten, unter welchen Bedingungen die Messergebnisse zustande gekommen sind, andernfalls ist ein Datenvergleich nicht möglich. Es sind immer der verwendete Gleichrichter und das eingesetzte Bewertungsfilter in den Dokumentationen anzugeben.

 

Vorgegebene Filterkurven für psophometrische Messungen

Benötigt werden davon für aktuelle Messungen nach DIN 45405 Filter mit magentafarbener Charakteristik für Geräuschspannungsmessungen sowie Filter mit gelbem Kurvenverlauf für Fremdspannungsmessungen – jeweils in Verbindung mit dem Quasi-Spitzenwertgleichrichter.

 

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Das folgende Bild zeigt die Übertragungseigenschaften der psophometrischen Bewertungsfilter des B&K 2429. Das „alte“ Filter (A-Bewertung nach DIN 45633, rote Kurve im oberen Bild) ist hier schon nicht mehr vorhanden. Dafür hat B&K ein Filter nach „CCITT-P53 Telefon“ (grüne Kurve) hinzugefügt.
Das Bild zeigt die Übertragungseigenschaften der psophometrischen Bewertungsfilter des B&K 2429.
Das „alte“ Filter (A-Bewertung nach DIN 45633, rote Kurve im oberen Bild) ist hier schon nicht mehr vorhanden. Dafür hat B&K ein Filter nach „CCITT-P53 Telefon“ (grüne Kurve) hinzugefügt.

Von den vier Filtern werden für Messungen im Studiobereich nur die ersten beiden verwendet:

  • Die lineare Bewertung des Messergebnisses im Bereich 20Hz bis 20kHz (gelbe Kurve) wird für Fremdspannungsmessungen verwendet. Laut DIN 45405 soll auch hierfür der Quasi-Spitzenwertgleichrichter eingesetzt werden.
  • Filter mit magentafarbenen Kurvenverlauf (Radio 2) wird für Geräuschspannungsmessungen in Verbindung mit dem Quasi-Peak-Detektor verwendet (Nach DIN 45405 von 1983, soll dieser am besten dem Höreindruck entsprechen).
  • Das Filter mit der grünen Charakteristik wird für Geräuschspannungsmessungen an Funk- und Fernsprechanlagen herangezogen. Es eignet sich hervorragend zur Brummunterdrückung und liefert vergleichsweise die freundlichsten Messergebnisse.
  • Das Filter (Radio 1), das durch die graue Kurve dargestellt wird, wird heute nicht mehr verwendet (Ebenfalls nach DIN 45405 von 1967 ist eins der alten Art).

 

Aus Gewohnheit werden in diesem Beitrag die alten Begriffe „Fremdspannung“ und „Geräuschspannung“ verwendet. Ich finde sie unterscheiden den Sachverhalt deutlich:

Nach DIN 45405 soll ab 1983 für Fremdspannung der Begriff unbewertete Störspannung, Pegel in dB und für
Geräuschspannung der Begriff bewertete Störspannung, Pegel in dBqp verwendet werden.
(dBqp = Dezibel quasi pondere. Die Werte werden mit dem Quasi-Spitzenwertgleichrichter ermittelt und mit psophometrischen Filtern bewertet)

 

Schlussbetrachtung:

In der modernen Studiolandschaft sind inzwischen überwiegend softwarebasierte Messsysteme eingezogen, die nicht nur den Pegel auf vielfache Weise zur Anzeige bringen, sondern gleichzeitig einen RTA, einen Frequenz-Korrelator, ein Goniometer sowie eine Stereo-Korrelationsgrad-Anzeige beinhalten. Hierbei werden die Anzeigeinformationen direkt aus den digitalen Daten abgeleitet und je nach gewünschter Anzeige, Peak oder RMS, bewertet. Im Wesentlichen verfährt man inzwischen nach den von der EBU (European Broadcasting Union) aufgestellten Richtlinien EBU R 128. Darin wird vor allem dem in der Lautheit zunehmenden Rundfunkbetrieb, mit seinen starken Dynamikschwankungen, Rechnung getragen. Hier sind besonders die Lautstärkeunterschiede zwischen dem laufenden Programm und der Werbung zu erwähnen. In der EBU R 128 wurde ein neuer, frei verfügbarer Standard zur Lautheitsmessung geschaffen und die Einheit Loudness Unit (LU = Lautstärkeeinheit) eingeführt. Sie wird in dB angegeben, weist aber auf eine vorgegebene Lautheitsmessung hin. Hierbei geht es um die Beurteilung der Lautheit über die Zeit. Unterschieden werden die Einheiten LU und LUFS (FS = Full Scale). Wobei sich LU relativ und LUFS absolut zur Aussteuerungsgrenze verhalten. Die Beziehung zwischen den beiden Einheiten ist wie folgt festgelegt: 0 LU = -23 LUFS. Details hierzu sind in der EBU R128 nachzulesen.

 

Aber auch diese neue Betrachtungsweise der Signalspannungen mittels Computerunterstützung hat ihre Tücken und ist mit Sachverstand einzusetzen. Wie bei allen Visualisierungsversuchen von gemischten Signalen, ist auch hier viel Erfahrung im Umgang mit der Messapparatur gefragt. Das Verständnis der hier vermittelten Grundlagen wird dabei vorausgesetzt.  Dass die Messtechnik in der Studiotechnik schon immer eine besondere Rolle spielte, lässt sich auch am Beispiel des Pegelmessgerätes PMG-1 zeigen. Schon Mitte der Siebziger Jahre hatte die Firma Wandel & Goltermann in ihrem Pegelmessgerät einen Quasi-Spitzenwertgleichrichter nach den schon vorliegenden Anforderungen der DIN 45405, mit umschaltbaren Beobachtungszeiten von 2, 5 und 10 Sekunden, im Einsatz. Ziel war es, Übersteuerungen im laufenden Programm auf hochwertigen Rundfunkleitungen sicher erfassen zu können. Das Gerät war in der Lage, kurzzeitig auftretende Signalspitzen in dBqp zu erfassen und, im Sinne einer Quasi-Peak-Hold-Funktion, zwischenzuspeichern. Je nach Anforderung konnten die genannten Beobachtungszeiten gewählt werden.

 

Gerade wegen des so vielsichtigen und komplexen Themas, ist auch in der heutigen Zeit die Kenntnis der Grundlagen und die Geschichte der Tonsignalanzeige für die NF-Messtechnik von Bedeutung. Bauen doch die neuzeitlichen Messapparaturen auf Erfahrungen der alten Meister auf. Bleibt zu wünschen, dass die hier gemachten Erfahrungen und Beobachtungen dem Techniker für die Messpraxis und zum Verständnis der Problematik eine Hilfe sind.

 

Dietmar Bräuer, im Dezember 2018

 

Verwendete Literatur:

  • Brüel & Kjaer Beschreibung zum Psophometer 2429, 1978
  • Gerhard Haas Audio Schaltungen für Tontechnik, Studio und PA 1996
  • Gerhard Haas High-End mit Röhren, überarbeitete und erweiterte Neuauflage 2017
  • Heinz Bluthard Informationen zu Aussteuerungsinstrumenten, Anfang der 1980er Jahre
  • Limann/Pelka Elektronische Voltmeter RPB33, 1982
  • Rhode & Schwarz Dokumentationen und Bedienungsanleitungen für Niederfrequenz Messgeräte 1975
  • Wandel & Goltermann Beschreibung zum PMG-13, 1980
  • Wandel & Goltermann Beschreibung zum PMD-1, 1976
  • Prof. Zollner, Prof. Zwicker, Elektroakustik 3. Aufl. 1993

 

Das kleine Messgerät (rechts) ist das Psophometer 2429 von Brüel&Kjaer aus Dänemark.
Das kleine Messgerät (rechts) ist das Psophometer 2429 von Brüel&Kjaer aus Dänemark.