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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Clipping Detection für Verstärkerausgänge und Vorverstärkerausgänge


Autor: Paul H. (powl)
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Hi,

da sich meine Car-Hifi Anlage bei hohen Lautstärken etwas seltsam anhört 
und ich gerne wissen würde woran das liegt, möchte ich zuerst mal 
überprüfen ob der Verstärker überlastet ist oder den 
Vorverstärkereingang zu stark belastet wodurch an diesen Signalleitungen 
Clipping auftreten könnte.

D.h. Ich muss irgendwie feststellen ob in meinem Audio-Signal Clipping 
enthalten ist.

Wie stelle ich das am geschicktesten an?

Ich dachte mir, ich nehm einen OpAmp als Differenzierer und vergleiche 
das ganze mit einer Referenzspannung, die ich aus dem gleichgerichteten 
und geglätteten Audio-Signal ermittle. Wenn nun clipping auftritt macht 
die Kurve einen Knick, dieser sollte dann als Spannungsspitze hinter dem 
Differenzierer erscheinen. Mit diesem Puls kann man dann eine LED 
ansteuern.

Gute Idee? Oder schlechte Idee?

lg PoWl

Autor: MaWin (Gast)
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Man vergleicht mit einem Komparator ob das Signal eine bestimmte 
Spannung knapp unter der oberen Spannungsgrenze überschreitet (bzw. 
unter einer unteren, da Audio aber gleichspannungssymmetrisch ist muss 
man das nicht) überschritten wurde, und lässt dann (per Monoflop auf 
eine bestimmte sichtbare Zeit ausgedehnt) eine LED leuchten.

Autor: Paul H. (powl)
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Und welche obere Spannungsgrenze soll das sein? Die Spannung ab der 
Clipping definitiv auftritt ist vorher nicht bekannt!

Autor: Ulla (Gast)
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Es kann auch der SOAR-Schutz ansprechen, das sieht dann ganz komisch 
aus.

Leih dir mal ein Oszi aus...

Autor: MaWin (Gast)
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> Die Spannung ab der Clipping definitiv auftritt ist vorher nicht bekannt!

Dir nicht.

Messen.

Und dann eben knapp drunter bleiben, damit man im Bereich ist ist dem 
clipping noch nicht auftritt.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Hä? Die Spannung muss man doch gar nicht wissen. Einfach eine Z-Diode an 
ein Versorgungs-Rail schalten und die Spannung daran als Referenz 
nehmen. Bei +/-40V Versorgungsspannung und einer 4,7V Z-Diode kommt man 
somit auf ca 35V, ab wo Clipping detektiert wird. Bei 20V und 4,7V 
Z-Diode sinds knapp 15 Volt.
Passt doch.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Simon K. schrieb:
> Bei +/-40V Versorgungsspannung und einer 4,7V Z-Diode kommt man
> somit auf ca 35V
Bei einem Car-Amp würde ich aber erwarten, dass der Aussteuerbereich 
deutlich näher an die Versorgung geht...

Autor: Paul H. (powl)
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Ein Car-Amp transformiert die Spannung zuerst hoch und benutzt diese als 
Versorgungsspannung für den Verstärker. Sonst könnte man niemals aus 12V 
so hohe Ausgangsleistungen an 4Ohm erzielen. Deswegen kann ich daher 
schonmal von der Eingangsspannung keine Vergleichsspannung ableiten. 
Zumal ich gerne eine echte clipping-detection hätte, die wirklich das 
reale clipping erkennt und nicht nur ob theoretisch bei der jeweiligen 
Amplitude clipping auftritt oder nicht.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Dann nimmt man eben eine 2,7V Z-Diode ;-) Es ging mir ums Prinzip.

@Paul: Du schreibst so viel, trotzdem verstehe ich nicht, was du uns 
sagen möchtest. Was soll denn theoretisches Clipping sein? Weißt du was 
Clipping ist?

Autor: Paul H. (powl)
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Wenn ich nicht wüsste was clipping ist würde ich auch keine 
clipping-detection haben wollen. Clipping ist, wenn die Peaks der 
Sinus-Schwingungen flach abgeschnitten werden weil der Verstärker zu 
weit ausgesteuert ist. Festzustellen ist Clipping natürlich am Ausgang 
des Verstärkers :)

Auch am Eingang des Vorverstärkers könnte das Signal (meines Wissens 
nach) ins Clipping kommen, wenn die Signalquelle durch den zu geringen 
Innenwiderstand des Vorverstärkers zu stark belastet wird, so dass die 
Signalquelle nicht genug Strom liefern kann und die Spannung einbricht. 
Ich befürchte jedoch grade, dass das dann direkt nicht als clipping 
sichtbar ist sondern die Sinüsse oben nur leicht abgeflacht sind.

Autor: Ulla (Gast)
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>da sich meine Car-Hifi Anlage bei hohen Lautstärken etwas seltsam anhört

Das kann auch ein Einsatz des SOAR-Schutzes sein, der sich nicht 
unbedingt im Klippen äußert, vor allem bei großem Phasenversatz zwischen 
Strom und Spannung.

Du solltest schon das Ausgangssignal mit einem Oszi anschauen und es mit 
dem Eingangssignal vergleichen. Wenn es tatsächlich Klippen ist, kannst 
du dann immer noch einen Komparator bauen, der dich später vor dem 
Klippen warnt. Dann weißt zu jedenfalls, bei welchem Pegel der 
Komparator einsetzen muß.

Autor: MaWin (Gast)
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> Das kann auch ein Einsatz des SOAR-Schutzes sein

Eher der Zusammenbruch der Zwischenkreissspannung auf Grund zu geringer 
Leistung des Spannungswandlers, mit dann als Folge schon bei viel 
niedrigeren Pegeln auftretendem Clipping.

Insofern hat er recht, die Clip-Spannung ist nicht konstant, sondern 
abhängig von der Versorgungsspannung, also müsste die Schaltschwelle bei 
Versorgungsspannung-einer_gemessenen_Spannung liegen, was mit der 
Z-Diode angedeutet wäre, aber natürlich noch zu ungenau erfasst.

Autor: Paul H. (powl)
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Aus aktuellem Anlass würde ich das Thema gerne wieder aufleben lassen. 
Mittlerweile bin ich glücklicherweise um ein paar Erfahrungen reicher.

Was ich will ist eine Clipping-Detection, die Clipping nur anhand der 
Signalform erkennt und nicht an der absoluten Amplitude.

Wenn ich Eingangs- und Ausgangssignal eines Verstärkers miteinander 
vergleichen möchte muss ich das Ausgangssignal wieder auf den Pegel des 
Eingangssignals normalisieren. Das dürfte schwierig sein.

Als beste Methode stell ich mir vor, Eingangs- und Ausgangssignal durch 
eine FFT zu schicken und zu schauen ob die beiden FFTs ungefär 
übereinstimmen.

Eine einfachere Variante die auch ohne DSP-system auskommt wäre einfach 
die durch das Clipping entstehenden Oberwellen im Ausgangssignal zu 
detektieren. Wenn ich so drüber nachdenke glaube ich aber nicht, dass da 
jenseits der 18..20kHz noch viele Oberwellen übrig bleiben. Vor allem 
weiches Clipping, bei dem die Sinuspeaks nur sanft abgeflacht werden 
dürfte sich damit nur schwer erkennen lassen. Trotzdem ist eben diese 
Abflachung der Peaks für Clipping charakteristisch, so was kommt doch in 
normaler Musik gar nicht vor, das müsste sich doch irgendwie erkennen 
lassen.

Was ich mit der Clipping-Detection überhaupt vor habe ist vor allem 
Fehler in Audioverkabelungen zu erkennen. Quasi so einen mobilen 
Clipping-Tester bzw. eine Schaltung, die man auch mal fest in die 
entsprechenden Geräte verbaut. Wenn wir ab und zu mal Partys mit mehr 
oder weniger mobiler Anlage schmeißen und die Anlage kratzt möchte ich 
sofort wissen, welches Gerät dran Schuld ist bzw. vor allem wissen, ob 
das Eingangssignal überhaupt sauber ist, bevor wir anfangen die ganze 
Anlage nach Fehlern abzusuchen.

Autor: Sunny J. D. (der_nachtfuchs)
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Ich würde eine Gleichspannungserkennung mit einstellbarem Gleitfenster 
oder Aufintegrierer machen.

Normalerweise kommt im Audiobereich keine "abgeflachte" Wellenform vor, 
wie sie etwa beim Softclipping entsteht. Daher kannst du einen Filter 
entwickeln, der mit höherer Ausgangsspannung seine Empfindlichkeit 
verringert und bei Gleichspannung (alles unter 3 Hz anteilig) einen 
Monoflop triggert. An diesem kannst du dann Schutzrelais oder eine Diode 
anschließen.


Oder einen Lüfter, der schonmal deine Endstufe kühlt ;)

Autor: Paul H. (powl)
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Hab ich jetzt nicht ganz verstanden, was soll ich mit dem Signal machen? 
:D

Auf 3Hz prüfen? Wo sollen die 3Hz denn herkommen? ;-) Durchs Clipping 
entstehen ja nur Oberwellen, aber die können durchaus großteils im 
hörbaren Bereich liegen, sind aber nicht kleiner als die Grundfrequenz.

Nur diese Spontane Abflachung zu erkennen wäre ne Möglichkeit. Die ist 
ja wirklich charakteristisch. Durch die Frequenzinformation findet man 
das aber nicht raus. Da bräuchte man Frequenz und Phase für, aber dann 
kann man gleich mit DSP loslegen.

Man könnte jetzt aber davon ausgehen, dass das Clipping eh nur im 
Bassbereich stattfindet und einen länger anhaltenden 
Gleichspannungspegel detektieren. Das würde sogar gehen, indem man das 
Ausgangssignal tiefpassfiltert und mit nem AVR mit >10x so hoher 
Abtastrate abtastet. Und dann berechnet man mal die Änderungsrate des 
Signals. Wenn die über eine gewisse Zeit konstant ist, kann es sich nur 
um Clipping handeln.

Nen Lüfter brauch ich übrigens nicht, die Endstufe juckt das Clipping ja 
nicht ;-) Eher sollte ich den Hochtöner der angeschlossenen 2wege-Box 
kühlen. Der kriegt dann nämlich die volle Ladung Oberwellen ab.

: Bearbeitet durch User
Autor: Sascha (Gast)
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Der Sound-Impairment-Monitor von ESP sollte genau das machen was du 
brauchst: http://sound.westhost.com/project57.htm

Autor: Paul H. (powl)
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Stimmt, die Idee ist nicht schlecht. Allerdings ist das ausschließlich 
zum Einbau in einen vorhandenen Verstärker gedacht.

Ich hätte da gerne etwas, das ich von außen anstöpseln kann.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Ein knallhartes Tiefpaßfilter mit Grenzfrequenz fg am Eingang und am 
Ausgang einen Hochpaß beginnend bei fg. Das Signal gleichrichten und 
fertig.

Autor: npn (Gast)
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Wenn das anzustöpselnde Gerät auch ein Laptop sein kann, dann wäre das 
hier vielleicht eine Variante. Damit kannst du (unter anderem) den 
Klirrfaktor messen. Und genau das ist ja Clipping, der Anstieg des 
Klirrfaktors.
http://audio.rightmark.org/index_new.shtml

Autor: Sunny J. D. (der_nachtfuchs)
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Paul Hamacher schrieb:
> Auf 3Hz prüfen? Wo sollen die 3Hz denn herkommen? ;-) [...] Nur diese
> Spontane Abflachung zu erkennen wäre ne Möglichkeit. Die ist ja wirklich
> charakteristisch.


Während der spontanen Abflachung (hard clipping) hast du eine 
Signaländerung von null, also 0 Hertz. Wenn du soft clipping hast, ist 
die Änderung nicht so plötzlich, aber trotzdem andauernd. Wenn die 
Änderung des Signals (flacher Anstieg, Oberkante, flacher Abstieg) 330 
Millisekunden dauert, hast du 3 Hz ;) Längere Aussteuerzeiten lässt der 
Eingangsfilter eh nicht zu.


Die Schaltung von Sascha (Gast) funktioniert nicht mit digitalen 
Endstufen, nur mal nebenbei.

Autor: Paul H. (powl)
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Sunny J. D. schrieb:
> Paul Hamacher schrieb:
>> Auf 3Hz prüfen? Wo sollen die 3Hz denn herkommen? ;-) [...] Nur diese
>> Spontane Abflachung zu erkennen wäre ne Möglichkeit. Die ist ja wirklich
>> charakteristisch.
>
> Während der spontanen Abflachung (hard clipping) hast du eine
> Signaländerung von null, also 0 Hertz. Wenn du soft clipping hast, ist
> die Änderung nicht so plötzlich, aber trotzdem andauernd. Wenn die
> Änderung des Signals (flacher Anstieg, Oberkante, flacher Abstieg) 330
> Millisekunden dauert, hast du 3 Hz ;)

Der Extremfall von Clipping wäre, wenn der Sinus zum Rechteck wird. 
Dieser hat aber dann immer noch die gleiche Grundfrequenz wie die, des 
Ursprungssignals, also nix mit 3Hz leider. Wenns denn nur so einfach 
wäre ;-) Denn wenn das Ursprungssignal nach 50ms einen Nulldurchgang hat 
dann hat es das Ausgangssignal auch, egal wie sehr es clippt. Aber damit 
erzähl ich dir bestimmt nix neues.


> Die Schaltung von Sascha (Gast) funktioniert nicht mit digitalen
> Endstufen, nur mal nebenbei.

Stimmt, ich setze eigentlich nur digitale Endstufen ein

Autor: Sascha (Gast)
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Man könnte auch hergehen und statt intern am long-tailed-pair 
abzugreifen den Ausgang der Endstufe über einen passend dimensionierten 
Spannungsteiler an den SIM anzukoppeln. Wenn man noch etwas Tiefpass 
gegen HF drüberstreuselt sollte das auch mit digitalen Endstufen gehen.

Autor: Paul H. (powl)
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Dazu muss man aber die Verstärkung kennen. Wenn die variabel ist hat man 
pech gehabt.

Autor: Sunny J. D. (der_nachtfuchs)
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Paul Hamacher schrieb:
> Aber damit erzähl ich dir bestimmt nix neues.

Stimmt :) denn wenn es hart auf hart kommt, funktioniert meine Lösung 
kaum noch.


Ich hab bei meinen analogen Verstärkern bisher diesen Ansatz verfolgt:

- bei 90% Aussteuerung die Scheitelwerte gemessen
- das dazugehörige Eingangssignal ausgemessen
- Vorverstärker entkoppelt und mit Uvoll zu U90prozent den 
Verstärkungsfaktor herunterregeln

Ergebnis: Je weiter ich die Lautstärke aufdrehe, desto weiter regelt der 
Vorverstärker runter, sodass ich nie an die 100%-Grenze komme.

Nachteil: ein nicht unhörbarer Kompressionseffekt, sobald man über 90% 
aufdreht.

Vorteil: Übersteuert nicht, bei hoher Aussteuerung größerer 
Lautstärkeeindruck :)

Autor: Mike (Gast)
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Paul Hamacher schrieb:
> Wenn ich Eingangs- und Ausgangssignal eines Verstärkers miteinander
> vergleichen möchte muss ich das Ausgangssignal wieder auf den Pegel des
> Eingangssignals normalisieren. Das dürfte schwierig sein.

Schick ein sauberes Sinus-Signal rein (z.B. 1kHz) und guck nach, ob 
hinten ein Anteil auf der dritten Oberwelle (hier also 3kHz) raus kommt.

Autor: Paul H. (powl)
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Sunny J. D. schrieb:
> Paul Hamacher schrieb:
>> Aber damit erzähl ich dir bestimmt nix neues.
>
> Stimmt :) denn wenn es hart auf hart kommt, funktioniert meine Lösung
> kaum noch.
>
>
> Ich hab bei meinen analogen Verstärkern bisher diesen Ansatz verfolgt:
>
> - bei 90% Aussteuerung die Scheitelwerte gemessen
> - das dazugehörige Eingangssignal ausgemessen
> - Vorverstärker entkoppelt und mit Uvoll zu U90prozent den
> Verstärkungsfaktor herunterregeln
>
> Ergebnis: Je weiter ich die Lautstärke aufdrehe, desto weiter regelt der
> Vorverstärker runter, sodass ich nie an die 100%-Grenze komme.
>
> Nachteil: ein nicht unhörbarer Kompressionseffekt, sobald man über 90%
> aufdreht.
>
> Vorteil: Übersteuert nicht, bei hoher Aussteuerung größerer
> Lautstärkeeindruck :)

Hast dir quasi so eine art Limiter gebastelt ;-)


Kleine Voraussetzung meines Clipping-Schaltungsvorhabens: Das soll keine 
Messchaltung werden sondern im laufenden Betrieb mit Musik 
funktionieren.

Aber ohne Eingangs- und Ausgangssignal miteinander zu vergleichen kriegt 
man das wohl kaum hin. Ergo muss man wohl mit DSP ran.

Autor: Gerald G. (gerald_g)
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Kann man nicht einfach das Ausgangssignal mit der Spannung vergleichen? 
Der Verstärker sollte doch maximal an die verstärkerspannung 
heranreichen (abzüglich eines bauartbedingten offsets)
Möchte der Verstärker stärker verstärken, als er kann, kommt das 
Ausgangssignal an genau diesen Punkt. Wird dieser Punkt berührt, clippt 
der Verstärker.

Autor: Sunny J. D. (der_nachtfuchs)
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Ein ordentlicher DSP ist halt aufwendig und im Selbstbau sehr teuer.

Diese Art von Limitern gibt es inzwischen als Single-Chip-Lösung und ist 
in jedem besseren Verstärker drin, damit man an Bauteilen sparen kann 
und der Amp trotzdem noch einigermaßen klingt.

Mir ging es primär um Verzerrungsfreiheit und Schutz der Boxen. Mein 
analoger Verstärker könnte bei entsprechender Versorgung etwa 250 Watt 
pro Kanal leisten, ich hab ihn aber das Vollgas weggenommen und jetzt 
macht er 30 Watt Sinus und knappe 100 Watt Musikleistung ^_^ reicht für 
die Wohnung aus und klingt halt sehr sauber.


Für deinen Anwendungswunsch wäre wahrscheinlich der Komparator die beste 
Lösung. Allerdings musst du die Ausgangssignale am Verstärker genau 
auswerten - und zwar bei allen Lautstärken - auf Oberwellen prüfen und 
dir dann einen entsprechenden Filter bauen.

Viele analoge Endstufen haben aufgrund des mangelhaft ausgelegten 
Zobel-Glieds einen gewaltigen Oberwellenanteil, hauptsächlich durch 
Aufschwingen. Fällt an den Lautsprechern mit ihrem induktiven Widerstand 
nicht auf, der Komparator würde das allerdings schon als Fehler 
interpretiern.

Bei digitalen Endstufen hast du die PWM-Modulation am Ausgang, die sich 
erst bei entsprechendem Stromfluß (Belastung) durch die 
Auskoppelinduktivitäten filtern lässt. Auch hier muss ein komplizierter, 
analoger Filter ran, der einen großen Spannungsbereich abkönnen muss.

(Meine 1000W-Omnitronik-Endstufe hat nen 2x133V-Trafo drin.)

Ich würde vermutlich trotzdem über eine Lösung wie in meiner ersten 
Antwort nachdenken:

Gleichspannung (alles unter 3 Hz) erkennen (sobald das Signal nicht Null 
ist und längere Zeit auf einem (annähernd) gleichen Level bleibt), und 
dann einen Ausgang aktivieren.

Analog würde ich das lösen, indem ich einen Kondensator in Reihe mit 
einem Widerstand an den Ausgang des Verstärkers anschließe.

-- bei "hörbaren" Frequenzen ist der Blindwiderstand des Kondensators so 
niedrig, dass sich an ihm keine nennenswerte Spannung abbildet.

-- bei Gleichspannung oder Clipping würde sich der Kondensator aufladen, 
die "gespeicherte" Spannung könnte man mit einem Gleichrichter entnehmen 
und auswerten.


AAABER: das hilft dir nicht wirklich bei deinem Problem, nämlich 
herauszufinden, woher das Gekratze kommt. Ich hab früher selbst mobile 
Beschallung gemacht, daher kenne ich das Problem. Da hilft nur, dass man 
seine Kabel regelmäßig durchmisst und die Steckkontakte sauberhält, die 
Endstufen einmal pro Halbjahr mit einem Leistungswiderstand prüft und 
die Signalgeräte und Mischer mit nem Kopfhörer am XLR abhört. Damit 
kannst du die meisten Fehlerquellen ausschließen.

Und immer Ersatzkabel dabeihaben :o)

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