Wenn Sie jemals einem Onkel beim Bluesgitarrenspiel oder einem Freund beim Klimpern auf einer billigen Plastik-Ukulele zugehört haben, wissen Sie wahrscheinlich, was harmonische Verzerrung ist. Es klingt wie ein sehr leises Summen, Zischen oder Pfeifen im Hintergrund ihrer Darbietung. Das liegt daran, dass diese Instrumente ihre Töne nicht ohne eine gewisse Verzerrung erzeugen können. In der Technik wird dies auch als „Nichtlinearität” bezeichnet.
In diesem Artikel untersuchen wir, was harmonische Verzerrung ist, warum sie auftritt und wie Sie sie in Ihrem eigenen Heimstudio verhindern können. Lassen Sie uns beginnen!
Was ist harmonische Verzerrung?
Harmonische Verzerrung, auch als „unbeabsichtigte Rückkopplung“ bekannt, bezeichnet das Hinzufügen neuer Frequenzen zu einem Ton. Dies kann passieren, wenn ein Signal in das System zurückgeführt wird, über das es abgespielt wurde. Dieses neue Signal ist als Summen oder Pfeifen zu hören. Harmonische Verzerrung tritt am häufigsten bei Musikinstrumenten und Audiogeräten auf. Musikinstrumente können ohne harmonische Verzerrung keine Töne erzeugen. Audiogeräte müssen jedoch so konstruiert sein, dass sie harmonische Verzerrung verhindern.
Gesamtklirrfaktor (THD)
Die gesamte harmonische Verzerrung (THD) bezieht sich auf die zusätzlichen harmonischen Komponenten des Ausgangssignals gegenüber dem Eingangssignal, die durch nichtlineare Komponenten verursacht werden, wenn das Audiosignal die Endstufe durchläuft. Harmonische Verzerrung wird dadurch verursacht, dass das System nicht vollständig linear ist, und wir drücken sie als Prozentsatz des quadratischen Mittelwerts der neu hinzugefügten gesamten harmonischen Komponente zum Effektivwert des ursprünglichen Signals aus. Beispielsweise weist ein Verstärker, der 10 V bei 250 Hz und 1 V bei 500 Hz ausgibt, eine zweite harmonische Verzerrung von 10 % auf. Die Summe aller zusätzlichen harmonischen Pegel wird als Gesamtklirrfaktor bezeichnet. Im Allgemeinen ist der Gesamtklirrfaktor bei einer Frequenz von 500 Hz am geringsten, daher verwenden viele Produkte die Verzerrung dieser Frequenz als Index.
Die Formel zur Berechnung der Gesamtklirrfaktor lautet wie folgt:
Bei Spannungsoberschwingungen ist TDH (%) die gesamte harmonische Verzerrung, Vh die Leistung jeder Oberschwingung und V1 die gesamte RMS-Ausgangsspannung (einschließlich Grund- und Oberschwingungsanteile).
Bei Stromoberwellen ist TDH (%) die gesamte harmonische Verzerrung, Ih der Strom jeder n-Oberwelle und I1 der gesamte RMS-Ausgangsstrom (einschließlich Grund- und Oberwellenanteile).
Wie entsteht harmonische Verzerrung?
Auf der grundlegendsten Ebene tritt harmonische Verzerrung auf, wenn ein Eingangssignal zu laut ist und über einen Verstärker in ein System „zurückgeführt“ wird. Dies kann in einem Heimstudio passieren, wenn ein an die PA-Anlage angeschlossenes Instrument zu übersteuern beginnt. Am einfachsten lässt sich dieses Phänomen anhand zweier Wellen verstehen, die aufeinanderprallen. Die eine Welle ist Ihr ursprüngliches Audiosignal, die andere ist der verstärkte Ton, der über die Lautsprecher in das System zurückgeführt wird. Diese beiden Wellen verbinden sich zu etwas Neuem. Das ursprüngliche Audiosignal ist immer noch vorhanden, aber es kommen neue Frequenzen hinzu, die durch die Rückkopplung entstanden sind.
Messmethode
Aus der Berechnungsformel für die gesamte harmonische Verzerrung lässt sich ableiten, dass der Wert der gesamten harmonischen Verzerrung in engem Zusammenhang mit dem oberen Grenzwert H der harmonischen Ordnung steht. Allgemeine Geräte zur Messung harmonischer Verzerrungen, wie beispielsweise Oberschwingungsanalysatoren, eignen sich meist für die Messung harmonischer Verzerrungen im Stromnetz, wobei die Obergrenze in der Regel bei der 40. Ordnung liegt.
Für Geräte mit höheren Oberschwingungen, wie Frequenzumrichter, sind zur Messung der gesamten harmonischen Verzerrung spezielle Geräte erforderlich, die höhere Oberschwingungen messen können, wie z. B. Leistungsanalysatoren mit variabler Frequenz oder Breitband-Leistungsanalysatoren. Darüber hinaus muss bei Hochspannungs- und Hochstromsystemen auch auf die erforderliche Bandbreite der verwendeten Sensoren, wie z. B. Leistungssensoren mit variabler Frequenz, geachtet werden.
Der Einfluss harmonischer Verzerrungen auf Leiterplatten
Harmonische Verzerrung ist ein wichtiger Faktor, der bei der Entwicklung von Leiterplatten berücksichtigt werden muss. Sie kann Probleme mit der Signalintegrität verursachen und zu Schäden an Bauteilen führen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, harmonische Verzerrung zu mindern, darunter:
– Verwendung von Stromversorgungs- und Masseflächen
mit niedriger Impedanz – Hinzufügen von Bypass-Kondensatoren zu kritischen Bauteilen
– Hinzufügen von Induktivitäten zum Herausfiltern von
Hochfrequenzrauschen – Verringern der Länge der Signalleitungen
Jede dieser Methoden hat ihre Vor- und Nachteile, daher ist es wichtig, die richtige Lösung für Ihr spezielles Leiterplattendesign zu wählen.
Vermeidung von harmonischen Verzerrungen
Harmonische Verzerrung ist eines der Hauptprobleme, die bei der Entwicklung und Herstellung von Leiterplatten auftreten können. Sie kann eine Reihe von Problemen verursachen, darunter Signalintegritätsprobleme, Übersprechen und elektromagnetische Störungen (EMI).
Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, harmonische Verzerrungen zu reduzieren oder zu beseitigen. Eine davon ist die Verwendung von Differenzsignalen, die viele der Oberwellen ausgleichen können. Eine andere ist die Verwendung von Stromversorgungen mit niedriger Ausgangsimpedanz, die ebenfalls zur Reduzierung von Oberwellen beitragen können.
Differenzsignale sind eine Technik, die häufig in digitalen Hochgeschwindigkeitssystemen eingesetzt wird, um die Auswirkungen von Rauschen und Übersprechen zu reduzieren. Bei Differenzsignalen werden zwei Signale auf getrennten Leitungen gesendet, wobei ein Signal das inverse des anderen ist. Das empfangende Gerät kombiniert dann die beiden Signale, wodurch jegliches Gleichtaktrauschen aufgehoben wird.
Netzteile mit niedriger Ausgangsimpedanz können ebenfalls zur Reduzierung von Oberschwingungen beitragen. Ein Netzteil mit niedriger Impedanz weist einen geringeren Spannungsabfall auf, wenn Strom aus ihm entnommen wird, was bedeutet, dass die Spannung an der Last stabiler ist. Dies kann dazu beitragen, viele der durch harmonische Verzerrungen verursachten Probleme zu reduzieren oder zu beseitigen.
