Se hai mai ascoltato uno zio che suona la chitarra blues o un amico che strimpella un ukulele di plastica economica, probabilmente sai cos’è la distorsione armonica. Suona come un leggero ronzio, sibilo o fruscio sullo sfondo della loro esecuzione. Questo perché questi strumenti non sono in grado di produrre le loro note senza una sorta di distorsione. Questo è anche noto come “non linearità” in termini ingegneristici.
In questo articolo, esploreremo cos’è la distorsione armonica, perché si verifica e come prevenirla nel tuo home studio. Iniziamo!
Cos'è la distorsione armonica?
La distorsione armonica, nota anche come “feedback involontario”, si riferisce all’aggiunta di nuove frequenze a un suono. Questo può accadere quando un segnale viene reimmesso nel sistema attraverso il quale veniva riprodotto. Questo nuovo segnale può essere udito come un ronzio o un fischio. La distorsione armonica si riscontra più comunemente negli strumenti musicali e nelle apparecchiature audio. Gli strumenti musicali non possono produrre le loro note senza l’apporto di distorsione armonica. Le apparecchiature audio, tuttavia, devono essere progettate per prevenire la distorsione armonica.
distorsione armonica totale (THD)
La distorsione armonica totale (THD) si riferisce alle componenti armoniche extra del segnale di uscita rispetto al segnale di ingresso causate da componenti non lineari quando la sorgente del segnale audio passa attraverso l’amplificatore di potenza. La distorsione armonica è causata dal fatto che il sistema non è completamente lineare e la esprimiamo come percentuale della radice quadrata media della componente armonica totale aggiunta al valore rms del segnale originale. Ad esempio, un amplificatore che eroga 10 V a 250 Hz e 1 V a 500 Hz avrà una distorsione armonica di secondo ordine del 10%. La somma di tutti i livelli armonici aggiuntivi è chiamata distorsione armonica totale. In generale, la distorsione armonica totale alla frequenza di 500 Hz è la più piccola, quindi molti prodotti utilizzano la distorsione di questa frequenza come indice.
La formula per calcolare la distorsione armonica totale è la seguente:
Per le armoniche di tensione, TDH (%) è la distorsione armonica totale, Vh è la potenza di ciascuna armonica e V1 è la tensione di uscita RMS totale (incluse le componenti fondamentali e armoniche).
Per le armoniche di corrente, TDH (%) è la distorsione armonica totale, Ih è la corrente di ciascuna armonica n e I1 è la corrente di uscita RMS totale (incluse le componenti fondamentali e armoniche).
Come si verifica la distorsione armonica?
A livello più elementare, la distorsione armonica si verifica quando un suono di ingresso è troppo forte e viene “reimmesso” in un sistema attraverso un amplificatore. Questo può accadere in un home recording studio, quando uno strumento collegato al sistema PA inizia a dare feedback. Il modo più semplice per capire cosa succede è pensare a due onde che si scontrano. Un’onda è il tuo segnale audio originale, l’altra è il suono amplificato che è stato reimmesso nel sistema attraverso gli altoparlanti. Queste due onde si combinano per formare qualcosa di nuovo. Il segnale audio originale è ancora presente, ma lo sono anche le nuove frequenze che sono state aggiunte dal feedback.
Metodo di misurazione
Si può evincere dalla formula di calcolo della distorsione armonica totale che il valore della distorsione armonica totale è strettamente correlato al valore limite superiore H dell’ordine armonico. Le apparecchiature di misurazione armonica generali, come gli analizzatori armonici, sono per lo più adatte alla misurazione delle armoniche della rete elettrica e il limite superiore è solitamente entro il 40° ordine.
Per apparecchiature di emissione armonica contenenti armoniche superiori come i convertitori di frequenza, la misurazione della distorsione armonica totale richiede apparecchiature armoniche speciali in grado di misurare le armoniche superiori, come analizzatori di potenza a frequenza variabile o analizzatori di potenza a banda larga. Inoltre, per sistemi ad alta tensione e alta corrente, è necessario prestare attenzione anche alla larghezza di banda necessaria dei sensori utilizzati, come i sensori di potenza a frequenza variabile.
L'effetto della distorsione armonica sui PCB
La distorsione armonica è un fattore importante da considerare quando si progettano i PCB. Può causare problemi con l’integrità del segnale e può portare a danni ai componenti. Ci sono alcuni modi per mitigare la distorsione armonica, tra cui:
– Utilizzo di piani di alimentazione e massa a bassa impedenza
– Aggiunta di condensatori di bypass ai componenti critici
– Aggiunta di induttori per filtrare il rumore ad alta frequenza
– Riduzione della lunghezza delle tracce del segnale
Ciascuno di questi metodi ha i suoi compromessi e vantaggi, quindi è importante scegliere la soluzione giusta per il tuo particolare progetto PCB.
Prevenire la distorsione armonica
La distorsione armonica è uno dei principali problemi che possono verificarsi durante la progettazione e la produzione di PCB. Può causare una serie di problemi, tra cui problemi di integrità del segnale, diafonia e interferenze elettromagnetiche (EMI).
Ci sono una serie di modi per ridurre o eliminare la distorsione armonica. Uno è utilizzare la segnalazione differenziale, che può annullare molte delle armoniche. Un altro è utilizzare alimentatori con bassa impedenza di uscita, che può anche aiutare a ridurre le armoniche.
La segnalazione differenziale è una tecnica spesso utilizzata nei sistemi digitali ad alta velocità per ridurre gli effetti del rumore e della diafonia. Nella segnalazione differenziale, due segnali vengono inviati su cavi separati, con un segnale che è l’inverso dell’altro. Il dispositivo ricevente combina quindi i due segnali e qualsiasi rumore di modo comune viene annullato.
Gli alimentatori con bassa impedenza di uscita possono anche aiutare a ridurre le armoniche. Un alimentatore a bassa impedenza avrà una minore caduta di tensione quando viene prelevata corrente da esso, il che significa che la tensione al carico sarà più stabile. Questo può aiutare a ridurre o eliminare molti dei problemi causati dalla distorsione armonica.
