13. November 2017

Was Sie schon immer über Sweeps wissen wollten…

Teil 1 von 2: Die Grundlagen

Was Sie schon immer über Sweeps wissen wollten…

Sweeps sind eine beliebte Methode in der Audio-Messtechnik, um den Verlauf eines Messwertes über einen fortschreitenden Parameter zu beschreiben. Die meistverwendete Anwendung ist ein Frequenzgang über das Standard-Audioband von 20 Hz bis 20 kHz. Doch mit einem Sweep kann weit mehr gemessen werden. Dieser Artikel bietet einen Überblick sowie detaillierte Erklärungen zu verschiedenen Methoden, Parametern und Optimierungen rund um das Thema Sweep.

Die Ergebnisse von Sweep-Messungen werden oft mit der Messfunktion und der Endung –Gang benannt. So gibt es zum Beispiel den Amplitudengang, den Impedanzgang oder den Phasengang. Eine Ausnahme davon ist der Begriff „Frequenzgang“. Ein Frequenzgang besteht genau genommen aus zwei Messreihen, dem Amplituden- und dem Phasengang eines zu testenden Systems. In der Praxis wird aber oft Frequenzgang mit Amplitudengang gleichgesetzt.

Frequency response

Frequenzgang

Wenn keine weiteren Angaben zu einer …–gang Messung vorliegen, darf angenommen werden, dass die Signalfrequenz als variierende Grösse verwendet wird.

Im Weiteren wird nun beschrieben, welche Grössen im Sweep variiert und wie diese parametrisiert werden können.

Glide Sweep
Einen Glide-Sweep oder Chirp zeichnet die kontinuierliche logarithmische Erhöhung der Frequenz aus. Dadurch wird das zu testende System zwischen Start- und Stopp-Frequenz lückenlos angeregt. Die Signaldauer kann vom Benutzer gewählt werden, ohne dabei an Frequenzauflösung bei den Resultaten zu verlieren. Damit lassen sich auf das jeweilige Testsystem optimierte, konstant schnelle Messungen realisieren.

Aus dem erfassten Zeitsignal wird die Impulsantwort des Systems errechnet, und daraus wiederum die Amplituden-, Phasen-, und Verzerrungsfrequenzgänge. Unerwünschte akustische Reflexionen können mittels einer Zeitfensterung ausgeblendet werden.

GlideSweep

Glide Sweep Signal

Da die exakte Dauer des Sweep-Signals bekannt ist, eignet sich der Glide-Sweep hervorragend zur Messung von Signalen, die nicht vom Audio Test System abgespielt werden. Dazu wird dem Sweep Signal eine kurze Trigger-Sequenz vorangestellt. Diese Methode findet Anwendung bei Messobjekten, die keinen Audio-Eingangskanal aufweisen, wie z.B. Smartphones, Tablets oder Smart-Devices.

Obwohl die Theorie des Glide-Sweep schon einige Jahrzehnte bekannt ist, hat sich dessen Anwendung in Audio Messgeräten erst seit einigen Jahren verbreitet. Grund dafür ist die hohe benötigte Rechenleistung.

Stepped Sweep
Bei einem Stepped-Sweep wird genau ein variabler Parameter des Stimulus (Frequenz oder Amplitude) in diskreten Schritten inkrementiert oder dekrementiert. Nach jeder Änderung wird gewartet, bis der Analysator einen stabilen Messwert erkennt. Danach wird der nächste Zustand gesetzt. Die Zustandsänderung kann in linearer oder logarithmischer Skalierung erfolgen. Die Stabilitätsbedingung (Settling) kann vom Anwender parametrisiert werden.

Da das Settling-Verhalten verschiedener Testobjekte nicht vorhersehbar ist, lässt sich auch die Messdauer eines Stepped-Sweep nicht exakt im Voraus bestimmen.

Für die Bestimmung von Amplituden- oder Frequenzgang wurde der Stepped-Sweep weitestgehend vom Glide-Sweep abgelöst, da dessen Vorteile stark überwiegen. Die Hauptanwendung des Stepped-Sweep liegt in der Messung von Linearitätsverhalten von Systemen. Hier wird die Frequenz des Testsignals konstant gehalten. Der variable Parameter ist die Amplitude. Gemessen werden typischerweise Amplitude und Verzerrung des Testobjekts. Dies wird auch als Amplituden-Sweep bezeichnet.

Linearität-Messung

Linearität-Messung

Amplituden-Gewichtung
Wird die Frequenz als variabler Parameter gewählt, kann optional auch der Amplitudenverlauf des Stimulus definiert werden. Dies ermöglicht z.B. die Entzerrung eines Verstärker- oder Lautsprecher Verhaltens, sodass am Ausgang derselben ein flacher elektrischer bzw. akustischer Amplitudengang anliegt. Dieses Feature steht für Glide-Sweep und Stepped-Sweep zur Verfügung.

Time Sweep
Bei einem Time-Sweep wird auf der X-Achse der zeitliche Verlauf gezeichnet. Die Y-Achse ist mit einem Messwert, z.B. der Amplitude belegt. Der daraus geformte Zeitschrieb wird z.B. zur Langzeit-Beobachtung von Systemen benutzt.

Table Sweep
Eine selten verwendete Sonderform des Stepped-Sweeps ist der Table-Sweep. Hier das Stimulus-Signal als Sequenz von beliebigen Frequenz- und Amplitudenpaaren aus einer Tabelle verwendet.

Ausblick auf Teil 2
Der zweite Teil dieses Artikels widmet sich der praktischen Anwendung von Sweeps in typischen Mess-Applikationen.

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Kategorien: Qualitätsprüfung

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