Messpraxis Audio-Messtechnik ohne Masse-Probleme

Audio-Analysator-Messplätze werfen oftmals Probleme bezüglich der -Masse-Verbindungen auf, die bei früheren Modellen nicht auftraten. Hier einige Tipps, wie man heute diesen Problemen begegnet.

Bereits 1980 stellte Hewlett-Packard den ersten Audio-Analysator, das Modell HP 8903B, vor. Die hohe Genauigkeit seiner Signalquelle bei der Analyse niedriger Frequenzen setzte neue Maßstäbe in der Audio-Analyse und Messtechnik. Heute, mehr als drei Jahrzehnte später, sehen sich die Anwender des Gerätes mit zwei Herausforderungen konfrontiert. Zum einen bieten die meisten Audio-Analysatoren auf dem Markt keine erd- bzw. massefreien Anschlüsse mehr, zum anderen ist es bei speziellen Testumgebungen schwierig, auf neue Audio-Analysatoren umzusteigen. Aber es gibt auch Lösungen für treue HP-8903B-Anwender, die zu neuen Messgeräten migrieren müssen.

Probleme rund um die Masseverbindungen

Bei erd- oder massefreien Schaltungen (im Englischen floating ground oder ungrounded connections) ist deren Masseanschluss nicht mit der Systemmasse oder Erdung verbunden. Diese Schaltungsart wird hauptsächlich dazu benutzt, um Messfehler durch das Rauschen in Erdschleifen zu reduzieren. Durch die freie Masse werden niederfrequente Störungen wie das Netzbrummen und das von der Stromversorgung eingebrachte Rauschen stark reduziert. In der Audio-Analyse funktioniert das nur dann, wenn sowohl die Signalquelle als auch der Analysator-Eingang erdfrei sind (wie beim Audio-Analysator HP 8903B).

Der Analysator stellte lediglich BNC-Steckverbinder zur Verfügung. Sie erlaubten den Anschluss geschirmter Kabel, was wiederum die elektromagnetischen Störungen minimierte. Der äußere Leiter jedes BNC-Steckverbinders war direkt mit der Gerätemasse des Chassis verbunden. Das ist wichtig für Audio-Analysatoren, die in der Nähe von Sendern oder bei Anwesenheit starker HF-Signale betrieben werden.

Die hauptsächliche Fehlerquelle, die bei der Messung kleiner Wechselspannungssignale oder bei Verzerrungsmessungen auftritt, ist das Rauschen in Erdschleifen. Bild 1 zeigt einen typischen Messaufbau mit Audio-Analysator.

Die Masseleitung ist an zwei voneinander getrennten Stellen direkt mit dem Chassis als Geräteerde verbunden, am Chassis des Audio-Analysators selbst und am Massekontakt des Prüflings. Da zwei physisch getrennte Massepunkte selten auf gleichem Potential liegen, wird in der Masseleitung Strom fließen. Am Widerstand der Masseleitung entsteht dadurch ein Spannungsabfall. Diese Gleichtaktspannung addiert sich zum Messsignal und kann fehlerhafte Messwerte verursachen. Erden der Masseleitung an einem einzigen Punkt minimiert den Einfluss der durch Erdschleifen verursachten Gleichtaktspannungen.

Erdfreies Beschalten von Ein- und Ausgang des Audio-Analysators isoliert die Schaltungsmasse von der Geräteerde; somit werden die Ein- und Ausgangsschaltungen des Audio-Analysators ausschließlich über den Prüfling, also an nur einem einzigen Punkt, geerdet.

In der Audio-Industrie hat eine symmetrische Verbindung drei Leiter, von denen zwei das gleiche Signal mit entgegengesetzter Polarität führen. Der dritte Leiter dient zur Erdung. Zweck der symmetrischen Audio-Verbindung ist es, das Rauschen in den Schaltungen zu reduzieren. Wird durch elektromagnetische Störungen Rauschen in die Verbindungsleitungen eingestreut, tritt es gleichmäßig in beiden Signalleitungen auf. Der Verstärker im Analysator misst die Differenz der Spannungen in den beiden Signalleitungen. Rauschen, das in beiden Leitungen identisch auftritt, löscht sich aus und wird vom Differenzverstärker nicht erkannt.

Auch der separate Erdleiter ist bei der Rauschunterdrückung vorteilhaft, denn er bildet einen Schirm für die Signalwege. Rauschströme, die in solche Audio-Systeme gelangen, werden nicht unmittelbar auf das Signal moduliert. Durch Trennen des Chassis von der Signalerde kann kein Erdschleifen-Rauschen entstehen. Dagegen haben unsymmetrische Verbindungen (auch single-ended genannt) nur zwei Leiter, einen auf Erd- bzw. Massepotential und einen für das Signal.

In modernen Audio-Analysatoren dienen üblicherweise BNC-Steckverbinder als unsymmetrische Verbindung, während für die symmetrische Verbindung XLR-Steckverbinder zum Einsatz kommen. XLR-Verbindungen (Bild 2) haben die Chassis-Masse auf Pol 1, Pol 2 liefert das Signal in normaler und Pol 3 in inverser Polarität. Der EIA-Standard RS-297-A beschreibt den Einsatz von XLR-Steckverbindern für Audio-Anwendungen mit symmetrischer Signalübertragung.

Symmetrische Verbindungen sind weitgehend immun gegen eingestreute Störungen, weil das elektromagnetische Feld rund um den Leiter im Idealfall gleich Null ist, was das Übersprechen reduziert. Bei hohen Frequenzen kann die Ausgangsimpedanz des Verstärkers aufgrund von Ungleichmäßigkeiten leicht variieren. Bei symmetrischen Verbindungen sind die Impedanzänderungen jedoch für beide Leitungen gleich und heben einander auf. Professionelle Audio-Geräte der Klasse +4 dBu weisen üblicherweise - jedoch nicht immer - symmetrische Verbindungen auf.

Der erdfreie Modus des HP 8903B ist ein früher Ansatz, um das Rauschen in Audio-Systemen zu reduzieren, und ebnete den Weg zur symmetrischen Verbindung in Audio-Analysatoren.

Aus Bild 3 ist ersichtlich, dass die Signalquelle des HP 8903B ein starkes Signal auf den HIGH-Anschlüssen (hohes Potential) und Rauschen auf den LOW-Anschlüssen (niedriges Potential) führt.

Das unterscheidet sich von modernen Audio-Analysatoren wie dem Agilent U8903A, wo jedes Signal auf jeder Leitung symmetrisch ist.