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MPX-AZIO:
Schnelle und aussagekräftige Azimut- und Orthogonalitäts-Messung an
Tonabnehmern mittels Synchrongleichrichtung und einem Multiplex-Verfahren

( English Version: Fast and Meaningful Azimuth and Orthogonality Measurement
on Pickups using Synchronous Rectification and a Multiplex Method
)

Inhalt

Prototype

Vorwort

In diesem Text wird der Weg zur Entwicklung eines Messverfahrens zur Bestimmung des Azimut- und Orthogonalitätsfehlers von Tonabnehmern bei Plattenspielern beschrieben.

Einige Grundlagen werden erläutert, daraus Erkenntnisse gewonnen und Schlüsse gezogen.

Aufbauend darauf wurde ein Prototyp für dieses Messverfahren entwickelt, mit dem auch einige exemplarische Messungen durchgeführt wurden und hier dokumentiert werden.

Das Verfahren bzw. der Prototyp trägt zurzeit den Namen MPX-AZIO.

Einleitung

Die Kanaltrennung bei Stereo-Schallplatten wird dadurch erreicht, dass die beiden Kanäle getrennt auf je einer der beiden im 90°-Winkel angeordneten Flanken der Rille aufgezeichnet werden. Tonabnehmersysteme müssen diese Kanäle so gut wie möglich trennen, d. h., jedes der Teilsysteme muss Bewegungen von der jeweils anderen Flanke möglichst vollständig ignorieren.

MM-PickUpDazu müssen die Teilsysteme korrekt ausgerichtet sein. Hauptsächlich muss jedes Teilsystem exakt im 90°-Winkel zur Ausrichtung der jeweils anderen Flanke der Rille der Schallplatte stehen.

Während die Ausrichtung der Teilsysteme im 90°-Winkel zueinander, also deren Orthogonalität, fertigungstechnisch bedingt und durch den Anwender nicht beeinflussbar ist, lässt sich häufig bei hochwertigen Tonarmen die Ausrichtung des gesamten Tonabnehmers, genannt Azimut, durch Drehen justieren und damit optimieren.

Im einfachsten Fall lässt sich der Azimut durch optisches Peilen justieren. Genauer und aussagekräftiger wird aber eine Bestimmung des Azimuts mit einer geeigneten Testschallplatte und einem Messgerät, mit dem das Übersprechen auf den jeweils anderen Kanal gemessen wird. Dabei werden z. B. auch die fertigungstechnisch bedingten Azimut- und Orthogonalitätsfehler mehr oder weniger genau erfasst.

Zur dieser messtechnischen Optimierung der Azimut-Einstellung werden die beiden Übersprech-Werte (Links → Rechts und Rechts → Links) bestimmt. Sind sie identisch (und idealerweise sogar 0), wird die Einstellung als optimal angenommen. Wenn sie nicht identisch sind, wird z. B. durch leichtes Drehen des Tonabnehmerkopfes (der Headshell) versucht, diesen Zustand zu erreichen.

Das ist theoretisch alles recht einfach, aber in der Praxis nicht. Zum einen wird mit dem einfachen Messverfahren nicht unbedingt nur das durch die Winkelfehler verursachte Übersprechen bestimmt, weil die Schallaufzeichnung auf Schallplatte nicht ideal genug funktioniert. Zum anderen ist die Vorgehensweise mit dem Messen von zwei Werten aus zwei verschiedenen Spuren recht umständlich.

Hier wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem
1. Das Übersprechen mittels Synchrongleichrichtung phasenrichtig bestimmt wird, und
2. Mit gemultiplexten Signalen und doppelten Skalen mit nur einer Messung beide Messwerte bestimmt und bis zum nächsten Vergleich komfortabel gespeichert und angezeigt werden.

Dieses Verfahren ist mit einem Prototyp vollständig funktionsfähig realisiert worden. Der Prototyp hat zwei 3-farbige LED-Balkenanzeigen mit je 51 LEDs, die ein Übersprechen im Bereich von ‑12,5% bis +12,5% darstellen können, sowie weitere 5 LEDs zur Statusanzeige. Er kann mit einer normalen Testschallplatte demonstriert werden, allerdings ohne die Vorteile des Multiplex-Verfahrens. Zurzeit gibt es noch keine geeignete Testschallplatte für das Multiplex-Verfahren, deswegen wurde ein „Testschallplattensimulator“ gebaut, mit dem sich unter anderem die Signale generieren lassen, die auf einer entsprechenden Testschallplatte vorhanden wären. Mit dem Testschallplattensimulator lassen sich Azimut- und Orthogonalitätsfehler variabel einstellen, ansonsten aber arbeitet er ideal, d. h., andere Fehler, die bei der Schallplattenwiedergabe entstehen, werden nicht simuliert.

Azimut- und Orthogonalitätsfehler

PickUp_Mono.PNG

Im Bild links ist eine korrekte Einstellung des Azimuts und der Orthogonalität dargestellt. Die beiden Spulen stehen im rechten Winkel zueinander und im 45°-Winkel zur Schallplattenoberfläche.

Bei dem Mono-Signal dieses Beispiels bewegt sich die Nadel horizontal nach links (blaue Pfeile) und die Spulen erkennen Bewegungen in den mit grünen Pfeilen bezeichneten Richtungen.

Das Vektordiagramm zeigt, wie die horizontale Bewegung in zwei Bewegungen, die in die Spulenrichtungen gehen, aufgeteilt wird.

PickUp_Azi_L.PNG

In diesem Bild ist der Azimut falsch eingestellt, der Tonabnehmer ist nach links gedreht. Außerdem führt nur der linke Kanal der Schallplatte ein Signal.

Das Vektordiagramm zeigt, wie die diagonale Bewegung nach links unten (blaue Pfeile) in zwei Bewegungen, die in Spulenrichtungen (grüne Pfeile) gehen, aufgeteilt werden: Der linke Kanal bekommt noch fast das volle Signal. Auf den rechten Kanal überspricht ein kleines Signal. In diesem Fall überspricht es mit der gleichen Bewegungsrichtung (bzw. Phase) wie bei einem Monosignal, denn in beiden Fällen bewegt sich der Magnet zu der Spule des rechten Kanals hin.

PickUp_Azi_R.PNG

Auch in diesem Bild ist der Azimut falsch eingestellt, aber der Tonabnehmer ist nach rechts gedreht. Auch hier führt nur der linke Kanal der Schallplatte ein Signal.

Das Vektordiagramm zeigt jetzt, dass auch hier auf den rechten Kanal ein kleines Signal überspricht. Aber in diesem Fall überspricht es mit entgegengesetzter Bewegungsrichtung (bzw. Phase), weil sich der Magnet von der rechten Spule des rechten Kanals entfernt.

Solange der Winkel klein ist, gilt, dass jedes Grad Fehlstellung ca. 1,7% Übersprechen erzeugt bzw. dass jedes Prozent Übersprechen durch eine Fehlstellung von ca. 0,57° verursacht wird. Typische Übersprechwerte von -20 dB = 10% würden also, wenn sie ausschließlich auf einer falschen Winkeleinstellung beruhen würden, durch einen Winkel von ca. 5,7° hervorgerufen.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass es Orthogonalitätsfehler auch bei Radialtonarmen wegen deren funktionsbedingten horizontalen Spurfehlwinkeln gibt. Nur an zwei Stellen, bei den Radien 66 und 121 mm (nach IEC-Norm) sind die horizontalen Spurfehlwinkel 0, im restlichen Bereich können sie bis zu ca. +/-1° groß werden. Allerdings ist der so entstehende Orthogonalitätsfehler mit weniger als 0,01° vernachlässigbar. Das gleiche gilt auch für den vertikalen Spurfehlwinkel (Vertical Tracking Alignment, VTA).

Es lässt sich zusammenfassen:

Bei einer fehlerhaften Azimut-Einstellung entsteht, je nach Drehrichtung, Übersprechen:

Daraus lässt sich auch das Übersprechen zwischen beiden Kanälen ableiten, das bei fehlerhafter Orthogonalität entsteht, d. h., wenn die Spulen nicht exakt im Winkel von 90° zueinander stehen:

Nebenbei, genau genommen ist es nicht wichtig, wie die Spulen ausgerichtet sind. Viel wichtiger ist der Feldlinienverlauf des Magneten und die Ausrichtung der hier nicht gezeigten Polschuhe, die letztendlich für die korrekten Winkel ausschlaggebend sind. Dabei spielen unvermeidliche Inhomogenitäten der Magnetfelder ebenfalls eine große Rolle ‑ aber das führt hier zu weit.

Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass Übersprechen bei weitem nicht nur aufgrund fehlerhafter Winkeleinstellungen entsteht. Allerdings kann davon ausgegangen werden, dass das Übersprechen, das aufgrund fehlerhafter Winkeleinstellung entsteht, praktisch ausschließlich entweder in Phase oder in Gegenphase mit dem Signal des anderen Kanals auftritt. Bei den Versuchen zeigte sich, dass Oberwellen mit der doppelten Grundfrequenz und sich ständig ändernder Phase eine erhebliche Rolle spielten. Messverfahren, die nur den Betrag des Signals, aber nicht deren Phase und auch nicht das Spektrum des Signals berücksichtigen, sind offensichtlich suboptimal.

Das Messverfahren

Es empfiehlt sich also ein Messverfahren, das die Phase des Signals auf dem Kanal, auf den übergesprochen wird, berücksichtigt, z. B. durch Multiplikation des Quellsignals, also des Signals des Signal führenden Kanals mit dem Signal des Kanals ohne Signal (Synchrongleichrichtung). Die Übersprechdämpfung ergibt sich aus dem Verhältnis des zeitlichen Mittelwerts des Produkts zu dem zeitlichen Mittelwert des Quadrats des Quellsignals:

Dieses Blockschaltbild zeigt den Kern des Messverfahrens, realisiert mit analogen Mitteln. Der MPX-AZIO arbeitet dagegen rein digital.

Nur Anteile des Übersprech-Signals, die positiv oder negativ in Phase mit dem Testsignal liegen, werden durch die Synchrongleichrichtung erfasst. Auch die beobachteten spektralen Anteile mit dem doppelten der Frequenz des Testsignals sowie Rumpeln und Rauschen werden ignoriert.

Zur Bestimmung des Übersprech-Signals würde ein Multiplizierer + Tiefpassfilter, also die reine Synchrongleichrichtung des obigen Blockschaltbildes, genügen. Dann müsste aber vor jeder Messung der Pegel des Messtons definiert eingestellt werden, oder nach jeder Messung müsste der Pegel des Übersprech-Signals durch den Pegel des Messtons dividiert werden. Durch das hier angewendete, aufwändigere Verfahren ist eine solche Kalibrierung nicht erforderlich.

Um die Messungen mit dem MPX-AZIO noch komfortabler und schneller durchführen zu können, sind zwei getrennte Skalen vorgesehen. Außerdem wird bei dem Verfahren automatisch erkannt:

Wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind, werden die ermittelten Messwerte über einen Tiefpassfilter auf der jeweils zugehörigen Skala ausgegeben. Solange diese Voraussetzungen nicht erfüllt sind, bleibt der zuletzt erreichte Anzeigewert eingefroren. Das gilt natürlich nicht nur, wenn gar nicht gemessen wird, sondern auch für den Kanal, der gerade das stärkere Signal führt, also während das Übersprechen auf den anderen Kanal gemessen wird.

Wegen dieser automatischen Umschaltung genügt es, für einen Moment ein Testsignal zur Messung des einen, dann für einen Moment ein Testsignal zur Messung des anderen Übersprechens zu erzeugen und erst danach auf der doppelten Skala die Werte der Azimut- und Orthogonalitäts­einstellung abzulesen:

Scale0_0 Scale+_-.PNG Scale+_+.PNG ScaleX_Y.PNG

Der Idealfall:

Im Idealfall, also bei einem perfekten Tonabnehmer, sind beide Messwerte 0.

Azimut-Fehler:

Bei einem reinen Azimut-Fehler sind beide Messwerte gleich groß, haben aber unterschiedliche Vorzeichen.

Orthogonalitäts-Fehler:

Bei einem reinen Orthogonalitäts-Fehler sind beide Messwerte gleich groß und haben gleiche Vorzeichen.

Reale Messung:

Bei einer realen Messung wird wahr­scheinlich sowohl ein Azimut- als auch ein Orthogonalitäts-Fehler vorliegen.

In der Praxis ist es allerdings so, dass Messwerte von einer Schallplatte nicht stabil sind. Sie schwanken mehr oder weniger stark um einen Mittelwert herum, aber dazu später mehr. Es obliegt dem Beobachter, Schlüsse aus diesen Schwankungen bezüglich Verbesserungsmöglichkeiten, Stärken, Schwächen und Fehler des Systems zu ziehen.

Das Multiplex-Verfahren

Es bietet sich an, die automatische Zuordnung der Konfiguration der Eingangssignale gleich noch für eine weitere Komfort-Funktion zu nutzen: Wenn das Signal schon auf der Testschallplatte ständig zwischen Rechts und Links wechselt, wenn es also gemultiplext ist, kann die Anzeige beider Übersprech-Messwerte gleichzeitig erfolgen. Es ist dann nicht mehr notwendig, zwei getrennte Aufnahmen für die Links/Rechts- und die Rechts/Links-Messung vorzusehen und den Tonabnehmer abwechselnd in die eine und die andere Spur zu setzen.

AZI-GENEine entsprechende Testschallplatte gibt es noch nicht. Deswegen, und weil es deutlicher ist, wurden die folgenden Oszillogramme mit dem "Testschallplattensimulator" generiert. Sie geben also nicht die komplexere, unstetige Realität wieder.

Mux0_0

Der Idealfall:

Im Idealfall, also bei einem perfekten Tonabnehmer, sind beide Übersprech-Signale 0.

Mux+_-

Azimut-Fehler:

Bei einem reinen Azimut-Fehler sind beide Übersprech-Signale gleich groß, haben aber unterschiedliche Vorzeichen.

Mux+_+

Orthogonalitäts-Fehler:

Bei einem reinen Orthogonalitäts-Fehler sind beide Übersprech-Signale gleich groß und haben gleiche Vorzeichen.

MuxX_Y.PNG

Reale Messung:

Bei realen Übersprech-Signalen wird wahrscheinlich sowohl ein Azimut- als auch ein Orthogonalitäts-Fehler vorliegen.

Im MPX-AZIO ist speziell für die Multiplex-Messungen dafür gesorgt, dass die im Umschaltmoment gestörten Signale keinen Einfluss auf die Messergebnisse haben. Dazu werden alle Mess­ergebnisse, die für eine ausreichende Zeit vor und nach dem Signalwechsel entstehen, ignoriert. In der Praxis haben sich Multiplexfrequenzen von ca. 30 Hz bewährt, d. h., es gibt Pakete von je 16 1 kHz-Schwingungen abwechselnd auf den beiden Kanälen. In den obigen Oszillogrammen sind zur besseren Erkennbarkeit Pakete mit je 8 1 kHz-Schwingungen mit einer Multiplex-Frequenz von ca. 60 Hz dargestellt.

Der Prototyp

Demo AufbauDer Prototyp ist auf der Hardware des ALM aufgebaut und mit zusätzlichen LEDs zur Signalisierung des Betriebszustandes erweitert.

Hardware-Ausstattung:

Funktionen:

Wenn, wie auf dem Foto, oben die linke und die mittlere grüne LED leuchtet, führt der linke Kanal den Messton und das Übersprechen auf den rechten Kanal wird auf der rechten Skala angezeigt.

Im Moment dieser Aufnahme wurde also ein Übersprechen mit negativer Phase auf den rechten Kanal und vorher ein etwas geringeres Übersprechen mit positiver Phase auf den linken Kanal gemessen.

Messungen in der Praxis

Die Messergebnisse, die sich bei solchen Azimut-Messungen ergeben, sind, bedingt durch die elektromechanische Speicherung, von Natur aus nicht sehr stabil und reproduzierbar. Es gibt enorm viele Einflussfaktoren auf das Übersprechen. Perfekte Resultate darf man nicht erwarten, aber dass sich die Einstellung des Azimuts optimieren lässt, ist offensichtlich. Insbesondere ist es wertvoll, mit vielen Messungen unter unterschiedlichen Umständen Erfahrungen zu sammeln. Das ist allerdings mit umständlich handzuhabenden Messgeräten natürlich nicht so einfach wie mit einem Messgerät, das eine nahezu sofortige Anzeige eines Messwerte-Paares bietet, wie sie im MPX-AZIO realisiert wurde.

Exemplarisch seien hier zwei Messungen an zwei verschiedenen Plattenspielern gezeigt.

Der erste ist ein Lenco L75 mit einem Shure M 95 G, der zweite ist ein Revox B291 mit einem kurzen Tangentialarm und einem ELAC D796 H30. Beide erlauben leider keine Azimut-Einstellung.

Als Testschallplatte dient eine "Clearaudio Frequency Test Record CA-TRS-1007", die im wesentlichen für Messungen von Frequenzgängen gedacht ist, aber auch zwei Spuren mit je 10 Sekunden 1 KHz auf dem linken und auf dem rechten Kanal enthält. Beide Seiten der Schallplatte sind gleich, so dass es zumindest zwei physikalisch unterschiedliche Aufzeichnungen derselben Testtonsequenzen gibt.

Test_LP_Rillen

Bild:  Ausschnitt aus der Test-LP, von links nach rechts: 1 kHz nur links, 1 kHz nur rechts, 1 kHz gleichphasig, 1 kHz gegenphasig, Leerrillen. Das Zentrum der LP liegt rechts. Der linke Kanal ist auf der inneren Flanke aufgezeichnet.

Diese Testtonsequenzen wurden mehrfach hintereinander von beiden Plattenspielern abgespielt und auf einem PC mit Audacity aufgezeichnet. Es gibt von jedem Plattenspieler und von jeder Plattenseite je eine Aufnahme, für die 10-mal hintereinander die Testtonsequenz mit dem 1 kHz-Ton, zuerst auf dem linken, dann auf dem rechten Kanal, abgespielt wurde. Obwohl diese mehrfachen Abspielvorgänge eigentlich unter identischen Bedingungen vonstatten gingen, unterscheiden sie sich doch recht deutlich voneinander. Wichtig ist, dass auf dem PC Aufzeichnungen von solchen unterschiedlichen Abspielvorgängen reproduzierbar zur Verfügung stehen.

Hier ist ein 29 Sekunden langer Ausschnitt (etwas mehr als eine Testtonsequenz) von zwei dieser Aufnahmen mit Audacity dargestellt und danach grafisch der Übersichtlichkeit halber etwas überarbeitet:

L75_B291_XT_Verlauf

Die oberen beiden Spuren enthalten das Signal vom L75, die unteren vom B291. Der jeweils obere Kanal ist der linke.

Die vertikale Skalierung geht von nur +0,03 bis ‑0,03, entsprechend einer Verstärkung von ca. 30. Dadurch ist das Übersprechen gut erkennbar, aber der Messton geht weit über den Skalenbereich hinaus.

Nach dem Aufsetzen der Nadel ist das Rumpeln und das Einrasten in die Rille zu erkennen, danach sieht man zwei knapp 10 Sekunden lange Sequenzen, getrennt durch einige Sekunden Leer-Rille.

In der ersten Sequenz sind auf den linken Kanälen die vollen Amplituden zu sehen, die in der Darstellung natürlich übersteuert sind. Das Übersprechen auf die rechten Kanäle ist darunter zu erkennen. In der zweiten Sequenz ist es umgekehrt.

Das aufgezeichnete Signal stellt ungefähr den Mittelwert bzw. Betrag der Amplitude vom Tonabnehmer dar. Es kann daher niemals Null oder gar negativ werden, im Gegensatz zu der Messung, wie sie mit dem MPX-AZIO gemacht wird.

Es ist hier schon beim L75 ein starkes Übersprechen auf den rechten und ein schwächeres auf den linken Kanal erkennbar. Beim B291 ist ein stärkeres Übersprechen auf den linken Kanal zu sehen, das aber synchron zur Umdrehung des Plattentellers erheblich schwankt. Es könnte sein, dass dieser Effekt mit einer erheblich höheren Empfindlichkeit des Tonabnehmers gegenüber Höhenschwankungen oder Zentrierungsfehlern der Schallplatte wegen des sehr kurzen Tonarms zusammenhängt.

Die Messergebnisse mit dem MPX-AZIO ließen sich am besten mit einem Film oder mit einer praktischen Vorführung zeigen, aber hier müssen zwei Oszillogramme genügen. Dazu wurde der Prototyp des MPX-AZIO so modifiziert, dass er seine Messergebnisse als Analogwert zum Oszillografieren ausgeben konnte. Die 0-Linien liegen in etwa bei den am linken Rand sichtbaren Pfeilen, die Skalierung ist ca. 3% pro Skalenteil.

XT_L75

Der L75 zeigt von R → L (oben) ein mäßiges Übersprechen mit positiver Phase.

Das Übersprechen L → R (unten) ist erheblich stärker und mit negativer Phase.

Beide Signale schwanken etwas mit der doppelten Drehzahl des Plattentellers.

Fazit: Der Azimut ließe sich ein wenig optimieren, aber es bliebe ein kleiner Orthogonalitätsfehler.

XT_B291

Der B291 zeigt von R → L (oben) ein stärkeres Übersprechen, das meistens im negativen Bereich bleibt, aber synchron zur Umdrehung des Plattentellers sehr stark schwankt.

Das Übersprechen L → R (unten) ist dagegen sehr klein und überwiegend ganz leicht im negativen Bereich.

Fazit: Der Azimut ließe sich optimieren, der verbleibende Orthogonalitätsfehler wäre ebenfalls klein, aber die Schwankungen stören doch sehr.

Die Signalverläufe, die solchen zum Teil extremen Schwankungen zugrunde liegen, sind dem­entsprechend abenteuerlich, wie das folgende Oszillogramm zeigt:

5TimeSamples.PNG

Es stammt aus einer Sequenz mit dem Übersprechen des B291 von R → L und enthält 5 Ausschnitte über 5 ms, die innerhalb nur einer Umdrehung des Plattentellers entstanden. Die dünne schwarze Linie ist das Testsignal auf dem rechten Kanal, in der Amplitude um den Faktor von ca. 20 reduziert. Die blaue Linie erzeugt das starke Übersprechen mit negativer Phase, die rote das schwache positive Übersprechen. Offensichtlich spielen Oberwellen mit der doppelten Grundfrequenz mit sich ständig und schnell verändernder Phase eine erhebliche Rolle. Der Verdacht liegt nahe, dass die von der benachbarten Rille stammt. Andererseits müsste sie dann auch im Signal des L75 zu sehen sein, es sei denn, dessen Nadel liegt tiefer in der Rille… Es gibt also viel Raum für Vermutungen.

Zum Schluss soll daher noch einmal darauf hingewiesen werden, dass die Messungen nicht sehr reproduzierbar sind. Wenn zweimal direkt hintereinander dieselbe Spur abgespielt wird, sind Unterschiede schon deutlich zu sehen. Wenn sich die Umstände nur leicht ändern, z. B., wenn die Schallplatte erneut aufgelegt wird, sind die Unterschiede größer. Die beiden eigentlich identischen Aufnahmen auf den beiden Seiten der Testschallplatte zeigten prinzipiell zwar immer noch ähnliche Ergebnisse, aber auch größere Unterschiede. Das Übersprechen wird auch davon abhängen, an welcher Position auf der Schallplatte die Testsignale liegen. Einfache Messungen, die lediglich auf der Signalstärke im jeweils anderen Kanal basieren, sind insbesondere unter diesen Umständen wenig hilfreich, aber mit dem im MPX-AZIO angewendeten Verfahren der Synchrongleichrichtung lässt sich eine Azimut-Einstellung deutlich besser erkennen und korrigieren.

 


Letzte Aktualisierung: 3. Mai 2019 Fragen? Anregungen? Schreiben Sie mir eine E-Mail! Uwe Beis