Meine Audioschaltung erzeugt Störgeräusche

[Paul H. (powl)]

Ich habe vor einer Weile für einen Kumpel eine mobile Musikbox mit 
integriertem 4-Kanal Mischpult entwickelt. Dafür, dass es das erste 
größere Projekt in Analogtechnik war läuft alles soweit ziemlich 
reibungslos bis auf eines:

Die Schaltung erzeugt kräuselig-knisternde Störgeräusche sobald ein 
Eingangssignal anliegt, d.h. sobald man z.B. die Gitarrensaite einer an 
die Box angeschlossenen Gitarre anzupft knistert.

Ich habe hier mal zwei Hörbeispiele hochgeladen:
http://www.the-powl.de/misc/knistern-hoerbeispiel1.wav
http://www.the-powl.de/misc/knistern-hoerbeispiel2.wav

Seltsamerweise erscheinen die Störgeräusche nur wenn man die Saiten 
anzupft, und dann auch nur für einen kurzen Moment, und nicht dauerhaft. 
Auch die Aussteuerung scheint hier nicht relevant zu sein, auch 
wesentlich lautere Signale werden nicht mehr oder weniger verzerrt. Bis 
zum Clipping habe ich noch schätzungsweise 30dB Headroom. Die Gitarre 
ist auch nicht Schuld. Das Phänomen ist mir auch schon bei Gesang und 
bei meinem Keyboard aufgefallen.

Anbei der Schaltplan. Die Gitarre ist an der Eingangsstufe (grün) 
angeschlossen. Das Signal geht über die Mischer-Stufe (gelb) durch den 
3-Band EQ (rot) bis zum Ausgang. Am Effekt-Loop lässt sich das Signal 
abgreifen (pink). An dieser Stelle wurde auch die aufgenommene Tonspur 
abgegriffen. Der OpAmp in (blau) erzeugt eine halbierte VCC als 
virtuellen GND, hier etwas fehlerhaft beschriftet. Alle Potis und 
Schalter und Anschlüsse, welche im Schaltplan zu sehen sind, sind über 
50cm lange Kabel mit dem Frontpanel verbunden. Der Ausgang ist direkt 
mit einem kleinen China-Verstärker-Modul verbunden, welches aus einem 
Schaltregler gespeist wird.

Hat jemand eine Idee, welcher Schaltungsteil für die seltsamen Störungen 
verantwortlich sein könnte? Leider habe ich die Box gerade nicht hier. 
Aber so bald ich ein paar Ideen habe kann ich, sobald mein Kumpel mir 
die Box wieder vorbeibringt, ein paar gezielte Messungen und Versuche 
machen.

lg

[Paul H. (powl)]

Hier noch ein paar höchstens halb-aussagekräftige Bilder, der Rest ist 
einfach für's Auge :-)

Man lasse sich durch die ungeschirmten Kabel im zweiten Bild nicht 
beirren. Die habe ich später (wie man auf den anderen Bildern sieht) 
schnell ersetzt, da die tatsächlich freudig allerlei Störungen 
aufgefangen hatten.

Zu den Kabeln so wie sie aktuell verbaut sind
Vollgeschirmt:
- Sämtliche Eingänge der Eingangsstufe
- In / Out am Effektloop

Verdrillt:
- Umschalter am Effektloop
- Potis zum 3-Band-EQ

Ungeschirmt:
- Volume & Gain-Potis

[HildeK (Gast)]

Paul H. schrieb:
> Hat jemand eine Idee, welcher Schaltungsteil für die seltsamen Störungen
> verantwortlich sein könnte?
Sorry, ich konnte da jetzt nichts hören - ich bin aber auch kein 
Gitarrist, noch nicht mal ein Musiker.
Generell können Störungen über die Masse hereinkommen, einmal das 
Schaltnetzteil, zum Andern der µC, der ja signalabhängig die LEDs 
ansteuert. Rückwirkungen treten gerne auf, wenn z.B. die Masseströme des 
Digitalteils und des Analogteils nicht separat gehalten werden.

Zum gelben Block:
Als Mischer sehe (und habe bisher verwendet) immer nur die invertierende 
Schaltung. Ich weiß nicht sicher, ob diese Variante auch sauber 
funktioniert, aber eine invertierende Variante wäre ja kein Problem in 
deiner Schaltung.

Noch 'ne Bemerkung zum Schalter S2: das könnte doch ggf. auch 
automatisch gehen über den Pin 4 von X1 ...

[Joe F. (easylife)]

Ich höre in diesen Beispielen beim besten Willen kein Knistern.

Den Op-Amps hätte ich ja jeweils noch 100nF an den Versorgungspins 
gegönnt, auch wenn der Saft aus einer Batterie kommt.
Bei den höher verstärkenden Op-Amps wäre auch ein kleiner Kondensator in 
der Gegenkopplung noch empfehlenswert gewesen (TP ab 20-30 KHz), um 
hochfrequentes Schwingen zu verhindern.

Ich würde einfach mal an allen Op-Amps mit dem Oszilloskop nachgucken, 
ob da eventuell etwas hochfrequent schwingt, und wie der DC-Offset zu 
VCC/2 an allen Stufen aussieht.
Auch wenn du genügend Headroom eingeplant hast, über die verschiedenen 
Stufen kann sich das Signal von VCC/2 wegbewegen und den Headroom 
schrumpfen lassen, so dass es dann doch zu Clipping kommt.
Allerdings scheint das ja nicht das Problem zu sein, wenn du sagst das 
Knistern tritt bei anderen Signalen, die sogar mehr Pegel haben, nicht 
auf.

Vielleicht bekommst du ja noch eine Aufnahme hin, bei der man das 
Knistern irgendwie etwas isolierter hören kann...

[Heiko G. (heikog)]

Klemm mal das VU-Meter ab, wenn da die Leds eingeschaltet werden kann 
das Rückwirkungen über Spannungsversorgung oder Masseleitungen geben, 
das wär zumindest ein Grund warum das nur mit Signal passiert.

In den Differenzverstärkern wird der Arbeitspunkt der zweiten Stufe auf 
VCC/2 gelegt, ist das dasselbe wie VCCA/2?

[Magnus M. (magnetus)]

Joe F. schrieb:
> Ich höre in diesen Beispielen beim besten Willen kein Knistern.

Das Knistern (ich würde es eher als dezentes Rascheln bezeichnen) ist 
schon herauszuhören.

> Den Op-Amps hätte ich ja jeweils noch 100nF an den Versorgungspins
> gegönnt, auch wenn der Saft aus einer Batterie kommt.

Das wäre jetzt auch mein erster Einwand gewesen.

> Ich würde einfach mal an allen Op-Amps mit dem Oszilloskop nachgucken,
> ob da eventuell etwas hochfrequent schwingt, und wie der DC-Offset zu
> VCC/2 an allen Stufen aussieht.

Mir gefällt die Schaltung zum Erzeugung der VCCA/2 nicht so recht. 
OPV-Eingangsseitig hängt zwar ein 1µ Kondensator, aber ausgangsseitig 
soll ein einzelner TL072 Ausgang den Strom für die virtuelle Masse der 
ganzen Platine bereitstellen... das könnte schon mal problematisch 
werden.

[roehrenvorheizer (Gast)]

Hallo,

das Knistern höre ich sogar, wenn das Tablet die Datei abspielt. Ist 
mindestens so laut wie das Rauschen. Das würde mich auch stören.
Die Aufnahme ist ziemlich gut.

Mit freundlichem Gruß

[Joe F. (easylife)]

Achso, und ein BC547 zum Muten ist ungeeignet. Bei negativen Halbwellen 
wirkt der wie eine Diode (bei 0V an der Basis).
Einerseits erzeugt dir das einen positiven DC Offset, und es verzerrt 
das Signal heftig.
Evtl. ist der DC Offset für den nachfolgenden Verstärker unverträglich.

[roehrenvorheizer (Gast)]

Noch zur Mischstufe. Den Addierer kenne ich normalerweise so wie hier:

https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210152.htm

Da gehen alle Signale in den virtuellen Nullpunkt eines invertierenden 
Verstärkers.

MfG

[Joe F. (easylife)]

Ich habe mal einen Teil aus deinem Tonbeispiel rausgeschnitten und 
hochpassgefiltert.
Geht es um dieses schnarrend/rauschend/knisternde Geräusch, das man beim 
Abklingen des letzten Tons dieses Ausschnittes hört?

[Cyborg (Gast)]

Wo ist denn die Schaltung her? Mir kommt die Eingangsstufe
eher Impedanzmäßig nicht angepasst vor. Da kann natürlich jede
Störspannung verstärkt werden. Ein Masseproblem sehe ich da
erst mal nicht. Das würde sich auch eher als Brummen bemerkbar
machen. Die Versorgung der OPs ist aus dem Schaltplan nicht
heraus lesbar oder ist nur nicht so leicht bei diesem Monsterplan
zu finden.

[MaWin (Gast)]

Paul H. schrieb:
> Schaltung erzeugt kräuselig-knisternde Störgeräusche

Das passiert normalerweise, wenn ein (kondensatorgetrennte) Signal 
keinen Gleichspannungsbezug hat und jeweils bei Überschreitung der 
Amplitude vom Aussteuerungsbereich durch Stromableitung der 0-Pegel 
verschoben wird.
Du hast VCCA/2, aber vielleicht stört der Mute Transistor.

[Paul H. (powl)]

Danke schon mal an alle, die geantwortet haben! Eure Tipps zum 
Schaltungsentwurf habe ich alle mal notiert, ggf. werde ich da noch 
Teile der Schaltung nach- bzw. umrüsten!

HildeK schrieb:
> Als Mischer sehe (und habe bisher verwendet) immer nur die invertierende
> Schaltung. Ich weiß nicht sicher, ob diese Variante auch sauber
> funktioniert, aber eine invertierende Variante wäre ja kein Problem in
> deiner Schaltung.
Ich habe diese Variante extra gewählt, damit die Eingangssignale nicht 
gegenphasig die Box wieder verlassen. Ich weiß gar nicht mehr, was ich 
mir dabei gedacht habe, vielleicht fand ich es einfach nur "nicht schön" 
und wollte es damit besser machen. Wäre jedenfalls praktisch kein 
Problem gewesen.

Heiko G. schrieb:
> Klemm mal das VU-Meter ab, wenn da die Leds eingeschaltet werden kann
> das Rückwirkungen über Spannungsversorgung oder Masseleitungen geben,
> das wär zumindest ein Grund warum das nur mit Signal passiert.
Guter Tipp, aber die LEDs haben alle eine "mindestbrenndauer" 
einprogrammiert :D d.h. die schalten nicht so hochfrequent wie es 
knistert. Ist aber dennoch eine Untersuchung wert, vielleicht habe ich 
da ja einen Fehler gemacht.

Heiko G. schrieb:
> In den Differenzverstärkern wird der Arbeitspunkt der zweiten Stufe auf
> VCC/2 gelegt, ist das dasselbe wie VCCA/2?
Ja, hab nur die Beschriftung versemmlt.

Magnus M. schrieb:
> OPV-Eingangsseitig hängt zwar ein 1µ Kondensator, aber ausgangsseitig
> soll ein einzelner TL072 Ausgang den Strom für die virtuelle Masse der
> ganzen Platine bereitstellen... das könnte schon mal problematisch
> werden.
Vielleicht schließe ich an die VCCA/2 mal mein Audio-Interface an und 
recorde da mal. Falls hier der Hund begraben ist müssten diese 
knisternden Störungen hier ja auch zu hören sein, richtig? Von 
niederfrequenter Seite her ist die VCCA/2 Spannung aber stabil. 
Zumindest erinnere ich mich, das mal überprüft zu haben. Werde ich auf 
jeden Fall aber noch mal tun. Was wenn nicht? Den Ausgang eines OpAmps 
kann ich ja schlecht mit einem C puffern, dann fängt ja nur die Regelung 
an zu spinnen.

Joe F. schrieb:
> Ich habe mal einen Teil aus deinem Tonbeispiel rausgeschnitten und
> hochpassgefiltert.
> Geht es um dieses schnarrend/rauschend/knisternde Geräusch, das man beim
> Abklingen des letzten Tons dieses Ausschnittes hört?
Exakt!

Cyborg schrieb:
> Wo ist denn die Schaltung her? Mir kommt die Eingangsstufe
> eher Impedanzmäßig nicht angepasst vor.
Ich habe mich überall ein wenig inspirieren lassen und mir das dann 
selbst so erdacht. In wie fern impedanzmäßig nicht angepasst? Also was 
genau ist woran genau nicht angepasst?

Cyborg schrieb:
> Die Versorgung der OPs ist aus dem Schaltplan nicht
> heraus lesbar oder ist nur nicht so leicht bei diesem Monsterplan
> zu finden.
Die werden alle direkt und ohne Umwege oder Abblockkondensatoren aus 
VCCA gespeist (das Gedöns direkt neben dem blauen Feld)


Achtung, Offtopic aber trotzdem bemerkenswert:
Joe F. schrieb:
> Achso, und ein BC547 zum Muten ist ungeeignet. Bei negativen Halbwellen
> wirkt der wie eine Diode (bei 0V an der Basis).
Ups, ja das leuchtet ein! Ich hatte zwischendurch den Fehler, dass ich 
den AVR-Pin, welcher die Basis des Transistors ansteuert, nur auf 
Pull-Up geschaltet habe. Dadurch habe deutlich hörbare 
Intermodulationsverzerrungen bekommen (da die positive Halbwelle etwas 
in Mitleidenschaft gezogen wurde). Seitdem ich die Basis jedoch komplett 
auf Masse schalte waren die verschwunden und der Klang (bis auf das 
Knistern/Rascheln) unverfälscht. Aber wenn der Transistor, wie du sagst, 
als Diode wirkt (macht ja irgendwie auch Sinn wenn das Ding einen 
NPN-Übergang, also zwei antiserielle Dioden beinhaltet), entsprechend 
also eine 0.7V Durchflussspannung hat, könnte mir das bei höheren Pegeln 
die untere Halbwelle begrenzen und hier wieder zu Verzerrungen, 
genaugenommen Clipping führen. Bisher ist das aber tatsächlich noch 
nicht aufgefallen. Möglicherweise sind Verstärker und Lautsprecher 
vorher schon ausgesteuert. Wie macht man das besser?

MaWin schrieb:
> Du hast VCCA/2, aber vielleicht stört der Mute Transistor.
Den Mute-Transistor ist eigentlich nur, um während des Einschaltens 
dafür zu sorgen, dass sich der recht hochkapazitive C1 durch den OpAmp 
schnell auf VCCA/2 Potenzial aufladen kann, ohne Umwege über die 10k R86 
bzw. R21 bzw. die Eingangsimpedanz eines an X2 (Out) angeschlossenen 
Gerätes. Den habe ich auch erst ganz am Ende nachgerüstet weil mich der 
Plopp gestört hat. Die Störgeräusche gab es aber schon früher.

[Magnus M. (magnetus)]

Joe F. schrieb:
> Ich habe mal einen Teil aus deinem Tonbeispiel rausgeschnitten und
> hochpassgefiltert.

Gute Idee. Ich hab mal eben aus dem zweiten WAV den Bereich von Sekunde 
8 bis Sekunde 9 ausgeschnitten und bearbeitet. Am Anfang ist die 
originale WAV zu hören und danach der selbe Ausschnitt gefiltert.

Der Screenshot zeigt das Spektrum dieser einen Sekunde. Offensichtlich 
schwingt es da oberhalb von 14 kHz munter vor sich hin.

[Magnus M. (magnetus)]

Paul H. schrieb:
> Aber wenn der Transistor, wie du sagst,
> als Diode wirkt (macht ja irgendwie auch Sinn wenn das Ding einen
> NPN-Übergang, also zwei antiserielle Dioden beinhaltet), entsprechend
> also eine 0.7V Durchflussspannung hat, könnte mir das bei höheren Pegeln
> die untere Halbwelle begrenzen und hier wieder zu Verzerrungen,
> genaugenommen Clipping führen.

Clipping durch den Mute Transistor trifft hier wohl nicht zu. Im Anhang 
ist die Wellenform zu meinem Hörbeispiel (Hörbeispiel2, Sekunde 8).

Edit:

Hmmm... wenn ich mir die Wellenform gerade so ansehe, sieht das schon 
ein wenig unsymmetrisch aus (die negativen Halbwellen sind irgendwie 
kleiner).

[Joe F. (easylife)]

Ja, da ist irgendwie ziemlich was los ab 14.4 KHz...
Da musst du dich wohl mal an die Ursache herantasten...

1.) mal einen Mute-Transistor rausnehmen und gucken ob es besser wird
2.) die ungebufferten CLIPx Abgriffe abklemmen
3.) den EQ aus der Kette mal rausnehmen
4.) Und wie Heiko G. schon sagte: mal nachgucken, wo "VCC/2" überhaupt 
hingeht. Sieht so aus, als ob das ein Tippfehler ist, und eigentlich 
"VCCA/2" heissen sollte.
Dadurch hättest du dann eine doppelt so hohe Verstärkung in der Vorstufe 
und gegenseitige Beeinflussung der Kanäle...
5.) Falls vorhanden: Oszi im FFT Modus mal von Audio-Eingang bis 
-Ausgang auf die Op-Amp Ausgänge halten, ob da die 14.4 KHz irgendwo 
auftauchen.

[Paul H. (powl)]

Sieht man auch, wenn man einen Tiefpassfilter bei 10Hz reinhaut, dass 
hier geringfügige Pegel unterhalb von 10Hz vorkommen. Aber das kann auch 
durch das Eingangssignal reinkommen. Ansonsten müsste VCCA/2 ja instabil 
sein, was sich aber noch herausstellen wird.

Bei den geringen Pegeln wie in der Aufnahme würde ich Clipping am 
Mute-Transistor noch nicht erwarten (die von mir gelieferten 
Hörbeispiele sind schon erheblich digital verstärkt damit mans überhaupt 
gescheit hört).

Ich werde, sobald die Box wieder da ist, mal ein sauberes Giarrensignal 
aufnehmen, es immer wieder durch die Schaltung jagen und dabei an 
verschiedenen Stellen das Signal untersuchen. Vielleicht fällt mir eine 
bestimmte Stelle auf, ab der die Verzerrungen auftreten.