Компьютерный измерительный комплекс

Измерения при помощи анализатора спектра и звукового генератора

Ниже приведены практические примеры измерения параметров сигналов, а также оценка метрологических параметров набора компьютерного измерительного комплекса.

Большой интерес представляет оценка достоверности и качества вычислений в анализаторе спектра и сопряженных с ним измерителей. Существенное значение имеет и определение степени спектральной чистоты синусоидальных сигналов, синтезируемых в генераторе звуковых частот. Для этих целей предусмотрена возможность подачи синтезированного в генераторе звуковых частот сигнала непосредственно в программу “OscilloMeter”, минуя ЦАП и АЦП, через драйвер виртуального аудиокабеля. Такой же подход позволяет моделировать некоторые нелинейные процессы, происходящие в четырехполюсниках. Ниже приводится ряд примеров. Эти результаты при желании можно легко воспроизвести. Настройки анализатора спектра (если не указано другое): режим вычисления раздельных спектров каналов, размер БПФ блока 2 в шестнадцатой степени , сглаживающее окно “Cos 8 min”, частота дискретизации сигнала FS = 44100 Гц, остальные параметры измерений – по умолчанию. Были получены следующие результаты.

Амплитудная линейность

Измерение амплитудной линейности анализатора спектра при имитации идеального АЦП. С генератора подавался синусоидальный сигнал частотой 1 кГц и уровнем 0 дБ. При разрядности 16 и 24 бит было получено значение SINAD равное 98 дБ и 145 дБ соответственно. Это соответствует теоретическому пределу, обусловленному шумом квантования. Теоретический предел величины SINAD может быть рассчитан из формулы, если предположить ENOB равным формальной разрядности. При разрядности 32 бита измеренное значение SINAD получилось равно 190 дБ. Это дает эффективное число бит 31.3. Потери обусловлены, по-видимому, погрешностями округления в генераторе звуковых частот, где используется целочисленная 32-х разрядная арифметика при синтезе сигналов. Впрочем, последний случай представляет, пожалуй, лишь чисто академический интерес, поскольку вряд ли в настоящее время найдутся доступные ЦАП и АЦП с реальной 32-битной точностью.

Измерение амплитудной линейности анализатора спектра при имитации идеального АЦП на составном сигнале. С генератора подавался составной сигнал, предназначенный для измерения интермодуляционных искажений – 8.02 кГц / -14 дБ плюс 250 Гц / -2 дБ. Измеренное значение IMD при разрешении 16 бит – 0.00014 %, при 24 и 32 битах – менее 10 в минус шестой степени % (порог разрешения измерителя).

Измерение искажений

Измерение гармонических искажений (THD). С генератора подавалась следующая смесь: основная частота 1 кГц / -2 дБ и её гармоники со второй по восьмую. Амплитуда гармоник с ростом номера линейно убывает от -60 дБ до -90 дБ. При формальной разрядности 16 бит SNR = 96 дБ, SINAD = 56 дБ, эффективное число бит = 9, общие гармонические искажения =0.15 %. Такие результаты для SINAD и THD полностью соответствуют рассчитанным для данного сигнала исходя из формулы. Величина SNR соответствует сигналу основной частоты, оцифрованному идеальным АЦП.

Измерение гармонических искажений (THD) при имитации мешающего сигнала. С генератора подавалась смесь частот 1 кГц и 3.01 кГц с амплитудами -6 дБ и -66 дБ соответственно. При разрядности 16 бит SNR = 60 дБ, SINAD = 60 дБ, эффективное число бит = 9.6, общие гармонические искажения =0 %. Очевидно, что SNR и SINAD в точности равны отношению подаваемых сигналов, что и должно быть в случае идеальных ЦАП и АЦП.

Измерение гармонических искажений (THD) в присутствии сильного мешающего сигнала. Измерение динамического диапазона. С генератора подавалась следующая смесь: основная частота 1 кГц / -2 дБ и её гармоники со второй по седьмую. Амплитуда гармоник с ростом номера линейно убывает от -60 дБ до –85 дБ. «Мешающий» сигнал имел частоту 3.01 кГц и амплитуду -22 дБ. Таким образом «мешающий» сигнал находился вблизи третьей гармоники основного сигнала и существенно превосходил ее по амплитуде (на 43 дБ). При разрядности 16 бит SNR = SINAD = SFDR = 20 дБ (что, совершенно очевидно, и должно быть), общие гармонические искажения =0.15 %. То есть «мешающий» сигнал не искажает результаты измерителя гармонических искажений.

Измерение интермодуляционных искажений (IMD). С генератора подавалась смесь: две основные частоты 8,02 кГц / -14 дБ, 250 Гц / -2 дБ и их комбинационные (суммарно-разностные первого-третьего порядков) частоты: 7.27 кГц / -90. дБ, 7.52 кГц / -80 дБ, 7.77 кГц / -70 дБ, 8.27 кГц / -70 дБ, 8.52 кГц / -80 дБ, 8.77 кГц / -90 дБ. Измеренное значение коэффициента интермодуляционных искажений составляло 0.057 %, что соответствует величине рассчитанной по формуле для данного составного сигнала.

Оценка гармонических искажений вблизи верхней границы частотного диапазона методом разностного тона. В данном способе измерения за меру оценки гармонических искажений принимается уровень интермодуляционных искажений. С генератора подавалась смесь: две основные частоты 12.1 кГц / -6.03 дБ, 12.9 кГц / -6.03 дБ и их комбинационные (суммарно-разностные первого-третьего порядков) частоты: 9.7 кГц / -90 дБ, 10.5 кГц / -80 дБ, 11.3 кГц / -70 дБ, 13.7 кГц / -70 дБ, 14.5 кГц / -80 дБ, 15.3 кГц / -90 дБ. Измеренное значение коэффициента интермодуляционных искажений составляло 0.067 %, что и следует из формулы для данного составного сигнала.

Оценка джиттера

Измерение кратковременной (по сравнению со временем измерений) нестабильности тактового генератора (т.н. джиттер — дрожание фазы). Разрядность 16 бит. С генератора подавался сигнал качающейся частоты со средним значением 999.9995 Гц, девиацией ±5·10 в минус четвертой степени Гц и периодом качания 20 мс. Тем самым имитируется модуляция частоты опорного генератора АЦП помехой со стороны питающей сети. Форма модулирующего сигнала – треугольная. При этом эквивалентная относительная «нестабильность» частоты составляет 5·10 в минус седьмой степени . Амплитуда джиттера, приведенная к частоте дискретизации 44.1 кГц, таким образом, соответствует 11 пс.

В анализаторе спектра включается режим исследования «самосинхронизированного» сигнала. Здесь под «самосинхронизированным» подразумевается цифровое произведение измеряемого сигнала на его основную гармонику. Аналогичная операция производится в синхронных детекторах, отсюда и название. Однако, в отличие от детектирования, здесь фильтрация отдельных частотных компонент не осуществляется, а вычисляется полный спектр полученного произведения сигналов.

В данных измерениях наиболее эффективны классические сглаживающие окна типа «Hanning» или «Rife-Vincent». Кроме того, следует включить режим линейного, например, по пяти реализациям, усреднения результатов БПФ. При разрядности сигнала 16 бит «паразитная» компонента с частотой 50 Гц имеет амплитуду -110 дБ, динамический диапазон составляет 104 дБ. Таким образом, данный режим измерений дает возможность определения весьма малых величин кратковременной нестабильности (джиттера) тактового генератора АЦП. Кроме того, этот режим позволяет определить источник соответствующих флуктуаций частоты опорного генератора АЦП.

Измерение частоты и разности фаз

Измерение частоты. С генератора подавался синусоидальный сигнал частотой 99.99999 Гц. Для максимально точного измерения частоты используются сглаживающие окна типа «Rife-Vincent». Размер БПФ блока 4096 отсчетов входного сигнала или более. Таким образом, в БПФ блок укладывается не менее 10 периодов исследуемого сигнала. Фактическая погрешность измерения частоты в этом случае не превышает единицы младшего разряда индикатора, то есть составляет ±1·10 в минус седьмой степени в относительных величинах. Такая высокая точность при использовании дискретного преобразования Фурье достигнута применением интерполяции результатов БПФ.

Измерение частоты при наличии сильной шумовой помехи. С генератора подавался двухкомпонентный сигнал, представляющий собой сумму из синусоидального тона, частотой 1000 Гц, и белого шума с нормальным распределением амплитуды. Амплитуда каждого из указанных сигналов была равна -6.03 дБ. Все настройки, как и в предыдущем примере. Измеренное отношение сигнал/шум (SNR) составило 8 дБ. Фактическая погрешность измерения частоты не превысила ±1·10 в минус третьей степени в относительных величинах. Здесь уместно было провести сравнение с традиционным электронно-счетным частотомером. Для этого исследуемый сигнал выводился из компьютера через звуковую карту и подавался на вход частотомера Ч3-57. Частоту вышеозначенного составного сигнала традиционный частотомер вообще не смог измерить, показания колебались где-то между второй и четвертой гармониками основного тона (2 и 4 кГц).

Измерение разности фаз. С генератора подавался синусоидальный сигнал частотой от 5 Гц до 20 кГц с различными уровнями от -60 дБ до 0 дБ. Фазовый сдвиг между каналами генератора устанавливался произвольным в диапазоне от -180° до +180°. Используются сглаживающие окна типа “Cos 8 min”, «Rife-Vincent». При любом сдвиге фаз, любой частоте и уровне из указанного выше диапазона показания измерителя фазы отличаются от установленного в генераторе значения не более чем на ±0.0001°.

Измерение амплитуды и мощности

Измерение амплитуды и мощности входного сигнала. Разрядность сигнала 24 бит. С генератора подавался синусоидальный сигнал фиксированной частоты в пределах от 5 Гц до 20 кГц и различными уровнями от -100 дБ до 0 дБ. Для наиболее точного измерения амплитуды и мощности следует использовать сглаживающие окна типа «Flat–top 5 A» из работы. Размер БПФ блока 216 отсчетов. При любых частотах и уровнях из указанного выше диапазона отклонение измеренных величин амплитуды и мощности входного сигнала от задаваемых в генераторе-источнике колебаний не превышает ±0.002 дБ.

Измерение группового времени запаздывания между каналами

Проверка встроенного измерителя группового времени запаздывания. Частота дискретизации сигнала FS = 100 кГц, разрядность — 24 бит, размер БПФ блока 216 отсчетов. С генератора по обоим каналам подавалась смесь двух частот 1 кГц / -20 дБ и 1.1 кГц / -20 дБ. В Осциллометре цифровым регулятором под надписью «Delay R-L» устанавливался временной сдвиг между каналами равный 10 мкс. Показания индикатора измерителя группового времени запаздывания составляли 10.000±0.001 мкс, что полностью соответствует условиям эксперимента. Далее с генератора по обоим каналам подавалась смесь двух частот 10 кГц / -20 дБ и 10.1 кГц / -20 дБ. Значение измеренного группового времени не изменилось, как и должно быть при частотно-независимой временной задержке.

Анализ частотной характеристики генератора розового шума

Для анализа частотной характеристики генератора розового шума были установлены следующие условия измерений: размер блока БПФ 216 , сглаживающее окно типа «Flat–top 5 A» Частота дискретизации сигнала FS =96 kHz, усреднение линейного типа по бесконечному числу реализаций. Для синтеза шумовых сигналов используется генератор псевдослучайных чисел, реализующий линейный конгруэнтный метод с основанием 232 , общий для обоих выходных каналов. Следовательно, период корреляции сигнала розового шума в генераторе в нашем случае равен:

T=2 в тридцать первой степени/ FS =6.2 часа.

Для оценки линейности частотной характеристики генератора розового шума усреднение проводилось в течение 30 минут.

Полученные данные сохранялись на диске и для дальнейшего анализа загружались в программу TableCurve 2D 5.01. В этой программе измеренная частотная характеристика аппроксимировалась выражением вида

Y=a0+10log10(F).

Результат аппроксимации представлен в нижней части рисунка сплошной линией. Отдельные точки соответствуют экспериментальным значениям. В верхней части показаны отклонения (Residuals) экспериментальных значений от “идеального” розового шума. Мы видим, что ошибка шумового генератора не превышает 1 дБ во всем рабочем диапазоне частот.

Обобщая вышеприведенные примеры можно дать следующую оценку погрешности вычисления основных измеряемых параметров. Модуль погрешности вычисления не превышает следующих значений:

— Частота — 5×10 в минус восьмой степени …5×10 в минус седьмой степени от измеренной величины;

— Амплитуда — 0.01 дБ; — Мощность — 0.01 дБ;

— Отношение сигнал / шум, сигнал / (шум + искажения), динамический диапазон — 0.05 дБ;

— Гармонические и интермодуляционные искажения 1…5 % от измеренной величины;

— Сдвиг фаз между каналами — 0.0001º. — Групповое время запаздывания между каналами не более 0.1 %.

Следует ещё раз подчеркнуть, что приведенные выше примеры предназначены для оценки точности вычисления рассматриваемых параметров по соответствующим алгоритмами. Реальная точность компьютерных приборов ограничивается качеством (разрядность, быстродействие, линейность, уровень шума, стабильность частоты опорного генератора) применяемых АЦП и ЦАП.

Приведенные в этой главе примеры могут быть использованы также в качестве сравнительных для оценки получаемых результатов при измерении различных параметров реальных исследуемых сигналов и устройств.

Полученные результаты характеризуют точность и генератора звуковых частот и комбинированного анализатора спектра как максимально приближенную к теоретическим пределам. Это позволяет использовать разработанные приборы в качестве основы для создания образцовых компьютерных измерительных средств для диапазона частот ограниченного только быстродействием применяемых АЦП и ЦАП.

Компьютерный измерительный комплекс

О концепции элементов управления и отображения

В традиционных измерительных приборах, при определенных навыках, настоящими кнопками, ручками и прочими деталями управления можно манипулировать, не глядя на них, сосредоточив внимание на элементах отображения цифровой и графической информации. В компьютерных приборах, где ручки и кнопки нарисованы на экране и управляются мышью, работа требует постоянного перемещения взгляда с «органов управления» на элементы отображения и обратно. К этому привыкнуть практически невозможно и таким образом работа существенно затрудняется, а утомляемость резко возрастает.

Для решения этой проблемы были разработаны комбинированные интерфейсные элементы, «территориально» сочетающие в себе функции управления и отображения: цифровая и графическая панели. В них используется идея зон управления без графически выделенных границ, но с логической привязкой к управляемым параметрам. Получилось некоторое приближение сенсорного экрана.

Другой момент, менее заметный зрительно, но не менее важный, это возможность изменения параметров работы без остановки процесса измерения. В данных программах все настройки на панели управления и графических панелях можно изменять, не останавливая собственно измерений. Это существенно повышает наглядность и удобство работы.

Цифровая панель

Оригинальный элемент управления и индикации — «Цифровая панель» предназначен для ввода и отображения числовых поименованных значений. Ввод производится поразрядно при помощи мыши. Следует навести курсор на требуемую цифру индикатора и нажатием левой или правой кнопки мыши установить необходимое значение. При этом левая кнопка уменьшает, а правая увеличивает число. Пересчет старшего разряда происходит автоматически. Если навести курсор на символы размерности, то нажатием левой или правой кнопки мыши можно соответственно уменьшать или увеличивать значение на индикаторе в десять раз. Знак числа (если он показан на индикаторе) изменяется нажатием кнопок мыши аналогично. При удержании кнопки в нажатом положении более чем 0.5 секунды происходит автоповтор действия. Если при нажатой кнопке мыши увести курсор с индикатора, то автоповтор будет продолжаться уже независимо от дальнейшего состояния мыши. Для остановки автоповтора следует вновь навести курсор на индикатор и нажать любую кнопку мыши. Если имеется мышь с колесом, то можно воспользоваться последним. Поворот колеса от себя увеличивает значение цифры индикатора и наоборот.

Графическая панель

Графическая панель управляется мышью или другим манипулятором аналогичного назначения: Нажатие левой кнопки в заданной зоне уменьшает соответствующее значение, правой – увеличивает. Колесо также работает.

Измерение интервалов на экране. Поставьте курсор в начальную точку. Щелкните правой кнопкой мыши. Переместите курсор во вторую точку. Прочтите показания под курсором. Чтобы выключить режим измерения интервалов щелкните левой кнопкой мыши. Клавиши «Ctrl»+»C» копируют результат измерения в буфер обмена.

Произвольное масштабирование. Выделите необходимый участок графика движением мыши с нажатой левой кнопкой. Чтобы вернуться назад щелкните «Сброс шкал».

Яркость координатной сетки регулируется вращением колеса мыши на заголовке графической панели.

Запоминание текущего графика производится нажатием правой кнопки мыши в зоне “Показать / запомнить”, отображение графика вызывается левой кнопкой мыши в той же зоне.

Загрузить ранее сохраненный график можно двойным щелчком на поле “Загрузить / редактировать”.

Окно дополнительных настроек вызывается щелчком правой кнопки мыши на заголовке графической панели. Здесь можно задать различные параметры отображения графической и текстовой информации, такие, как цвета, шрифты, вид и толщина линий.

Наиболее важным параметром, влияющим на качество представления результатов, является пункт “Lines->Plot”, предназначенный для ускорения построения графиков за счет пропуска мелких деталей изображения.

Имеется четыре возможных состояния:

Normal рисуется все;
Smooth + сглаживаются положительные выбросы;
Smooth – сглаживаются отрицательные выбросы;
Average данные усредняются.

По умолчанию для осциллограмм выбран режим «Normal», для спектрограмм — «Smooth -«. Для адекватного отображения результатов следует внимательно выбирать способ построения.

Способ графического отображения задается в окне “Lines->Mode”. Имеются следующие варианты представления данных:

Line линейная интерполяция;
Dots отдельные точки;
Bars вертикальные отрезки с основанием на нулевой линии;
Rays лучи из начала координат;
Stair лестница, где данным соответствуют середины ступенек;
Steps отдельные ступеньки;
Histogram гистограмма.

Размер отображаемых элементов (в пикселях) задается в пункте “Lines->Width”.

Особенности оконного интерфейса

Для максимально гибкой индивидуальной настройки внешнего вида программ разработан оконный интерфейс, обладающий рядом нетривиальных функций.

1. Окна могут «прилипать» друг к другу и далее перемещаться по экрану совместно с главным окном – панелью управления. Нажатый “Shift” освобождает от прилипших окон.
2. Окна могут выравнивать свои размеры по соседним окнам при помощи щелчка правой кнопки мыши на соответствующей границе окна.
3. Два расположенных рядом окна могут быть сделаны одинаковой ширины (или высоты) щелчком правой кнопки мыши на границе раздела окон.
4. Панель управления осциллометра, мультиметра и панели управления многоканального генератора могут быть масштабированы (одновременно с внутренними элементами) с целью получения максимально эргономичного внешнего вида.

Компьютерный измерительный комплекс

Инфразвуковой диапазон в компьютерных приборах

Применение в компьютерных приборах в качестве цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП) стандартной (типовой) звуковой системы компьютера позволяет весьма экономично решать задачу исследования сигналов звукового диапазона, но расширение частотного диапазона по электрическому напряжению в область инфразвука и постоянного тока сопряжено с некоторыми трудностями.

Многие распространенные звуковые карты компьютера имеют низкочастотную границу порядка 10-20 Гц. Данное ограничение обусловлено, как правило, наличием разделительных конденсаторов на входе АЦП и выходе ЦАП. К сожалению простого удаления разделительных конденсаторов может оказаться недостаточно для работы в области инфразвука и постоянного тока. Это обстоятельство связано с тем, что во многих случаях и вход АЦП и выход ЦАП имеют смещение по постоянному току относительно аналоговой земли устройства. Последнее обусловлено, в свою очередь, тем, что питание таких кодеков (кодер-декодер, ЦАП и АЦП на одном кристалле) чаще всего однополярное (обычно 5 вольт). Следовательно, для того, чтобы обеспечить работу звуковой карты в области инфразвука и постоянного тока необходимо применить дополнительную схему смещения уровня и для входных и для выходных сигналов.

Такое решение актуально, во-первых, потому, что оно многократно дешевле применения специализированных АЦП и ЦАП, обеспечивая в тоже время весьма высокие параметры. Во-вторых, такой подход позволяет использовать уже существующее программное обеспечение для построения измерительной системы с расширенным в область инфразвука частотным диапазоном.

В качестве примера приведем решение данной задачи для двухканального 16- разрядного кодека CS4232 производства Crystal Semiconductor Corporation, установленного в звуковой карте TBS2000 фирмы Turtle Beach Systems.

Принципиальная схема устройства смещения нулевого уровня входных и выходных сигналов совместно с фрагментом схемы кодека показана на рисунке. Указаны названия и нумерация задействованных в переделке выводов микросхемы CS4232, выполненной в 100-контактном корпусе типа TQFP. Все соединения с выводами LAUX1 и RAUX1, имеющиеся на звуковой плате, должны быть отключены. От выводов LOUT и ROUT должно быть отключено все, кроме фильтрующих конденсаторов C1 и C2, показанных на рисунке.

В качестве опорного напряжения для операционных усилителей схемы смещения уровня используется источник опорного напряжения VREF, встроенный в кодек CS4232. В технической документации на микросхему CS4232 написано, что входные и выходные напряжения кодека центрированы относительно опорного напряжения VREF. Типовое значение VREF равно 2.2 В. Поскольку, как указано в, этот источник не допускает никакой существенной нагрузки по постоянному току, он буферизирован повторителем напряжения на микросхеме DA5. Использование встроенного в кодек источника опорного напряжения существенно уменьшает дрейф всей схемы смещения уровней при изменении температуры и напряжения питания. На микросхемах DA3, DA4 выполнены инверторы опорного напряжения, необходимые для работы схемы смещения нулевого уровня входных сигналов. Применение раздельных инверторов продиктовано необходимостью максимально точной подстройки нуля каждого из входных каналов, имеющих, как правило, различные собственные величины сдвига нуля. Точная подстройка нуля раздельно для каждого из двух каналов осуществляется подбором сопротивления резисторов R7 и R10.

Узел смещения нулевого уровня для входных сигналов построен на операционных усилителях DA1 и DA2. Они выполняют вычитание инвертированного напряжения опорного источника из входного (измеряемого) напряжения. Таким образом, осуществляется суммирование входного (измеряемого) сигнала и напряжения опорного источника. Диоды VD1-VD4 на выходах операционных усилителей предназначены для защиты входов АЦП от превышения допустимого напряжения на них, возникающего при перегрузке входным сигналом или во время переходных процессов при включении и выключении всего устройства.

Кроме входов LAUX1 и RAUX1 для ввода сигнала в кодек могут быть использованы также входы LLINE, RLINE. Ввод с тех или других переключается в программном микшере, входящем в состав операционной системы Windows. Если снабдить схемой смещения нуля все указанные входы кодека, то это позволит программно переключать ввод от двух сдвоенных источников сигнала без применения дополнительного оборудования. В этом случае для смещения нуля дополнительных каналов LLINE, RLINE должны быть продублированы микросхемы DA1 – DA4, а также соответствующие резисторы и диоды VD1-VD4.

Блок смещения нулевого уровня для выходных сигналов кодека выполнен на операционных усилителях DA6 и DA7. Они выполняют вычитание напряжения опорного источника из выходного напряжения ЦАП. Точная подстройка нуля раздельно в каждом из каналов осуществляется подбором сопротивления резисторов R14 и R18. Конденсаторы C1, C2 входят в конструкцию звуковой платы.

Полная реализация возможностей кодека по динамическому диапазону (более 80 дБ) требует применения в качестве операционных усилителей DA1 – DA7 малошумящих приборов с полевыми транзисторами на входах и скоростью нарастания выходного напряжения в режиме единичного усиления не менее 1 В/мкс. Отличные результаты дают импортные малошумящие операционные усилители AD743, AD745. Несколько худшие параметры обеспечивают отечественные микросхемы 574УД1 или 544УД2. Нумерация выводов операционных усилителей на схеме не приводится, поскольку для микросхем AD743, AD745, изготавливаемых в различных корпусах она отличается.

Операционные усилители с большим смещением нуля (574УД1, 544УД2) должны быть снабжены типовым цепями коррекции нуля, выполненными по схемам, обычно приводимым в справочной технической документации. Данные цепи коррекции позволят также более точно компенсировать смещение нуля ЦАП и АЦП кодека. В случае если применяемые операционные усилители для стабильной работы требуют внешних цепей коррекции частотной характеристики, то их также следует выполнить в соответствии с технической документацией.

Для питания всех операционных усилителей необходимо применять двухполярный стабилизированный малошумящий источник постоянного тока напряжением ±5…±12 В. В цепях питания операционных усилителей необходимо установить блокирующие конденсаторы емкостью 0.1 мкФ (керамические или пленочные) и 10.0 мкФ (электролитические). При условии дополнительной фильтрации помех допустимо использование имеющегося в компьютере источника напряжением ±12 В. Все показанные на схеме смещения уровней «земляные» выводы, следует соединить с «аналоговой землей» звуковой платы. В микросхеме CS4232 это – контакт «AGND» (вывод 80). Последний из контактов CS4232 участвующий в переделке это — «AV» (вывод 81) – питание аналоговой части кодека – используется для подключения защитных диодов VD2,VD3.

Применяемые в устройстве резисторы должны быть обязательно малошумящие, например, металлопленочные типа С2-1, любой мощности. Резисторы, имеющие на схеме номинал 10 кОм, следует подобрать по парам для каждого из операционных усилителей с минимальным разбросом. Это требуется для наиболее точной компенсации смещения уровня. Собственно номинальное сопротивление этих резисторов значения не имеет и может быть в интервале 5-10 кОм. Резисторы, имеющие на схеме номинал 1 кОм, выполняют защитные функции. Их точность значения не имеет.

В качестве диодов D1-D4 – можно использовать любые высокочастотные кремниевые с малой емкостью, например, типа КД503.

Наилучшая конструкция блока смещения уровней — на отдельной экранированной печатной плате, расположенной «вторым этажом» на звуковой карте. Топология печатной платы автором не разрабатывалась. Опытный экземпляр устройства был выполнен на макетной печатной плате. Дополнительную плату следует снабдить типовой металлической скобой крепления, на которой должны быть расположены выходные и входные коаксиальные разъемы.

Дополнительная наладка устройства для повышения точности работы заключается в подборе резисторов R7, R10, R14, R18. Смещение входного сигнала регулируется подбором резисторов R7, R10 при закороченных на землю входах устройства (разъемы X1, X2). Индикатором настройки должен служить осциллограф.

Настройка смещения выходных усилителей DA6, DA7 производится подбором резисторов R14, R18. При этом генератор должен генерировать сигнал нулевой амплитуды. Для этого в нем должны быть включены кнопки “Mute”. В качестве индикатора нуля следует использовать милливольтметр постоянного тока или уже настроенную входную часть описываемого устройства.

Такой же переделке можно подвернуть и другие звуковые карты, построенные на микросхемах ЦАП и АЦП, имеющих сходную с CS4232 структуру. Очевидно, что нумерация задействованных выводов и их формальные названия могут отличаться от указанных на рисунке. Эти данные могут быть получены из технической документации конкретных микросхем. В настоящее время такая информация, как правило, свободно доступна на интернет-сайтах компаний — производителей микросхем ЦАП и АЦП. Если на звуковой карте применяются ЦАП и АЦП, выполненные на раздельных микросхемах, то в качестве источников опорного напряжения для схем смещения уровня входных и выходных сигналов должны использоваться соответствующие выводы ЦАП и АЦП.

Здесь совершенно необходимо сделать одно существенное замечание. В высококачественных (и достаточно дорогих) звуковых картах часто применяются цифровые фильтры высоких частот, с частотой среза порядка нескольких герц. Так сделала, например, фирма Turtle Beach Systems в своей звуковой карте FIJI. Подобные фильтры предназначены для компенсации смещения и дрейфа нуля входного АЦП. Фильтры могут быть выполнены на кристалле кодека, или встроенного цифрового процессора обработки сигналов или же иметь программную реализацию в драйвере. В любом из перечисленных случаев это сделает невозможным использование такой звуковой карты для ввода очень низких частот. Выяснить сей факт до начала переделки можно только с какой-то степенью вероятности. Для этого необходимо оценить смещение и дрейф нуля АЦП при отсутствии входного сигнала (закороченный на землю вход) с помощью осциллографа, встроенного в комбинированный компьютерный анализатор спектра. В случае если измеренное смещение превышает 5-10 единиц младшего разряда, да еще и изменяется с прогревом, то, почти наверняка, никакого цифрового фильтра нет. Если смещение существенно меньше, то это означает, что, либо используется очень хороший и стабильный АЦП, либо применен цифровой фильтр высоких частот.

Еще один способ предварительной проверки реальной возможности ввода постоянного напряжения заключается в соединении между собой выхода ROUT и входа RAUX1 (в терминах кодека CS4232) и измерении сквозной амплитудночастотной характеристики в области сверхнизких (вплоть до 10 в минус 3 степени Гц) частот с помощью генератора и осциллографа, входящего в состав компьютерного анализатора спектра. Такой метод проверки гарантирует практически надежный результат, но требует уже предварительного вмешательства (хотя и незначительного) в схему звуковой карты.

Вывод инфразвука и постоянного тока описанным здесь способом, обычно, возможен без каких-либо сложностей для любых звуковых карт независимо от типа примененного ЦАП.

Доработанная таким путем звуковая карта обеспечивает при работе компьютерного генератора сигналов нижнюю границу частотного диапазона по выходному электрическому напряжению 10 в минус 3 степени Гц. Для комбинированного компьютерного анализатора спектра нижняя рабочая частота составляет 10 в минус 3 степени Гц, для входящего в его состав осциллографа нижний предел – постоянный ток. Верхний предел рабочих частот определяется максимальной частотой дискретизации кодека CS4232 и достигает 20 кГц. Номинальное входное и выходное напряжение, эквивалентное полной шкале АЦП и ЦАП составляет, соответственно, ±0,7 В и ±1,4 В. Наибольшее допустимое входное напряжение для описанного устройства определяется параметрами используемых операционных усилителей и в любом случае не должно превышать по абсолютной величине напряжения питания последних.

Остаточное смещение нуля ЦАП и АЦП после компенсации разработанным устройством определяется их внутренними погрешностями и, обычно, не превышает 0.05 % полной шкалы преобразователей. Окончательная компенсация остаточного смещения нуля АЦП осуществляется программными средствами анализатора спектра.

Сквозной динамический диапазон всего устройства, измеренный при соединении выхода с входом, в случае использования в схеме смещения нулевого уровня импортных малошумящих операционных усилителей AD743 или AD745 достигает 78-80 дБ.

В заключение автор должен предупредить читателей, что любая переделка компьютерной звуковой платы связана с определенным риском ее повреждения. Автор не несет никакой ответственности ни за какие отрицательные последствия (и положительные тоже), произошедшие в результате применения описанного в статье устройства.

Компьютерный измерительный комплекс

Практические факторы, влияющие на точность измерений

Компьютерные измерительные приборы обладают точностью, ограниченной лишь качеством применяемых ЦАП и АЦП. При использовании в качестве ЦАП и АЦП звуковой карты могут иметь место самые различные и, часто, непредсказуемые факторы, влияющие на точность преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую и обратно, а, следовательно, влияющие и на результирующую точность измерений. Перечислим некоторые из таких случаев и возможные способы решения проблем.

Влияние различных программ на настройки звуковой карты и входного и выходного микшеров. Большей частью это относится к проигрывателям (аудио и видео) и играм. Чтобы побороть это неудобство следует производить настройку микшера и калибровку перед каждым ответственным измерением.

Неотключаемая передискретизация (resampling) в звуковой карте, обычно 44100 Гц → 48000 Гц при записи (вводе) и 48000 Гц → 44100 Гц при воспроизведении (выводе). Здесь единственное решение заключается только в использовании «основной» частоты дискретизации (обычно это – 48 кГц).

Подмешивание посторонних звуков к выходному сигналу. Например, звуковые «спецэффекты» Windows. Мало того, что эти посторонние звуки подмешиваются туда, куда не надо, программный микшер kmixer.sys, осуществляющий эту операцию, по-видимому, приводит разрядность результирующего сигнала к наиболее худшему из суммируемых звуков. Для «спецэффектов» звуковой схемы Windows это, скорее всего, будет 8 бит. Для того чтобы исключить посторонние сигналы необходимо выключить звуки Windows, используя панель управления.

«Вредное» действие спецэффектов, реализованных на звуковой карте, (регуляторы тембра, реверберация и др.). Всевозможные «тонкие» настройки драйверов и микшеров звуковых карт. Например, в звуковой карте «Audigy 2 ZS» для расширения диапазона воспроизводимых частот выше 22 кГц (при частоте дискретизации 96 кГц) в «Surround Mixer» должны быть запрещены следующие опции: CMSS, EAX, Speaker Calibration, Bass Redirection, обычно включенные по умолчанию.

Ограничение разрядности и/или частоты дискретизации при работе с различными типами драйверов (WDM, ASIO). Эти ограничения носят стопроцентно коммерческий и юридический характер, а вовсе не технический, но все равно могут очень сильно ограничивать возможности компьютерных измерительных приборов.

Следует учитывать, что многие звуковые карты не позволяют устанавливать различные частоты дискретизации одновременно и для входной и для выходной частей (для АЦП и ЦАП). Попытка сделать это, в лучшем случае, приведет к сообщению об ошибке, но может привести и к катастрофическому искажению результатов измерений. Например, реальная частота выходного сигнала звукового генератора в таком случае может не соответствовать заданной. Здесь поможет только внимание оператора и контрольные измерения. Более надежное решение этой проблемы – использование одинаковых частот дискретизации и для генератора и для комбинированного анализатора спектра. Для этого в анализаторе спектра есть специальный пункт меню «Synchronize Sample Format», включенный по умолчанию.

Иногда драйверы звуковых карт выдают ложную информацию о возможности поддержки того или иного режима. Чаще всего это касается максимально допустимых частот дискретизации. В данном случае попытка запуска описанных программ на высокой частоте дискретизации обычно приводит к сообщению об ошибке типа «указанный формат не поддерживается». Эта проблема связана с несовершенством драйверов и/или операционной системы. Хуже всего, если сообщение об ошибке не появляется. Тогда фактическая частоте дискретизации будет отличаться от формально заданной в настройках программ. В таком случае, так же как и в описанном в предыдущем абзаце, возможны грубые искажения результатов измерений. Для полного разрешения данной ситуации опять-таки необходимы предварительные контрольные измерения.

Электрические помехи со стороны различных компонент компьютера: процессора, видеокарты, блока питания. Влияние этих помех может изменяться от степени загрузки указанных компонент. Здесь решением проблемы может быть замена блока питания на другой, более качественный, и, возможно, экранировка звуковой карты.

Неустойчивое отображение спектра и нестабильные показания мультиметра могут быть связаны, прежде всего, с нестационарным входным сигналом, а то и просто с плохим контактом во входном разъеме. Другие причины, скорее всего, обусловлены аппаратными особенностями конкретного компьютера: недостаточное быстродействие в целом и/или недостаточный объем оперативной памяти, использование медленных и/или интегрированных видео и звуковых подсистем. Следует закрыть другие параллельно работающие программы, иногда это значительно улучшает производительность спектроанализатора.

Подобных примеров, относящихся к самым различным компьютерным компонентам, можно довольно много найти в интернете.