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.

Компьютерный измерительный комплекс

Особенности использования звуковых карт в измерительном комплексе

О реальном числе разрядов звуковой карты

Оценим реальную разрешающую способность звуковой карты по амплитуде путем измерения отношения сигнал / (шум + искажения) (SINAD — Signal to Noise plus Distortion Ratio) при оцифровке синусоидального сигнала с частотой соответствующей диапазону применимости конкретного АЦП.

Данный метод оценки разрешающей способности – собирательный, он учитывает совокупность искажающих линейность АЦП факторов, как статических, так и динамических вплоть до кратковременной (по сравнению со временем измерений) нестабильности тактового генератора (т.н. джиттер — дрожание фазы).

Для удобства анализа результатов воспользуемся производным от SINAD параметром — эффективным числом бит ENOB.

Для большинства приложений АЦП, связанных с обработкой быстроизменяющихся сигналов, например, при звукозаписи обобщающей характеристики качества аналого-цифрового преобразования, такой как эффективная разрядность, часто бывает вполне достаточно.

В звуковом генераторе из меню выберем пункт “Presets->1000 Hz + 1000 Hz Base Level”. Остальные настройки звукового генератора сохраним без изменения.

Оставим все настройки анализатора спектра такими, какими они были в предыдущем опыте. Кнопку “ENOB” на панели мультиметра нажмем так, чтобы на ней появилась надпись “ENOB FS”.

Запускаем процесс измерений нажатием на кнопки “Start” на панелях управления анализатора спектра и генератора. На индикаторах мультиметра читаем показания.

Для звуковой карты “Audigy SE”, над которой производил опыты автор этих строк, величина эффективной разрядности, приведенной к полной шкале АЦП, (“ENOB FS”) составила приблизительно 15 бит при уровне сигнала “Peak Amplitude” порядка –8 дБ. При увеличении чувствительности входного микшера регулятором “Line-In” до максимума, величина эффективной разрядности уменьшается до 14 бит при увеличении уровня входного сигнала “Peak Amplitude” до –2 дБ.

Если уменьшить чувствительность входного микшера до 10% от максимального значения, то эффективная разрядность увеличивается приблизительно до 17 бит. При такой настройке входного микшера реальная чувствительность в вольтах составляет приблизительно 10 В на всю шкалу АЦП. Следует отметить, что практического применения такой режим совершенно не имеет, поскольку входные цепи звуковой карты если уж и не сгорят, то будут катастрофически перегружены уже при входном напряжении свыше 2 В.

Во всех трех описанных измерениях уровень гармонических искажений (THD) оставался практически неизменным и составлял величину приблизительно – 98 дБ. А вот уровень шумовой составляющей существенно изменялся, что хорошо видно из графиков приведенных на рисунке. На графике числами с процентами обозначено положение регулятора уровня записи, при котором производилось измерение. Такой результат говорит о том, что линейность ЦАП и АЦП, непосредственно влияющая на коэффициент нелинейных искажений, достаточно высока, однако высокий уровень шума не позволяет в полной мере эту линейность использовать. Следует отметить, что с точки зрения субъективного качества звука такое соотношение шумов и нелинейных искажений лучше, нежели обратное, так как в данном случае имеющиеся искажения маскируются шумом, имеющим, как видно из рисунка, достаточно равномерную частотную характеристику.

Полагая, что потеря точности результирующего преобразования цифра-аналог и аналог-цифра распределяются приблизительно поровну между ЦАП и АЦП, можно оценить реальную точность каждого из них в отдельности величиной не более чем 16 бит. Это объясняется тем, что последовательное соединение двух одинаковых по шумам устройств увеличивает результирующий шум на 3 дБ (ухудшает эффективную разрядность ENOB на 0.5 бит), если шумы каждого из устройств полностью взаимно некоррелированы и на 6 дБ (ENOB уменьшается на 1 бит), для 100% коррелированных шумов.

Из данного опыта видим, что реальная разрядность данной звуковой карты несколько отличается от заявленных фирмой-производителем 24 бит. То есть, несмотря на то, что и ЦАП WM8768 и АЦП WM8775, установленные на данной звуковой карте, формально оперируют 24-разрядными данными, они обеспечивают реальную точность, ограниченную шумами, всего лишь около 16 бит.

Обратим внимание, что в спектре, показанном на рисунке, кроме основного сигнала 1 кГц заметна только его третья гармоника. Практически не наблюдается никаких следов других побочных компонент, например, помех от импульсного блока питания компьютера или сетевого фона. В описанном опыте автор использовал самый рядовой компьютер с самым обычным блоком питания и никаких мер по снижению помех, например экранировки звуковой карты или дополнительной фильтрации в цепях питания, не применялось.

Следует еще раз отметить, что при оценке результатов измерений, полученных в двух предыдущих параграфах, мы полагали, что амплитудные и частотные погрешности звуковой карты распределяются поровну между ее ЦАП и АЦП. Для раздельной оценки качества ЦАП и АЦП нам понадобилось бы дополнительное высококлассное измерительное оборудование или, по крайней мере, высококачественная звуковая карта, стоимость которых многократно превышает стоимость исследуемой звуковой карты.

Компьютерный измерительный комплекс

Особенности использования звуковых карт в измерительном комплексе

Сдвиг фаз между стереоканалами

Все, кто занимается стереофонической звукозаписью, знают, что сдвиг фаз между левым и правым каналами должен быть минимальным. Это необходимо для неискаженной передачи пространственного образа музыкальной программы. Особенно важным является условие минимального сдвига фаз на средних и высоких частотах звукового диапазона, на которых собственно и формируется стереообраз.

Измерим сдвиг фаз между стереоканалами АЦП, то есть записывающей части звуковой карты. Для этого потребуется особый звуковой кабель, соединяющий выход левого канала ЦАП звуковой карты одновременно с левым и правым входами АЦП. Таким образом, на оба входа звуковой карты будет подаваться один и тот же сигнал.

Настроим приборы на работу с частотой дискретизации 96 кГц и разрядностью данных 16 бит, как было показано выше. На генераторе установим частоту сигнала левого канала равной 5 кГц и амплитуду –10 дБ. Уровень входного микшера установим на 50 %. На графической панели осциллографа установим уровень синхронизации равный нулю. Включим процесс измерения. Если все было сделано правильно, то для звуковой карты “Audigy SE” получим картинку наподобие той, что изображена на рисунке.

Здесь на нижней графической панели изображен тот же самый сигнал, что и вверху, но в виде отдельных точек, каждая из которых соответствует отдельному отсчету произведенному входным АЦП. Разность фаз, измеренная мультиметром, составляет приблизительно 18.5º.

Установим частоту сигнала равную 10 кГц. Видим, что фазовый сдвиг удвоился и достигает уже 37º. Легко убедиться, что для данной звуковой карты фазовый сдвиг между стереоканалами АЦП прямо пропорционален частоте.

На нижнем графике рисунка видно, что этот фазовый сдвиг между стереоканалами равен точно одному отсчету АЦП при работе последнего на частоте 96 кГц.

Таким образом использовать звуковую карту “Audigy SE” для высококачественной стереофонической звукозаписи следует с большой осторожностью, принимая меры по компенсации вносимого фазового сдвига при последующей обработке в каком-либо звуковом редакторе.

Несколько слов о причине такой ошибки. Она заключатся, по-видимому, в недоучете авторами драйвера особенностей программировании АЦП WM8775 от фирмы Wolfson, установленного на данной звуковой карте. На возможность фазового сдвига в одну выборку сигнала при определенных режимах работы АЦП WM8775 прямо указывается на странице 21 технического описания.

Для коррекции этой ошибки в Осциллометре начиная с версии 5.58 имеется функция произвольного временного сдвига между каналами, задаваемого непосредственно на панели управления анализатора спектра цифровым регулятором под надписью “Delay R–L”. Для указанного выше случая коррекция должна быть установлена на величину “+ 1”. Для точной коррекции ошибки частота дискретизации в панели управления “Creative Device Control” при этом также должна быть 96 кГц.

Теперь проверим фазовые соотношения при воспроизведении стереофонического сигнала данной звуковой картой.

Соединим вновь вход и выход звуковой карты обычным стереокабелем. Для коррекции фазовой ошибки АЦП величину “Delay R–L” установим на +1. Установим на генераторе частоту 5 кГц в обоих каналах и нулевой фазовый сдвиг между ними. В звуковой карте, использованной автором, сдвиг фаз, измеренный мультиметром, составил величину –0.25º на частоте 5 кГц и –0.5º на 10 кГц. Это можно считать отличным результатом даже по меркам профессиональной звуковой техники. Таким образом, в воспроизводящей части звуковой карты “Audigy SE” никаких межканальных фазовых ошибок практически нет.

Подведем итоги:

1. Звуковые карты фирмы Creative для работы в режиме 24 бита и 96 кГц требуют специальной настройки в панели управления.

2. Измеренная частотная характеристика 7 Гц … 45 кГц вполне соответствует частоте дискретизации 96 кГц.

3. Заявленный фирмой режим 24 бита является формальным, фактическая разрешающая способность составляет 16 бит.

4. Аномально большой фазовый сдвиг между каналами АЦП требует дополнительной программной обработки при высококачественной стереофонической звукозаписи.

В завершении следует отметить, что все описанные в данном разделе опыты, кроме первого пункта «Специфическая настройка звуковых карт фирмы Creative» могут быть проделаны и со звуковыми картами любых других типов.

Устойчивость усилителя звуковой частоты к помехам

Устойчивость усилителя звуковой частоты к радиочастотным внешним помехам

Проблема обнаружилась при прослушивании радиопередач в УКВ диапазоне. Тюнер был самодельный, на базе радиоконструктора «Фон-6» и ИК ДУ от телевизора «Горизонт». Усилитель низкой частоты – «Электроника 50У-017С» – доработанный, в нем установлен тороидальный сетевой трансформатор, дистанционное ИК управление громкостью в виде переменного резистора с моторчиком, винтовые выходные клеммы. Колонки «Электроника 75АС-065» подключены кабелями длиной 6 и 3 метра. Тюнер соединен с усилителем хорошим кабелем в настоящем плетеном экране.

На некоторых радиопрограммах заметил сильное искажение звука. Условия приема были неудовлетворительные: первый этаж, 15 км от Останкино, прямой видимости нет. Комнатная антенна – «усы». При переориентации антенны характер искажений изменялся, но устранить их совсем не представлялось возможным. Более того, при определенных положениях антенны, искажения принимали характер микрофонного эффекта, особенно заметного на пиках модуляции радиопередачи. Очевидным стало паразитное взаимодействие радиочастотных и низкочастотных узлов аудио системы. Первое, что приходит в голову – сигнал гетеродина радиоприемника наводится на вход УНЧ. Но каким именно путем?

Пришлось поставить эксперимент. УКВ приемник отключил, а его антенну подключил к выходу генератора высокой частоты Г4-158. Включил в генераторе режим амплитудной модуляции сигналом 1 кГц. Частотной модуляции в этом приборе просто нет. При изменении частоты сигнала с генератора от 1 до 100 МГц обнаружилось, что в некоторых точках этого диапазона на выходе УНЧ возникает гудение с частотой модуляции, иногда сопровождаемое сетевым фоном. Перемещая «передающую» антенну в пространстве удалось обнаружить наиболее «уязвимые» точки аудио системы. Ими оказались провода, соединяющие усилитель с акустическими системами! Причем самыми чувствительными местами являлись участки проводов непосредственно вблизи корпуса усилителя. Кроме того, следует отметить, что входные цепи усилителя к такого рода радиочастотным помехам оказались совершенно нечувствительными.

Напрашивается следующая модель проникновения радиопомех в усилитель. Наведенный на выход усилителя внешний высокочастотный сигнал детектируется на множестве нелинейных элементов, в основном на переходах транзисторов выходного каскада, затем по цепи отрицательной обратной связи, имеющейся в этом блоке, попадает на вход усилителя мощности и усиливается. Причем стандартной фильтрующей цепочки на выходе усилителя мощности (дроссель состоящий из десяти витков провода на резисторе 10 Ом и конденсатор 0,1 мкФ) совершенно недостаточно для подавления этих помех. Впрочем, данный фильтр и предназначен вовсе для другого.

Дальнейшее решение проблемы очевидно. Нужен фильтр. Самое простое решение — выполнить его непосредственно из «колоночных» проводов. Взял шесть ферритовых колец марки 1000НН внешним диаметром порядка 20 мм, внутренним – 10 мм, толщиной (высотой) – 6 мм. Сложил кольца в стопку, скрепил обмоткой из лакоткани. В полученную ферритовую трубку продел двухпроводной кабель от колонки. Он довольно толстый (сечение 2х1,5 мм2 ). Получилось в самый раз. Такой же фильтр сделал для кабеля от второй колонки. После подключения колоночных кабелей к усилителю придвинул ферритовые трубки вплотную к его выходным клеммам. Помехи полностью исчезли. Почему 6 колец? Больше не было под рукой. Чем больше, тем лучше. Одно-два кольца практически не помогают. При самостоятельном изготовлении описанного фильтра можно использовать феррит марок 400НН –1500НН. Главное — не жалейте колец!

Сейчас подобные фильтры продаются. Они состоят из двух ферритовых полутрубок, скрепляемых пластмассовой обоймой. Применяются они обычно в компьютерной технике. Все наверняка видели такой фильтр на сигнальном кабеле компьютерного монитора. Но эффективность таких фильтров для УНЧ я не проверял. Какой там феррит я не знаю. Следует иметь в виду, что фильтр из сплошных колец, при прочих равных условия, всегда будет эффективнее, чем изготовленный из полуколец (полутрубок).

Вывод: защищать от внешних помех следует не только малосигнальные входные цепи усилительной аппаратуры, но и мощные выходные цепи. Как показал опыт, выходные мощные каскады усилителя, иногда, более подвержены некоторым видам высокочастотных помех. Достоинство предлагаемого способа борьбы с внешними помехами заключается в отсутствии какой-либо переделки самих узлов электронной аппаратуры.

Подобный фильтр в виде ферритовой трубки подходящего диаметра, надетой на кабель, может оказаться не лишним и во всех остальных цепях высококачественного звуковоспроизводящего комплекса, включая и сетевой провод. Особенно в современных условиях разнообразных внешних помех. Разумеется, фильтр может иметь и несколько витков кабеля, намотанных на ферритовое кольцо подходящего размера. Размещать ферритовые фильтры следует непосредственно у корпусов аппаратуры, лучше с обоих концов соединительного кабеля.