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.