Звуковой анализатор спектра. Видео работы устройства. Измерение динамического диапазона DR по стандарту AES17

Работающий на базе устройства Quattro, ACE обеспечивает 32-разрядную с плавающей запятой цифровую обработку сигналов с частотой выборки до 204.8 кГц на всех каналах одновременно. Все входы подсоединяются к специализированному 24-разрядному сигма-дельта АЦП, а оба выхода имеют свои 24-разрядные ЦАПы. Входы и выходы защищены встроенными фильтрами защиты от наложения спектров. Вычислительные возможности обеспечивают в реальном времени динамический диапазон свыше 120 дБ в полосе до 94 кГц, при одновременном измерении и отображении 1600 линий на графиках передаточных функций, когерентности и всех других связанных измерений, а также с легкостью обеспечивают измерения с высоким разрешением до 25600 линий, масштабирование в реальном времени, измерение и отображение 3D графика "Водопада" и одновременную запись на диск. Вся обработка сигналов выполняется центральным сигнальным процессором, встроенным в Quattro, Ваш компьютер с Windows требуется только в качестве интерфейса оператора и для отображения данных.

Все возможности в одном устройстве

Купить анализатор спектра в наши дни не составляет проблем. Важно понимать, что имеются огромные различия между этими приборами, в частности, многие компании предлагают компактные приборы с различными названиями: анализатор спектра частот, анализатор спектра вибраций, анализатор частотного спектра, анализатор спектра звука и т.д. Как правило, все эти приборы оснащены экраном со шкалой, на которой испытатель смотрит показания. Такой анализатор спектра реального времени, как правило, не записывает измеренные данные и не имеет возможности проводить полноценный БПФ-анализ. Расшифровка спектра БПФ или алгоритм быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье позволяет использовать анализатор сигналов как анализатор спектра.

Цифровые анализаторы спектра SIgnalCalc ACE объединяют в себе все возможности портативных анализаторов, при этом сохраняя компактность.

SignalCalc ACE позволяет проводить анализ виброакустических сигналов в реальном времени, используя БПФ, с возможность записи необработанных данных на жесткий диск компьютера для последующего тщательного постанализа.

Всеобъемлющие измерения

ACE Quattro выполняет анализ во временной, частотной, амплитудной и порядковой областях. Используйте синхронное усреднение для восстановления зашумленных повторяющихся событий. Сопоставляйте сигналы для обнаружения их сходства и совмещения по времени (корреляция). Используйте анализ спектра с БПФ (Быстрое Преобразование Фурье) для идентификации доминантных частот и уровней спектральных плотностей. Определяйте линейность систем через их передаточные функции, когерентность и реакции на импульсное возмущение. Измеряйте вероятностные функции и проверяйте нормальность ваших экспериментальных данных.
Высокая скорость вычислений позволяет Вам обрабатывать данные с перекрытием, что ускоряет усреднения. А также позволяет захватывать запуски и остановы машин, речевые сигнатуры и другие, быстро изменяющиеся временные/частотные события. Экран Вашего компьютера становится окном просмотра мгновенного действия, отображающим появление и содержание сигналов.

Как вы думаете, что делают девушки, когда собираются вместе? Идут по магазинам, фотографируются, ходят по салонам красоты? Да, так и есть, но так делают далеко не все. В данной статье пойдёт речь о том, как две девушки решили собрать радиоэлектронное устройство своими руками.

Почему именно анализатор-визуализатор спектра?

Ведь программных решений данной задачи довольно много и вариантов аппаратной реализации так же немало. Во-первых, очень хотелось поработать с большим количеством светодиодов (т.к. мы уже собирали led-куб, каждый для себя, но в небольших размерах), во-вторых, применить на практике полученные знания по цифровой обработке сигналов и, в-третьих, в очередной раз попрактиковаться в работе с паяльником.

Разработка устройства

Т.к. брать готовое решение и делать строго по инструкции – это скучно и неинтересно, поэтому мы решили разрабатывать схему сами, лишь немного опираясь на уже созданные устройства.

В качестве дисплея выбрали светодиодную матрицу 8х32. Можно было использоваться готовые led-матрицы 8х8 и собирать из них, но мы решили не отказывать себе в удовольствии посидеть вечерком с паяльником, и поэтому собирали дисплей сами из светодиодов.

Для управления дисплеем мы не изобретали велосипед и использовали схему управления с динамической индикацией. Т.е. выбрали один столбец, зажгли его, остальные столбцы в этот момент погасили, затем выбирали следующий, зажгли его, остальные погасили и т.д. Ввиду того, что человеческий глаз не идеален, мы можем наблюдать статическую картинку на дисплее.
Пойдя по пути наименьшего сопротивления было решено, что все вычисления разумно будет перенести на контроллер Arduino.

Включение той или иной строки в столбце осуществляется с помощью открытия соответствующего ключа. Для уменьшения количества выходных пинов контроллера, выбор столбца происходит через дешифраторы (таким образом, мы можем сократить количество управляющих линий до 5).

В качестве интерфейса подключения к компьютеру (или другому устройству, способному передавать аудио сигнал) был выбран разъём TRS (mini-jack 3.5 mm).

Сборка устройства

Сборку устройства начинаем с того, что делаем макет лицевой панели устройства.

Материалом для лицевой панели был выбран чёрный пластик толщиной 5мм (т.к. диаметр линзы диода также 5мм). По разработанному макету размечаем, вырезаем лицевую панель под необходимый размер и просверливаем отверстия в пластике под светодиоды.

Таким образом получаем готовую лицевую панель, на которой можно уже собирать дисплей.

В качестве светодиодов для матрицы были использованы двухцветные (красный-зелёный) с общим катодом GNL-5019UEUGC. Перед началом сборки матрицы, руководствуясь правилом “лишний контроль не повредит” все светодиоды, а именно 270 шт. (брали с запасом на всякий случай), были проверены на работоспособность (для этого было собрано тестирующее устройство, включающее в себя разъём, резистор 200Ом и источник питания на 5В).

Дальше разгибаем светодиоды следующим образом. Аноды красного и зеленого диодов отгибаем в одну сторону (вправо), катод отгибаем в другую сторону, при этом следим, чтобы катод был ниже чем аноды. И затем под 90° загибаем катод вниз.

Сборку матрицы начинаем с правого нижнего угла, сборку производим по столбцам.

Вспоминая про правило “лишний контроль не повредит”, после одного-двух спаянных столбцов, проверяем работоспособность.

Готовая матрица выглядит следующим образом.

Вид сзади:

По разработанной схеме паяем схему управления строками и столбцами, распаиваем шлейфы и место под Arduino.

Было решено так же выводить не только амплитудно-частотны, но и фазо-частотный спектр, а также выбирать количества отсчетов для отображения (32,16,8,4). Для этого были добавлены 4 переключателя: один на выбор типа спектра, два на выбор количества отсчётов, и один на включение и выключение устройства.

Написание программы

В очередной раз руководствуемся нашим правилом и убеждаемся, что наш дисплей полностью в рабочем состоянии. Для этого пишем простую программу, которая полностью зажигает все светодиоды на дисплее. Естественно, по закону Мёрфи, нескольким светодиодам не хватало тока, и их необходимо было заменить.

Удостоверившись, что всё работает, мы приступили к написанию основного программного кода. Он состоит из трёх частей: инициализация необходимых переменных и считывание данных, получение спектра сигнала при помощи быстрого преобразования Фурье, вывод полученного спектра с необходимым форматированием на дисплей.

Сборка конечного устройства

В конце мы имеем лицевую панель, а под ней куча проводов, которые необходимо чем-то закрыть, да и переключатели нужно на чём-то закрепить. До этого были мысли сделать корпус из остатков пластика, но мы не вполне представляли, как это будет конкретно выглядеть и как это сделать. Решение проблемы пришло довольно неожиданно. Прогулявшись по строительному магазину, мы обнаружили пластиковый цветочный горшок, который на удивление идеально подошёл по размеру.

Дело оставалось за малым, разметить отверстия под разъёмы, кабели и переключатели, а также вырезать две боковые панели из пластика.

В итоге, собрав всё воедино, подключив устройство к компьютеру мы получили следующее:

Амплитудно-частотный спектр (32 отсчёта):

Амплитудно-частотный спектр (16 отсчётов):

Амплитудно-частотный спектр (8 отсчётов):

Амплитудно-частотный спектр (4 отсчёта):

Фазо-частотный спектр:

Вид задней панели:

Видео работы устройства

Для большей наглядности видео снималось в темноте. На видео устройство выводит амплитудно-частотный спектр, а затем на 7 секунде переключаем его в режим фазо-частотного спектра.

Список необходимых элементов

  1. Светодиоды GNL-5019UEUGC – 256 шт. (Для дисплея)
  2. Транзисторы n-p-n KT863A – 8 шт. (Для управления строками)
  3. Транзисторы p-n-p С32740 – 32 шт. (Для управления столбцами)
  4. Резисторы 1кОм – 32 шт. (Для ограничения тока базы p-n-p транзисторов)
  5. Дешифраторы 3/8 IN74AC138 – 4 шт. (Для выбора столбца)
  6. Дешифраторы 2/4 IN74AC139 – 1 шт. (Для каскадирования дешифраторов)
  7. Монтажная плата 5х10см – 2 шт.
  8. Шлейфы
  9. Arduino Pro micro – 1 шт.
  10. Разъём mini-jack 3.5мм – 1 шт.
  11. Переключатель – 4 шт.
  12. Чёрный пластик 720*490*5 мм – 1 лист. (Для лицевой панели)
  13. Горшок цветочный чёрный 550*200*150 мм – 1 шт. (Для корпуса)

Статус темы: Закрыта.

  1. SpectraLab ​


    Добро пожаловать в SpectraLAB!

    SpectraLAB - мощный двухканальный анализатор спектра. Программа связывается с любой Windows совместимой звуковой картой. Обеспечивает спекральный анализ в режиме РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ, а также Запись, Воспроизведение и возможность Пост-Обработки;

    Она позволяет Вам получить частотную характеристику и искажение, а также позволяет провести функциональные измерения. Она поддерживает Быстрое Преобразование Фурье (FFT) (размеры – 65536), окно сглаживания, цифровую фильтрацию, перекрывающую обработку, усреднение, удержание пика, запуск, прореживание, сужение полосы или октавы (1/1, 1/3, 1/6, 1/9, 1/12) , масштабирует и отображает, экспортирует и печатает Временную Последовательность, Спектр, Фазу, график трехмерной поверхности, и Спектрограмму.

    Утилита Сигнального Генератора производит розовый/белый шум, свип-сигнал, тоны и импульсы. Хотя вся сигнальная обработка выполняется на ЦПУ, исполнение в режиме реального времени возможно с сегодняшними машинами (типичный показатель коррекции 30 Гц на 60 MГц Пентиум с 1024 точкой FFT)

    1. Запуск Примеров

    Программой предусмотрен ряд примеров, которые помогут Вам изучить многие характеристики и возможности этой мощной программы. Иконы установлены на программном менеджере, чтобы позволить Вам быстро запускать анализатор с корректной установкой для каждого примера.
    Просто дважды нажмите на одной из иконок или используйте опцию Файл /Загрузка конфигурации для выполнения этого примера.

    2. Защита от копирования

    Это программное обеспечение является защищенной копией, использующей технику "Ключ Разрешения", которая ограничивает обработку в специфическом компьютере. Никакие аппаратные средства "dongle" не требуются.

    Если Вы приобрели программное обеспечение, вам необходимо получить Ключ Разрешения, чтобы программное обеспечение было полностью функциональным.

    Если Вы еще не приобрели программное обеспечение, Вы можете получить временный Ключ Разрешения бесплатно или под обязательство.

    Независимо от лицензионного статуса, Вы можете использовать режим Пост-Обработки, чтобы проанализировать любой из.WAV файлов поставленного образца.

    3. Получение Ключа Разрешения

    "Ключ Разрешения" является уникальным кодом, который позволяет осуществить программную операцию. Эта Ключ Разрешения спаривается с "Централизованным Кодом", который является уникальным для вашего компьютера. Поскольку Централизованный Код является специфичным для каждого компьютера, мы не можем обеспечить Вас соответствующим Ключом Разрешения до тех пор, пока Вы не пришлете нам свой Централизованный Код. Этот Централизованный Код легко получить, выбрав команду меню License / Status and Authorization и следуя инструкциям на экране.

    Что такое Анализатор Спектра?

    Анализатор спектра является инструментом для преобразования сигнала из временной зависимости в частотную. Если Вы знакомы с обычным осциллографом, то Вы знаете, как выглядит временная зависимость.
    Частотная зависимость известна как спектр. Если Вы не измеряете единственный тон, то осциллограф дает немного информации в отношении частоты;
    Тем не менее, анализатор спектра, несомненно, показывает эту информацию. Звуковой Анализатор Спектра, по определению, ограничен обработкой сигналов на звуковой полосе (от 20 Гц до 20 000 Гц).
    Специфический предел частоты определяется возможностями вашей звуковой карты (смотри Частоту дискретизации для дополнительной информации).

    1. Что он может делать?

    2. Как он работает?

    Программа работает вместе со звуковой картой на вашем компьютере. Подключите аудиосигнал, который должен быть измерен, к линейному входу или в гнездо микрофона на обратной стороне звуковой карты.
    SpectraLAB затем использует эту карту для того, чтобы выполнить "Аналого-цифровое" преобразование на аудиосигнале. Этот отцифрованный звук затем пройдет через математический алгоритм, известный как Быстрое Преобразование Фурье (FFT), который преобразует сигнал из временного интервала в частотный. Для выполнения этого преобразования на вашем компьютере используется CPU.

    Системные Требования

    1. Аппаратные требования:

    - IBM PC или совместимый с 80386 DX CPU или выше (486DX минимально рекомендуемый) + минимум 8 Mб RAM.
    - Монитор VGA, способный отобразить 256 цветов.
    - Жесткий Диск со свободным пространством 4Mб. Требуется, чтобы дополнительное пространство хранило звуковые файлы.
    - Математический co-процессор.
    -Windows совместимая звуковая карта: рекомендуется 16-битовая карта
    - Мышь или другое координатное устройство.

    2. Программные требования:

    Microsoft Windows95, Windows 3.1 + Win32s, WindowsNT
    - Драйверы Звуковой Карты (поддерживающие вашу Звуковую Карту)

    1. ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

    1.1 Основная Операция

    Программа имеет три специальных Режима обработки сигнала и пять способов Представления картины зависимости сигнала.

    1.1.1 Режимы обработки сигнала

    - В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ звук берется непосредственно со звуковой карты, программа обрабатывает его и отображает результаты. Необработанный цифровой звук не загружается в память и не может быть сохранен на диске. Вы можете, однако, прогнать его на неопределенном периоде времени.

    РЕЖИМ РЕГИСТРАТОРА позволяет Вам сохранять необработанный цифровой звук на вашем жестком диске в формате.WAV файла. Вы можете также воспроизвести звук с помощью акустической системы, подключенной к Вашей звуковой карте.

    РЕЖИМ ПОСТ-ОБРАБОТКИ позволяет Вам обрабатывать звуковые данные, которые были ранее записаны и загружены на диск как.WAV файл. Этот режим более подходит для анализа, чем предыдущие режимы. В частности, этот режим допускает использование Обрабатываемых Перекрытий, для того чтобы эффективно представитьвременное решение в Спектрограмме и) Графике Трехмерной поверхности.

    1.1.2 Способы представления зависимости сигнала

    - Временная Серия показывает цифровую картину звука, похожую на картину на экране осциллографа (амплитуда против времени).

    Картину зависимости амплитуды сигнала от частоты позволяет увидеть представление в виде Спектра.

    Фаза отображает зависимость фазы сигнала от частоты.

    Спектрограмма показывает зависимость спектра от времени. Амплитуда показывается в цвете или полутоновой шкале.

    Представление в виде Трехмерной поверхности позволяет увидеть перспективу спектра во времени.

    1.2 Установка Анализатора

    Скачать программу SpectraLab и прочитать полный текст инструкции можно во вложении ниже...

  2. Шкалы программы SpectraLab

    1. Шкалы для измерения напряжений

    В анализаторе спектра программы SpectraLab всегда одновременно работают 2 вольтметра действующих (эффективных или среднеквадратических (rms – root mean square)) значений напряжения. Один измеряет действующее значение максимальной по уровню составляющей спектра и результат индицируется на табло Peak Amplitude rms Power Level . Вольтметр осциллографа измеряет пиковое значение напряжений. Один измеряет действующее значение максимальной по уровню составляющей спектра и результат индицируется на табло Peak Amplitude rms . Другой вольтметр измеряет действующее значение всех составляющи х спектра в полосе от 20 до 20000 Гц, независимо от выбора частоты дискретизации. Результаты измерений этого вольтметра индицируются на табло Power Level .

    Вольтметр осциллографа измеряет пиковое значение напряжений. Шкалы этих вольтметров могут быть градуированы в процентах относительно максимально допустимого напряжения, вольтах или милливольтах (peak или rms ). Для измерения уровней сигналов по мощности шкалы этих вольтметров могут быть также отградуированы в децибелах шкалы FS .

    К сожалению, линейная шкала часто искажает вид измеряемой АЧХ, особенно когда измерения производятся при сильно отличающихся уровнях тестового сигнала.

    Этого недостатка лишены логарифмические амплитудные шкалы. Для примера на рис. изображены две частотные характеристики в разных шкалах. На рис.А по вертикали отложено реальное выходное напряжение исследуемого устройства в вольтах. Как видим, эти две АЧХ не очень то похожи. На рис. B по вертикали отложены не вольты, а децибелы. Сразу видно, что эти характеристики идентичны, только одна находится чуть выше, а другая - ниже.
    2. Шкалы для измерения уровней сигналов

    В программе SpectraLab измерение уровней аналоговых электрических сигналов с помощью вольтметров может производится в шкалах dBu, dBV и dB FS (Full Scale) . Обычно в аналоговых трактах диапазон шкалы dBV простирается от минус 3 до +25 dBu . К сожалению пиковое входное напряжение звуковых карт не превышает 5 В, поэтому в программе SpectraLab шкала уровней ограничена сверху значением +6…12 dBV .

    В программе SpectraLab основной шкалой измерения уровней сигналов является шкала dBFS (Full Scale ). В этой шкале 0 дБFS соответствует цифровой сигнал с во всех разрядах которого только логические единицы, это может быть 24, 16 или 8 бит.
    Этому уровню может соответствовать любое пиковое напряжение , не превышающее максимально допустимый по перегрузке входной уровень звуковой карты. Диапазон измеряемых уровней по этой шкале простирается от 0 до минус 190 dBFS, градуируется она в уровнях эффективного значения напряжения. (по уровням мощности).

    В программе SpectraLab предусмотрена возможность представления осциллограммы, в которой измерение уровня сигнала производится по шкале FS с использованием для измерения напряжения вольтметра действующих значений (рис.выше).
    В аудиотехнике звуковое давление и интенсивность звуковых колебаний обычно измеряется в децибелах в шкале dBSPL (Sound Pressure Level ). Такая возможность пред усмотрена в программе SpectraLab.
    В этой шкале за нулевой уровень интенсивности условились принимать интенсивность звука, равную I0 = 10 (в –12 степени) Вт/м2. Нулевой уровень по звуковому давлению P0 определяется расчетным путем по формуле

    и он равен 2.04 10(в –5 степени) Па.
    В этой формуле p – удельное сопротивление воздуха, p = 1.23 кГ/м3, Сs-скорость распространения звука, Cs = 340 м/с.

    Для иллюстрации на рис. ниже приведен график возможных уровней звукового давления.
    На этом рисунке приведены две шкалы: в децибелах - шкала линейная, а в Паскалях – нелинейная, поэтому пользоваться ей затруднительно.
    В программе SpectraLab в режиме логарифмической шкалы измерения производятся в шкале SPL, а в режиме линейной шкалы – в Паскалях.


    Частота тональных звуков, кГц
    Частотная зависимость абсолютного и болевого порогов слышимости​


    Для того чтобы измерение уровней звукового давления можно было производить в шкале FS необходимо эту шкалу согласовать со шкалой SPL. Для этого надо задаться максимальным уровнем звукового давления в шкале SPL - Lmax , который будет соответствовать 0 дБ в шкале FS. Тогда при измерениях уровня звукового давления 0 dB в шкале SPL будет соответствовать уровень минус Lmax в шкале FS.
    По этому уровню устанавливается график абсолютного порога слышимости в шкале FS.

    Обычно принимается, что Lmax 120 dBspl , тогда в шкале FS 0 dBspl = -120 dBFS . На рис.выше приведены АЧХ одной и той же фонограммы в шкалах FS и SPL . Они выполнены в предположении, что Lmax = 90 dBspl , поэтому графики просто сдвинуты по шкале на эти 90 децибел. При этом 0 dB SPL в шкале FS соответствует минус 90 dB FS.

  3. 3. Частотные шкалы

    В программе SpectraLab при измерении АЧХ частотная шкала может быть линейной, логарифмической и октавной.

    Линейная частотная шкала в электроакустике применяется редко, когда необходимо снять АЧХ в узком диапазоне частот.
    Логарифмическая частотная шкала в электроакустике применяется для измерения АЧХ электрических трактов. Логарифмическая шкала обладает свойством периодичности (рис.ниже). Она состоит из последовательности одинаковых основных логарифмических шкал , отличающихся масштабом в 10 раз: 1, 10, 100, 1000, 10000, 100000 Гц . Основная логарифмическая шкала частот имеет диапазон в одну декаду с отношением частот в начале и конце шкалы, равным 10. В пределах этой шкалы длина отрезка шкалы b от начала нач F до заданной частоты F пропорциональна логарифму отношения этих частот где D физическая длина основной логарифмической шкалы.

    В основной логарифмической частотной шкале нет отсчетных точек в частотных интервалах 1 – 2 , 10-20, 100-200….Гц. При построении графиков приведенная формула позволяет получить местоположение точек для частот в этих интервалах. Если например, длина шкалы основной логарифмической шкалы равна 3 см, и требуется определить м е- сто отсчета частоты 16 кГц. По приведенной формуле получим: b 0,6 см.

    Логарифмическая шкала исключительно удобна для отображения очень больших диапазонов по частоте как при электрических, так и электроакустических измерениях. Это связано с тем, что современные электрические и электроакустические тракты имеют очень широкий частотный диапазон. Так отношение верхней частоты к нижней в звуковом диапазоне частот равно 1000, и такой широкий диапазон в линейной шкале просто невозможно представить. Частотный диапазон современных усилителей на интегральных микросхемах еще шире – от нуля до 10 и более МГц.

    В электроакустике дополнительным преимуществом логарифмической шкалы частот является то, что ощущение высоты тона пропорционально логарифму воздействия. Поэтому в музыке ноты, различающиеся по частоте в два раза, воспринимаются как одна и та же нота, а интервал между нотами в пол тона соответствует отношению их частот 21/12.
    Именно поэтому нотная шкала - логарифмическая.
    Однако, логарифмическая шкала для измерения АЧХ громкоговорителей применяется редко, так как в этой шкале невозможно измерить звуковое давление громкоговорителя и на АЧХ видны даже очень короткие пики и провалы, которые на слух не воспринимаются (рис.выше.)

    Октавная шкала частот . В этой шкале диапазон звуковых частот может быть разделен на октавы и доли октавы (1/2, 1/3,1/6 ….). Если в эту шкалу в ходит частота 1 кГц, она называется основной шкалой. Значения октавной шкалы частот определяются расчетным путем по формуле

    где x = 0,1,2,3,.... m = 1,2,3,6,12... . При m = 1 - это октавная шкала частот, m 2 - это полу октавная шкала частот m 3 - это треть октавная шкала частот. Для не специалистов в области электроакустики эти частоты выглядят необычно. Наиболее часто используется 1/3 октавная шкала частот: 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500…….Гц

    Именно в этой шкале по стандарту AES17 требуется измерять АЧХ громкоговорителей по точкам, логарифмическим скользящим тоном и розовым шумом. Это связано с тем, что только при таких измерениях площадь АЧХ пропорциональна давлению громкоговорителя.

    В программе SpectraLab одновременно с АЧХ измеряется уровень мощности всех составляющих спектра. По этому уровню рассчитывается звуковое давление громкоговорителя в заданном диапазоне частот. Выбор 1/3 октавной шкалы связан с тем, что по стандарту пики и провалы АЧХ шириной меньше 1/6 октавы на слух не воспринимаются.
    Поэтому они исключаются при измерении неравномерности АЧХ и расчете звукового давления.

    На рис.выше приведены спектры одной и той же самой фонограммы в октавной шкале частот, измеренные с помощью розового шума с использованием разных полос усреднения: 1, 1/3, 1/6 и 1/24 октавы. Даже на взгляд можно определить насколько сильно отличаются их неравномерности.

    4. Шкалы для измерения спектрограмм

    В программе SpectraLab возможно измерять двумерные и трехмерные спектрограммы фонограмм (рис.ниже) в масштабе: частота – время и время – частота – амплитуда. При этом уровень сигнала выделяется цветом.

    5. Тестовые сигналы программы SpectraLab

    Шум и его характеристики ​


    Уровень мощности шум а – это уровень суммарной мощности всех составляющих спектра в Ln в установленном диапазоне частот в шкале FS. При измерении этот уровень индицируется на табло Power Level или Total Prw . Пиковые уровни шума индицируются на табло Peak Amplitude. В осциллографе уровень мощности шума измеряется вольтметром действующих значений в полосе от 0 до частоты Найквиста и индицируется на его дисплее.

    Уровень спектральной плотности мощности - это уровень мощности шума в полосе частот шириной 1 Гц.

    Спектр шума – это графи к зависимости уровня спектральной плотности мощности шума от частоты.

    Неравномерность спектра шума - это разность в децибелах максимального и минимального уровней спектра шума.

    Белый шум – это шум, у которого уровень спектральной плотности мощности не зависит от частоты. Спектр такого шума измеряется в логарифмической шкале частот. Теоретически график спектра должен быть в виде прямой линии вдоль оси частот.

    В программе SpectraLab спектр белого шума существенно отличается от теоретического, и его неравномерность в диапазоне 20-20000 Гц достигает 20 дБ (рис.ниже С ).

    Средний уровень спектральной плотности мощности белого шума Lds в диапазоне от 0 до частоты Fmax Найквиста рассчитывается по формуле
    При Fmax = 20000 Гц уровень Lds ниже уровня Ln на 43 дБ (рис.С ). По этой формуле решается и обратная задача, когда по измеренному уровню Lds определяется уровень мощности шума Ln .

    Спектр шума на графиках определяется линией Noise floor .(рис.Е ). Этот уровень отличается от уровня спектральной плотности мощности тем, что измеряется полосой сканирования не равной 1 Гц. Для перехода от уровня Noise floor (Lnfloor) к уровню Lds необходимо ввести поправочный коэффициент Kww.

    Эта поправка зависит от коэффициента оконной функции SB , частоты дискретизации fs и FFTsize быстрого преобразования Фурье. Рассчитывается она по формуле

    В зависимости от поправочного коэффициента уровень Noise floor поднимается или опускается. При правильно выбранных параметрах Фурье преобразования поправочный коэффициент близок к нулю и тогда Lds = Lnfloor . Среднее значение Lnfloor измеряется с помощью перекрестия на частоте 1000 Гц.

    Неравномерность спектра белого шума N определяется как разность в децибелах ма ксимального и минимального уровней Noise floor в интересующем диапазоне частот. Неравномерность измеряется по дисплею анализатора спектра с помощью перекрестия, вызываемого нажатием левой кнопки мышки.

    Розовый шум – это шум, у которого уровень спектральной плотности мощности с повышением частоты уменьшается обратно пропорционально частоте. У такого шума мощность шума в октавной полосе частот одинакова во всем звуковом диапазоне. Поэтому при использовании розового шума для измерения АЧХ можно использовать только октавную шкалу частот с интервалом усреднения 1/12 или 1/24 октавы. В такой шкале в программе SpectraLab спектр розового шума имеет вид близкий к прямой линии вдоль оси частот, его частотный диапазон измерения 30-16000 Гц, неравномерность спектра достигает 6- 8 дБ (рис.D ).

    Сигнал скользящего тона

    Характеристики сигнала скользящего тона : начальная и конечная частоты, время сканирования, закон изменения частоты (линейный и логарифмический ).

    Выбор закона изменения частоты скользящего тона зависит от используемой часто тной шкалы анализатора спектра. В случае линейной и логарифмической шкал необходимо использовать линейный закон изменения частоты. Если используется дробная октавная шкала, то необходимо выбирать логарифмический закон.

    Частота скользящего тона при линейном законе увеличивается линейно со временем, поэтому при логарифмической шкале частот на низких частотах возникают динамические погрешности. Они тем больше, чем меньше время сканирования и выше разрешающая способность анализатора спектра. Частотный диапазон измерения 2-20000 Гц, на частотах ниже 200 Гц большие инструментальные погрешности измерения уровня АЧХ (рис.Е ).


    Частота скользящего тона при логарифмическом законе на низких частотах нарастает медленнее, а на высоких – быстрее, чем при линейном законе. Поэтому при октавной шкале частот на низки х частотах динамические погрешности существенно меньше. Частотный диапазон измерения 30-16000 Гц, инстументальные погрешности невелики (рис.F ).

  4. Сигнал с линейно нарастающим напряжением

    Характеристики сигнала с линейно нарастающим по времени напряжением: начальный и конечный уровни сигнала, частота сигнала и время нарастания. На рис.G . преднамеренно приведены осциллограммы сигнала с линейно нарастающим напряжением в линейной и логарифмической шкалах, для того чтобы продемонстрировать преимущество логарифмических шкал. Как видно, в линейной шкале графи к больше похож на экспоненциальную или квадратическую функцию, тогда как в логарифмической шкале – это пила.

    6. Измерение технических характеристик электроакустического тракта

    Измерение шума тракта

    В программе SpectraLab с помощью анализатора спектра измеряются: спектр шума и уровень мощности шума в выбранном диапазоне частот , уровень Noise floor, неравномерность спектра и средний уровень спектральной плотности мощности шума. С помощью осциллографа измеряется интегральный уровень мощности шума в диапазоне час-тот от 0 до частоты Найквиста.

    Измерение THD, THD+N, SNR и DR в программе SpectraLab

    Коэффициент гармонических искажений THD определяется как отношение суммарного действующего значения напряжения гармоник к действующему значению напряжения первой гармоники сигнала. Этот коэффициент измеряется в процентах, с индикацией результата измерения на табло THD.
    Коэффициент нелинейных искажений THD+N определяется как отношение суммарного действующего значения напряжения гармоник и шума к действующему значению напряжению всего сигнала V . Измеряется этот коэффициент в процентах и результат измерения индицируется на табло THD+N.

    В технически х характеристиках электроакустических зв уковых трактов част о значения THD и THD+N приводят в децибелах. Переход от процентов к децибелам производится по формулам:

    Коэффициенты THD и THD+N могут измеряться при любом уровне сигнала.

    В программе SpectraLab SNR определяется как отношение мощности первой гармоники сигнала P1 к суммарной мощности гармоник и шума Pn , включающего в себя и все не гармонические дискретные составляющие спектра, если они есть. Измеряется в децибелах при любых уровнях сигнала с индикацией результата измерения на табло SNR .

    В этой формуле высшая гармоника определяется частотой Найквиста или полосовым фильтром на входе анализатора спектра. Сравнивая приведенные выше формулы, можно видеть, что

    В цифровом тракте значение SNR может зависеть от уровня сигнала, из-за увеличения нелинейных искажений в АЦП при уровне сигнала близком к 0 dB FS . Поэтому в программе SpectraLab для характеристики отношения сигнал/шум измеряемого тракта нужно использовать максимальное значение SNR max. Уровень сигнала, при котором этот параметр измеряется, подбирается экспериментально. Обычно, это от минус 0,1 до минус 3 дБ FS.

    Измерение SNR по стандарту AES17

    В цифровом тракте отношение сигнал/шум определяется как отношение максимального уровня сигнала (0 dBFS) , независимо от величины нелинейных искажений, к уровню шума в тракте при отсутствии сигнала (пауза). По стандарту AES17 AES SNR равен уровню мощности шума Ln с обратным знаком

    Измерения должны производиться с использованием взвешивающего фильтра типа A с тем, чтобы результаты измерений лучше коррелировались со слуховым восприятием.
    В программе SpectraLab предусмотрена возможность измерения мощности шума с тремя взвешивающими фильтрами типа: A, B и С. Их частотные характеристики приведены на рис.H . Измеренное по стандарту AES17 значение SNR всегда больше, чем SNR max , измеренное в программе SpectraLab.

    Измерение динамического диапазона DR по стандарту AES17

    В цифровом тракте динамический диапазон определяется как отношение максимального уровня сигнала (0 dBFS) , независимо от величины нелинейных искажений, к уровню шума и нелинейных искажений в тракте при наличии сигнала. DR - это характеристика АЦП. По определению DR это (THD+N)dB c обратным знаком.

    В соответствии со стандартом AES17 значение THD+N dB измеряется на частоте 997 Гц при уровне сигнала минус 60 дБ с тем, чтобы снизить влияние нелинейных искажений АЦП и ошибок квантования. Измерения должны производиться с использованием взвешивающего фильтра типа A с тем, чтобы результаты измерений лучше коррелировались со слуховым восприятием. При этом DR рассчитывается по формулам

    Всегда DRaes больше DRmax и фирмам производителям звуковых карт это нравится. Измеренные по стандарту AES17 значения SNR и DR отличаются мало. Именно поэтому эти две характеристики часто отождествляются.

    Измерение интермодуляционных искажений IMD

    В программе SpectraLab измеряется коэффициент интермодуляционных искажений IMD с помощью двух стандартных тестовых сигналов с частотой 250 и 8020 Гц. Сигнал высокой частоты по уровню меньше низкочастотного на 12 дБ. Коэффициент IMD определяется как уровень мощности разностных продуктов нелинейных искажений третьего порядка. Измеряется этот коэффициент в процентах, и результат измерения индицируется на табло IMD.

    Измерение амплитудно-частотнах характеристик (АЧХ)

    В программе SpectraLab АЧХ исследуемого тракта измеряется как комплексная передаточная функция (модуль и фаза). Эта функция вычисляется как разность уровней входного и выходного уровней исследуемого тракта, поэтому амплитудные и фазовые искажения тестовых сигналов при таком измерении исключаются.

    Это позволяет для измерения АЧХ использовать белый и розовый шум, сигналы линейного и логарифмического скользящего тона с любой частотной шкалой с примерно одинаковой погрешностью измерения.
    На рис.I . в качестве примера приведена АЧХ профессиональной звуковой карты, снятой с помощью белого и розового шума, а также линейно скользящего тона. Все графики сливаются, а неравномерность АЧХ не превышает 0,015 дБ в диапазоне от 1 до 20000 Гц.

    Статус темы: Закрыта.

SoundCard Oszilloscope – программа превращающая компьютер в двухканальный осциллограф, двухканальный генератор низкой частоты и анализатор спектра

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Каждый радиолюбитель знает, что для создания более-менее сложных радиолюбительских устройств необходимо иметь в своем распоряжение не только мультиметр. Сегодня в наших магазинах можно купить практически любой прибор, но – есть одно “но” – стоимость приличного качества любого прибора не менее нескольких десятков тысяч наших рублей, и не секрет, что для большинства россиян это значительные деньги, а посему эти приборы недоступны вовсе, или радиолюбитель покупает приборы давно находящиеся в употреблении.
Сегодня на сайте , мы попробуем оснастить лабораторию радиолюбителя бесплатными виртуальными приборами – цифровой двухканальный осциллограф , двухканальный генератор звуковой частоты , анализатор спектра . Единственный недостаток этих приборов – все они работают только в полосе частот от 1 Гц до 20000 Гц. На сайте уже давалось описание похожей радиолюбительской программы: “ “ – программа превращающая домашний компьютер в осциллограф .
Сегодня я хочу предложить вашему вниманию очередную программу – “ SoundCard Oszilloscope “. Меня эта программа привлекла неплохими характеристиками, продуманным дизайном, простотой изучения и работы в ней. Данная программа на английском, русского перевода нет. Но я не считаю это недостатком. Во-первых – разобраться как работать в программе очень легко, вы сами это увидите, во-вторых – когда нибудь вы обзаведетесь хорошими приборами (а у них все обозначения на английском, хотя сами китайские) и сразу и легко освоитесь с ними.

Программа разработана C. Zeitnitz и является бесплатной, но только для частного использования. Лицензия на программу стоит около 1500 рублей, и есть еще так называемая “частная лицензия” – стоимостью около 400 рублей, но это скорее пожертвование автору на дальнейшее совершенствование программы. Мы, естественно, будем пользоваться бесплатной версией программы, которая отличается только тем, что при ее запуске каждый раз появляется окошко с предложением купить лицензию.

Скачать программу (последняя версия на декабрь 2012 года):

(28.1 MiB, 51,272 hits)

Для начала давайте разберемся с “понятиями”:
Осциллограф – прибор предназначенный для исследования, наблюдения, измерения амплитудных и временных интервалов.
Осциллографы классифицируются:
по назначению и способу вывода информации:
– осциллографы с периодической разверткой для наблюдения сигналов на экране (на Западе их называют oscilloscop)
– осциллографы с непрерывной разверткой для регистрации кривой сигнала на фотоленте (на Западе называются oscillograph)
по способу обработки входного сигнала:
– аналоговый
– цифровой

Программа работает в среде не ниже W2000 и включает в себя:
- двухканальный осциллограф с частотой пропускания (зависит от звуковой карты) не менее чем от 20 до 20000 Гц;
– двухканальный генератор сигналов (с аналогичной генерируемой частотой);
– анализатор спектра
– а также имеется возможность записи звукового сигнала для его последующего изучения

Каждая из этих программ имеет дополнительные возможности, которые мы рассмотрим в ходе их изучения.

Начнем мы с генератора сигналов (Signalgenerator):

Генератор сигналов, как я уже говорил, – двухканальный – Channel 1 и Channel 2.
Рассмотрим назначение его основных переключателей и окошек:
1 кнопки включения генераторов;
2 окно установки формы выходного сигнала:
sine – синусоидальный
triangle - треугольный
square - прямоугольный
sawtooth - пилообразный
white noise – белый шум
3 регуляторы амплитуды выходного сигнала (максимальная – 1 вольт);
4 регуляторы установки частоты (нужную частоту можно установить вручную в окошках под регуляторами). Хотя на регуляторах максимальная частота – 10 кГц, но в нижних окошках можно прописать любую допускаемую частоту (зависит от звуковой карты);
5 окошки для выставления частоты вручную;
6 включение режима “Sweep – генератор”. В этом режиме выходная частота генератора периодически изменяется от минимального значения установленного в окошках “5” до максимального значения установленного в окошках “Fend” в течение времени, установленного в окошках “Time”. Этот режим можно включить или для любого одного канала или сразу для двух каналов;
7 окна для выставления конечной частоты и времени Sweep режима;
8 программное подключение выхода канала генератора к первому или второму входному каналу осциллографа;
9 - установка разности фаз между сигналами с первого и второго каналов генератора.
10 - у становка скважности сигнала (действует только для прямоугольного сигнала).

Теперь давайте рассмотрим сам осциллограф:

1 Amplitude - регулировка чувствительности канала вертикального отклонения
2 Sync – позволяет (установив или сняв галочку) производить раздельную, или одновременную регулировку двух каналов по амплитуде сигналов
3, 4 позволяет разнести сигналы по высоте экрана для их индивидуального наблюдения
5 установка времени развертки (от 1 миллисекунды до 10 секунд, при этом в 1 секунде – 1000 миллисекунд)
6 запуск/остановка работы осциллографа. При остановке на экране сохраняется текущее состояние сигналов, а также появляется копка Save (16 ) позволяющая сохранить текущее состояние на компьютере в виде 3-х файлов (текстовые данные исследуемого сигнала, черно-белое изображение и цветное изображение картинки с экрана осциллографа в момент остановки)
7 Trigger программное устройство, которое задерживает запуск развертки до тех пор, пока не будут выполнены некоторые условия и служит для получения стабильного изображения на экране осциллографа. Имеется 4 режима:
включение/выключение . При выключенном триггере, изображение на экране будет выглядеть “бегущим” или даже “размазанным”.
автоматический режим . Программа сама выбирает режим (нормальный или одиночный).
нормальный режим . В этом режиме осуществляется непрерывная развертка исследуемого сигнала.
одиночный режим . В этом режиме осуществляется одноразовая развертка сигнала (с промежутком времени, установленным регулятором Time).
8 выбор активного канала
9 Edge – тип запуска сигнала:
- rising – по фронту исследуемого сигнала
falling – по спаду исследуемого сигнала
10 Auto Set – автоматическая установка времени развертки, чувствительности канала вертикального отклонения Amplitude, а так-же изображение выгоняется в центр экрана.
11 - Channel Mode – определяет как будут выводится сигналы на экран осциллографа:
single – раздельный вывод двух сигналов на экран
- СН1 + СН2 – вывод суммы двух сигналов
СН1 – СН2 – вывод разницы двух сигналов
СН1 * СН2 – вывод произведения двух сигналов
12 и 13 выбор отображения на экране каналов (или любой из двух, или два сразу, рядом изображается величина Amplitude )
14 вывод осциллограммы канала 1
15 вывод осциллограммы канала 2
16 уже проходили – запись сигнала на компьютер в режиме остановки осциллографа
17 шкала времени (у нас регулятор Time стоит в положении 10 миллисекунд, поэтому шкала отображается от 0 до 10 миллисекунд)
18 Status – показывает текущее состояние триггера а также позволяет выводить на экран следующие данные:
- HZ and Volts – вывод на экран текущей частоты напряжения исследуемого сигнала
cursor – включение вертикальных и горизонтальных курсоров для измерения параметров исследуемого сигнала
log to Fille – посекундная запись параметров исследуемого сигнала.

Производство измерений на осциллографе

Для начала давайте настроим генератор сигналов:

1. Включаем канал 1 и канал 2 (загораются зеленные треугольники)
2. Устанавливаем выходные сигналы – синусоидальный и прямоугольный
3. Устанавливаем амплитуду выходных сигналов равную 0,5 (генератор генерирует сигналы с максимальной амплитудой 1 вольт, и 0,5 будет означать амплитуду сигналов равную 0,5 вольта)
4. Устанавливаем частоты в 50 Герц
5. Переходим в режим осциллографа

Измерение амплитуды сигналов:

1. Кнопкой под надписью Measure выбираем режим HZ and Volts , ставим галочки у надписей Frequency и Voltage . При этом у нас сверху появляются текущие частоты для каждого из двух сигналов (почти 50 герц), амплитуда полного сигнала Vp-p и эффективное напряжение сигналов Veff .
2. Кнопкой под надписью Measure выбираем режим Cursors и ставим галочку у надписи Voltage . При этом у нас появляются две горизонтальные линии, а внизу надписи, показывающие амплитуду положительной и отрицательной составляющей сигнала (А ), а также общий размах амплитуды сигнала (dA ).
3. Выставляем горизонтальные линии в нужном нам положении относительно сигнала, на экране мы получим данные по их амплитуде:

Измерение временных интервалов:

Проделываем те-же операции, что и для измерения амплитуду сигналов, за исключением – в режиме Cursors галочку ставим у надписи Time . В результате вместо горизонтальных мы получим две вертикальные линии, а внизу будет высвечиваться временной интервал между двумя вертикальными линиями и текущая частота сигнала в этом временном интервале:

Определение частоты и амплитуды сигнала

В нашем случае специально высчитывать частоту и амплитуду сигнала нет необходимости – все отображается на экране осциллографа. Но если вам придется воспользоваться первый раз в жизни аналоговым осциллографом и вы не знаете как определить частоту и амплитуду сигнала мы в учебных целях рассмотрим и этот вопрос.

Установки генератора оставляем как и были, за исключением – амплитуду сигналов устанавливаем 1,0, а установки осциллографа выставляем как на картинке:

Регулятор амплитуды сигнала выставляем на 100 милливольт, регулятор времени развертки на 50 миллисекунд, и получаем картинку на экране как сверху.

Принцип определения амплитуды сигнала:
Регулятор Amplitude у нас стоит в положении 100 милливольт , а это означает, что цена деления сетки на экране осциллографа по вертикали составляет 100 милливольт. Считаем количество делений от нижней части сигнала до верхней (у нас получается 10 делений) и умножаем на цену одного деления – 10*100= 1000 милливольт= 1 вольт , что означает, что амплитуда сигнала у нас от верхней точки до нижней составляет 1 вольт. Точно так-же можно измерить амплитуду сигнала на любом участке осциллограммы.

Определение временных характеристик сигнала:
Регулятор Time у нас стоит в положении 50 миллисекунд . Количество делений шкалы осциллографа по горизонтали равно 10 (в данном случае у нас на экране помещается 10 делений), делим 50 на 10 и получаем 5, это значит что цена одного деления будет равна 5 миллисекундам. Выбираем нужный нам участок осциллограммы сигнала и считаем в какое количество делений он умещается (в нашем случаем – 4 деления). Умножаем цену 1 деления на количество делений 5*4=20 и определяем что период сигнала на исследуемом участке составляет 20 миллисекунд .

Определение частоты сигнала.
Частота исследуемого сигнала определяется по обычной формуле. Нам известно, что один период нашего сигнала равен 20 миллисекунд , остается узнать сколько периодов будет в одной секунде- 1 секунда/20 миллисекунд= 1000/20= 50 Герц.

Анализатор спектра

Анализатор спектра – прибор для наблюдения и измерения относительного распределения энергии электрических (электромагнитных) колебаний в полосе частот.
Низкочастотный анализатор спектра (как в нашем случае) предназначен для работы в диапазоне звуковых частот и используется, к примеру, для определения АЧХ различных устройств, при исследовании характеристик шума, настройки различной радиоаппаратуры. Конкретно, мы можем определить амплитудно-частотную характеристику собираемого усилителя звуковой частоты, настроить различные фильтры и т.д.
Ничего сложного в работе с анализатором спектра нет, ниже я приведу назначение основных его настроек, а вы сами, уже опытным путем легко разберетесь как с ним работать.

Вот так выглядит анализатор спектра в нашей программе:

Что здесь – что:

1. Вид отображения шкалы анализатора по вертикали
2. Выбор отображаемых каналов с генератора часто и вида отбражения
3. Рабочая часть анализатора
4. Кнопка записи текущего состояния осциллограммы при остановке
5. Режим увеличения рабочего поля
6. Переключение горизонтальной шкалы (шкалы частоты) из линейного в логарифмический вид
7. Текущая частота сигнала при работе генератора в свип-режиме
8. Текущая частота в позиции курсора
9. Указатель коэффициента гармоник сигнала
10. Установка фильтра для сигналов по частоте

Просмотр фигур Лиссажу

Фигуры Лиссажу – замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два гармонических колебаниях в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Вид фигур зависит от соотношения между периодами (частотами), фазами и амплитудами обоих колебаний.

Если подать на входы «X » и «Y » осциллографа сигналы близких частот, то на экране можно увидеть фигуры Лиссажу. Этот метод широко используется для сравнения частот двух источников сигналов и для подстройки одного источника под частоту другого. Когда частоты близки, но не равны друг другу, фигура на экране вращается, причем период цикла вращения является величиной, обратной разности частот, например, период оборота равен 2 с - разница в частотах сигналов равна 0,5 Гц. При равенстве частот фигура застывает неподвижно, в любой фазе, однако на практике, за счет кратковременных нестабильностей сигналов, фигура на экране осциллографа обычно чуть-чуть подрагивает. Использовать для сравнения можно не только одинаковые частоты, но и находящиеся в кратном отношении, например, если образцовый источник может выдавать частоту только 5 МГц, а настраиваемый источник - 2,5 МГц.

Я не уверен, что эта функция программы вам пригодится, но если вдруг потребуется, то я думаю, что вам легко удастся разобраться в этой функции самостоятельно.

Функция записи звукового сигнала

Я уже говорил, что программа позволяет записать какой-либо звуковой сигнал на компьютере с целью его дальнейшего изучения. Функция записи сигнала не представляет сложностей и вы легко разберетесь как это делать:

Программа “Компьютер-осциллограф”