LABORATORIUM
POMIARÓW W TECHNICE STUDYJNEJ
Ćwiczenie Nr 2:
POMIAR CHARAKTERYSTYK URZĄDZEŃ ELEKTROAKUSTYCZNYCH
1. PODSTAWOWE CHARAKTERYSTYKI URZĄDZEŃ FONICZNYCH
Charakterystyki urządzeń fonicznych opisują, w sposób liczbowy i za pomocą wykresów, parametry danego urządzenia, pozwalając ocenić jego jakość i porównać go z innym sprzętem. Charakterystyki są zwykle zamieszczane w specyfikacji technicznej urządzenia. Istnieje typowy zestaw testów pomiarowych, pozwalający uzyskać wystarczającą ilość informacji na temat mierzonego sprzętu fonicznego. Poniżej wymieniono najczęściej wykonywane testy.
• Charakterystyka częstotliwościowa (frequency response) – określa zdolność urządzenia
do przenoszenia składowych widmowych sygnału o różnych częstotliwościach. W idealnym przypadku charakterystyka powinna być płaska w całym zakresie przenoszenia. Test może być wykonywany za pomocą przestrajanego tonu sinusoidalnego (swept sine), wielotonu (multitone) lub szumu białego.
• Poziom szumu (noise level) – określa poziom sygnału zmierzonego przy braku sygnału
testowego podawanego na wejście badanego urządzenia, mierzony jest zatem sam poziom szumu generowanego przez urządzenie. Poziom jest wyrażany w decybelach i powinien być jak najniższy.
• Zakres dynamiki (dynamic range), inaczej stosunek sygnału do szumu (SNR,
signal-to-noise ratio) – jest to odniesienie poziomu szumu do wartości nominalnej, określa zakres
poziomów sygnału przenoszonych przez urządzenie. Powinien być możliwie największy.
• Współczynnik zniekształceń harmonicznych THD (total harmonic distortion) – określa
wielkość zniekształceń harmonicznych wprowadzanych przez urządzenie (dodatkowe składowe harmoniczne w widmie sygnału wyjściowego w przypadku sygnału sinusoidalnego podanego na wejście urządzenia). Parametr jest mierzony w funkcji częstotliwości oraz amplitudy sygnału wejściowego, wartość podawana jest w procentach, powinna ona być jak najniższa.
• Liniowość (linearity) – charakterystyka poziomu sygnału wyjściowego w funkcji
poziomu sygnału wejściowego. Powinna być liniowa.
• Przesłuch (stereo crosstalk) – opisuje przenikanie sygnału z jednego kanału pary
stereofonicznej do drugiego. Mierzony jest przez podanie sygnału na wejście jednego kanału i pomiar sygnału na wyjściu drugiego kanału. Wartość jest podawana w dB w funkcji częstotliwości, powinna być jak najmniejsza.
2. OPIS SYSTEMU TWO
System TWO firmy Audio Precision należy do grupy modułowych systemów pomiarowych
kontrolowanych za pomocą komputera osobistego. Zawiera on generatory i analizatory sygnału (analogowe i cyfrowe), umożliwiające pomiar odpowiedzi badanego urządzenia na wygenerowane pobudzenie. Oprogramowanie komputerowe – system APWIN – steruje pracą urządzenia i
wykonywaniem pomiarów, których wyniki są prezentowane w formie wykresów oraz zestawień tabelarycznych. Do połączenia analizatora z komputerem wykorzystuje się cyfrową kartę interfejsu ISA. Ogólny schemat systemu TWO przedstawiono na rys. 1. Generator Systemu TWO umożliwia wytworzenie fali sinusoidalnej o bardzo małej wartości zniekształceń. Sygnał ten jest kierowany do dwóch kanałów, oznaczonych jako A i B. Częstotliwość sygnału w obu kanałach jest jednakowa, natomiast amplituda sygnału może być regulowana niezależnie w każdym kanale. Analizator umożliwia pomiar amplitudy i poziomu sygnału (w całym paśmie częstotliwości lub w jego wybranej części), częstotliwości i fazy. W systemach zawierających DSP występuje ponadto analizator cyfrowy, pozwalający na pomiar widma sygnału przy użyciu algorytmu FFT. Wersja wykorzystywana podczas laboratorium zawiera tylko moduły analogowe.
Oprogramowanie APWIN stanowi interfejs użytkownika umożliwiający obsługę urządzeń pomiarowych oraz analizę uzyskiwanych wyników. Sterowanie systemem pomiarowym odbywa się za pomocą paneli – okienek umożliwiających regulację parametrów systemu i wizualizację wyników pomiarów. Wybierając odpowiednią opcję z menu Panels lub przycisk na pasku poniżej menu można umieścić na pulpicie wybrany panel. Wśród dostępnych paneli są takie, jak analogowy generator (Analog generator) i analizator (Analog analyzer), cyfrowy generator (Digital generator) i analizator (Digital analyzer), panel badania sygnałem przemiatającym (Sweep) oraz panele prezentacji wyników w postaci wyświetlacza (Bar graph), wykresu (Graph) i tabeli (Data editor). Odczyty układu pomiarowego są prezentowane w postaci wartości numerycznych koloru zielonego na czarnym tle i są uaktualniane przez cały czas trwania pomiaru. Wyboru ustawień dokonuje się za pomocą pól tekstowych, list rozwijanych, przełączników radiowych, przycisków, itp. Wyniki pomiarów są prezentowane przy pomocy wykresów (Graph), wyświetlaczy (Bar Graph) i tabel (Data Editor). Panele mogą być rozmieszczane na pięciu stronach – wirtualnych pulpitach (wyboru strony dokonuje się poprzez naciśnięcie odpowiedniej zakładki u dołu ekranu).
GENERATOR ANALOGOWY GENERATOR CYFROWY ANALIZATOR ANALOGOWY ANALIZATOR CYFROWY INNE APIB (Audio Precision Interface Bus) ISA lub PCMCIA IC KOMPUTER OSOBISTY OPROGRAMOWANIE APWIN PANELE APWIN Generator Analizator Inne Wykres (Graph) Tabela (Data Editor) Pamięć danych sweep Wyświetlacz Wyświetlacz Wyświetlacz Ustawienia Odczyty Do urządzenia Od urządzenia
Panel analogowego generatora (Analog Generator) pozwala wybrać rodzaj sygnału testowego oraz jego parametry oraz włączać i wyłączać generowany sygnał w poszczególnych kanałach (możliwa jest niezależna regulacja. amplitudy w kanałach A i B). Zaznaczenie pole Track A nad polem wyboru kanału B ustawia jednakową amplitudę w obu kanałach. W dolnej części panelu generatora znajdują się pola wykorzystywane tylko przy niektórych rodzajach pomiarów m.in. wartość impedancji wyjściowej Z–Out oraz wybór rodzaju połączenia. Panel analizatora analogowego (Analog Analyzer) pozwalają sterować sygnałem testowym na wyjściu systemu. W panelu Analizatora wybierane jest wejście (XLR–bal – symetryczne, BNC–unbal – niesymetryczne, GenMon – połączenie bezpośrednie wewnętrzne z wyjść generatora), analizowany parametr oraz jednostki, w jakich prezentowany jest odczyt. Ważną funkcję w przeprowadzaniu testów pełnią testy sygnałem przemiatającym (tzw. sweep test). Stosowane są one w celu badania parametrów urządzenia audio w funkcji częstotliwości lub amplitudy. Prowadzi to do automatyzacji pomiarów i umożliwia zbadanie charakterystyki urządzenia dla wielu wartości w krótkim czasie. Wyniki są prezentowane w formie wykresów i tabel. Dane prezentowane na wykresach można w łatwy sposób analizować za pomocą funkcji powiększenia i kursorów. Zaznaczenie myszą obszaru wykresu powoduje jego automatyczne powiększenie (zoom). Cofnięcie powiększenia lub powrót do oryginalnego wykresu uzyskuje się poprzez wybranie odpowiedniej opcji z menu podręcznego, wywoływanego przez naciśnięcie prawego przycisku myszy. Z menu podręcznego można również włączyć opcję kursorów. Po zaznaczeniu serii danych w dolnej części okienka (jeżeli ta część okna nie jest widoczna, należy przeciągnąć myszą do góry wewnętrzną dolną krawędź okna), możliwe jest przesuwanie kursora po wykresie i odczyt wartości. Wyniki pomiarów można również odczytać w tabeli wyników (Data Editor). Inna opcja w menu podręcznym wykresu pozwala na optymalizację wyświetlania danych tak, aby cała krzywa pomiarowa zmieściła się na wykresie (Optimize left only).
Zestaw paneli, ich ustawienia oraz wyniki pomiarów można zapisać w postaci pliku testu (plik z rozszerzeniem .at2). Firma Audio Precision dostarcza zestaw gotowych testów, gotowych do wykorzystania w najczęściej wykonywanych pomiarach. Użytkownik może stworzyć własne układy pomiarowe i zapisać je do wykorzystania w późniejszych pomiarach.
3. ZADANIA
3.1. Zapoznanie z systemem pomiarowym.
– Podłączyć System TWO do wejścia i wyjścia liniowego karty dźwiękowej w komputerze. – Uruchomić System TWO i program ApWin.
– Ustawić w mikserze karty dźwiękowej suwak Wejście liniowe (odtwarzanie) na ok. połowę. – Włączyć generator (OUTPUTS w panelu Analog Generator). Odczyt poziomu (Level) w
panelu Analog Analyzer powinien wskazywać ok. 1 V. Jeżeli wskazuje on bardzo niski poziom (szumy), sprawdzić poprawność połączeń.
– Zmieniając amplitudę i częstotliwość sygnału na generatorze, obserwować wynik pomiaru w analizatorze.
– Powiększyć panel analizatora (przycisk maksymalizacji okna). Z listy rozwijanej Level wybierać różne jednostki. Zaobserwować różnice między wartościami. Zaobserwować jak wartości dBr A/B w polu References wpływają na wynik pomiaru w jednostkach dBr. Wskazówka: klawisz F4 wpisuje aktualny wynik pomiaru do pola References.
– Włączyć panel Headphone/Speaker (ikona głośnika na pasku). Ustawić źródło na Analog
Analyzer Reading. Wyregulować głośność za pomocą pokrętła na obudowie systemu. Dla
częstotliwości 1 kHz ustawić na generatorze poziom najpierw 0 dBV, potem +5 dBV. Zaobserwować zmiany wartości zmierzonej na analizatorze (w dBV) oraz brzmienie dźwięku. W polu Function Reading zmienić parametr na THD+N Ratio. Zmierzyć wartość parametru dla obu wartości wejściowych. Odsłuchać dźwięk z analizatora (jest to sygnał wyjściowy z odfiltrowanym sinusem 1 kHz). Dla poziomu 0 dBV zwiększyć głośność tak aby był on słyszalny. Wyjaśnić zaobserwowane efekty i ich przyczyny.
3.2. Pomiar charakterystyki częstotliwościowej
– Wczytać plik testowy A–A FREQ RESP.AT2.
– Ustawić suwak wejścia liniowego na ok. połowę. – Wciskając klawisz F4 zapisać poziom referencyjny.
– Włączyć panel głośnika, jako źródło ustawić Analog Generator.
– Uruchomić pomiar (przycisk Go w panelu Sweep albo klawisz F9). Zaobserwować i opisać (na podstawie obserwacji tworzenia wykresu i odsłuchu dźwięku) w jaki sposób dokonywany jest pomiar całego pasma akustycznego.
– Wyłączyć dźwięk. Przestawić suwak wejścia liniowego na maksimum. Zaznaczyć w panelu
Sweep opcję Append. Ponownie zapisać poziom referencyjny i uruchomić pomiar.
– Ustawić skalę pionowej osi wykresu tak aby było widać wszystkie wyniki pomiaru (zmieniać pola Top i Bottom w panelu Sweep). Zapisać wykres do pliku (z menu Edit wybrać opcję
Copy Panel to Clipboard, przy zaznaczonym panelu wykresu). W kolejnych poleceniach
również należy zapisywać otrzymane wykresy i umieszczać je w sprawozdaniu. – Zmierzyć i zanotować wynik pomiaru charakterystyki w formie:
±x dB w paśmie 20 Hz – 20 kHz. – Zinterpretować uzyskane wyniki.
– Zmienić w panelu Sweep jednostkę na dBV, później znów na dBr. Na podstawie obserwacji omówić zasadność stosowania jednostek dBr.
3.3. Pomiar zniekształceń nieliniowych w funkcji częstotliwości.
– Wczytać plik A-A THD+N VS FREQ.AT2.
– Ustawić suwak wejścia liniowego na ok. połowę. – Wykonać pomiar charakterystyki.
– Powtórzyć pomiar w trybie Append dla suwaka wejścia liniowego ustawionego na maksimum.
– Ustawić skalę wykresu tak aby uwidocznić uzyskane krzywe pomiarowe. – Zinterpretować wynik pomiaru.
– Wyjaśnić przyczynę spadku charakterystyki w drugim pomiarze dla wysokich częstotliwości. Wskazówkę można znaleźć w komentarzu pod wykresem.
3.4. Pomiar zniekształceń harmonicznych w funkcji amplitudy
– Wczytać plik A-A THD+N VS AMPLITUDE.AT2.
– Ustawić suwak wejścia liniowego na ok. połowę, tak aby wzmocnienie karty wynosiło 1:1. – Uruchomić pomiar.
– Ustawić odpowiednio skalę osi pionowej wykresu (można wykorzystać opcję Optimize Left
Only z menu podręcznego wykresu). Zinterpretować uzyskane wyniki. Wyjaśnić przyczynę
gwałtownego wzrostu zniekształceń.
– Powiększyć myszką fragment wykresu wokół punktu załamania charakterystyki (tam gdzie zaczyna ona gwałtownie rosnąć). Zmierzyć i zanotować wartość poziomu wejściowego dla tego punktu. Można wykorzystać do tego kursory: z menu podręcznego wykresu wybrać
Display Cursors, w tabelce pod wykresem zaznaczyć krzywą, przesuwając kursor po
wykresie odczytać wartość.
– Zmierzyć i zanotować wartość poziomu wyjściowego w dBV dla znalezionej w poprzednim kroku wartości (wykorzystać panele Analog Generator i Analog Analyzer.
3.5. Pomiar poziomu szumów i stosunku sygnału do szumu (SNR)
– Wczytać plik A–A NOISE.AT2. Nie zmieniać wzmocnienia karty.
– Uruchomić pomiar. Zwrócić uwagę na to, że generator pozostaje wyłączony. – Odczytać i zanotować zmierzoną wartość w jednostkach dBV.
– W polu References analizatora wpisać wartość poziomu wyjściowego zmierzoną w poprzednim poleceniu (punkt załamania charakterystyki THD+N). Uważać na jednostki. Odczytać i zanotować wynik pomiaru w jednostkach dBr.
– Zinterpretować uzyskane wyniki. Która wartość opisuje SNR, a która poziom szumów? Uzasadnić odpowiedź.
– Powtórzyć pomiar poziomu szumu dla suwaka wejścia liniowego ustawionego na maksimum. Określić czy wzmocnienie karty dźwiękowej ma wpływ na poziom szumu i na SNR.
3.6. Pomiar charakterystyki fazowej – przesunięcia fazowego między kanałami
– Wczytać plik A–A RELATIVE PHASE.AT2.
– Ustawić suwak wejścia liniowego na ok. połowę. – Uruchomić pomiar.
– Zinterpretować uzyskaną charakterystykę.
– Co oznaczałby wynik pomiaru równy ok. 180 stopni?
3.7. Pomiar liniowości urządzenia
– Wczytać plik A–A LINEARITY.AT2.
– Ustawić suwak wejścia liniowego na ok. połowę.
– Wykonać pomiar. Dostosować odpowiednio skalę osi pionowej.
– Powtórzyć pomiar dla suwaka wejścia liniowego ustawionego na maksimum (w trybie
Append).
– Zinterpretować uzyskane wyniki. Co oznaczają jednostki dBg na osi pionowej wykresu? Określić zakres liniowej pracy urządzenia. Wyjaśnić przyczyny nieliniowości w zakresie niskich i wysokich poziomów wejściowych.
– Zmienić jednostki pomiarowe w panelu Sweep z dBg na dBV. Powtórzyć pomiar. Ustawić skalę osi pionowej. Porównać uzyskany wykres z poprzednim (w dBg). Który z wykresów jest bardziej czytelny i lepiej uwidacznia nieliniowości? Uzasadnić odpowiedź.
3.8 Pomiar przesłuchu między kanałami (separacji kanałów)
– Wczytać plik A–A XTALK VS FREQ.AT2.
– Ustawić suwak wejścia liniowego na ok. połowę. Wykonać pomiar.
– Powtórzyć pomiar dla suwaka wejścia liniowego ustawionego na maksimum (w trybie
Append).
– Zinterpretować uzyskane wyniki.
3.9. Pomiar drugiego urządzenia
– Podłączyć System TWO do drugiej karty dźwiękowej w komputerze lub do innego urządzenia wskazanego przez prowadzącego.
– Uruchomić nowy projekt w ApWin. Ustawić poziomy tak aby badane urządzenie miało wzmocnienie ok. 1:1.
– Pomierzyć następujące charakterystyki: charakterystyka częstotliwościowa
zniekształcenia THD+N w funkcji amplitudy zniekształcenia THD+N w funkcji częstotliwości poziom szumów i dynamika
liniowość (w jednostkach dBg) przesłuch między kanałami
– Zamieścić pomierzone charakterystyki w sprawozdaniu. Zinterpretować uzyskane wyniki. – Zestawić w tabeli porównanie poszczególnych charakterystyk dla obu urządzeń.
LITERATURA
Materiały firmy Audio Precision, dostępne na stronie firmy Audio Precision (http://www.ap.com)
– wymagana darmowa rejestracja
• Podręcznik użytkownika Systemu TWO - http://www.ap.com/download/file/53
• Podręcznik użytkownika oprogramowania ApWIN: http://www.ap.com/download/file/56
• Bob Meltzer: Audio Mesurement Handbook: http://www.ap.com/download/file/24
• Wayne Jones et al: Testing Challenges in Personal Computer Audio Devices:
http://www.ap.com/download/file/21
