Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронная лаборатория на IBM PC. Инструментальные средства и моделирование элементов практических схем
.pdf
1.5. Программа SpectraLab
1.5.2. Измерительные приборы
Для проведения измерений и отображения их результатов в
цифровой форме в программе используются следующие приборы
(выбираются в меню Utilities):
1. Signal Generator — генератор измерительных сигналов (см.
ðèñ. 1.18):
— шумовых: белого (White Noise), розового (Pink Noise) и пре-
рывистого (Noise Burst) шума; для последнего после нажатия
кнопки Details выбираются: тип шумового сигнала (White
Noise или Pink Noise), время активного действия (Burst Time) и период повторения (Cicle Time), а после нажатия
кнопки Level: уровень выходного сигнала в вольтах, милливольтах действующего значения (RMS) или децибелах и процентах (dBFS, %FS, dBV и др.) в зависимости от используемого типа аудио карты, выбираемого из предлагаемого списка; в частности, в этом списке упоминается аудио карта DAL
CardD профессионального класса компании Digital Audio
Labs, отличающаяся открытым входом и, следовательно,
возможностью измерения постоянного тока;
— синусоидальных: с фиксированной частотой 1 кГц (1 kHz
Tone) и возможностью задания уровня; с дискретно (через
100 Гц) задаваемой частотой и уровнем (Multiple Tones);
прерывистых с задаваемыми частотой и параметрами прерывания (Burst Time и Cicle Time) (Tone Burst); два стандартных набора из суммы из двух сигналов (250 и 8020, 60 и
7000 Гц) для измерения интермодуляционных искажений
(InterModulation Distortion) с отношением уровней НЧ/ВЧ =
4/1, а также задаваемых пользователем в режиме Custom
(IMD Test Tones); с изменяемой частотой (Frequency Sweep)
и выбором закона свипирования (линейный или логарифмический), стартовой и конечной частоты и времени свипирования; с изменяемым уровнем (Level Sweep) и выбором стартового и конечного уровня и времени свипирования;
— импульсных: пилообразного (Sawtooth) с задаваемыми час-
тотой и полярностью; треугольного (Triangular) и прямоугольного (Square) с задаваемыми частотой и коэффициентом
заполнения для Square; импульсной последовательности
(Pulse) с заданием ширины импульса и паузы;
41
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
— DTMF (Dual Tone Multi Frequency coding) — двухтоновых
кодированных сигналов (доступен только в версии 4.32.16) с
выбором задающей кодовой строки (DTMF key String, по
умолчанию: 1234567890*#ABCD), интервалов кодовых посылок (Interpulse Spacing), ширины импульса с заданным уровнем сглаживания фронтов (Twist) и опцией восстановления
исходной кодовой строки (Repeat Key String Continuously)
перед формированием очередной посылки; используется
также в телефонии;
— определяемых пользователем (User Defined) â âèäå
WAV-файла.
Кнопки Run и Stop на панели генератора служат для автономного включения/выключения; при использовании генератора в
программе это выполняется автоматически соответствующим приложением.
Заметим, что в рассматриваемой программе могут быть использованы и другие генераторы сигналов, в частности, из программы
Analyser, который показал даже несколько лучшие результаты по
THD (0,236% для левого канала и 0,202% для правого), THD+N
(1,92 и 1,73%), IMD (1,328 и 1,128%) при Peak Freq 990,53 Гц,
Peak Amp (–37,85 и –37,34 дБ) и Total Pwr (–37,86 и –37,35 дБ)
(сравните с показаниями приборов на рис. 1.18 для «родного» генератора).
2. Peak Freq (uency) — измеритель частоты сигнала левого/пра-
вого каналов в режиме осциллографа и первой гармоники в режиме спектроанализатора (см. рис. 1.18).
3. Peak Amp (litude) — измеритель амплитуды сигнала лево-
го/правого каналов (амплитуды первой гармоники в режиме спектроанализатора).
4. Total Pwr (Power) — измеритель RMS (действующего или
среднеквадратического значения) мощности сигнала левого/правого каналов (RMS мощности первой гармоники в режиме спектроанализатора).
5. THD (Total Harmonic Distortion) — измеритель нелинейных
искажений, определяющий в процентах отношение RMS мощности гармонических составляющих спектра к RMS мощности первой гармоники.
6. (THD+N) (Total Harmonic Distortion + Noise) — измеритель
нелинейных искажений, определяющий в процентах отношение
42
1.5. Программа SpectraLab
RMS мощности гармонических и шумовых составляющих спектра
к RMS мощности первой гармоники.
7. IMD (InterModulation Distortion) — измеритель интермодуля-
ционных искажений, возникающих при воздействии на устройство двух синусоидальных сигналов звуковой частоты: одного повышенной частоты (обычно 8020 Гц) и другого более низкой частоты
(обычно 250 Гц), но с повышенным на 12 дБ (в 4 раза) уровнем;
IMD определяется в процентах отношением RMS мощности гармонических составляющих к RMS мощности низкочастотной составляющей композитного сигнала.
8. SNR (Signal to Noise Ratio) — измеритель отношения сиг-
нал/шум, определяющий в децибелах отношение мощности полезного сигнала к мощности шума.
9. SINAD (Signal to Noise and Distortion) — измеритель отноше-
ния (сигнал+шум)/шум, определяющий в децибелах отношение
мощности полезного сигнала с шумом к мощности шума (доступен только в версии 4.32.16).
10. NF (Noise Figure) — измеритель отношения сигнал/шум,
определяющий в децибелах отношение мощности полезного сигнала к мощности шума на входе и выходе устройства (доступен
только в версии 4.32.16). Как видно из рис. 1.18, показания измерителя NF равны разности показаний измерителя SNR для левого
и правого каналов на частоте 1000 Гц тестового сигнала.
11. Delay Finder — измерение задержки между левым и правым
каналами в миллисекундах (Milliseconds), футах (Feet) или метрах
(Meters) (см. рис. 1.25, á), которая после нажатия кнопки Apply to
Processing Delay (см. рис. 1.25, à) будет учтена в дальнейшем; она
также может быть внесена в окно команды Settings меню Options
(см. рис. 1.27). При этом необходимо учитывать, что положительное значение измеренной задержки означает, что левый канал отстает от правого, а при отрицательном — наоборот.
К дополнительным установкам Delay Finder относятся:
Speed of Sound — скорость звука; типичное значение —
1130 фут/с — принято в программе по умолчанию, однако оно зависит давления и температуры воздуха, что необходимо учитывать
при использовании аудио карты в высококачественных системах.
Скорость звука для конкретного случая может быть измерена с
помощью микрофона. Для этого измеряют время задержки Т1 (мс)
в одном положении микрофона, затем перемещают его на 1 фут
43
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
à)
á)
Рис. 1.25. Измеритель задержки
(0,305 м) и измеряют время задержки Т2 (мс); скорость звука
определится как 1000/(T2 – T1), фут/с.
Maximum Delay — максимальное значение задержки, обрабатываемое программой; увеличение этого параметра приведет к увеличению времени обработки.
Напомним, что определение параметров сигналов и спектров
по их осциллограммам производится с помощью курсора путем
его установки в контролируемую точку и нажатия левой кнопки
мыши; если при этом нажать еще и правую кнопку, то отображаемые данные фиксируются и на экран выводится команда Copy
Measurement Cursor to Clipboard, после выбора которой левым
щелчком мыши полученные данные копируются в буфер обмена.
12. Data Logging — операция создания текстового логфайла с
выходными данными текущей сессии использования программы;
в окне настроек (рис. 1.26): Output Data Type — выбор из списка
типа регистрируемых данных в рабочем диапазоне частот: пиковые значение частоты (Peak Frequency) и амплитуды (Peak Amplitude) или сразу обоих (Peak Frequency & Amplitude); уровень RMS
мощности (Total Power) и спектральные характеристики (Spectrum
Values); показания приборов THD, THD+N, IMD, SNR.
Output Threshold — пороговые значения регистрируемых величин (по умолчанию — –999 дБ).
44
1.5. Программа SpectraLab
Frequency Span — диапазон частот: установленный программой
(Full Span) в строках Start и Stop или пользователем (Custom
Span).
Output Filename — имя логфайла, в котором будут регистрироваться данные. Viewer Program — выбор текстового редактора для
просмотра и редактирования имени логфайла (напомним, что используемый по умолчанию редактор Notepad может работать с
файлами размером до 53 Кбайт).
File Mode — режим работы с логфайлом: с перезаписью (Overwrite) или добавлением новых данных в конец файла (Append).
Для создания логфайла и внесения в него данных в меню Utilities/Data Logging необходимо выбрать команду On, а для просмотра — команду View.
Рис. 1.26. Окно настроек логфайла
1.5.3. Базовые настройки программы
Настройки программы сосредоточены в меню Options; к ним
относятся:
1. Settings — базовые настройки программы в составе (см.
ðèñ. 1.27):
Sampling Rate — выбор частоты дискретизации; определяется
параметрами аудио карты (в нашем случае это 44100 Гц); согласно
теореме Котельникова (или критерию Найквиста), она должна
45
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
быть минимум в 2 раза ниже частоты преобразуемого сигнала (см.
параметр Frequence Limit).
Decimation Ratio — выбор отношения частоты дискретизации к
преобразуемой; при увеличении параметра улучшается качество
преобразования на низких частотах с одновременным снижением
верхнего предела частоты преобразуемого сигнала; все значения
параметров, кроме 1, используются в том случае, когда низкие частоты дискретизации не поддерживаются аудио картой. Для
WAV-файла рассматриваемый параметр может изменен в окне,
вызываемом командой File/Decimation.
FFT size — параметр, определяющий разрешающую способность спектроанализатора по частоте (Spectral Line resolution) (расстояние в герцах между 2-мя соседними точками полученного
ДПФ); например, при частоте дискретизации 8192 Гц и FFT size =
1024 точек разрешение по частоте составляет 8192/1024 = 8 Гц.
Sampling Format — параметр, определяемый разрядностью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в каждом канале аудио
карты, т. е. количество бит, приходящихся на одну выборку по
уровню сигнала, полученному при его дискретизации. Чем больше
разрядность АЦП, тем больше диапазон преобразуемых уровней,
определяющий динамический диапазон — отношение максимального уровня к минимальному. В пределе (теоретически) 8-разрядный (или 8-битный) АЦП обеспечивает кодирование 2
8
= 256
уровней, т. е. динамический диапазон равен 256/1 = 256 или
20log256 = 48 дБ. Нетрудно подсчитать, что аудио карта с 16- и
24-битным АЦП должна обеспечивать динамический диапазон 96
и 144 дБ соответственно.
Smoothing Windows — выбор из списка метода аппроксимации
(сглаживания) декодированных сигналов (на выходе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) аудио карты):
Bartlett — обеспечивает удовлетворительное разрешение по частоте и амплитуде и среднее подавление шумов преобразования;
Blackman — удовлетворительное разрешение по частоте и хорошее по амплитуде и прекрасное подавление шумов преобразования (рекомендуется при измерении искажений);
Flattop — неудовлетворительное разрешение по частоте и превосходное по амплитуде и среднее подавление шумов преобразования (рекомендуется при измерении амплитуд);
Hamming — удовлетворительное по всем параметрам;
46
1.5. Программа SpectraLab
Hanning — удовлетворительное разрешение по частоте и превосходное по двум другим параметрам (рекомендуется при измерении искажений и шумов);
Kaiser — удовлетворительное разрешение по частоте и амплитуде и неудовлетворительное подавление шумов преобразования;
Parzen и Triangular — аналогично Kaiser для обоих методов;
Uniform —превосходное разрешение по частоте и неудовлетворительное по двум другим параметрам (рекомендуется при измерении частоты и параметров импульсов).
Averaging Settings — выбор количества усредняемых оценок
спектра (можно менять также из главного окна) с использованием
следующих методов усреднения:
Exponential — экспоненциальный, при котором последние результаты измерения вносят больший вклад в среднее значения,
чем предыдущие; выбран по умолчанию по критерию минимального объема вычислений;
Linear — прямое линейное усреднение (известен также под названием «устойчивое усреднение»);
Vector — векторное усреднение (с учетом фазовых углов) (известен также под названием «синхронное усреднение»).
Выбор infinite (бесконечность) означает, что процесс усреднения производится непрерывно от пуска до остановки процесса измерения. Заметим, что, кроме значения infinite, в версии 4.32.13
программы значения параметра Avg можно задавать в диапазоне
1...20, а в версии 4.32.16 — 1...1000.
FFT Overlap — выбор в процентах (Percentage) степени перекрытия временных сегментов FFT (только в режиме стационарной
обработки, т. е. в режиме Post Process).
Input Signal Overload — выбор опций: включение режима обнаружения перегрузки (Enable Overload detection) аудио карты по
входу; при включенной опции сообщение о перегрузке ярко красного цвета выводится в нижней статусной строке окна на рис. 1.18
(при наличии перегрузки, приводящей к неправильным результатам, необходимо уменьшить сигнал на входе или чувствительность
по используемому входу аудио карты; исключение (Exclude overloaded data From Processor) из обработки данных, полученных во
время перегрузки.
Dual Channel Processing Options — выбор двухканального (стерео) режима для следующих случаев его использования:
47
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
Auto-spectrum — расчет спектра путем его перемножения с
комплексно сопряженным (противоположной фазы);
Cross-spectrum — расчет спектра одного канала путем его перемножения со спектром другого;
Transfer Function — определение отношения действительных
(Real) или комплексных (Complex) сигналов двух каналов; используется, в частности, для определения амплитудно-частотных
(АЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик (см. разд. 1.5.4);
Coherence Function — определение коэффициента корреляции
сигналов двух каналов.
Реализация перечисленных методов анализа осуществляется
путем выбора в окне на рис. 1.27 следующих режимов:
Left Channel Only — анализ и отображение спектра сигналов
только левого канала (в одном окне);
Right Channel Only — то же, но только для правого;
Both Left and Right — анализ и отображение спектра сигналов
обоих каналов (в двух окнах);
Average Left and Right — усредненный спектр сигналов обоих
каналов;
Real Transfer Function — расчет и отображение передаточной
функции (АЧХ) с использованием действительных величин и обоих каналов;
48
Рис. 1.27. Окно настроек Settings
1.5. Программа SpectraLab
Cross Spectrum — расчет и отображение взаимного влияния каналов;
Complex Transfer Function — расчет и отображение комплексной передаточной функции (АЧХ и ФЧХ) с использованием обоих
каналов;
Coherence Function — определении коэффициента корреляции
сигналов двух каналов (Cross-Spectrum, Coherence Function и
Complex Transfer Function основаны на анализе задержки (фазы)
сигналов в каналах (Channel Delay)).
Channel Delay — выбор максимальной задержки одного канала
относительно другого (левого или правого), фактическое значение
которой может быть измерено с помощью Delay Finder утилиты
(см. выше).
2. Scaling — выбор масштабов для следующих величин (окно на
ðèñ. 1.28):
Amplitude Axis — масштаб амплитуды: линейный (Linear) или
логарифмический (Logarithmic), связанные соотношениями: Linear value = 10
(log value/20)
; Log value = 20 ⋅ Log(Linear value).
Power Spectral Density — опция использования масштаба Amplitude Axis для спектральной плотности мощности (при полосе
1 Гц).
Frequency Axis — масштаб частоты: при выборе полосы частот
(Narrowband) — линейный или логарифмический, при октавном
(Octave) выборе частоты — только логарифмический.
Standard Frequency Weighting — спектральное взвешивание отсчетов оценки спектра с выбором масштаба группы А. В или С
стандарта ANSI, учитывающего особую чувствительность человеческого уха в диапазоне 500...10000 Гц; установка опции Flat означает отмену применения таких масштабов.
Microphone Compensation — включение (Enable compensation) и
выбор (Select) параметров для компенсации погрешностей измерений, связанных с неравномерностью АЧХ микрофона, путем загрузки текстового (в стандарте ASCII) файла коррекции АЧХ микрофона для каждого канала; в папке MICCOM приведены такие
файлы для четырех типов микрофонов.
3. Triggering — ждущий режим работы, при котором вывод ре-
зультатов FFT-анализа производится при условиях, определяемых
следующими настройками в окне на рис. 1.29:
49
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
Рис. 1.28. Окно настроек Scaling
Trigger Type — вид запуска: по уровню (Level) или фронтам импульсов (Edge).
Threshold — чувствительность запуска по уровню (в процентах
от полной шкалы преобразования).
Trigger Slope — вид запуска по фронту: по переднему (Posistive)
или по заднему (Negative).
Trigger Control — управление ждущим режимом: без перезапуска (Enable Trigger) или с перезапуском (Re-Arm after triggering).
Delay — выбор вида и значения задержки: с перемещением
спектра вправо (Pre-delay) или влево (Post-delay).
Trigger Channel — использование для запуска сигналов правого
или левого каналов.
50
Рис. 1.29. Окно настроек Triggering
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]