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
При внешнем запуске один из каналов используется для данных, а другой — для формирования сигнала запуска.
4. Calibration — калибровка анализатора. По умолчанию она
выполняется по уровню сигнала, соответствующему максимальной шкале преобразования (8-, 16- или 24-битной), и этот уровень принимается за 0 дБ. Кроме этого, в программе предусмотрена калибровка с использованием внешних источников соответствующего класса точности. Если аудио карта имеет открытый
вход, то задача выбора такого источника упрощается, поскольку
имеется достаточно большой набор эталонных источников постоянного тока, начиная с нормального элемента и кончая прецизионными стабилизаторами напряжения. При использовании источников переменного тока (например, генератора звуковых частот)
он может быть предварительно аттестован (поверен) с помощью
цифрового вольтметра общего применения, класс точности которых вполне достаточен для рассматриваемого случая. Напомним,
что такие вольтметры измеряют действующее (RMS) значение напряжения.
Подключив ко входам аудио карты аттестованный источник переменного напряжения (обычно в таких случаях используют синусоидальный сигнал частотой 1000 Гц), переходим к выбору в окне
на рис. 1.30 следующих параметров:
1. В строке Level оставляем значение напряжения 1 В, соответствующее выходному напряжении эталонного источника; вместо
peak (амплитуда) выбираем rms (действующее значение).
2. Включаем опцию Enable Calibration (при этом шкалы графиков будут отображены с учетом рассчитанных при калибровке
масштабных множителей).
3. Если в компьютере используется графический ускоритель, то
вводится поправка в строке Convert Spectrum To.
4. Поскольку калибровка ведется двухполярным (синусоидальным) сигналом без постоянной составляющей, то для каждой полуволны количество уровней квантования должно составлять 50%
от полной шкалы (например, 128 уровней для 8-битной аудио карты), т. е. в строках Detect levels оставляем показанные на рис. 1.30
значения.
5. Нажимаем кнопку Measure Input Signal для проведения калибровки, после чего анализатором автоматически меняются соответствующие факторы масштаба (шкалы) для каждого канала.
51
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
Рис. 1.30. Окно настроек Calibration
6. Результаты калибровки могут быть сохранены в виде текстового файла с расширением .CAL в папке CAL и при необходимости загружены.
5. Device — тип аудио карты; определяется программой автоматически.
6. Markers — этот пункт меню Options рассматривался выше
(см. рис. 1.21).
7. File I/O Options — настройки по сохранению и управлению
WAV-файлами, которые, в отличие от перечисленных выше настроек, вызываются одноименной командой из меню File; в окне
команды (рис. 1.31) задаются:
File Access method — метод доступа к WAV-файлам, сохраненными в оперативной памяти (RAM) или на жестком диске (Hard
Disk) с опцией резервного копирования (Make Backup) и выбором
пути к папке копий командой File/Set Paths, а также опцией включения в состав WAV-файла параметров калибровки (Include Calibration Data in WAV file) с незначительным увеличения его объема.
Real Time Mode Data Buffering — выбор параметров буферирования данных с опцией разрешения (Enable Data Buffering) и размером буфера (Data Buffer Size), определяющего время записи
WAV-файла, используемого в дальнейшем при формировании
спектрограмм и постобработке.
52
1.5. Программа SpectraLab
Рис. 1.31. Окно настроек File I/O Options
1.5.4. Примеры использования программы
В разд. 1.5.1 уже иллюстрировалась один пример использования программы при формировании объемной трехмерной спектрограммы (рис. 1.24) с помощью файла voice.wav из папки WAV
после загрузки специального конфигурационного файла voice.cfg
из папки CONFIG командой Config/Load Configuration. В указанных папках находятся еще ряд примеров конфигурационных и соответствующих им WAV-файлов, а в справочной системе программы — описание способов их реализации; рассмотрим некоторые
из этих примеров.
1. Исследование акустического отклика помещения (файлы EQU-
ALIZE.CFG, EQUALIZE.WAV). Файл конфигурации в части настроек режимов анализа и отображения (с нашими комментариями) содержит следующие данные:
Mode: Real-Time (режим: реального времени)
Views: Spectrum, Time Series (просмотр: спектра и осциллограммы)
Amplitude axis: Logarithmic (ось амплитуд: логарифмическая)
Frequency axis: 1/3 Octave (ось частот: 1/3-октавная)
Standard Weighting: Flat (стандартное взвешивание: равномер-
íîå)
Mic compensation: Yes, if your mic is not sufficiently «flat» (êîì-
пенсация микрофона: да, если микрофон имеет недостаточно
равномерную АЧХ)
Sampling rate: 44100Hz (частота дискретизации: 44100 Гц)
FFT size: 8192 or 16384. (размер БПФ: 8192 или 16384)
Decimation: 1 (прореживание: 1)
53
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
Averaging size: infinite (размер усреднения: бесконечность)
Smoothing Window: Uniform (сглаживающее окно: единичное)
16 bit, Mono (16 áèò, ìîíî)
Целью измерения акустического отклика помещения является
настройка эквалайзера акустической системы с целью обеспечения ее наилучшего звуковоспроизведения с учетом множества
факторов [4]. Считается, что для этого акустический отклик помещения в идеальном случае должен обладать совершенно ровным
спектром.
Порядок проведения эксперимента:
1. Ползунковые регуляторы (слайдеры) эквалайзера акустической системы устанавливаются в нулевое состояние или на одинаковый уровень. Заметим, что выбор опции 1/3-октавного шкалирования в меню Options/Scaling программы соответствует стандартному 1/3-октавному графическому эквалайзеру аудио систем.
2. Ко входу усилителей акустической системы подключается генератор розового шума из SpectraLAB или Analyze (при этом потребуется еще одна аудио карта или карта с несколькими входами/выходами) или специальный компакт диск для акустического
тестирования.
3. Ко входу аудио карты подключается измерительный микрофон, размещаемый в центре помещения (комнаты).
4. Регуляторы уровня усилителей акустической системы и
аудио карты устанавливаются в положение, при котором сигнал на
выходе аудио карты не ограничивается (для контроля удобно использовать осциллограф из программы Analyze).
5. После запуска анализатора и проведения измерений исследуется форма спектра (остановка анализатора производится после
стабилизации спектра). В качестве примера на рис. 1.32 показан
спектр акустического отклика некоего виртуального помещения,
записанного в файле EQUALIZE.WAV.
6. Нежелательные участки спектра удаляются (ослабляются или
усиливаются) выбором положения регуляторов эквалайзера аудио
системы с последующим контролем спектра и сравнением его с
предыдущим, зафиксированным рассмотренным в разд. 1.5.1 способом. При тонкой настройке необходимо установить линейный
масштаб частот, подать на вход аудио системы белый шум вместо
розового и использовать меньший размер БПФ, например, 1024.
54
1.5. Программа SpectraLab
Из рис. 1.32 видно, что для улучшения акустического отклика
некоего виртуального помещения необходимо повысить усиление
аудио системы в диапазоне частот 30—400 Гц и 2—15 КГц.
Рис. 1.32. Спектр акустического отклика помещения
2. Определение передаточной функции (файлы TRANSFER.CFG,
TRANSFER.WAV); файл конфигурации содержит следующие настройки режимов анализа и отображения (из справочной системы):
Mode: Real-Time
Views: Spectrum, Phase
Sampling Rate: At least twice the highest frequency produced by the
device under test
FFT size: 4096 typical
Averaging: 4
Peak Hold: Off
Smoothing Window: Hanning
Dual Channel Spectral Processing: Real Transfer Function
Left/Right
16 bit Stereo
Frequency scaling: your choice
Amplitude scaling: Logarithmic
Spectral Weighting: flat
Согласно приведенным в справочной системе сведениям, измерения проводятся по схеме на рис. 1.33 и состоят из следующих
операций:
1. Ко входу тестируемого устройства и входу правого канала
аудио карты подключается внешний генератор гармонических сигналов качающейся частоты (свип-генератор).
55
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
2. Выход тестируемого устройства подключается к левому каналу аудио карты.
3. Запускается анализатор и останавливается после стабилизации формы спектра.
Рис. 1.33. Функциональная схема измерения передаточной
функции
Из сравнения схем на рис. 1.1, á и 1.33 видно, что последняя
является частным случаем первой с той разницей, что в первой в
качестве измерительного используется внешний (дополнительный) генератор. Естественно, встает вопрос: а почему нельзя использовать соответствующий генератор из программы, осциллограммы и спектр сигналов которого легко анализируются и отображаются в положении К (Контроль) переключателя П1 на схеме
рис. 1.1, à? Ведь в этом случае между клеммами ВхИ и ВыхИ правого канала достаточно поставить перемычку, а между теми же
клеммами левого — включить исследуемое устройство и перевести
переключатель в положении Р (Работа). К сожалению, ответа на
поставленный вопрос в справочной системе нет. Поэтому нами
были проведены испытания схемы на рис. 1.34, à с применением
«родного» генератора белого шума, обладающего равномерным
спектром в широком диапазоне частот и, следовательно, можно
получить отклик исследуемого устройства на частотах от минимально низкой и, в идеале, до беспредельно высокой.
При проведении испытаний использовался файл конфигурации
TRANSFER.CFG. При загрузке этого файла автоматически загружается и файл TRANSFER.WAV (он прописан в разделе [FileHistory] файла TRANSFER.CFG) с последующим автоматическим запуском в режиме постобработки (прописано в строках TimeSeries=0 SpectraPlot=1 PhasePlot=1 раздела [ViewStatus]). Поэтому
перед запуском анализатора необходимо перейти в режим реального времени (Real Time) и активизировать сигнал-генератор
командой Utilities/Signal Generator в режиме White Noise.
56
à)
á)
1.5. Программа SpectraLab
â)
Рис. 1.34. К определению передаточной функции
Результаты измерения представлены амплитудно-частотной
(рис. 1.34, á) и фазо-частотной (рис. 1.34, â) характеристиками, а
также их численными значениями в таблицах на рис. 1.35, полученными командой View Data Values из контекстного меню. Проведем анализ полученных данных для частот 1000 и 3000 Гц с использованием параметров схем на рис. 1.34, à è 1.1, à.
Как видно из этих схем, выходной сигнал левого канала поступает на его вход через делитель напряжения с коэффициентом пе-
57
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
редачи K ≈ R/(R + Rk + R10 + XL), ãäå R10 — сопротивление защитного резистора в схеме на рис. 1.1, à; Rk — активное сопротивление катушки L (обмотка длинных волн магнитной антенны
радиоприемника); X
На частоте 1000 Гц X
стоте 3000 Гц X
L3
на частоте 1000 Гц K
=2πfL — ее реактивное сопротивление.
L
=2π⋅1000 ⋅ 540 ⋅ 10–6= 3,4 Îì, à íà ÷à-
L1
=2π⋅3000 ⋅ 540⋅10–6= 10,2 Ом. В таком случае
≈ 8,2/(8,2 + 2,5 + 22 + 3,4) ≈
1
0,228 ≡ –12,8 äÁ (â òàáë. íà ðèñ. 1.35, à — примерно –13,2 дБ), а
фаза ϕ
= Arc tg [XL1/(R + Rk + R10)] = Arc tg [3,4/(8,2 + 2,5 +
1
22)] = Arc tg [3,4/(8,2 + 2,5 + 22)] = 6° (íà ðèñ. 1.35, á — примерно
9,3°). Íà частоте 3000 Ãö K
≈ 8,2/(8,2 + 2,5 + 22 +
3
10,2) ≈ 0,19 ≡ –14,37 äÁ (íà ðèñ. 1.35, â — примерно –13,9 дБ), а
фаза ϕ
= Arc tg [XL3/(R + Rk + R10)] = Arc tg [10,2/(8,2 + 2,5 +
3
22)] = 17,3° (íà ðèñ. 1.35, ã — примерно 26,7°).
Из приведенных результатов расчета и измерения видно, что по
порядку величин они достаточно близки, особенно для случая АЧХ.
à)
â)
á)
ã)
Рис. 1.35. Результаты измерения передаточной функции
58
1.5. Программа SpectraLab
Полученные данные целесообразно сравнить с аналогичными
данными при отсутствии исследуемого четырехполюсника. Для
этого переключатель П1 входного устройства (рис. 1.1) переводится в положение К и отключается резистор R в схеме на рис. 1.34 в
точке 1. Результаты измерений для этого случая показаны на
рис. 1.36 и 1.37, откуда видно, что коэффициенты передачи на частотах 1000 и 3000 Гц составляют 0,45 и 0,57 дБ (см. рис. 1.36) и,
очевидно, должны быть прибавлены к соответствующим результатам на рис. 1.35, что сближает результаты измерений и расчетов.
Что же касается фазы, то результаты ее измерения (рис. 1.37) показывают, что в рассматриваемом случае наше измерительное
устройство является системой с отрицательной обратной связью
(ООС) с отставанием по фазе 180° – 171,5° = 8,5° на частоте
1000 Гц и 180° – 157,5° = 22,5° на частоте 3000 Гц. Поскольку ток
в RL-цепи опережает напряжение и, следовательно, выходное напряжение, формируемое на резисторе R делителя, опережает входное, то получаемое опережение по фазе компенсирует ее отставание при 100-процентной ООС и, следовательно, должно суммироваться с фазой отставания, однако не чисто арифметически, а с
учетом изменения коэффициента передачи в петле ООС на K
, т. е. действительное отставание по фазе приблизительно равно
K
3
8,5K
= 1,94° è 22,5K3= 4,3°. Таким образом, расчетные значение
1
1
фазы для схемы на рис. 1.35 нужно увеличить на приведенные
значения и, следовательно, приблизить результаты расчета к измеренным.
3. Цифровая фильтрация аудио сигналов; пример представлен
конфигурационным файлом FILTER.CFG и записью птичьего пения (файл BLKBIRDS.WAV) с искажениями в виде низкочастотного шума и рокота, что обнаруживается при рассмотрении спектров на рис. 1.38. Коррекцию искажений целесообразно проводить
путем сравнительного анализа как объективных данных в виде
спектров и их изменения во времени (спектрограмм), так и субъективных (путем прослушивания фрагмента до и после коррекции).
Исследование спектра и спектрограммы на рис. 1.38 показывает, что искажения в основном сосредоточены в области низких частот (ниже 1000 Гц). После прослушивания в режиме Record
è
(кнопкой ) исследуемого фрагмента íà спектрограмме
59
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
à)
á)
Рис. 1.36. Результаты измерения амплитудно-частотной
характеристики
(ðèñ. 1.38, á) инструментом выделим подозрительный учас-
ток, после чего кнопкой вызываем окно с параметрами
цифрового фильтра (рис. 1.19), в котором выберем фильтр High
Pass с частотой среза 1000 Гц и кнопкой OK запустим процесс фильтрации. После фильтрации исследуемый участок спектрограммы
вновь выделяется и прослушивается: искажения должны быть в
значительной мере подавлены. Если результат проведенной коррекции (редактирования) неудовлетворительный, то командой
Edit/Undo можно отменить внесенные изменения и восстановить
исходные данные.
При редактировании аудио сигнала может быть полезным также анализ его осциллограммы и спектра, получаемые после двойного щелчка в исследуемой точке спектрограммы.
60
â)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]