Progettare audio: misure professionali
fonte: 'Elettricoplus'
07.03.2008
Gli analizzatori di spettro possono essere classificati in due categorie: quelli cosiddetti analizzatori di spettro "swept" e quelli basati sulla Fft. I primi funzionano utilizzando filtri (o miscelatori) per misurare l'ampiezza del segnale a una data frequenza; cambiando o spazzolando la frequenza del filtro può essere disegnato un grafico dell'ampiezza. Gli analizzatori di spettro swept trovano ancora applicazione in alta frequenza, ma nel campo audio hanno uno svantaggio: il segnale deve rimanere costante per tutto il periodo della spazzolata. Gli analizzatori basati sulla trasformata di Fourier funzionano convertendo il segnale analogico in digitale tramite un convertitore Adc. I valori memorizzati vengono successivamente processati tramite l'algoritmo della trasformata di Fourier Fft (Fast Fourier Transformer-Fft). Il vantaggio di questo metodo è che si può catturare un evento di breve durata. Per esempio con il trigger di un PicoScope è possibile catturare lo spettro di un singolo colpo di tamburo. L'analisi di spettro richiede molti calcoli: qualche analizzatore di spettro Fft richiede parecchi secondi per aggiornare una traccia. Il PicoScope utilizza una routine ottimizzata ad alta velocità che è in grado di dare risultati in tempo reale. Perfino su computer come un 486 a 33 MHz è possibile aggiornare il grafico molte volte al secondo.
L'analisi di spettro in campo audio
Anche se la maggior parte degli strumenti Pico possono essere utilizzati in campo audio, quelli a più alta risoluzione risultano i più indicati. Per misure altamente professionali l'Adc216 è difficile da essere superato. Per utilizzi generici, si consigliano i PicoScope 3224 (a due canali) e 3424 (a quattro canali) con interfaccia Usb e l'Adc212 con interfaccia seriale. Tra i più economici va segnalata la serie PicoScope 220x.
Le caratteristiche fondamentali di un analizzatore di spettro Fft sono la velocità di campionamento e il range dinamico. Un analizzatore di spettro deve visualizzare fino alla metà della velocità di campionamento. Per coprire l'intera gamma audio di 20 KHz è necessaria una velocità di campionamento di oltre 40 KS/sec. Se si vuole testare la risposta di un amplificatore è richiesta una frequenza maggiore di 20 KHz, di conseguenza una velocità di campionamento ancora più alta.
L'altra importante caratteristica di un analizzatore di spettro è il range dinamico. La maggior parte degli oscilloscopi (sia basati su PC che da banco) ha una risoluzione di 8 bit (256 step). Questo limita il range dinamico a 48 dB (20log256). La famiglia di oscilloscopi PicoScope 220x è ad 8 bit. Insolitamente per un oscilloscopio, l'Adc212 e i PS3224/3424 sono strumenti a 12 bit (4096 step) che danno un massimo teorico di 72 dB di range dinamico. In particolare l'Adc 212 grazie alla combinazione di over-campionamento, filtraggio digitale e calcolo valori medi da software può superare questo valore di 72dB. L'Adc16 con i suoi 16 bit (65536 step) è vicino ad un range dinamico di 100 dB.
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Giusto per entrare nel contesto, un lettore di nastro ha un range dinamico da 40 a 50 dB, un buon amplificatore di potenza da 70 a 80 dB, un buon cd player da 80 a 90 dB. Come si vedrà in seguito, non tutti i cd player arrivano a questo. Collaudo di cd player con l'Adc216
Per mostrare le capacità di misura dell'Adc216 qui di seguito si riportano i risultati dei collaudi di due cd player. Sono stati scelti un modello economico portatile e una unità di alta qualità della Quad. Un canale dell'Adc216 è stato collegato direttamente al cd player portatile. La traccia qui sotto è la risposta ad un tono puro da 1 KHz proveniente dal cd player usato per il test. Come ci si aspetta è un picco acuminato a 1 KHz. La seconda, terza e quarta armonica sono chiaramente visibili e mostrano la distorsione causata dal cd player. I picchi intorno ai 18KHz sono causati dalla commutazione dell'alimentazione all'interno dell'adattatore di collegamento del cd player. Se il cd player è alimentato da batteria il rumore scompare (figura 1).
Successivamente viene ripetuto l'esperimento con il cd player della Quad. Come ci si aspetta il risultato è nettamente migliore; la quinta armonica è la più significativa, 96 dB sotto il segnale principale. La finestra che mostra misure e armoniche è un programma separato che prende i dati dal PicoScope (usando Dde) per automatizzare la misura audio (figura 2). L'accesso alle misure è dal menu di settaggio - per maggiori dettagli vedere il file di help.
Il crosstalk è un ottimo indicatore di qualità facilmente misurabile con un analizzatore di spettro. Abbiamo inviato una sinusoide da 10KHz (10 dB) sul canale destro di entrambi i cd player a turno (le misure sono effettuate con Adc216). Idealmente nessun segnale dovrebbe essere presente sul canale destro. Sul cd player portatile è visibile un crosstalk da 60 dB sotto il segnale principale sul canale sinistro (figura 3).
Sul cd player della Quad il crosstalk è almeno di 90 dB sotto il segnale principale (figura 4).
Un cd player ideale dovrebbe avere una risposta in frequenza piatta sull'intero range audio. Le specifiche dell'unità portatile danno una risposta entro 3 dB da 20 Hz a 20 KHz. E' stata usata per questo test una sinusoide che spazzola da 0 a 20 KHz. Con molti analizzatori di spettro Fft non è possibile plottare una simile risposta poiché da un veloce segnale richiedono parecchi secondi per processare e visualizzare i risultati, e tendenzialmente solo un picco di frequenza viene catturato durante la spazzolata.
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Con i PicoScope è possibile ottimizzare la raccolta e la elaborazione dei dati; anche con lenti PC (386 da 33 MHz) l'analizzatore di spettro può vantare un quasi istantaneo aggiornamento dati in tempo reale. La sinusoide usata per il test richiede quasi 30 secondi per variare la frequenza da 20 Hz a 20 KHz: in questo intervallo il PicoScope esegue centinaia di Fft invece delle due o tre della maggior parte di analizzatori di spettro. Per ottenere una risposta in frequenza di una sola linea piuttosto che un picco che si muove, abbiamo usato la funzione "detect function" del PicoSciope, come mostrato di seguito. Come si può vedere, il punto -3dB non è a 20 KHz come dichiarato sul datasheet ma vicino a 16KHz (figura 5).
Lo stesso test su cd player Quad ha dato una risposta in frequenza pressoché piatta fino a 20 KHz. Si vede anche una caduta ripida dopo i 20 KHz (fugura 6).
È importante utilizzare un generatore di segnali con bassa distorsione per eseguire le prove; viene di seguito mostrata l'uscita a 1 KHz di un buon generatore di funzione misurata direttamente con l'Adc216 (figura 7).
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