|
Применение компьютеров широко распространено в настоящее время для снятия параметров динамиков (параметры Тилля-Смолла), для измерения АЧХ акустических систем, усилителей и
т.п. Используется звуковая карта, точнее ее АЦП/ЦАП, совместно с различными программами (Speaker Workshop, LSP-Cad, Loudspeaker CAD, MLS, etc.). Очень часто рекомендуют изготовить для этой цели
т.н. "коробочку", которая представляет собой схему из нескольких резисторов и переключателей. При испытаниях динамиков также желательно использовать дополнительный усилитель, т.к. мощности
линейного выхода большинства звуковых карт для этого недостаточно. В качестве входа - лучше использовать линейный вход, а не микрофонный, т.к. последний не обладает требуемым качеством. А при измерении
АЧХ колонок микрофоном - использовать отдельный предусилитель. Для многих, получается довольно сложным делом настроить всю эту систему, т.е. положение регуляторов выхода/входов ("микшер"), к
тому же - бывает так, что в аудиокарте нет линейного входа, а есть только микрофонный (например, во многих ноутбуках). Ну и немалое значение имеет безопасность - "в случае чего", заменить
буферный операционник (ОУ) или даже основную микросхему в данном устройстве несколько легче (и дешевле), чем менять/чинить звуковую карту, особенно интегрированную на материнке десктопа, а тем более
ноутбука.
Для "упрощения процесса", и преодоления проблемы ноутбуков и был сделан этот "девайс". Получившееся устройство может использоваться и для некоторых других
целей, о чем речь ниже.
Прежде всего, хочу заметить, что этот девайс никоим образом не заменит настоящую высококачественную внешнюю звуковую карту, например, при измерении КНИ/КИИ весьма малых
уровней. Прежде всего, из-за формата - максимально 16бит/48кГц (против 24 бит/96кГц) и отсутствии отдельного питания. Использование шины USB для питания звуковой карты ухудшает ее
характеристики, но зато значительно повышает удобство (например, при работе с ноутбуком появляется возможность полностью автономной работы).
В устройстве применена недорогая микросхема PCM2906 фирмы Texas Instrument, дополненная входными/выходными буферами и DC-DC преобразователем (для получения отрицательного
питания ОУ). При однополярном питании в стандартном включении PCM2906, "центральным уровнем" входов и выходов является напряжение около 1.5в, что требует разделительных конденсаторов. Их
конечно можно включить и после однополярно включенных ОУ, но в этом случае выходной конденсатор должен обладать весьма значительной емкостью, чтобы не вносить частотно-фазовых искажений при работе на
низкоомную нагрузку. Я решил "отрезать" постоянную составляющую между ОУ и PCM2906, а входы и выходы иметь привязанными к "земле". В качестве буферов были применены два корпуса
сдвоенных ОУ SSM2275, допускающие выходной ток до 50мА. Разумеется, во входные буфера можно поставить что-то менее "токовое", или применить счетверенный ОУ. Но поскольку делалось это как
"конструкция выходного дня", то использовалось что называется "что под рукой было". (Попутно замечу, что SSM2275 вообще очень хороший операционник, и очень жалко, что фирма Analog
Devices решила снять его с производства - он уже находится в списке "obsolete products").
Для получения отрицательного напряжения питания ОУ применена микросхема MC34063A. На выходе преобразователя, а также в цепи положительного питания ОУ включены LC-фильтры.
Номиналы индуктивностей (330мкГн) могут варьироваться, а вот дроссель преобразователя (150мкГн) желательно сильно не менять. Кварц 12МГц должен также быть именно 12.
Поскольку PCM2906 кроме аналоговых входов/выходов имеет еще и цифровые (SPDIF с ТТЛ-уровнями), схема была дополнена инверторами 74HC04, на которых собраны выходные буферы и
входной усилитель. Это позволяет использовать данное устройство также для проверки/настройки аудио ЦАПов и АЦП, для прослушивания музыки через внешний усилитель (ресивер) с цифровым входом или даже для
ввода аудиосигнала в компьютер с ЦД/ДВД-плеера. Устройство имеет три цифровых выхода - SPDIF с "нормальным" уровнем (1в), SPDIF с TTL-уровнем и оптический. Последний был добавлен ввиду наличия
в ящике стола оптического трансмиттера от ДВД-проигрывателя, а вот оптический вход отсутствует. По той же причине - поскольку оптического приемника в ящике не оказалось. Но кто хочет - может легко его
добавить.
Но повторяю - целью разработки данного устройства не было выполнение цифрового ввода/вывода с "хай-эндовским" качеством. Основная цель - замеры
динамиков/колонок. Именно по этой причине, PCM2906 работает со своим внутренним источником напряжения 3в, без использования рекомендованного в даташите внешнего - это несколько увеличивает погрешности
преобразования, но КНИ в сквозном тракте (т.е. при замыкании выхода с входом) остается не хуже 0.1% (у меня получалось примерно 0.06-0.08%), что более чем достаточно для акустических измерений и
измерений КНИ лаповых усилителей. А уж если Вам так хочется замерять КНИ <пред>усилителей на существенно меньших уровнях искажений - придется раскошелиться на дорогую аудиокарточку.
Коммутация осуществляется пятью тумблерами - входной делитель "1:10", входной бустер "*10" (переключает входные буфера в усилители, с Ку=10), тумблер
обратной связи - замыкает выход с входом одного канала напрямую и тумблер "сериесный режим" - замыкает выход с входом другого канала через резистор 40 ом. Теперь подключив к этому входу динамик
или колонку, можно делать замер импеданса (для калибровки - служит еще один тумблер, подключающий резистор 20 ом). Подробнее о методиках измерений лучше почитать в описаниях/хелпах вышеуказанных
программ. Напомню еще раз - испытываемый динамик/колонка подключается к ВХОДУ а не к ВЫХОДУ. Кроме входов/выходов в виде RCA-коннекторов ("тюльпан") можно поставить параллельно винтовые клеммы
для динамиков/колонок.
Для удобства поставлен также регулятор чувствительности. Он может пригодиться при измерениях при помощи микрофона с предусилителем. Хочу подчеркнуть - в большинстве случаев,
этот регулятор не нужен и должен находиться в верхнем положении. При этом устройство имеет единичный коэффициент передачи в сквозном тракте, т.е. полный размах напряжения (амплитуда равна 1 вольту) на
выходе соответствует 100% размаху напряжения на входе. Это сильно упрощает процесс настройки. Единственно, что требуется - после подключения устройства к компьютеру установить в микшере все регуляторы на
максимум.
О подключении к компьютеру надо сказать отдельно - устройство не требует для своей работы никаких драйверов, при использовании Вин2000/ХР. Судя по описанию в даташите -
Вин98/Ме также не требуют драйверов, но я это не проверял ввиду отсутствия таковых (как и новой "Висты"). В микшере стоит один раз выключить все ненужные регуляторы, оставить только Volume
Control ("Master") и Wave в режиме Playback (т. е регулировки выхода, которые как я уже говорил - надо поставить на максимум). В режиме Record - PCM2906 не имеет вообще никаких
регулировок. Нет также переключения между аналоговыми входами (АЦП) и цифровым входом - последний включается автоматически при наличии на нем соответствующего сигнала (и имеет приоритет перед
аналоговыми). Цифровой выход работает параллельно с аналоговым, т.е. на нем сигнал присутствует всегда, когда он присутствует на аналоговых выходах. Микросхема предусматривает прямое управление функциями
"Громкость+", "Громкость-" и "Мьют" тремя кнопками. Это абсолютно равносильно управлению через микшер, поэтому ставить или не ставить эти кнопки - решайте сами.
С автоматическим включением цифрового входа связана одна маленькая проблемка - входной приемник имеет достаточно большую чувствительность, и при неудачном монтаже может
воспринимать наводки с цифровых выходов, тем самым, переключая вход на себя. Если такое происходит в Вашей конструкции - добавьте еще один тумблер для выключения этого входа (лучше всего -
закорачивать на землю не сам вход приемника, а входную ножку микросхемы, после RC- цепочки - по схеме 13-я ножка). Можно также добавить еще один тумблер, для отключения питания оптического трансмиттера,
с целью экономии его ресурса (но я не уверен, что это так уж необходимо, во всяком случае, у себя я этого не делал).
Печатную плату я не привожу, поскольку собирал устройство на куске специальной макетки, имеющей место под корпуса SSOP-28 и SO-8. Ну а что получилось - можно видеть на
фотографиях.
Возможные замены деталей: ОУ можно использовать счетверенные, с током не менее 25-30мА. Тип тумблеров и регулятора - по вкусу. Входные/выходные гнезда желательно
покачественеее. Оптические передатчик/приемник (если нужны) - какие будут в наличии. Микросхему 74HC04 заменять чем-то другим нежелательно. В проводе питания USB установлен "ferrite bead" -
"бусина".
Теперь немного о программах. В приведенных ниже ссылках, есть описание процесса измерений при помощи программы Loudspeaker CAD. Перед измерениями - следует выполнить
калибровку, процесс которой хорошо описан как в хелпе программы, так и в приведенных ссылках. После этого измерение характеристики импеданса производится буквально "одним щелчком". Для
измерения АЧХ удобно использовать программу Spectra Lab - она же покажет Вам и значение КНИ и многое другое. Для электронных устройств (усилители и предусилители) для этого надо только подключить
соответствующие входы -выходы, а для колонок - нужен измерительный микрофон. Профессиональные измерительные микрофоны достаточно дОроги, и к ним нужен не очень простой предусилитель, но в любительской
практике очень популярны во всем мире дешевые, но вместе с тем отлично справляющиеся со своей работой, электретные капсюли Panasonic WM-60, WM61. К ним также нужен предусилитель (при работе с описываемым
девайсом), который может быть сделан на транзисторах или малошумящем ОУ. Я не привожу их схемы, поскольку это предмет отдельной статьи, да и в Интернете и литературе таких схем много.
Существует очень много программ, которые имитируют работу осциллографа и мультиметра, используя звуковую карту. Есть подобные режимы и в Loudspeaker CAD, но всегда следует
иметь в виду, что это не совсем полноценная замена "настоящим" приборам.
Полезные ссылки:
http://www.ti.com/lit/gpn/pcm2906
http://audio.micronet.lv/diy/soft/lsplab.html
http://audio.micronet.lv/diy/soft/lsplabf.html
|
Computers - they are widely used today during the acoustic measurement, speakers parameters (Thielle-Small), frequency response, etc. With the help of the computer sound card that have ADC/DAC under the
special dedicated software (Speaker Workshop, LSP-CAD, Loudspeaker CAD, WinMLS and others). To connect the speakers peoples use “The Box” - some connectors, switches and resistors, connected together in
order to make the measurements easier and quicker. Some measurements requires additional power ampifier. Big mistake during electrical measurements - to use soundcard’s microphone input instead of line
input, because this is worse. Also at the acoustic measurement - its better to use external preamplifier with the line input. But unfortunately - most of the laptop computer does not have line input.
It seems than adjusting the levels of the sound card makes troubles for some people, as well, as they afraid to destroy souncard’s input and output (especially in the laptop case!). In order to solve
those problems, this device was developed. But I should mention that this device is for acoustic/speaker measurements and is limited to the ((pre)amplifiers tests - due to a simple16 bit/48kHz ADC/DAC.
(For example - for THD/IMD it is better to use 24bit/96kHz sound card). Using computer’s power supply for the device powering also not helps at the accurate low level acquisition, but for the our
purposes - it is quite enough.
I use PCM2906 from Texas Instrument with the input/output buffers (SSM2275 from the Analog Devices) and DC-DC power convertor (MC34063A from On-Semi). Unfortunalely - SSM2275, my lovely OP is at the
“obsolete state”, so if you does not have it - use any other OP with the output current at least 30-40mA.
As PCM2906 has digital (SPDIF) input and output - why not to use it? With the help of the 74HC04 I have built input amplifier and output buffer. As I have TOSLINK transmitter in my table - the
devise has also optical output, but not optical input. You said “why?”. Because there was no TOSLINK receiver in that table :) Of course - you can add receiver if you by yourself. So, device have 3
digital inputs:
- S/PDIF coax (1v)
- S/PDIF TTL-level
- Optical (TOSLINK)
You can see at the schematic, that input OP-buffer have the switchable gain - “1” or “10”, with “1:1/1:10” divider and potenciometer. All signals are referenced to “zero”, and if You set both divider and
OP to “1:1” gain, you are able to obtain the unity “through” gain.
Other switches are used to get the feedback and current sensing during the speaker impedance measurement. (20 Ohm series resistor is used).
THD that I’ve measured with my device was about 0.06-0.08%.
This device not need any software drivers, using MS Windoze 98/2000/XP. Just connect it to the USB slot. Sometimes, its need to set Master Volume level to maximum (you can do this or in the computer mixer
or simply pressing “Vol+” key at the device). Pay attention, that the Input level is not adjustable!
I don’t want to describe the measurement procedures, because this is a long story. Think you can easy find a lot of description in the WEB and software’s help-files and Internet forums.
Don’t forget to read the datasheet of the main IC used: http://www.ti.com/lit/gpn/pcm2906
|
