Il piacere di misurare i segnali audio

Presentazione:

In questa terza anteprima, che è essa stessa una video-esperienza completa, andiamo ad approfondire come il livello rilevato da HP3581A possa essere inviato al software che realizza il plot della risposta in frequenza. HP3581A è uno strumento completamente analogico, figlio degli anni '70. Vedremo il trucco che ho escogitato in modo da raccogliere coppie (frequenza, tensione) indispensabili per tracciare la curva desiderata. Ci sarà una breve parte teorica introduttiva e seguirà la parte che caratterizza tutti i segnali, in particolare quelli del convertitore analogico-digitale ADC, che trasforma le tensioni analogiche in numeri binari, trasferiti successivamente alla USB del computer che sovrintende a tutto il sistema. Parliamo di segnali che coprono una dinamica di 90 dB, che non è poco, misurati in una larghezza di banda di soli 10 Hz. Dalla generazione della frequenza alla ricezione del livello trascorrono poco più di 200 ms: quasi 5 misure al secondo. Ecco perché ho scelto proprio HP3581A. Dopo aver visto lo schema a blocchi completo nell'Anteprima (1), come generare una particolare frequenza nell'Anteprima (2) e, non ultimo, sintonizzare il voltmetro selettivo di HP3581A proprio su quella frequenza, in questa terza anteprima concludiamo con la lettura delle tensioni analogiche. Buona visione :)

Il testo di questa video esperienza:

Che cos'è un network analyzer? Un network analyzer, nel nostro caso, per il campo audio, è uno strumento, un insieme di strumenti che ci permette di mettere sotto test un dispositivo audio, che può essere un amplificatore, un equalizzatore o quello che vogliamo, e tracciare la sua risposta in frequenza. Come vediamo qui, ho già fatto due anteprime di un'esperienza video più completa, perché c'è tanto materiale e fare tutto in un'unica videoesperienza, che farò, diventa veramente molto corposo. L'esperienza diventa molto lunga e quindi ho preferito, per adesso, suddividere in più anteprime. Questa è la terza anteprima. Penso che dopo andrò direttamente con la videoesperienza completa. Di cosa ci occupiamo? Nella prima videoanteprima abbiamo visto lo schema a blocchi di tutto il sistema. Nella seconda anteprima abbiamo visto come far generare all'HP 3581A delle frequenze ben precise, programmate dal computer, in modo che noi sappiamo esattamente quale frequenza precisa lo strumento sta generando.

In questa anteprima vedremo che, una volta definita una frequenza, questo strumento emetterà sulla sua uscita un segnale di livello noto. Lo applicheremo all'ingresso del nostro dispositivo audio. Nel nostro caso è un amplificatore SAE 2300 e l'uscita dell'amplificatore, cioè il segnale che va ai diffusori, rientrerà nello strumento per essere misurato. Quindi sappiamo il livello di eccitazione e il livello di risposta dello strumento. Il problema è come fare a trasferire questi valori, questo livello, al computer. Innanzitutto, perché utilizzare questo tipo di strumento? Potevamo utilizzare tantissimi altri strumenti per due motivi. Ha una scala logaritmica che va da 0 a -90 dB, quindi abbiamo una dinamica di 90 dB per misurare i nostri dispositivi audio, e non è una cosa da poco. Non tutti gli strumenti hanno una dinamica di questo tipo.

Poi abbiamo, come vedete qui, una resolution bandwidth, cioè la banda entro la quale noi faremo la misura. L'abbiamo impostata a 10 Hz. Permette di misurare anche con una larghezza di banda di soli 3 Hz, molto piccola, veramente molto piccola, e poi a crescere: 3, 10, 30, 100 e 300 Hz. Ho visto che, misurando in un intervallo piccolissimo di 10 Hz, con una banda di 10 Hz, ottengo risultati migliori. Quindi il nostro HP 3581A, oltre a generare un segnale preciso, di frequenza precisa e di livello preciso, diventa un voltmetro molto selettivo, con una banda di 10 Hz, ed è in grado di misurare una gamma dinamica di 90 dB. Capite che questo strumento permette veramente di fare tantissime cose con una grandissima precisione, perché misurare in una banda di soli 10 Hz vuol dire escludere tutto il rumore e tutti i disturbi esterni alla nostra misura e quindi avere un valore veramente coerente con quello che sta emettendo, in questo caso, un amplificatore.

Vediamo qui il retro dello strumento. Abbiamo il connettore Output. Questa uscita emetterà un segnale di livello che noi possiamo regolare con quella manopolina, Level, per avere un segnale di uscita preciso di 1 V RMS. Abbiamo la frequenza che viene determinata, come abbiamo visto nelle anteprime precedenti, direttamente dal computer, che si collega tramite un generatore di funzioni all'ingresso dell'oscillatore locale, Local In. Questo l'abbiamo già visto. Quindi abbiamo lo strumento ben posizionato sulla frequenza, che emette sull'uscita Output un segnale di frequenza precisa, nota, e di livello preciso. Il segnale poi verrà riportato, come vi ho detto, all'ingresso Input. Ma cosa ci facciamo? Come riusciamo poi a interpretare il segnale? Perché noi vediamo solamente una lancetta che si muove?

Ebbene, abbiamo l'uscita Y, che si trova qui dietro tra le varie uscite che permette questo dispositivo. L'uscita Y è praticamente un segnale da 0 a 5 V che si muove in modo analogo a come si muove la lancetta. Quando sarà a 5 V, la lancetta sarà a fondo scala. Nel nostro caso, per esempio, potrebbe essere 0 dB. Quando invece l'uscita Y darà una tensione continua di 0 V, vuol dire che la lancetta sarà al suo minimo, nel nostro caso -90 dB. Quindi questa tensione continua, che corrisponde al movimento della lancetta e quindi al livello del segnale, la possiamo prelevare e mandare a un convertitore analogico-digitale. In questo modo la trasformiamo da valore analogico in bit. Questi bit, questo numero intero, tramite un controller, lo mandiamo via USB al computer. Quindi, in questo momento, il computer imposterà lo strumento per dare una frequenza precisa. Per capire questo, vedete l'anteprima precedente a questa.

Dall'altra parte, lo strumento ci darà un'informazione che è il livello. Quindi il software che monitora tutta la situazione saprà esattamente frequenza e livello, che sono le nostre coordinate X e Y di un grafico di una gamma di risposta in frequenza, come per esempio vediamo qui nel caso di un filtro equalizzatore. Questo è il nostro set di misura. Ora facciamo il plot. Ecco qua. Possiamo notare sulla sinistra il portatile che comanda la situazione. Dietro c'è il generatore di funzioni che genera la frequenza per l'HP 3581A, però non si vede, perché è un po' nascosto. Abbiamo al centro l'HP 3581A. Vedete? Sta facendo la scansione delle frequenze. Abbiamo sopra l'interfaccia dell'ADC con il controller, sotto un piccolo frequenzimetro Philips, giusto per monitorare la situazione. Abbiamo l'equalizzatore parametrico, che è impostato per dare quel tipo di risposta, e abbiamo sulla destra una new entry, un piccolo strumento che però è veramente molto versatile e che mi è stato molto utile.

Lo vedremo insieme per capire se le tensioni ritornate dall'HP 3581A e dal DAC corrispondono esattamente ai livelli che dovrebbero manifestare, ma lo verificheremo insieme. Questo, comunque, è tutto il set completo. Notate sulla sinistra la traccia che è stata realizzata, ma questo lo vedremo nella videoesperienza completa. Oggi ci dedichiamo alla misura e alla verifica dei livelli del DAC e delle tensioni in uscita dall'HP 3581A. Siamo a 0 dB, quindi 1 V RMS alla frequenza di 1 kHz. Lo strumento HP sta misurando appunto 0 dBV e l'uscita sul segnale Y, che va da 0 a 5 V, sta misurando 4,9 V. Questo grazie al Fnirsi DSO TC4.

Scendiamo di 20 dB. L'operatore è lento, le macchine funzionano; l'operatore un po' meno. Siamo scesi di 20 dB. Anche lo strumento indica -20 dBV e all'uscita Y il Fnirsi sta rilevando 3,9 V. Scendiamo ancora di 20 dB. -40 dBV, quindi praticamente siamo a 10 mV. Lo strumento indica -40 dBV a 1 kHz e il Fnirsi indica 2,9 V sull'uscita Y. Scendiamo adesso a -60 dB, quindi praticamente 1 mV. Eccolo qua: -60 dBV. Vedete lo strumentino? Il Fnirsi DSO TC4 mi sta misurando 1,9 V. È uno strumento molto agile, pocket e di facile utilizzo. In questo caso è utilissimo, perché posso confrontare la posizione della lancetta con la tensione che abbiamo sull'uscita Y e verificare se questi valori sono coerenti. Andiamo a verificare ora la corrispondenza tra la tensione analogica dell'uscita Y e quella del DAC, che vedete sulla destra.<7p>

Adesso siamo a 0 dBV. Dovrebbe essere un po' più alto, ma sappiamo che questo tipo di convertitori analogico-digitali, nella parte più alta e più bassa, attuano una compressione e non sono precisissimi, a meno di non voler scegliere convertitori analogico-digitali più performanti e più costosi. Ma per la nostra videoesperienza questo convertitore ADC è più che sufficiente. Adesso andiamo giù a -20 dBV. Ecco qua, -20 dBV. Possiamo leggere anche il valore della DC. Adesso scendiamo a -40 dBV. Ecco qua. Siamo a -40 dB. Leggiamo sempre il valore del DAC e adesso scendiamo a -60 dBV. Ed eccoci qua a -60 dBV. Adesso abbiamo la tensione in uscita dall'HP 3581A e la sua conversione in intero da parte del convertitore analogico-digitale. I dati che abbiamo raccolto ci stanno dando tantissime informazioni. Cerchiamo di raccoglierle e fare il punto della situazione.

Qui in alto abbiamo il circuito, dove abbiamo l'uscita Y, che vedete rappresentata da un generatore di tensione continua variabile. Ha una sua resistenza interna di 1 kΩ. Io poi ho applicato un circuito con un partitore di tensione, in modo che la tensione che arriva al convertitore ADC non sia mai uguale alla sua tensione di alimentazione, ma si mantenga sempre un po' più in basso. Se consideriamo la nostra Vin in funzione del segnale Y e la consideriamo in dBV, abbiamo che, quando siamo a 0 dBV, la lancetta è al massimo e abbiamo il valore dell'uscita Y a +5 V, mentre all'ingresso del DAC arriveranno 4,9 V. Così, a -20 dB arriveranno 3,9 V, a -40 dB arriveranno 2,99 V e a -60 dB arriveranno 1,9 V.

Queste tensioni corrispondono a una precisa uscita sul convertitore analogico-digitale. Quindi, per 0, -20, -40 e -60 dB, avremo i valori della colonna centrale. Per esempio, quando lo strumentino indicherà -40 dB, dovremmo leggere all'uscita del convertitore analogico-digitale, essendo un convertitore a 10 bit, un valore di 614, potendo spaziare da 0 a 1023. Qui abbiamo i dati della colonna di destra, in verde, che abbiamo misurato direttamente. Abbiamo fatto le misure insieme. Cosa possiamo notare? Innanzitutto, i valori sono molto simili rispetto a quelli teorici che ci aspetteremmo di trovare. Sappiamo sempre che tra teoria, libro e pratica le cose non vanno mai sempre d'accordo. Bisogna capire perché non vanno d'accordo, ma adesso lo vedremo. C'è uno scarto. Per esempio, tra 1018 e 1007, invece del valore che dovremmo misurare, abbiamo uno scarto di 11 livelli in uscita, mentre, per esempio, se andiamo a -60 dB, dovremmo trovare 409 e ci troviamo 404.

Quindi abbiamo una discordanza molto piccola, ma poi quantificheremo quanto vale questa discordanza, che è più piccola per segnali piccoli e diventa più grande per segnali grandi. Teniamo conto di questa informazione e dopo approfondiamo. Che errori può dare un convertitore analogico-digitale? Questa è la curva, la rappresentazione di un convertitore analogico-digitale ideale, perfetto. A parte la linea rossa, che ho tracciato male: immaginate che sia una bella retta. A mano a mano che aumenta la tensione, aumenta anche il livello all'uscita del convertitore analogico-digitale, ma la realtà non è mai così, anche nei convertitori analogico-digitali professionali e molto costosi. È chiaro che più è di qualità il convertitore analogico-digitale, minori sono queste differenze. Questa è una chiara non linearità: abbiamo un'espansione per bassi livelli, ma abbiamo una compressione per altri livelli. Questo vuol dire che il convertitore analogico-digitale lavora molto bene a tutti i livelli intermedi, ma per le tensioni molto alte e per le tensioni molto piccole mostra qualche incertezza. Questa si chiama non linearità del convertitore analogico-digitale.

Poi abbiamo una diversa pendenza della retta. Quella rossa appena evidenziata sarebbe quella giusta. In realtà il convertitore analogico-digitale ha un andamento lineare, ma la retta ha un'inclinazione sbagliata e quindi questi dati vanno comunque elaborati per riportare i valori a come sono rappresentati dalla retta rossa, che è quella corretta. Poi abbiamo un classico offset: la curva del convertitore analogico-digitale è perfettamente uguale a quella della curva ideale, però è spostata di una certa quantità, con un offset più alto o più basso. Chiaramente tutti questi difetti si possono combinare insieme. Beh, il nostro convertitore analogico-digitale come si è comportato?

Abbiamo detto che per valori molto piccoli l'errore si riduce, mentre per valori molto grandi della tensione di ingresso l'errore aumenta. Mi sembra quindi corretto rappresentare l'uscita del nostro funzionamento, la caratteristica di trasferimento ingresso-uscita del nostro convertitore analogico-digitale, in questa maniera. Notiamo che, dove c'è l'errore più grande, quindi per il segnale massimo, abbiamo 11 livelli di differenza, che corrispondono a un errore inferiore a 1 dB. Chi avrà avuto modo di guardare queste tre anteprime capirà perché ho sentito la necessità di fare tre anteprime prima di fare il video finale, che conterrà anche queste anteprime, perché veramente il materiale era davvero tanto.

C'erano tante cose da descrivere. A me piace così, perché altrimenti vi faccio vedere che funziona, però poi non si capisce niente. Io so perché funziona, ma a me piace anche spiegare perché funziona. Ci vuole tempo da parte mia e ci vuole anche tanta pazienza da parte vostra. Magari non ci saranno tantissimi spettatori dei video, però quelli che ci sono spero che traggano comunque gioia e piacere dall'approfondire questo tipo di argomenti. Nella prima videoesperienza, nella prima anteprima, abbiamo visto lo schema a blocchi generale di tutte le parti che servono per realizzare poi la risposta in frequenza. Nella seconda anteprima abbiamo visto come è possibile generare, tramite software comandato dal computer, delle frequenze precise da parte dell'HP 3581A. Nella terza anteprima, che è questa che si sta concludendo, abbiamo visto come lo strumento HP 3581A genera un segnale di frequenza e di livello preciso e poi lo invia al dispositivo audio da caratterizzare, un amplificatore o un equalizzatore. Il segnale poi ritorna allo strumento, che lo misura. Un convertitore analogico-digitale prende il valore fornito dallo strumento e lo manda al software di comando.

Quindi abbiamo frequenza e livello. Con una serie di punti abbastanza fitti riusciamo a costruire una risposta in frequenza dettagliata. Ecco, ho avuto piacere a fare queste tre anteprime, anche perché, dovendo ricostruire e spiegare ad altre persone, abbiamo colloquiato e ci siamo raccontati delle storie. Bisogna mettere tutto nero su bianco e quindi mi serve anche per ripetere tutto il progetto. Mentre analizzo le anteprime, approfondisco ogni volta magari degli aspetti che avevo dato per scontati e che invece non lo sono. Penso che sia proprio questo il modo di crescere e mi piace farlo insieme a voi. In questa anteprima abbiamo utilizzato questa new entry, che è questo strumento veramente pocket della Fnirsi, un DSO TC4. Praticamente è uno strumento che fa di tutto: fa da prova componenti, fa da multimetro, fa da oscilloscopio, fa da generatore di segnali. È una specie di coltellino svizzero che possiamo utilizzare. Io l'ho utilizzato in questa anteprima in maniera veramente molto ridotta rispetto alle sue capacità, però abbiamo visto che porta via poco spazio, lo metti lì, lo colleghi e comunque ti dà dei valori che possono essere utili, per esempio, per caratterizzare la curva caratteristica di un convertitore analogico-digitale.

In questo momento, per esempio, ho catturato la forma d'onda in uscita proveniente dall'HP 3581A. Capite che è uno strumento così versatile: lo potete mettere dove volete e fa un sacco di misure che, assieme ad altri strumenti, diventano veramente un grande potenziale. Ci sentiamo nella videoesperienza completa, che conterrà anche le tre anteprime e dove farò vedere esattamente come funziona e la qualità della risposta in frequenza fatta con questo insieme di strumenti che mi sono divertito a fare insieme a voi. Alla prossima.