Il piacere di misurare i segnali audio

Presentazione:

Questa è la video esperienza finale che segue le tre corpose anteprime. Vedremo in azione software e strumenti per rilevare con precisione la risposta in frequenza di dispositivi audio. Ci occuperemo direttamente delle misure in tempo reale, mentre nelle tre anteprime ho descritto nel dettaglio lo schema a blocchi di questo sistema, come vengono generate sequenze precise di frequenze audio e come inviare il livello misurato al computer per raccogliere le coppie (frequenza, tensione) che servono per tracciare il grafico. Lo spirito è sempre quello di divertirsi imparando e quando lo faccio insieme a voi diventa tutto più bello ed interessante :)

Il testo di questa video esperienza:

Che cosa vedremo in questa video esperienza? Vedremo finalmente in funzione questo insieme di strumenti che realizza la registrazione grafica della risposta in frequenza di un dispositivo audio. Come stiamo vedendo qui, il sistema sta effettuando una misura: al centro c’è il mio computer, che sta acquisendo e tracciando la risposta in frequenza dell’equalizzatore parametrico collocato sulla destra. Si possono osservare le frequenze che scorrono e i LED che lampeggiano: indicano che il plot è in corso. L’oscilloscopio visualizza il segnale iniettato all’ingresso dell’equalizzatore parametrico. La misura è terminata: osserviamo il grafico finale. Portando il mouse su un punto della curva possiamo leggere i corrispondenti valori di frequenza e livello. Cerchiamo ora di capire come funziona tutto questo.

Ben ritrovati. In questa video esperienza parleremo di risposte in frequenza e di un sistema di misura basato sull’HP 3581A, un voltmetro altamente selettivo. Lo faremo lavorare con una banda di misura di 10 Hz: una finestra di misura larga 10 Hz che si sposta con la frequenza e rileva il livello del segnale. Potremmo però lavorare anche con una finestra ancora più stretta, di soli 3 Hz. Lo strumento ha una gamma dinamica di 90 dB tra il segnale più forte e quello più debole; possiede quindi caratteristiche eccezionali e si presta molto bene alla realizzazione di un sistema per misurare la risposta in frequenza. Ho realizzato tre anteprime che accompagnano questa video esperienza. Nella prima spiego lo schema a blocchi del sistema; nella seconda mostro come vengono generate con precisione le frequenze di misura; nella terza descrivo come viene misurato con precisione il livello in uscita dal dispositivo audio.

Queste tre video esperienze forniscono una descrizione molto completa del sistema e verranno comunque inserite anche nella seconda parte di questo video. Oggi ci occuperemo direttamente delle misure. Misureremo questo equalizzatore parametrico professionale Tascam PE-40. È suddiviso in quattro sezioni, ciascuna dotata di quattro controlli. Ogni sezione consente di centrare la campana di amplificazione o di attenuazione in una determinata gamma di frequenze e di regolarne anche l’ampiezza. Avremo quindi sedici interventi mirati, distribuibili nella banda da 20 Hz a 20 kHz. Questo equalizzatore si presta molto bene a tracciare curve particolari e a verificare se le regolazioni impostate vengono rilevate correttamente dal sistema di misura.

C’è anche una parte software, che dal computer comanda tutta la strumentazione e riceve i dati. Non è il caso di affrontarla in dettaglio, perché servirebbe un’enciclopedia. Tuttavia, se qualcuno fosse interessato a replicare il sistema o ad approfondire qualche particolare di questo banco di misura, può scrivermi: sono disponibile a condividere tutte le informazioni che ho raccolto e sviluppato per realizzarlo. Basta chiacchiere: andiamo subito a rilevare alcune risposte in frequenza.

Vi voglio anche segnalare, perché è una cosa importante, questo bellissimo dispositivo Finirsi DSO-TC4. È veramente tascabile, svolge molte funzioni e permette di misurare componenti. È un tester per componenti, un oscilloscopio, un generatore e un multimetro. In questo caso ho congelato un segnale a 6 kHz. Vedete che ora non è più collegato: ho eseguito un hold e mantengo visualizzata l’onda generata dall’HP 3581A. Il segnale viene inviato al dispositivo in prova, il quale risponde in uscita; tale uscita viene poi misurata. Utilizzeremo il Finirsi DSO-TC4 come oscilloscopio di monitoraggio. Durante la misura vedremo il segnale iniettato all’ingresso del dispositivo audio: dovrà variare in frequenza, mantenendo però il livello costante. È davvero tutto. Andiamo con la misura pratica. Buona visione.

Come sempre, diamo un’occhiata allo schema di ciò che stiamo facendo; altrimenti molte delle cose che dirò non avrebbero senso e sarebbe difficile ricostruire il quadro completo. Mi piace comunicare in modo diretto e chiaro: anche i concetti semplici devono arrivare con precisione. Abbiamo il nostro circuito di misura e verificheremo il comportamento di questo equalizzatore parametrico Tascam PE-40. Le quattro sezioni sono collegate in cascata: abbiamo quindi un ingresso, le quattro sezioni in serie e infine l’uscita. L’ingresso dell’equalizzatore parametrico viene pilotato dal generatore interno dell’HP 3581A, che fornisce 1,2 V RMS con un’impedenza di uscita di 600 Ω. In uscita, con tutti i filtri disinseriti, ho misurato un guadagno di −1,6 dB. Applicando quindi 1,2 V RMS all’ingresso, avremo esattamente 1 V RMS in uscita, ovvero 0 dBV. Il segnale d’uscita viene applicato all’ingresso dell’HP 3581A, che ha un’impedenza di 1 MΩ.

Entriamo ancora più nel dettaglio. Ho collegato due voltmetri, HP 400E e HP 400F. Non sarebbero indispensabili, ma è sempre utile eseguire una misura con più strumenti e verificare che tutti i valori siano concordi. Sull’HP 400E dovrò misurare una tensione d’ingresso \(V_\text{IN}\) di 1,2 V RMS, mentre sull’HP 400F, in uscita, dovrò misurare \(V_\text{OUT}\) pari a 1 V RMS. Collegherò anche il Finirsi DSO-TC4, utilizzato come oscilloscopio. Potremo quindi osservare in tempo reale il segnale che alimenta l’equalizzatore parametrico. In alto a destra aggiungiamo l’uscita dell’ADC. Non ci accontentiamo infatti della lettura analogica della lancetta: il valore prelevato dall’uscita Y dell’HP 3581A viene inviato al convertitore analogico-digitale, che lo trasferisce al computer tramite USB. Avremo così le coppie frequenza-livello necessarie per tracciare la curva di risposta. Facciamo partire il plot. Si avvia il convertitore analogico-digitale, che vediamo sulla sinistra e che indica i valori rilevati sia di frequenza sia di livello.

Subito a destra troviamo l’HP 3581A, che indica anch’esso la frequenza e il livello misurato. Abbiamo poi i due voltmetri AC HP 400E e HP 400F, che misurano rispettivamente VIN e VOUT. Sulla destra troviamo il Finirsi DSO-TC4, che visualizza la forma d’onda del segnale applicato all’equalizzatore parametrico Tascam PE-40. Il plot è quasi terminato. Osserviamolo ora nel dettaglio. Fondamentalmente la traccia è piatta e mostra una lieve discesa in prossimità di 20 kHz, ma parliamo di frazioni di dB. Possiamo quindi dire che, con tutti i filtri disinseriti, l’equalizzatore parametrico lascia passare il segnale praticamente inalterato. I più attenti avranno notato che il livello indicato è −30 dBV, mentre stiamo misurando 1 V RMS, cioè 0 dBV. Perché?

Nella scala di sensibilità dell’HP 3581A ho selezionato il fondo scala di +30 dBV, corrispondente a 32 V RMS circa. Se il segnale in ingresso è 0 dBV, cioè 1 V RMS, esso si trova 30 dB sotto il fondo scala selezionato. Ecco perché leggiamo −30 dBV. Perché questa scelta? Perché in questo modo possiamo misurare anche segnali che vengono amplificati di 10 o 20 dB, ma possiamo anche osservare attenuazioni di 10, 20, 30 o 40 dB, e oltre. Ci siamo quindi posizionati in una condizione che consente di visualizzare sia amplificazioni sia attenuazioni.

Supponiamo ora di voler amplificare di 10 dB la frequenza di 500 Hz. Impostiamo l’HP 3581A affinché generi esattamente 500 Hz. Il programma invierà il comando allo strumento, che si sintonizzerà su 500 Hz. A questo punto imposto un guadagno inizialmente non calibrato e regolo questa sezione del filtro, che lavora da 40 Hz a 800 Hz circa, cercando di centrarla sulla frequenza di 500 Hz. Vedete che la lancetta aumenta? Ecco: ora il filtro è sintonizzato. Voglio però impostare un guadagno preciso, quindi regolo il controllo finché la lancetta non si porta a −20 dBV. Prima era a −30 dBV, ora è a −20 dBV: abbiamo quindi ottenuto un guadagno di 10 dB, centrato su 500 Hz. A questo punto non resta che effettuare il plot e verificare se troviamo esattamente ciò che ci aspettiamo.

Avviamo il plot. Il sistema chiude i programmi precedentemente in esecuzione, ne avvia altri e la misura parte. Guardate la scansione in frequenza. Qui dovrei cambiare la base dei tempi, perché stiamo osservando frequenze molto basse, ma vedete che il livello aumenta rapidamente. Diamo un’occhiata anche al grafico in tempo reale: quando la frequenza raggiunge 500 Hz, la curva sale di esattamente 10 dB, come abbiamo programmato. Forse si potrebbe sintonizzare un poco meglio, perché il massimo risulta leggermente spostato, ma stiamo effettuando una misura abbastanza veloce. Non voglio soffermarmi ora sui dettagli: voglio mostrarvi quanto sia facile regolare un equalizzatore parametrico utilizzando questo sistema. Abbiamo ottenuto questa curva. Il massimo si trova a 526 Hz ed è pari a −20 dBV, cioè il livello è passato da −30 dBV a −20 dBV. Lavorando con maggiore delicatezza possiamo centrare meglio i 500 Hz.

Torniamo al nostro plot. Ora supponiamo di voler attenuare di 20 dB una frequenza di 5 kHz. Vediamo quale controllo utilizzare. Posso usare questa sezione, che copre approssimativamente l’intervallo da 500 Hz a 10 kHz. Generiamo quindi un tono campione a 5 kHz. Lo strumento si porta a 5 kHz. Eccolo qui. Cerchiamo di impostare una visualizzazione migliore. Questo è il segnale a 5 kHz. A 5 kHz vogliamo ottenere un’attenuazione di 20 dB. Utilizzerò quindi due controlli, ciascuno impostato per contribuire con 10 dB di attenuazione. Regolo inizialmente la sintonizzazione e cerco di centrare il filtro sui 5 kHz. A un certo punto la lancetta inizia a scendere. Eccola qui. Cerchiamo di centrarla bene; purtroppo non sono vicinissimo allo strumento e faccio un po’ fatica a leggere. Diciamo che il livello si porta verso −40 dBV. Utilizziamo anche il secondo controllo e sintonizziamolo in modo da portare la campana al suo minimo. Ecco fatto. Lo regoliamo fino a −50 dBV.

Il livello è quindi passato da −30 dBV a −50 dBV. Che cosa ci aspettiamo di vedere? Una campana positiva di +10 dB a 500 Hz e una campana negativa di −20 dB a 5 kHz. Andiamo a effettuare il plot e vediamo subito il risultato. Il plot parte; il sistema sta riprogrammando tutta la strumentazione ed esegue la scansione in frequenza. La base dei tempi non è adatta a questo segnale e dovrebbe essere regolata, ma, man mano che la frequenza aumenta, comparirà una sinusoide ben visualizzabile. Siamo a 500 Hz: ecco la campana di +10 dB. Ora vediamo cosa succede a 5 kHz. Ci aspettiamo una diminuzione del livello. Ecco già i primi segni della discesa. A 5 kHz il livello scende esattamente di 20 dB. Vedete quindi come, in pochissimo tempo, sia possibile impostare un equalizzatore parametrico indicando con precisione ciò che desideriamo ottenere.

Questo sistema non serve soltanto a impostare uno strumento come il PE-40: può essere utilizzato per misurare la risposta in frequenza di un registratore, di un amplificatore, di un preamplificatore o di qualunque altro dispositivo audio. Possiamo realizzare un plot completo, ma anche eseguire test mirati su frequenze specifiche. Possiamo inoltre sintonizzare un equalizzatore parametrico: un’operazione che non andrebbe fatta solo a occhio o a orecchio, ma mediante la strumentazione, proprio in questo modo, ottenendo risultati rapidi e corrispondenti a ciò che vogliamo misurare.

Sono contento che abbiate voluto restare fino alla fine di questa video esperienza e spero che vi sia piaciuto ciò che abbiamo visto insieme: le misure e il modo in cui questo sistema basato sull’HP 3581A riesce a rilevare risposte in frequenza molto interessanti, utili e versatili. Abbiamo utilizzato anche questo fantastico strumentino Finirsi DSO-TC4, che svolge diverse funzioni: tester per componenti, generatore, oscilloscopio e multimetro. In questa video esperienza lo abbiamo utilizzato come oscilloscopio. Abbiamo visto quanto sia versatile e utile: occupa poco spazio, si può tenere comodamente sul banco ed è molto pratico per monitorare i segnali, proprio come in questa misura. Avevo previsto di inserire alla fine del video anche le tre anteprime, ma sinceramente sono già disponibili e le vedete scorrere qui. Lascerò quindi i link in descrizione.

Chi desidera approfondire lo schema a blocchi del sistema, la generazione precisa delle frequenze, la misura del livello della lancetta e il trasferimento del valore numerico al computer tramite convertitore analogico-digitale potrà trovare tutto nelle tre anteprime. Sono video completi e corposi, ognuno dedicato a un argomento specifico. In questa video esperienza, che rappresenta la parte finale, volevo invece dedicarmi al funzionamento pratico del sistema e dimostrare quanto bene lavori. Come sempre, vi chiedo di iscrivervi al mio canale YouTube, di mettere “mi piace” a questo video e di lasciare un commento. Se c’è qualcosa che secondo voi non ho spiegato abbastanza bene, se avete una curiosità o anche soltanto se volete salutarmi, scrivetemi. Per le prossime video esperienze ho già alcune cose molto interessanti in cantiere, ma per ora non voglio anticipare nulla. Vi aspetto quindi alla prossima video esperienza, sempre con grande entusiasmo, voglia di fare, voglia di smanettare e, soprattutto, voglia di misurare e provare cose nuove. Oggi esistono strumenti digitali bellissimi: basta un clic e fanno tutto. Però, secondo me, mettere insieme più strumenti degli anni che furono, farli funzionare e ottenere risultati così validi dà davvero tanta soddisfazione. Alla prossima video esperienza.