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如何用Pico示波器做音频频谱分析

菜鸟
2018-03-27 15:51:25    评分

如何用Pico示波器做音频频谱分析.doc

如何用Pico示波器做音频频谱分析

------上海子尔

一、频谱分析仪的分类

频谱分析仪一般分为两类:所谓“扫频”频谱分析仪和FFT频谱分析仪。扫频频谱分析仪是用一个或多个陷波滤波器(或混频器)在指定频率下测量信号振幅,然后改变该滤波器的频率(扫频),绘制出振幅随频率变化的频谱图。扫频频谱分析仪也可以做高频频谱分析,但是对于音频分析来说,扫频频谱分析仪不是特别适用,因为信号在整个扫频周期内必须是不变的。

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FFT频谱分析仪是用ADC转换器将信号数字化,然后将存储的值进行FFT变换得到的。该方法的优势在于可以捕捉到偶发信号或者持续时间短的信号。例如,用PicoScope的触发功能来单一鼓声的频谱。

FFT频谱分析需要进行大量运算,一些频谱分析仪可能需要几分钟来更新一个波形。PicoScope 采用优化的高频频谱分析算法可以达到类似实时的分析结果。即是在一台普通的电脑上,例如 33MHz486 电脑,PicoScope的频谱分析功能也能达到每秒更新数次。

二、音频分析

虽然大多数PicoScope PC示波器可以做音频频谱分析,但还是示波器的分辨率越高越适合做频谱分析。这里高性能的ADC-216最适合的。从通用型考虑,PicoScope 3224 3424 (USB示波器)ADC-212(并口示波器)也是理想的选择。如果考虑到成本因素,Pico 320X系列也可以。

FFT频谱分析仪的关键参数是采样率和动态范围。频谱分析仪能够显示高达最高采样率的一半频谱。为了测量到20kHz的音频带宽,就需要采样率高于40kS/s。如果测试放大器的频率响应,您可能需要高于20kHz的样本数,所以需要更高的采样率。

频谱分析仪的动态范围是另一个重要的参数。大多数示波器(基于PC的或台式的)都有一个8(256)的分辨率,这将频谱分析仪的动态范围限制在48dB(20 log 256)PicoScope 320X系列就是8位分辨率。像ADC-212PicoScope 3224 3424 12位分辨率(4096),理论最大动态范围72dBADC-21616位分辨率(65536)有一个趋近与100dB的动态范围。

可能您还不太清楚动态范围的意义,那么我们做一下对比。一个典型的录音机的动态范围40~50dB,一个好的功率放大器是70~80dB,一个高端的CD播放器是80~90dB当然,并不是所有的CD播放器都能达到这个性能。

下表是Pico设备的规格:

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三、用ADC-216测试CD播放器

为了比较产品的性能,我们用ADC-216 频谱分析仪测试两个CD播放器,一个是便宜的手持式CD播放器,一个是Quad高性能的播放器。ADC-216 一个通道直接连接手持式设备

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1 测试手持式CD播放器1kHz 音调的波形

1CD播放器单个1kHz音调的波形。跟理论值一样,在1kHz有一个尖峰。二次、三次和五次谐波清晰可见,这些谐波表示了CD播放器引起的失真。18kHz附近的峰值是由CD播放器内部电源适配器的开关引起的。如果CD播放器是电池供电的,那么这个噪声将会消失。

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2测试Quad CD播放器1kHz 音调的波形

2跟图1 是相同的试验,但是测试的是Quad CD播放器。跟预期的一样,波形是更干净的。5次谐波是比较明显的,跟主信号相比下降了96dB。图2中还在PicoScope 中进行了自动化音频测量。现在这些功能已经没有了,新的PicoScope是通过设置菜单中的增加测量按钮来实现的,详见帮助文档。

串扰是频谱分析仪能够测试出来的另一个重要指标,我们轮流用每个CD播放器的右声道播放一个10kHz的正弦波(-10dB)。理想情况下,右声道是没有信号的。不过可以看到手持式CD播放器右声道串扰,比左声道信号降低了60dB

Quad CD播放器串扰测试中, 串扰至少下降了90dB(如图4所示)

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3 手持式CD播放器串扰测试

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4 Quad CD播放器串扰测试

1个理想的CD播放器应该在整个音频域内有一个平滑的频率响应。手持式CD播放器在20Hz~20kHz范围内维持在3dB。用一个正弦波测试,频率扫描从20Hz~20KHz。许多FFT频谱分析仪可能无法绘制这样的一个频谱图,因为快速采集信号,然后却花费几秒中来处理和显示。这样一个扫描周期内,往往只有测试到一个频率峰值。Pico示波器的数据才采集和处理是优化过的,即是在一个相对慢的电脑上(33MHz 386),频谱分析仪也有一个近似实时更新率。测试中我们用的正弦波从20Hz~20kHz扫描完大概用了30s的时间。这段时间内PicoScope完成FFT计算只需要100s,处理速度是大多数频谱分析仪的2~3倍。为了用单线显示频率响应(而不是波形的峰值),我们用Pico示波器的峰值检测函数,如下图5所示。我们可以看到-3dB的点并不是产品参数表中声称的20kHz,只仅仅接近于16kHz

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5 手持式CD播放器的频率响应

Quad CD播放器做相同的频率响应测试(如图6 所示),发现频率响应在整个音频域几乎是平的,在20kHz也有一个更陡峭的跌落。

也有客户问我们:什么类型的信号源可以用于测试放大器,关键是找到一款信号发生器或者一款低失真的正弦波信号源。我们推荐Black Star LDO 低失真振荡器,图7是用ADC-216采集到1kHz的输出波形。

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6 Quad CD播放器的频率响应

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7 Black Star LDO 低失真振荡器输出1kHz的波形

注意:该文章中用到的产品目前已经停产了,16位分辨率 ADC-216的替代产品是PicoScope 4262PicoScope 3224 3424 6位示波器的替代产品是PicoScope 3000系列,PicoScope 320X系列的替代产品是 PicoScope 2200A口袋示波器系列。

            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 





关键词: 示波器     音频     频谱     分析    

专家
2018-03-28 08:39:24    评分
2楼

谢谢楼主的分享。


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