Wspólnie projektujemy: Prosty miernik sygnałów audio

W ramach stałego konkursu Wspólnie projektujemy… chcemy zrealizować możliwie prostą przystawkę do pomiaru sygnałów audio – zwykły woltomierz napięć zmiennych. Problem bowiem w tym, że popularne multimetry przeznaczone są tylko do pomiaru przebiegów zmiennych w sieci energetycznej 50 Hz.

W czasopiśmie Zrozumieć Elektronikę bardzo dużo uwagi będziemy poświęcać technice audio. W cyklu dotyczącym lamp elektronowych zbudujemy i przetestujemy szereg układów. Będziemy mierzyć sygnały zmienne audio, a do tego większość popularnych multimetrów się po prostu nie nadaje. Do pomiarów będziemy używać przede wszystkim komputerowych kart audio, które w połączeniu z odpowiednimi programami staną się genialnymi urządzeniami pomiarowymi.

Właśnie karty audio będą naszymi podstawowymi, a jak się okaże, bardzo dokładnymi, precyzyjnymi narzędziami pomiarowymi o ogromnych możliwościach. Jednak „goła” karta dźwiękowa, nawet najdroższa i mająca najlepsze parametry, ma poważne wady gdy zechcemy ją wykorzystać do pomiarów. Dlatego będziemy budować różne dodatki, przystawki i adaptery, które znakomicie rozszerzą możliwości i zwiększą praktyczną przydatność kart audio do pomiarów.

Pierwszym takim dodatkowym przyrządem będzie właśnie Prosty miernik sygnałów audio.

I od razu nasuwa się pytanie: czy naprawdę jest potrzebny oddzielny miernik, jeżeli wykorzystamy kartę audio o ogromnych możliwościach?

Po trzykroć TAK! Jest absolutnie niezbędny! Oto uzasadnienie. W Internecie można znaleźć mnóstwo testów komputerowych kart audio, najczęściej przeprowadzanych z wykorzystaniem darmowej wersji programu RMAA (RightMark Audio Analyzer).

Łatwo zauważyć, że wyniki pomiarów dotyczących tych samych kart często mocno się różnią i przez to okazują się bezwartościowe. Nie znaczy to, że program RMAA opracowany przez rosyjskich twórców ma poważne wady czy celowo wprowadzone błędy.

Nie! Wyniki pomiarów, nie tylko z wykorzystaniem RMAA, ale i innych programów, często okazują się bezwartościowe dlatego, że nie ma informacji, przy jakich poziomach bezwzględnych zostały przeprowadzone. Wyniki z reguły podawane są w decybelach, a decybel to ze swej istoty miara względna. I właśnie w przypadku kart dźwiękowych i używających je programów pomiarowych, wykorzystywane są najprościej mówiąc „decybele względne” (punktem odniesienia jest maksymalne napięcie wejściowe przetwornika ADC i DAC). Natomiast w praktyce ogromne znaczenie ma to, przy jakich wartościach bezwzględnych przeprowadzono pomiary. A tym bardziej jest to bezwzględnie konieczne, gdybyśmy chcieli za pomocą karty dźwiękowej mierzyć napięcia zmienne, a nie tylko ich stosunki.

Zagadnienia te będą stopniowo omawiane w różnych artykułach o tematyce audio, a na razie podsumujmy. Otóż jeżeli chcemy w sensowny sposób wykorzystać kartę dźwiękową komputera do celów pomiarowych, to przed użyciem kartę trzeba niejako skalibrować. Najprościej biorąc, trzeba określić, jakie napięcie zmienne, wyrażone w woltach czy miliwoltach, odpowiada poziomowi 0 dB tej konkretnej karty przy jej konkretnych ustawieniach.

Teoretycznie chodzi o jednorazową kalibrację toru wejściowego (ADC) i wyjściowego (DAC) karty: o sprawdzenie, jaki sygnał na wejściu karty zostanie pokazany w programie jako 0 dB oraz jaki będzie sygnał wyjściowy z przetwornika DAC, gdy w programie ustawimy maksymalny poziom równy 0 dB.

Najprościej biorąc, chodzi o poziomy odniesienia zastosowanych w karcie przetworników ADC i DAC. Jednak dodatkowy problem w tym, że wartość tego poziomu zerodecybelowego zależy od ustawień programowych w komputerze (w systemie operacyjnym), a także od ustawień przełączników i potencjometrów w samej karcie.

Jak się okaże w kolejnych artykułach, nie jest to wszystko takie proste i na pewno nie wystarczy jednorazowa kalibracja „raz na zawsze”. Na pewno potrzebny będzie zewnętrzny miernik poziomu, a w praktyce woltomierz czy raczej miliwoltomierz napięć zmiennych. Tylko teoretycznie mógłby to być zwyczajny multimetr o zakresie powiedzmy 2…3 woltów.

Nieprzydatnych jest jednak do tego wiele drogich, na pozór lepszych, multimetrów oznaczonych TRMS, które (lepiej) mierzą prawdziwą wartość skuteczną, co w omawianym przypadku nie ma to żadnego znaczenia. Trzeba jednak lojalnie przyznać, że niektóre multimetry nadają się do takiej kalibracji. Kwestie te będą tematem oddzielnego artykułu.

W każdym razie mnóstwo multimetrów nie nadaje się do pomiarów audio, bo są przeznaczone do pomiarów przebiegów w sieci energetycznej 50 Hz.

Dlatego chcemy najpierw zaprojektować, a potem zbudować możliwie prosta przystawkę do dowolnego woltomierza napięć stałych (multimetru).

Chodzi o to, żeby przystawka była jak najprostsza. Podczas kalibracji i większości innych testów będziemy wykorzystywać sygnały sinusoidalne, więc nie ma żadnego powodu, by stosować jakiś przetwornik prawdziwej wartości skutecznej (True RMS). Wystarczy prostownik i filtr uśredniający.

Nie ma też absolutnie żadnego uzasadnienia stosowania specjalnych filtrów psofometrycznych – to w razie konieczności załatwi program w komputerze.

Nam potrzebna jest prosta przystawka, a właściwie skalibrowany prostownik sygnałów zmiennych, o płaskim pasmie przenoszenia. Zapewne będzie to prostownik aktywny, więc potrzebne jest jakieś źródło zasilania naszej przystawki pomiarowej.

W Sieci można znaleźć mnóstwo schematów miliwoltomierzy AC mających postać przystawek do woltomierza DC (multimetru). Warto poszukać inspiracji i konkretnych rozwiązań na stronach internetowych, przeprowadzić analizę i jako rozwiązanie poniższego konkursu przysłać schemat.

Zadanie konkursowe YK002 brzmi:

Zaproponuj schemat możliwie prostej przystawki do dowolnego woltomierza DC, która pozwoli na pomiar sygnałów audio.

Do udziału w zadaniu zapraszam doświadczonych, a także mniej zaawansowanych i początkujących.

Propozycje schematów można nadsyłać do końca stycznia 2023 roku na adres konkursy@piotr-gorecki.pl Proponuję, żeby teraz, w ramach zadania, zająć się tylko schematem, a działania praktyczne rozpocząć dopiero wtedy, gdy różne możliwości i nadesłane rozwiązania zostaną omówione w numerze 4/2023 czasopisma Zrozumieć Elektronikę.

Uwaga! Aktualnie nie są przewidziane nagrody, więc udział bierzesz tylko dla własnej satysfakcji.

Jeżeli nie chcesz, żeby przy omawianiu nadesłanych rozwiązań pojawiło się Twoje nazwisko,

tylko ewentualnie imię czy pseudonim, napisz o tym wyraźnie w treści e-maila z rozwiązaniem.