Komputerowa karta dźwiękowa i program REW

W artykule wprowadzającym MR080 były przedstawione ogólne informacje o pomiarach impedancji z wykorzystaniem karty dźwiękowej (audio) komputera. W artykule oznaczonym MR084 zamieszczono projekt uniwersalnej przystawki pomiarowej do karty dźwiękowej. A w niniejszym artykule przedstawiony jest opis wykorzystania darmowego programu REW.

Warto też wiedzieć, że elektronik może wykorzystać komputerowe karty dźwiękowe w różny nietypowy sposób. Na przykład do realizacji radia SDR. Komputer i jego karta dźwiękowa może też pełnić funkcję systemu pomiarowego: generatora i oscyloskopu. Co prawda o pasmie pomiarowym do co najwyżej kilkudziesięciu kiloherców, ale za to o bardzo dużej rozdzielczości, wielokrotnie lepszej niż klasyczne oscyloskopy. Taki specyficzny oscyloskop okaże się wystarczający do wielu zastosowań. Karta dźwiękowa komputera, oprócz pomiaru impedancji, może też być użyta do pomiaru charakterystyk przejściowych różnych elementów i systemów, przy czym mierzona jest nie tylko amplituda, ale i faza. Pomimo że pasmo pomiarowe jest ograniczone, możliwości są w sumie ogromnie interesujące. Niewątpliwie warto zająć się tą tematyką.

Na początek jednak kilka ważnych szczegółów. Po pierwsze zdecydowana większość współczesnych komputerów ma wbudowane proste karty dźwiękowe, które mają dwa wyjścia (kanału prawego i lewego), ale tylko jedno wejście mikrofonowe (Mic). Obecność tylko jednego wejścia poważnie ogranicza możliwości pomiarowe. Karty takie też mogą się okazać przydatne do niektórych nietypowych celów. Ale dla elektronika zdecydowanie bardziej atrakcyjne są karty, które oprócz dwóch wyjść, mają też dwa wejścia. Nie są to wejścia mikrofonowe (Mic), tylko wejścia liniowe (Line In). Takie karty są wbudowane jedynie w nielicznych komputerach. Z kilku względów lepsze jest użycie karty zewnętrznej, dołączanej do komputera przez łącze USB. Choćby tylko dlatego, że łatwiej w niej coś zmodyfikować, a w razie jakiegoś przypadkowego uszkodzenia karty komputer pozostaje w pełni sprawny.

Dostępnych jest mnóstwo zewnętrznych kart USB, tańszych i droższych. Najtańsze też mają tylko jedno wejście mikrofonowe – przykłady na fotografii 1.

Z kolei fotografia 2 pokazuje trzy przykłady zewnętrznych kart USB z wejściami Line In.

Jeszcze lepiej, gdy tego rodzaju karta zostanie zmodyfikowana albo gdy będzie współpracować z dodatkową przystawką, rozszerzającą możliwości. W tym artykule zajmiemy się przede wszystkim pomiarem impedancji w najprostszy sposób. To da wiele satysfakcji, ale co najważniejsze, wskaże też problemy, a to doprowadzi do przystawki, zawierającej elementy aktywne.

Koncepcja

Oczywista jest koncepcja pomiaru charakterystyki przejściowej przedstawiona na rysunku 3a: sygnał z przestrajanego generatora przebiegu sinusoidalnego podajemy na wejście badanego układu i mierzymy poziom sygnału na wyjściu. Przeprowadzając pomiary dla różnych częstotliwości, możemy określić charakterystykę przejściową. Znakomicie ułatwi to komputer i jego karta dźwiękowa, która pełni funkcję i generatora, i miernika – rysunek 3b.

W takim prostym rozwiązaniu można zmierzyć tylko charakterystykę amplitudową. Ale jeżeli wykorzystamy drugie wejście karty według rysunku 4, to przez dokładne porównanie sygnałów na wejściu i wyjściu badanego układu dodatkowo możemy też określić charakterystykę fazową.

Charakterystykę przejściową określa stosunek napięć U_R/U_L. Dla różnych częstotliwości komputer mierzy te sygnały, oblicza ich stosunek i może to zobrazować na ekranie w różny sposób.

Możliwy jest też dokładny pomiar z pomocą jednego kanału według rysunku 3b, o ile przed pomiarem sama karta zostanie skalibrowana, a wynik pomiaru będzie różnicą między charakterystyką zmierzoną a charakterystyką samej karty.

W praktyce trzeba uwzględnić to, że wyjściowe i wejściowe sygnały karty audio są niesymetryczne względem masy, a masa wyjściowa i wejściowa jest wspólna (i jest to też masa innych obwodów komputera), co jest pokazane na rysunku 4. Fakt, że mamy tu wspólną masę wyjścia i wejścia, która też jest masą komputera, w niektórych zastosowaniach zupełnie nie przeszkadza, ale w innych przeszkadza, i to bardzo mocno. Do tej kwestii możemy wrócić, ale na razie omówmy jeden z prostszych układów pomiarowych.

Rysunek 5 pokazuje przykład, gdzie badany układ jest prostym dzielnikiem zawierającym rezystor wzorcowy R_W o znanej wartości oraz jakąś nieznaną rezystancję R_X. Pomijając szkodliwe czynniki, możemy wyprowadzić proste wzory. Komputer może zmierzyć i zobrazować wartość badanej rezystancji R_X, przeprowadzając następujące wyliczenia: R_X =  R_S * U_R  / (U_L – U_R). Jeżeli badana oporność ma charakter pojemnościowy lub indukcyjny, czyli jest impedancją Z_X, wtedy obliczenia też są takie same: Z_X =  R_S * U_R  / (U_L – U_R), tylko dodatkowo trzeba uwzględnić przesunięcie fazy, czyli do obliczeń wykorzystać liczby zespolone. Dla komputera takie obliczenia to drobiazg – trzeba tylko napisać stosowny program. Niekoniecznie napisać: takich programów jest sporo, zarówno komercyjnych, jak i darmowych. Niektóre, jak wspomniany wcześniej pakiet LIMP, ARTA, STEPS, w darmowej wersji mają poważne ograniczenia. Do opisanych tu testów został wykorzystany program REW. Domyślnie po zainstalowaniu program REW chce korzystać z karty dźwiękowej wbudowanej w komputer. Jeżeli ma być wykorzystana karta zewnętrzna, trzeba ją wcześniej podłączyć i zadbać o zainstalowanie sterowników (co w Windows zwykle następuje automatycznie). Tych szczegółów nie będziemy omawiać – w razie potrzeby trzeba poprosić o pomoc kogoś bardziej znającego się na komputerach.

Program REW

Wykorzystany do testów darmowy program REW (freeware) ma ogromne możliwości. Możliwość pomiaru impedancji to znikoma część jego zastosowań. Przede wszystkim program ten ma służyć do testowania i poprawiania akustyki pomieszczeń, stąd jego nazwa: REW to skrót od Room EQ Wizard. Jest to aplikacja Java, pozwalająca przeprowadzić szereg pomiarów, nie tylko elektrycznych, ale też akustycznych z wykorzystaniem (kalibrowanego) mikrofonu. Może mierzyć poziom sygnału (SPL), odpowiedzi amplitudowe i fazowe, opóźnienie grupowe, charakterystyki pogłosu, charakterystyki rozkładu energii, spektrogramy i różne inne. Może też przeprowadzać pomiary impulsowe oraz z użyciem szumów i RTA (Real Time Analyser). Ale podstawowym celem działania programu REW jest optymalne ustawienie lub obliczenie nastaw dla equalizera w testowanym systemie audio, żeby uzyskać możliwe najlepsze warunki odsłuchu w danym pomieszczeniu.

Co ważne dla elektronika, program REW zamienia wyjście karty audio w generator, wytwarzający rozmaite sygnały, w tym szumy oraz przebieg sinusoidalny przestrajany liniowo lub logarytmicznie. Natomiast sygnały z wejść karty dźwiękowej mogą być w rozmaity sposób zobrazowane na ekranie. W przyszłości wykorzystamy go też w roli oscyloskopu. W sumie program REW jest znakomitym, potężnym, bezpłatnym narzędziem dla elektroakustyków, z którego wielu możliwości elektronikowi wystarczą tylko nieliczne.

Program można pobrać ze strony:
www.roomeqwizard.com
Dostępna w chwili pisania tego artykułu stabilna wersja dla Windows o numerze 5.19 (najlepiej pierwsza proponowana z listy wersja 32-bitowa z dołączonym środowiskiem JRE – plik REW_windows_5_19_with_JRE.exe) ma około 33MB i została zainstalowana bez żadnych problemów. Uwaga! Nie należy instalować proponowanej przy każdym uruchomieniu  REW nieco nowszej wersji beta (5.20), która jest obsługiwana inaczej i do której wrócimy później! Powitalny ekran wersji 5.19 po rezygnacji z propozycji upgrade’u wygląda jak na rysunku 6.

Aby wykorzystać zewnętrzną kartę dźwiękową USB, musi ona być podłączona i widoczna w systemie operacyjnym komputera. Wtedy będzie ją można wybrać w programie REW. Po kliknięciu w prawym górnym rogu ekranu w ikonkę Preferences otworzy się okno i w pierwszej zakładce Soundcard trzeba będzie w niektórych okienkach zmienić ustawienia.

Na rysunku 7 czerwone strzałki wskazują, co trzeba było zmienić u mnie w przypadku karty Sound Blaster SB0270. Pozostałych ustawień na razie nie trzeba zmieniać, ale po dojściu do wprawy warto i tu trochę „pomajstrować”. A gdyby pojawiły się blokujące działanie komunikaty, takie jak pokazane na rysunku 8, trzeba po prostu zrestartować komputer, żeby system „zobaczył” dołączoną kartę USB.

Testy

Do przeprowadzenia wstępnych testów użyta została najpierw stara Sound Blaster SB0270 widoczna na fotografii tytułowej, a potem wysokiej jakości karta audio Crea­tive Sound Blaster X-Fi HD (SB1240), widoczna na fotografii 2. Według rysunku 5 wykonany został prosty uniwersalny adapter o schemacie pokazanym na rysunku 9.

Model pokazany jest na fotografii 10.

Rezystor wzorcowy R_S dla wygody jest montowany w złączce zaciskowej ARK3. Wykorzystane zostały trzy kable ekranowane z wtyczkami RCA. Ekrany kabli  (masa) dołączone są do niewykorzystanego środkowego zacisku kostki ARK. Badany element dołączany jest za pomocą wtyczek bananowym 2mm i miniaturowych krokodylków.

Zawsze, chcąc przeprowadzić pomiary, trzeba po lewej stronie u góry kliknąć ikonkę Measure. Ponieważ nie mamy (nie używamy) mikrofonu mierzącego poziom SPL, w okienku, które się pojawi, na pewno trzeba kliknąć Continue Anyway, jak pokazuje rysunek 11.

Chcemy mierzyć impedancje, więc na karcie, która się pojawi, trzeba wybrać Impedance, jak pokazuje rysunek 12.

Przed pierwszym pomiarem program żąda przeprowadzenia jednorazowej kalibracji impedancji. Na czas tej kalibracji, jak wskazuje czerwony napis, w okienku wartości rezystora wzorcowego R_SENSE trzeba ustawić wartość zero. W tym celu po pierwsze trzeba wpisać wartość zero w okienku, wskazanym na rysunku 5 zieloną strzałką. Po wpisaniu zera i kliknięciu na jakieś inne okienko tego panelu, pojawi się kolejny czerwony napis.

Jak pokazuje rysunek 13, należy odłączyć obciążenie (badaną rezystancję Z_X) oraz zewrzeć rezystor R_S w adapterze, a z uwagi na zakłócenia lepiej zastąpić go zworą, jak pokazuje fotografia 14.

Po kliknięciu Start Measuring sygnał z generatora zgodnie z rysunkami 4, 5, 9 zostanie podany przez zworę zastępującą R_S bezpośrednio na oba wejścia karty i komputer po prostu sprawdzi, czy charakterystyki przenoszenia wejść liniowych lewego i prawego są jednakowe. Zwykle identyczne nie są i po takiej kilkusekundowej kalibracji pojawi się na ekranie wykres kalibracyjny. Nie warto się nim przejmować, ale gdyby ktoś chciał go przeanalizować, to może zostać wprowadzony w błąd. Mianowicie na wykresie kalibracji impedancji pojawi się charakterystyka fazowa (przesunięcie fazy bliskie zeru), a do tego wykres z wartościami rezystancji bliskimi 100 omów. Nie są to omy, tylko procenty – jest to stosunek czułości obu kanałów wyrażony w procentach, ale myląco opisany za pomocą omów. Taki opis sugeruje bowiem, że rezystancja R_SENSE (R_S) musi wynosić 100Ω, zresztą taka wartość domyślnie jest wpisana w okienko R_SENSE – rysunek 12.

Nie! Wartość rezystora R_SENSE (R_S) może być dowolna! Po opisanej właśnie jednorazowej kalibracji, w okienko R_SENSE należy wpisać prawdziwą wartość używanego w adapterze rezystora R_S. I oczywiście trzeba ten rezystor zamontować w adapterze, jak pokazuje fotografia 15.

Następnie trzeba znów w lewym górnym rogu kliknąć Measure i w otwartym panelu w okienku R_SENSE wpisać dokładną wartość rezystora wzorcowego R_S. Ja przygotowałem dwa rezystory wzorcowe (100Ω i 1kΩ). Dokładnym miernikiem zmierzyłem ich wartość. Stąd na rysunku 16 wartość 99,7Ω.

W sąsiednim okienku R_LEADS warto pozostawić zero (ale kto chce, może później po nabraniu wprawy zmierzyć wartości średniej rezystancji przewodów przy zwarciu zacisków pomiarowych i wpisać tę wartość). Po takim przygotowaniu można już mierzyć impedancje.

Jak pokazuje fotografia 17, ja podłączyłem rezystor 22-omowy o tolerancji 5%. W oknie pokazanym na rysunku 16 trzeba kliknąć Start Measuring. Po kilku sekundach na ekranie pojawi się okno z wynikami pomiarów – przykład na rysunku 18.

Mamy przebieg impedancji rezystora w funkcji częstotliwości. Przebiegi modułu impedancji (niebieski) i fazy (fioletowy) na ekranie komputera mają zbliżone kolory, co może mylić, dlatego na rysunku 18 różnice tych kolorów zostały powiększone. Z prawej strony wykresu mamy oś fazy. Z lewej – oś modułu impedancji. Na dole oczywiście mamy oś częstotliwości.

Jak widać na rysunku 18, w zakresie średnich częstotliwości moduł impedancji rzeczywiście ma wartość około 22 omów. A przesunięcie fazy jest tam praktycznie równe zeru. Przy najniższych częstotliwościach wykres jest pokrzywiony – nic dziwnego – niedroga karta dźwiękowa ma pasmo przenoszenia mniej więcej od 20Hz wzwyż, a nasz wykres zaczyna się od 2 herców. W prawej części wykresów, powyżej częstotliwości 1kHz, w przebiegach zaczyna się pojawiać coraz więcej „śmieci”. Najprościej można to wytłumaczyć szumami z zakłóceniami wynikającymi z małego poziomu sygnału z generatora (choć kwestia ma też inne oblicza, co na razie pominiemy). Niemniej z grubsza biorąc, wyniki pomiaru rezystora wyglądają prawidłowo.

W następnej kolejności zmierzony został przebieg impedancji kondensatora 330nF ±10%. Uzyskany wykres pokazany jest na rysunku 19.

Ze wzrostem częstotliwości moduł impedancji kondensatora (w praktyce reaktancja X_C) maleje. Przy wyższych częstotliwościach wyraźnie widać, że przesunięcie fazy zbliża się do –90°. Wykres nie jest linią prostą jak w podręcznikach, ponieważ  skala oporności jest liniowa, a skala częstotliwości – logarytmiczna. Znów z grubsza biorąc, wyniki pomiaru wyglądają sensownie.

Następny test to pomiar cewki – dławika według fotografii 20, oznaczonego 332K.

Oznaczenie 332 to 3300 mikrohenrów, czyli 3,3mH, a duża litera K oznacza tolerancję ±10%. Wynik pomiaru pokazany jest na rysunku 21.

Znów z grubsza biorąc, wszystko pasuje, bo dla małych częstotliwości mierzymy rezystancję drutu, a ze wzrostem częstotliwości moduł impedancji cewki (w praktyce reaktancja X_L) rośnie, a przesunięcie fazy dąży do +90°.

Co ważne, jeżeli za pomocą myszki na takich wykresach użyjemy kursora, to w lewej dolnej części wykresu pojawi się małe okienko z informacjami o impedancji dla częstotliwości, która wskazuje kursor.

Program zmierzył napięcia na wejściach karty dźwiękowej, obliczył moduł impedancji i przesunięcie fazy, ale nie wie, jakie elementy spowodowały takie przesunięcie fazy. Otóż takie same przesunięcie fazy można uzyskać albo przy połączeniu szeregowym, albo równoległym rezystancji i reaktancji. Dlatego program we wspomnianych okienkach podaje dwie możliwości: wartości elementów przy połączeniu szeregowym oraz równoległym.

Na rysunku 22 mamy tylko takie okienka dla rezystora o nominale 22Ω ±5%, kondensatora 330nF ±10% i cewki 3,3mH ±10%, wycięte z rysunków 18, 19, 21 z dodatkowo zaznaczonymi schematami zastępczymi (dla danej częstotliwości wskazywanej przez kursor).

Jak widać, program trafnie określa wartość mierzonej pojemności i indukcyjności! Przesuwając kursor w prawo i w lewo, można sprawdzić, że wartości mierzonej pojemności i indukcyjności nieco się zmieniają dla innych częstotliwości. Można to jednak uznać nie za błąd pomiarowy, tylko za niedoskonałość elementów, zwłaszcza w przypadku cewek z rdzeniem.

Do niedoskonałości wrócimy, a na razie inne istotne szczegóły: darmowy program REW jest naprawdę znakomity, ale na początku niektóre szczegóły mogą skutecznie zniechęcać początkujących. I tak po pomiarze impedancji, zamiast dwóch spodziewanych krzywych, na wykresie zwykle wyświetlana jest tylko jedna – charakterystyka fazowa, której skala leży z prawej strony rysunku. Charakterystyka amplitudowa (moduł impedancji) zwykle jest niewidoczna z uwagi na przypadkowe ustawienie skali oporności (skali z lewej strony rysunku). Nieoptymalne może też być ustawienie dolnej, poziomej skali częstotliwości. Ustawienia tych skal można zmieniać kółkiem myszki, jeżeli kursor jest wewnątrz obrazka z charakterystykami, blisko danej osi. Ustawienia trzech skal wykresu można też zmieniać, klikając niebieskie okrągłe znaczki lupy (+, –), wskazane na rysunku 23 zielonymi strzałkami.

Gdy wykres jest rozciągnięty, zawartość można przesuwać suwakami, wskazanymi niebieskimi strzałkami.

Bardzo potrzebny jest kursor, który można dowolnie przeciągać myszką po ekranie (z wciśniętym lewym klawiszem myszki). Na rysunku 23 nie widać kursora, którym jest duży krzyżyk, ale miejsce ostatniego przeciągnięcia kursora pokazują dwie prostopadłe czarne linie. Fioletowe strzałki wskazują, że poziome ustawienie tych linii i kursora to częstotliwość, dla której pokazywane są wyniki w małym okienku – na rysunku 23 dla częstotliwości 1,99kHz. I to jest jasne. Natomiast mylące jest położenie poziomej linii i wyświetlonych wartości modułu impedancji i fazy, wskazanych czerwonymi strzałkami. Otóż te wartości (na rysunku: 21,852Ω i 7,4°) nie mają nic wspólnego z wynikami pomiaru – one po prostu pokazują, jakie współrzędne ma na ekranie pozioma linia przy aktualnych skalach modułu impedancji i fazy. I to może być mylące, ponieważ w innych programach kursor zwykle śledzi zmierzone wartości, a tutaj tak nie jest.

Omówione właśnie szczegóły mogą przeszkadzać przy pierwszym kontakcie z programem. Nie wolno się tym zrazić! Trzeba po prostu trochę poeksperymentować i przyzwyczaić się do specyficznej obsługi skal i kursora.

A w sumie program REW naprawdę jest znakomity. Ogromną zaletą jest to, że wyniki pomiarów można zapisywać w plikach z rozszerzeniem .mdat (a potem je wczytywać i analizować). W głównym oknie pojawiają się miniaturki reprezentujące kalibrację i kolejne pomiary, a dane z tych pomiarów można zapisać, klikając ikonki wskazane czerwonymi strzałkami na rysunku 24.

Rysunki w niniejszym artykule to zrzuty z ekranu, ale uzyskane wykresy można też zapisywać jako oddzielne pliki graficzne (JPG lub lepiej PNG). Następuje to po kliknięciu ikonki aparatu – Capture, co otwiera okienko pokazane na rysunku  25, gdzie można ustawić szczegóły takiego rysunku.

Podsumowanie. Ogólnie biorąc, wstępne wyniki testów bardzo prostego adaptera oraz darmowego programu można byłoby uznać za bardzo dobre.

Niestety, aż tak dobrze nie jest. Wątp­liwości mogą budzić różne szczegóły przedstawionych wyników. Ponadto na potrzeby tego artykułu badane elementy R, L, C zostały tak wybrane, żeby wyniki pomiarów możliwie mało odbiegały od rzeczywistości. Gdyby elementy były inne, wyniki  obarczone zostałyby dużo większymi błędami.

Przede wszystkim jest to wynik niedoskonałości użytej karty dźwiękowej, a mniej programu REW. Opisane dotąd testy celowo wykonane zostały z użyciem starej karty Sound Blaster SB0270, żeby zasygnalizować niedoskonałości, a potem popracować nad poprawą sytuacji. Pomiary tych samych elementów z wykorzystaniem tego samego prościutkiego adaptera, ale dużo lepszej karty Sound Blaster X-Fi HD (SB1240), dały zdecydowanie lepsze wyniki, pokazane na rysunku 26 – porównaj uzyskane wartości z rysunkiem 22.

Wyniki pomiarów są lepsze, ale też dalekie od doskonałości. Wielu Czytelników zapewne zechce przeprowadzić podobne eksperymenty z posiadanymi kartami dźwiękowymi, mającymi stereofoniczne wejście Line IN. Aby zapoznać się z bardzo użytecznym programem REW i zbadać ograniczenia, warto zmierzyć wartości rezystancji, pojemności i indukcyjności w jak najszerszym zakresie. W szczególności koniecznie trzeba sprawdzić, jaki będzie wynik pomiaru:

1 – przy zwarciu zacisków pomiarowych (Z_X = 0). Taka mniej więcej jest impedancja przewodowa adaptera – u mnie około 0,1Ω. Średnią wartość z takiego pomiaru można wpisać jako  R_LEADS w okienku z rysunku 16.

2 – przy rozwarciu zacisków pomiarowych (Z_X = ∞). To będzie duża niespodzianka! I okazja do przemyślenia: co tak naprawdę zostało zmierzone. A także argument, że pomiary koniecznie trzeba ulepszyć.

Opisywane właśnie wstępne testy, przeprowadzone celowo z wykorzystaniem standardowej w chwili pisania artykułu wersji programu REW 5.19 (a nie dostępnej wtedy wersji beta 5.20 RC4), mają zwrócić uwagę ma niedoskonałości i problemy. Nietrudno się domyślić, że podstawową przyczyną błędów jest tu mała oporność wejściowa wejścia Line In, które zwykle ma rezystancję od kilku do kilkudziesięciu kiloomów. Ale źródłem błędów może też być znaczna oporność wyjściowa i mała wydajność prądowa wyjścia Line Out. Przy pomiarze impedancji mała rezystancja wzorcowa R_S i mała impedancja Z_X spowodują silne obciążenie wyjścia Line Out, co może spowodować nie tylko zmniejszenie amplitudy, ale być może też silne zniekształcenia nieliniowe sygnału z wyjścia Line Out.

Aby poprawić sytuację, należy zdecydowanie zwiększyć rezystancję wejściową oraz zmniejszyć rezystancję wyjściową karty dźwiękowej.

Jak na razie nie widać tytułowej REWelacji! REWelację pokazuje następny artykuł MR082, gdzie wykorzystujemy dedykowaną przystawkę zdecydowanie polepszającą warunki pomiaru oraz lepszą wersję programu. Przystawka jest opisana w oddzielnym artykule (MR084), a do programu REW i jego wersji 5.20 wrócimy, a także na życzenie mogę zapoznać Czytelników z innym znakomitym darmowym programem, również o rewelacyjnych możliwościach.

Piotr Górecki