Как проверить частоту звуковой карты
Обновлено: 21.11.2024
ПК содержит множество источников синхронизации. Очевидным является время суток, которое реализовано в автономном режиме с помощью микросхемы часов CMOS 32 кГц с питанием от литиевой батареи и в режиме онлайн с помощью непрерывного подсчета периодических запрограммированных прерываний, управляемых кристаллом. Ни один из них не известен своей большой точностью. К другим источникам синхронизации относятся таймеры высокого разрешения, таймеры тактового цикла ЦП, генераторы скорости передачи данных последовательного порта, генерация видеокадров и базы времени звуковой карты.
Насколько точна обычная звуковая карта ПК? Насколько стабилен выход? Как это измерить?
Было бы легко заставить звуковую карту генерировать, скажем, тон частотой 1 кГц, а затем измерять точность этого сигнала.
Вместо этого я написал простой инструмент, который генерирует 1 PPS со звуковой картой. При типичной частоте дискретизации CD-аудио 44,100 кГц (22,675 мкс на выборку) инструмент создает повторяющуюся форму волны, состоящую из 44099 выборок с нулевым напряжением и 1 выборки с ненулевым напряжением. В результате аудиовыход полностью тихий, за исключением одной выборки в секунду.
На осциллографе выводится серия знакомых импульсов с частотой 1 импульс в секунду:
Более подробное рассмотрение одного импульса ниже показывает, что время нарастания порядка ширины одной выборки, около 20 микросекунд.
Выходное сопротивление выхода наушников звуковой карты ПК довольно низкое, поэтому можно использовать входную нагрузку 1M или 50R. Для счетчика TI используйте уровень запуска 250 мВ постоянного тока при 50R.
Измерение точности и стабильности частоты затем выполняется, как если бы это был любой другой источник синхронизации 1 PPS, такой как источник тактовой частоты XO, TCXO, OCXO, WWVB, Loran-C, GPS, Rubidium или Cesium.
Прежде чем мы начнем, позвольте мне предположить, что точность звуковой карты ПК лучше, чем у часов на ПК, но не так хороша, как у любого лабораторного источника частоты. Позвольте мне также предположить, что, поскольку он основан на кварце, будет виден некоторый дрейф частоты.
Результаты
Используя счетчик TI HP 53132A и удобный эталон GPS 1 PPS, я записал измерения фазы 1 PPS в течение примерно 8 часов ночью.
Данные содержали дрожание и скачки фазы. Вероятно, это связано с тем, что я запускаю его на своем основном компьютере, а не на тихом. Они были удалены на графиках ниже.
Просмотр необработанных данных счетчика TI:
Всего в нескольких примерах мы уже видим частотную ошибку. Если бы звуковая карта была совершенно точной, мы бы ожидали одинаковое значение TI (ошибка фазы) между эталоном 1 PPS и звуковой картой 1 PPS. Вместо этого мы видим, что каждую секунду звуковая карта отстает на 5-й знак после запятой. На самом деле, всего за 11 секунд данных мы видим, что фазовая ошибка составляет (0,1389973689 - 0,1385551825) = 0,0004421864 секунды, что составляет 442 микросекунды за 10 секунд или 44 ppm.
Ниже показан необработанный фазовый график с использованием Stable32. Главное, на что следует обратить внимание, — это постепенный наклон вниз, типичный фазовый сдвиг в одну секунду и несколько сбоев.
Очистка данных. Ниже представлен частотный график. Обратите внимание, что ошибка частоты составляет около -4,4e-5, что составляет 44 ppm (что соответствует быстрому расчету на основе необработанных фазовых данных). Обратите внимание также на неравномерный частотный шум, а также на небольшую тенденцию к уменьшению частотной погрешности.
Нормализация приведенного выше дает график ниже. Ошибка размаха частоты составляет порядка 1 ppm, а нисходящий наклон составляет -2,11e-11/с (* 86400 = 1,82e-6/день).
Определение фактической частоты дискретизации вашей звуковой карты или чипсета
Многие звуковые карты или наборы микросхем аналого-цифрового преобразования заявляют о частоте дискретизации выше 48 кГц. Часто утверждается, что они поддерживают до 192 кГц. Хотя это может быть правдой (поддерживается), система может или не может фактически выполнять выборку с частотой выше 48 кГц. Вместо этого система эмулирует частоты выше 48 кГц. Итак, как узнать, что делает ваша система? Вот метод измерения частоты дискретизации с использованием программного обеспечения Diamond Cut Productions, основанный на том, что Найквист учит нас о выборке данных. Из его теоремы мы узнаем, что частота дискретизации системы должна быть как минимум в два раза больше максимальной частоты, чтобы ее можно было точно оцифровать. Так, например, система дискретизации 44,1 кГц даст в идеальных условиях (идеальные фильтры кирпичной стены) верхний предел частоты 22,05 кГц. Следующее использует функцию записи программного обеспечения Diamond Cut Productions вместе с анализатором спектра. Итак, что мне делать?
<р>1. Настройте звуковую карту для микрофонного входа. Это значение следует устанавливать не для внутреннего микрофона, а для внешнего, доступного через внешний входной разъем вашей системы (часто состоящий из 1/8-дюймового разъема TRS). <р>2. Подключите кабель к микрофонному входу. Убедитесь, что он ни к чему не подключен на другом конце, и убедитесь, что концы не касаются чего-либо металлического. <р>3. Настройте программный рекордер Diamond Cut на следующие параметры:A. Стерео
Б. 16-битное разрешение
C. Частота дискретизации 192 кГц <р>4.Теперь запишите (молчание) в течение примерно 20 секунд и сохраните файл, пометив его для облегчения поиска. <р>5. Откройте файл в программном обеспечении Diamond Cut Productions. <р>5. В меню "Вид" откройте анализатор спектра. <р>6. Настройте анализатор спектра следующим образом:
A. Размер БПФ: 8192
B. Разрешение по частоте: 23,44 Гц
C. Окно: Бессель
Д. Амплитудный диапазон: 50 дБ
E. Режим отображения: медленный <р>7. С помощью мыши выделите 2/3 файла, не включая начало и конец записи (сигнал не будет виден, так как шумовой сигнал зарыт в грязь - - - но он есть). <р>8. Нажмите на значок "Зацикленное воспроизведение" на панели инструментов. <р>9. На анализаторе спектра начнет накапливаться сигнал. Используйте элемент управления «Смещение», чтобы поместить очевидную «ступеньку» в центр экрана. <р>10. После того, как сигнал нарастает в течение нескольких секунд, вы можете щелкнуть левой кнопкой мыши по участку резкого падения отображаемого сигнала. Резкий спад — это действие сглаживающего фильтра звуковой карты или набора микросхем аналого-цифрового преобразователя. <р>11. Посмотрите в верхний левый угол дисплея анализатора спектра, и вы увидите отображаемое значение частоты. <р>12. Частота дискретизации вашей звуковой карты примерно в два раза выше этого значения. <р>13. Например, на этом компьютере он читает 23,5 кГц (при том, что я записывал на 192 кГц). Таким образом, реальная частота дискретизации для моего компьютера составляет 23,5 кГц x 2 = 47 кГц. <р>14. Хотя моя компьютерная система поддерживает частоту дискретизации 192 кГц, она эмулирует все, что выше 47 кГц. <р>15. Я видел аналого-цифровые преобразователи (звуковые карты и/или наборы микросхем), которые действительно сэмплируют на частоте 205 кГц, что дает верхний предел частоты в 100 кГц. Они используются в основном в научных приложениях и исследованиях.
Примечание. Если вы не уверены, что используете файл с частотой дискретизации 192 кГц, перейдите в меню «Вид» и нажмите «Информация о файле», и вы увидите отчет о частоте дискретизации файла.
Чтобы отправить звук в VoxForge, вам необходимо убедиться, что ваша звуковая карта и драйвер вашего устройства поддерживают сэмплирование 48 кГц при 16 битах на семпл.
Вы можете использовать SoundCheck из программного обеспечения Passmark. Он проприетарный, но имеет 30-дневный пробный период.
После того, как вы загрузите и установите Soundcheck, вы сможете определить максимальную частоту дискретизации и количество битов на сэмпл, поддерживаемые драйвером вашего аудиоустройства, щелкнув следующее в главном меню Soundcheck:
Настройки>Просмотр возможностей Wave — Windows
Откроется окно "Возможности устройства". Убедитесь, что для параметра «Выбрать ввод-вывод» установлено значение «Вход», и что у вас есть правильное «Устройство» (если вы не знаете, используйте значение по умолчанию). " и прокрутите вниз до конца списка, чтобы увидеть максимальные скорости, поддерживаемые вашим звуковым драйвером.
У меня установлен драйвер «Realtek AC97 Audio», и максимальные скорости записи (т. е. ввода), которые он поддерживает, следующие:
<р>2. Звуковая карта — максимальная скоростьЧтобы убедиться, что ваша звуковая карта также поддерживает частоту дискретизации 48 кГц при 16 битах на сэмпл, вам нужно записать звук — ваш голос подойдет для этого теста.
В разделе «Звуковой формат» главного окна Soundcheck выберите следующие настройки:
Запрашиваемая частота дискретизации: 48000 Гц (лента DAT)
Каналы: 1 (моно)
Разрешение: 16 бит
В поле Скорость передачи данных (байт/с) обратите внимание на значения в этих полях:
Запрошено: 96000
Фактическое количество: (пусто)
Среднее количество: (пусто)
Затем запишите (щелкните значок кружка в левом нижнем углу окна SoundCheck), как вы произносите предложение без пауз в течение примерно 3 секунд. Если значение в «Среднем входе» соответствует запрошенному значению (примерно на +-5%), ваше оборудование поддерживает запись с частотой дискретизации 48 кГц и 16 битами на выборку.
Я записал свое высказывание "это тест" и получил следующие значения:
Запрошено: 96000
Фактическое: 97901
Среднее: 95358 (-0,67%)
Я все еще ищу решение с открытым исходным кодом для определения максимальной частоты дискретизации звуковой карты (или USB-микрофона) и количества битов на сэмпл. Пожалуйста, дайте мне знать, если вы столкнетесь с одним из них.
В этой серии статей Стюарт Янигер рассматривает некоторые из доступных вариантов и методов создания недорогой системы (с акцентом на «недорогой») для лабораторных измерений аудиоэлектроники и приводит несколько примеров. Во второй части Янигер начинает с изучения требований к звуковой карте и критериев, чтобы решить, какие функции искать в звуковой карте, предназначенной для измерения звука. Эта статья была впервые опубликована в audioXpress в июле 2015 г.
В этой серии статей мы рассматриваем способы создания недорогой системы (акцент на «недорогой») для лабораторных измерений аудиоэлектроники.Прочитав введение в прошлом месяце, я надеюсь, что убедил тех из вас, кто еще не начал использовать компьютерные измерительные системы, попробовать. Это значительно расширит ваши возможности в проектировании, строительстве, оценке и устранении неполадок.
Очень удобная система может быть реализована менее чем за 200 долларов США. Вам понадобятся три вещи, чтобы получить измерительные возможности, о которых любители могли только мечтать в прошлом веке: звуковая карта (аппаратное обеспечение), измерительное программное обеспечение и средства сопряжения тестируемого устройства (ИУ) со звуковой картой. В этом месяце мы начнем с изучения требований к звуковой карте. Поскольку большинство звуковых карт предназначены для геймеров, домашних кинотеатров и музыкантов, нам необходимо решить, какие функции следует искать в звуковой карте, предназначенной для измерения звука.
Входы
Музыканты любят множество входов с большим количеством регуляторов громкости. Но обычно они вам не нужны, и это еще один способ ошибиться в уровнях. Идеальная звуковая карта с двумя входами. Микрофонные предусилители, встроенные в некоторые из этих устройств, потенциально могут быть полезны для низкоуровневых измерений, но в тех немногих, которые я пробовал, схема была загадкой и сильно ограничивала искажения и шумовые характеристики.
Вам нужны входы линейного уровня (например, входное сопротивление от 10 до 20 кОм и от 1 до 4 VRMS, полная шкала). Балансные входы и выходы являются большим плюсом для измерений. Они дают вам максимальную гибкость в тех вещах, которые вы можете легко измерить, и предоставляют больше возможностей для заземления для достижения самого низкого уровня шума при измерении. Балансные входы будут подавлять синфазный шум, а также могут работать в одностороннем режиме, если это необходимо для измерения.
Наиболее часто используемыми входными и выходными разъемами являются XLR (достаточно универсальные для профессиональной записи) и 0,25-дюймовые разъемы для наушников (которые популярны в полупрофессиональном и любительском производстве музыки). Некоторые устройства даже имеют комбинированные разъемы, которые могут принимать оба. Штекерные разъемы RCA для аналоговых входов/выходов являются верным признаком того, что входы и выходы несимметричные. Так же мини телефонные штекеры. Вы все еще можете работать с ними, но это излишне ограничивает, и шум может легко исказить измерения.
Фото 1. Отводной кабель для звуковой карты PCI хоть и не обязателен, но является удобной функцией, дающей гибкость в выборе разъема.
Частота дискретизации
Определяет высокочастотные пределы ваших измерений. Теорема Найквиста показывает максимальную частоту, с которой можно точно произвести выборку, известную как «предел Найквиста», она составляет половину частоты выборки. (Исторически эта работа приписывается как Гарри Найквисту, так и Клоду Шеннону, но по какой-то причине имя Найквиста, кажется, доминирует. Я не упоминаю Шеннона для удобства и последовательности, а не для того, чтобы пренебречь этим блестящим математиком, который был также выдающийся пионер современной теории информации.)
Как правило, в аналого-цифровых преобразователях есть фильтры для ограничения входной частоты ниже предела Найквиста, но эти фильтры не являются идеальными кирпичными стенами, пропуская все данные ниже предела Найквиста и блокируя все данные выше предела Найквиста. Таким образом, на практике максимальная измеримая частота будет несколько ниже предела Найквиста. Как правило, я предполагаю, что я не могу доверять ничему, превышающему 90% от предела Найквиста (например, для частоты дискретизации 192 кГц предел Найквиста составляет 96 кГц, поэтому я могу использовать измерение примерно до 87 кГц). до 88 кГц).
При прочих равных условиях чем выше частота дискретизации, тем лучше. Минимальная частота составляет 96 кГц для любого серьезного измерения — 192 кГц достаточно для тестирования большинства оборудования в звуковом диапазоне. Кажется, что на рынке звукозаписи очень мало внимания уделяется частотам дискретизации выше 192 кГц, поэтому мы, вероятно, ограничимся этим в обозримом будущем. И даже эта частота дискретизации является исключением, поскольку 96 кГц, похоже, стали де-факто стандартом высокого разрешения, а звуковые карты с частотой 192 кГц быстро исчезают из ассортимента дилеров.
Две звуковые карты, которые я использую в своей повседневной работе, — это внутренняя (PCI) карта M-Audio Delta Audiophile 192 с двухканальным сбалансированным вводом-выводом и поддержкой 24 бит/192 кГц. ; и внешняя карта Echo Audiofire 2 с двухканальным сбалансированным вводом-выводом и поддержкой 24-бит/96 кГц, которая обменивается данными с моим ноутбуком через Firewire (стандарт интерфейса IEEE-1394).
В обоих случаях для каждого канала используются стереоразъемы диаметром 0,25 дюйма. Что касается входных и выходных уровней, 0 дБ полной шкалы (полный уровень) = 4 dBu (1,25 VRMS) для Echo и 0 дБ FS = 14 dBu (3,9 VRMS) для M-Audio. Если вы можете позволить себе цену, Lynx L22 обладает потрясающей производительностью с частотой дискретизации 200 кГц, искажениями и шумом в диапазоне одноразрядных частей на миллион и доступен в низкопрофильном формате PCIe.
В качестве внешней карты я использовал Focusrite Scarlett 2i2 несколько раз с хорошими результатами. Как и в случае с большинством других USB-интерфейсов, его максимальная частота дискретизации составляет 96 кГц, но искажения и шумовые характеристики устройства, которое я пробовал, были превосходными. Текущая доступность этих конкретных моделей неоднородна, но есть несколько похожих устройств, заполняющих свои ниши, и в ближайшие несколько месяцев я рассмотрю некоторые из них.
Одной из приятных функций является ввод/вывод через отводной кабель, а не через разъемы, встроенные в устройство (см. Фото 1). Это уменьшает проблемы с разгрузкой от натяжения длинных кабелей и, в качестве бонуса, позволяет изменить тип разъема, отрезав старые разъемы и припаяв новые. Это несколько сложнее сделать с разъемами, припаянными непосредственно к печатной плате. Может быть полезно использовать маркер контрастного цвета для обозначения разъемов, особенно для тех из нас, у кого старые глаза или неизбежно плохое освещение за компьютером.
Рисунок 1a. Прямоугольный сигнал частотой 1 кГц, сгенерированный с частотой дискретизации 96 кГц.
Рисунок 1b: прямоугольная волна частотой 1 кГц, сгенерированная с частотой дискретизации 192 кГц.
Ограничения
Поскольку вся эта замечательная измерительная мощность (буквально) находится в наших руках, возникает большое искушение думать, что в «обычном» испытательном оборудовании больше нет необходимости. К сожалению, это не так, поскольку измерения на основе звуковой карты имеют ограничения.
Прежде всего, это пропускная способность. Как упоминалось ранее, высокочастотный предел компьютеризированной тестовой системы определяется частотой Найквиста. Так что если схема колеблется на частоте 20 МГц (что не редкость), она будет для вас невидимой. Точно так же, если вы хотите измерить остаточный переменный ток на выходе импульсного источника питания или усилителя класса D, содержание гармоник в зубчатой волне 30 кГц или качество сигнала SPDIF, вам не повезло. Если вы хотите посмотреть на рост искажений в усилителе с увеличением частоты (что является обычным явлением из-за падения коэффициента усиления без обратной связи), гармоники выше второго порядка для сигнала 20 кГц не будут обнаружены для звука 96 кГц. звуковой картой, а гармоники выше четвертого порядка не будут обнаружены на звуковой карте 192 кГц.
Другим последствием ограниченного диапазона высоких частот является то, что чистые прямоугольные волны не могут генерироваться на средних и высоких частотах. Прямоугольные волны имеют бесконечное число гармоник нечетного порядка. Усечение выше некоторого верхнего предела частоты приводит к появлению сигнала со звоном (печально известный феномен Гиббса). Ограничение полосы пропускания половиной частоты дискретизации, необходимой для удовлетворения критерия Найквиста, замедлит время нарастания и вызовет звон (см. рис. 1).
Помимо звона из-за ограничения полосы пропускания, эти диаграммы также показывают влияние частоты дискретизации: чем выше частота дискретизации, тем выше выброс, но меньше величина. Частотный спектр дискретизированной прямоугольной волны показан на рисунке 2. Все гармоники присутствуют вплоть до порога Найквиста. Мы просто ограничены базовой математикой, которая требует бесконечной пропускной способности, и это неустранимая причина звонка.
Поэтому использование прямоугольных импульсов для проверки стабильности усилителя лучше оставить обычным приборам (например, генераторам прямоугольных импульсов и осциллографам), несмотря на соблазны цифровых осциллографов и генераторов прямоугольных импульсов, встроенных в измерительное программное обеспечение.
На другом конце частотного диапазона входы и выходы звуковых карт связаны по переменному току, поэтому измерения постоянного тока и очень низких частот (например, измерение дрейфа смещения во времени и диэлектрической абсорбции конденсаторов) выполнить невозможно. без создания какого-то сложного интерфейса типа чоппера. Хорошая звуковая карта может работать значительно ниже частот спада сабвуфера и должна даже измерять резонансные частоты звукоснимателя фонокорректора (оптимально от 7 до 12 Гц).
Во-вторых, сопротивление. Входное сопротивление звуковой карты, вероятно, будет где-то около 10 кОм. Это не проблема, если вы измеряете такие вещи, как предусилители с низким выходным импедансом или выходы источника питания, но если вы хотите измерить источник с высоким импедансом (например, сигнал на пластине лампы или стоке полевого транзистора), звуковая карта загрузит его. Однако эту проблему можно легко исправить.
В-третьих, диапазон звуковых сигналов варьируется от микровольт до сотен вольт, тогда как звуковые карты лучше всего работают в диапазоне от 1 до 2 В. Если, например, входной сигнал для измерения искажения слишком слаб, будет трудно уловить гармоники в шуме. Если сигнал слишком сильный, измеренные искажения будут высокими из-за перегрузки входного каскада звуковой карты.Если сигнал достаточно сильный, он может даже повредить входы звуковой карты. Как и в случае с импедансом, об этом также легко позаботиться, как мы увидим позже в этой серии статей.
В-четвертых, у вас должна быть возможность проверить свою работу. Есть так много движущихся частей, что странные измерения должны быть проверены. Вы можете обнаружить, что захотите сделать это как само собой разумеющееся. Видите много высоких гармоник высокого уровня в синусоидальном измерении или странную частотную характеристику? Они могут быть там, но также может быть, что-то обрезается, или есть неправильные настройки, или множество других причин. Аналоговый осциллограф обеспечит полезную проверку. Аналогично, необычный шум — проблема с заземлением или наводка какого-то излучающего устройства?
В-пятых, зависимость спектра искажения от уровня может наводить на размышления, но использование осциллографа для изучения выходных данных остаточного искажения обычного анализатора искажений будет быстрее и точнее. Конечно, вы можете увеличить свою измерительную мощность, направив выходной сигнал анализатора искажений в систему измерения звуковой карты, что позволит контролировать его во временной области (т. е. с помощью виртуального осциллографа) или в частотной области (т. е. с помощью анализатора спектра).
Сравнение сигнала искажения с входным сигналом может дать подсказки относительно источника искажения, отметив точки на сигнале, где происходит искажение. Например, если в форме волны искажения есть всплеск, который совпадает с пересечением нуля входным сигналом, вы, вероятно, имеете дело с перекрестным искажением.
Рисунок 2. Спектр в частотной области прямоугольного сигнала частотой 1 кГц, сгенерированного с частотой дискретизации 192 кГц. Обратите внимание, что присутствуют все гармонические составляющие ниже частоты Найквиста.
Итог
Виртуальный швейцарский армейский нож хорошей системы на основе звуковой карты позаботится о подавляющем большинстве ваших потребностей, но время от времени вам приходится лезть в свой метафорический набор инструментов и вытаскивать рулетка или разводной ключ. Большие инструменты всегда найдут применение. И голую звуковую карту нужно будет «одеть», чтобы воспользоваться ее универсальностью и производительностью. К счастью, эта часть проста.
В следующей статье мы рассмотрим компьютеры и некоторые варианты программного обеспечения для измерений. топор
Эта статья была впервые опубликована в audioXpress в июле 2015 г.
Читайте также: