Come usare una scheda audio per misurazioni

Le possibilità e qualità delle moderne schede audio per PC stanno aumentando. Le nuove schede audio lavorano fino a 24 bit e con frequenze di campionamento più alte, che in alcuni casi possono arrivare a 196 kHz. Oggi, pertanto, è possibile utilizzare la maggior parte delle schede audio come dispositivo di misurazione audio per scopi non professionali, se il dispositivo da misurare ha caratteristiche peggiori della scheda audio. Inoltre, con un software gratuito, potete trasformare il vostro computer in un oscilloscopio, un analizzatore di spettro e un generatore di segnali per il vostro laboratorio.

Le moderne schede audio possono essere molto utili per lo scienziato dilettante. Infatti, innanzitutto possono essere usate come oscilloscopio “di emergenza” (per frequenze fino a 20 kHz), strumento che permette di visualizzare su un grafico bidimensionale l’andamento nel tempo di un segnale elettrico e di effettuare misure di tensione e di periodo. Avevamo già accennato questa possibile applicazione delle schede audio nel ns. articolo Come realizzare un generatore di funzioni, che trovi qui.

Ma, soprattutto, le moderne schede audio possono essere usate per l’acquisizione e misurazione di segnali audio dai dispositivi più vari: microfoni, radio, lettori CD, stereo, smartphone, etc. L’uscita audio di tali apparecchi ha frequenze comprese fra circa 20 Hz e 20 kHz, grazie a filtri passa-banda: un passa-alto per proteggere la membrana degli auricolari / altoparlanti dalla corrente continua che causerebbe inutili sollecitazioni meccaniche e un passa-basso per assicurarti che si senta poco rumore.

Le schede audio possono essere usate come un oscilloscopio con appositi software. Screenshot di Winscope che mostra una forma d’onda sinusoidale a 600Hz.

Ed in questo secondo utilizzo le schede audio possono essere di gran lunga migliori e più semplici da usare – grazie anche a software gratuiti di analisi audio (ad es. della forma d’onda e dello spettro in frequenza) superiori, molto simili a quelli professionali – rispetto ad una scheda Arduino. Si noti che la capacità, sia di una scheda audio sia di una Arduino, di misurare i segnali audio e convertirli in segnali digitali che possono essere elaborati è fornita dal cosiddetto “convertitore analogico a digitale” (ADC).

Perché una scheda audio è migliore di Arduino

Il suono – che sia una voce, un singolo tono, un rumore, una musica o quant’altro non importa – è un’onda che si muove nello spazio e quando viene memorizzata (in forma digitale o analogica) è rappresentata da una forma d’onda, che è l’ampiezza dell’onda misurata in ciascun punto nel tempo in un determinato punto dello spazio. Puoi pensare a questo come al suono che passa attraverso un microfono dove viene costantemente misurato e le misure formano la forma d’onda.

Poiché possiamo misurare solo un numero finito di volte per unità di tempo, questo processo di misurazione si chiama “campionamento”, e genera un segnale discreto, cioè non continuo. Inoltre, ogni campione viene reso discreto anche nel tempo, durante questo processo, poiché i computer e i circuiti integrati hanno una precisione e una capacità di memorizzazione limitate. La figura qui sotto mostra in maniera molto chiara il campionamento di una forma d’onda.

Il campionamento di una forma d’onda.

Mentre una scheda Arduino Uno lavora a 10 bit (cioè rileva i livelli di tensione nell’intervallo 0-5 V e li converte in valori nell’intervallo compreso tra 0 e 1024), corrispondenti a una risoluzione max di 5 mV, una moderna scheda audio economica lavora a 16 bit, corrispondenti a una risoluzione max di 0,3 mV. La frequenza di campionamento del convertitore analogico-digitale (ADC) di una scheda audio e di una scheda Arduino determina, invece, il loro limite di frequenza superiore (in kHz).

Per le moderne schede audio, tale limite e la gamma di frequenza non sono un problema. Ma, per essere utilizzabile come un buon strumento di misurazione audio, una scheda audio dovrebbe avere una gamma dinamica di almeno 100 dB, e un basso livello di distorsione (inferiore allo 0,1% della distorsione armonica per entrambi i circuiti di ingresso e di uscita). Come vedremo fra poco, soltanto delle schede audio esterne di livello professionali soddisfano la maggior parte delle condizioni richieste.

Il case del computer non è il luogo adatto per una scheda audio che venga utilizzata per misurazioni audio, a causa delle numerose fonti di rumore. I risultati migliori possono essere raggiunti con schede audio esterne, come ad esempio i modelli USB o IEEE1394. Occorre anche considerare che una larghezza di banda inferiore per il trasferimento dei dati – come ad esempio quelle delle porte USB più vecchie – limita la massima frequenza di campionamento e il numero di canali audio simultanei.

Una scheda audio professionale a 24 bit e 192 kHz collegabile tramite porta IEE1394 (Firewire). Puoi acquistare varie schede audio a 24 bit online, ad es. qui.

Inoltre, un microfono da solo non è in genere in grado di fornire abbastanza tensione affinché Arduino possa rilevare un cambiamento. L’ADC necessita di una variazione di 5 V / 1024 = 4,8 mV per aumentare il valore digitale di 1, ma un tipico “microfono a elettrete” potrebbe non fornire questa variazione di tensione per suoni silenziosi. Per questo motivo il microfono va spesso utilizzato con un amplificatore a guadagno fisso, che può essere fornito in un modulo Arduino compatibile (ad es. il MAX4466).

D’altra parte, un rumore molto forte e un amplificatore ad alto guadagno possono portare un segnale al massimo di 5 V, “sovraesponendo” o “tagliando” e di nuovo portandoci in una situazione in cui il campionamento è inutile. Pertanto è importante abbinare il dispositivo e il livello di amplificazione (guadagno) giusto a ogni scenario di utilizzo. Ed in questo senso la scheda audio, che ha due ingressi – uno microfonico amplificato e uno audio non amplificato – è senz’altro preferibile.

Come scegliere e testare una scheda audio

Cosa rende un dispositivo di misurazione audio buono? Come prima cosa, le sue caratteristiche elettriche e audio dovrebbero essere migliori del dispositivo audio che viene misurato. Se uno misura un lettore CD a 16 bit, dovrebbe usare per la misurazione un dispositivo con un maggiore livello di conversione A/D, ad es. a 24 bit. Inoltre, la gamma di frequenza dei lettori CD è di 20 kHz, quindi il dispositivo che viene usato per “misurare” un lettore CD deve avere una gamma di frequenza di lavoro più ampia.

Una scheda audio esterna USB. Ne puoi trovare diverse a buon prezzo qui.

Le moderne schede audio soddisfano questi requisiti di base e quindi possono essere utilizzate come dispositivo di misurazione. Ma sorge la domanda: quanto? Il problema più grande con le schede audio per PC è il rumore. Sebbene vengano fatti grandi sforzi per ridurre il rumore nel case del PC, questo è ancora il grosso problema: il gran numero di ventilatori utilizzati per il raffreddamento, le numerose parti mobili (hard disk, lettori DVD e CD) sono tutti grandi generatori e fonti di rumore elettrico.

Anche i moderni alimentatori switching, con le loro elevate frequenze, sono generatori di rumore. Tutto ciò influenza la qualità di una scheda audio inserita nel case del computer. Le schede audio USB hanno meno problemi con il rumore, ma sono limitate in altro modo, a causa della minore larghezza di banda dell’interfaccia USB. Una larghezza di banda inferiore per il trasferimento dei dati limita la massima frequenza di campionamento e il numero di canali audio simultanei.

Si possono confrontare le caratteristiche elettriche delle schede audio con le medesime caratteristiche di un dispositivo di misurazione professionale. Per farlo, ci sono tre metodi. Il primo metodo fornisce una panoramica sia dell’ingresso (input)  che dell’uscita (output). di una scheda audio. Il secondo offre una panoramica dell’input e il terzo dell’output. Se la scheda audio viene utilizzata come un dispositivo di misurazione audio, infatti, vanno considerati sia l’ingresso sia l’uscita.

Tre diversi metodi per la misurazione delle caratteristiche delle schede audio.

Il primo metodo misura solo la parte analogica di una scheda audio, cosa per la quale viene usato un generatore esterno e il segnale di test è fatto passare solo attraverso la parte analogica. Così si possono misurare e analizzare le caratteristiche elettriche e audio dell’ingresso e dell’uscita di una scheda audio. Il segnale non raggiunge la parte digitale, dove avviene l’elaborazione del segnale. Questa parte analogica influenza principalmente la distorsione, la generazione del rumore e la dinamica.

Il secondo metodo utilizza una fonte esterna di segnali di prova e il computer agisce come dispositivo di misurazione. In questo modo si può analizzare solo l’ingresso della scheda audio, la sua sensibilità e il range in tensione. Il terzo metodo utilizza le schede audio come sorgente generatrice del segnale di prova per il dispositivo di misurazione esterno. In questo modo si possono testare le caratteristiche di uscita di una scheda audio, quanto bene i segnali vengono generati, il rapporto segnale/rumore, etc.

Una scheda audio può essere usata e testata in molti modi e con molti tipi di segnali.

Per misurare dispositivi audio comuni, la scheda audio dovrebbe essere innanzitutto in grado di misurare le frequenze fino ad almeno 20 kHz. La figura qui sotto mostra le caratteristiche di frequenza misurate di tre schede audio: una scheda audio interna economica a 16 bit e frequenza di campionamento massima di 48 kHz; un modello USB a 16 bit e stessa frequenza di campionamento; una scheda audio multicanale con ingressi e uscite bilanciati, a 24 bit e frequenza di campionamento di 96 kHz.

La parte elettrica di quest’ultima scheda audio è collegata al PC tramite una Porta IEEE1394, che garantisce una larghezza di banda sufficiente. Le schede audio esterne presentano il vantaggio che, se per caso vengono danneggiate quando le usiamo come dispositivo di misura, non pregiudicano la scheda audio interna del PC. Come si vede dalla figura, le schede audio moderne soddisfano la prima condizione: le loro caratteristiche di frequenza sono piatte da 10 Hz a 20 kHz o più.

Caratteristiche di frequenza di tre schede audio testate.

Il limite di frequenza superiore è determinato dalla frequenza di campionamento. Secondo Nyquist, la frequenza di campionamento deve essere almeno due volte maggiore della frequenza massima del segnale audio. Le schede audio con frequenza di campionamento di 96 kHz non sono più rare, quindi la loro gamma di frequenza può essere estesa a 48 kHz, che è superiore alla gamma dei suoni udibili, che arriva per un giovane a 20 kHz (ricordo che oltre i 20 kHz di frequenza si parla di “ultrasuoni”).

La seconda condizione per usare una scheda audio come strumento di misura è un basso livello di distorsione durante le misurazioni e durante la generazione di segnali di prova. Per misurare il livello di distorsione dei moderni dispositivi audio, la distorsione generata da una scheda audio deve essere quanto più bassa possibile. In un mondo in cui gli amplificatori audio hanno una distorsione armonica inferiore allo 0,01%, è molto difficile costruire una scheda audio con caratteristiche migliori di queste.

La figura qui sotto mostra le misurazioni della distorsione armonica rispetto al livello di uscita sulle solite tre schede audio testate. Invece di misurare la percentuale di distorsione, è stato misurati il livello di distorsione delle armoniche. Questo metodo offre una migliore panoramica del livello di distorsione a bassi livelli di tensione. Si può vedere che la scheda audio professionale ha le migliori caratteristiche.

Il livello di distorsione armonica vs. la tensione di uscita delle tre schede audio testate.

Il problema più grande, con le schede audio, è la cosiddetta “dinamica”. Livello di rumore più elevato e distorsione crescente a livelli di uscita più elevati limitano la gamma dinamica. Per misurare i moderni dispositivi audio, le schede audio devono avere un intervallo dinamico di 100 dB o più, che è difficile da raggiungere. La tabella qui sotto mostra i risultati delle misurazioni della gamma dinamica delle 3 schede audio testate. Solo una soddisfa le condizioni per la gamma dinamica.

Risultati delle misurazioni della gamma dinamica delle schede audio utilizzate.

In conclusione, i risultati mostrano che le schede audio possono essere parzialmente utilizzate come un dispositivo di misurazione audio. I loro ingressi e uscite analogici non possono ancora essere confrontate con gli ingressi e le uscite di un dispositivo di misurazione professionale, anche se alcune schede audio vi si avvicinano. I problemi principali sono il livello di rumore, la distorsione e la gamma dinamica.

Un software per misurazioni varie: Visual Analyser

Visual Analyser è un software che trasforma la vostra scheda audio (di cui usa la sezione ingressi) in un oscilloscopio completo di analizzatore di spettro e generatore sinusoidale. Naturalmente, la larghezza di banda dipende dalla scheda audio (tipicamente 20 kHz) e può arrivare – previo opportuno settaggio dai relativi controlli software sul vostro computer – fino a 96 kHz (se ha una frequenza di campionamento di 192 kHz). La risoluzione va da 8 bit (S/N 46 dB) fino a 24 bit (S/N> 120 dB).

Una schermata del software Visual Analyser, con forma d’onda e spettro in frequenza.

Visual Analyser è un programma per Windows che fornisce un set completo di strumenti di misura. Esso è stato progettato e scritto da Alfredo Accattatis, che tramite il suo sito SillanumSoft lo mette a disposizione di tutti noi, in forma gratuita (è possibile fare una libera donazione), e ci offre tutte le informazioni di come installarlo, usarlo e altro. Il programma è stato anche a suo tempo adottato come software per strumenti di misura dalla rivista (purtroppo ora non più esistente) Nuova Elettronica.

Visual Analyser utilizza un PC provvisto di scheda sonora oppure di hardware specifico. Gira su Windows 9x / ME / 2k / XP / Vista / 7/8/10; la versione attuale (2019) non è più compatibile con Windows 9X ed aggiunge il supporto per le piattaforme a 64 bit. Il programma può girare su Linux tramite il pacchetto Wine. Qui elenchiamo alcune delle principali funzionalità di questo software continuamente aggiornato, rimandando al sito citato per ulteriori informazioni in proposito:

  • Oscilloscopio doppia traccia, con time division, visualizzazione xy, trigger, determinazione frequenza e ampiezza con mouse; finestra di visualizzazione valori principali in tempo reale;
  • Analizzatore di spettro doppia traccia con fase e ampiezza: (lineare, logaritmico, linee, barre, analisi a terzi di ottava e  1/6, 1/9, 1/12, 1/24);
  • Generatore di funzioni (SENZA aliasing) triangolare, quadre, sinusoidali, impulsi, funzione “custom” a partire dallo sviluppo in serie di Fourier con tool grafico (Visual Tool), rumore bianco (gauss e uniforme) e rosa, generazione componente continua (su schede accoppiate in continua);
  • Frequenzimetro, nel dominio del tempo e della frequenza, contatore;
  • Voltmetro AC (vero valore efficace, picco-picco, medio, dB, CC);
  • Filtri digitali (passa basso, passa alto, passa banda, elimina banda, notch, “raddrizzatore”, notch inverso, eliminazione componente continua);
  • Distorsiometro THD e THD+noise, con possibilità di sweep automatico in frequenza e produzione grafici memorizzabili in vari formati, poi visualizzabili separatamente; salvataggio screenshot e clipboard;
  • Set di valori calcolati in  real time (peak to peak, peak, crest factor, form factor, true rms, mean, calcolo della frequenza con algoritmo di  zero-crossing e relativa incertezza).

Altra schermata del software Visual Analyser, che mostra il suo impiego per misurare tensioni.

Dopo il download del software, leggi attentamente le istruzioni fornite con il programma per non danneggiare (ad es. con una tensione anche appena elevata) il tuo computer e crea un ingresso del segnale per la scheda audio in questione. Se ha un ingresso di linea stereo, devi creare un cavo con entrambi gli ingressi sinistro e destro collegati insieme. Collega il cavo alla sorgente da misurare. Se tutto è a posto, sullo schermo del tuo computer dovrebbe essere visualizzata una forma d’onda.

Anche Winscope è un’applicazione software che utilizza la scheda audio del computer per campionare le forme d’onda di input e visualizzare i risultati. L’oscilloscopio consente di studiare qualsiasi segnale in tempo reale, misurare le frequenze, studiare spettri di segnale in tempo reale e tracciare schemi Lissajous. Inoltre, Winscope ha anche una funzione di archiviazione e una potente routine FFT (trasformata rapida di Fourier), che consente al programma di fungere da analizzatore di spettro.

Analisi spettrale di un’onda sinusoidale con Winscope.

Essendo software, questi programmi non possono danneggiare l’hardware, ma è molto facile bruciare almeno la scheda audio quando si cerca di investigare un segnale con ampiezza sconosciuta e offset DC. Pertanto, è necessario fare sempre molta attenzione quando si stabilisce una connessione elettrica tra il computer e l’apparecchiatura esterna. È buona pratica usare prima un multimetro o un oscilloscopio convenzionale per scoprire se i livelli del segnale sono accettabili per la scheda audio.

È sicuro connettersi a qualsiasi apparecchiatura audio / video utilizzando jack e cavi line-in standard. Puoi prendere in considerazione l’utilizzo di un vecchio registratore, amplificatore o giradischi come dispositivo buffer tra la tua scheda audio e una sorgente di segnale non standard. Ciò può salvare il computer in caso di una sorgente di segnale scarsamente messa a terra e instabile, nonché consentire di controllare manualmente il livello del segnale prima che raggiunga la scheda audio.

Esempio di collegamento con il circuito da testare attraverso un partitore di tensione per non danneggiare la scheda audio.

Per iniziare a usare questi programmi in campo audio, assicurati innanzitutto che l’ingresso del microfono delle schede audio sia selezionato per la registrazione. Avvia la riproduzione dal software e parla nel microfono del tuo PC. Ora dovresti vedere una forma d’onda vocale visualizzata, altrimenti aumenta il cursore del volume sull’ingresso del microfono. Se hai un computer con microfono incorporato, puoi anche usare il microfono per visualizzare direttamente una forma d’onda della tua voce.