如何用Pico示波器做音頻頻譜分析

　　1頻譜分析儀的分類(lèi)

　　頻譜分析儀一般分為兩類(lèi)：所謂“掃頻”頻譜分析儀和FFT頻譜分析儀。掃頻頻譜分析儀是用一個(gè)或多個(gè)陷波濾波器(或混頻器)在指定頻率下測量信號振幅，然后改變該濾波器的頻率(掃頻)，繪制出振幅隨頻率變化的頻譜圖。掃頻頻譜分析儀也可以做高頻頻譜分析，但是對于音頻分析來(lái)說(shuō)，掃頻頻譜分析儀不是特別適用，因為信號在整個(gè)掃頻周期內必須是不變的。

　　FFT頻譜分析儀是用ADC轉換器將信號數字化，然后將存儲的值進(jìn)行FFT變換得到的。該方法的優(yōu)勢在于可以捕捉到偶發(fā)信號或者持續時(shí)間短的信號。例如，用PicoScope的觸發(fā)功能來(lái)單一鼓聲的頻譜。

　　做FFT頻譜分析需要進(jìn)行大量運算，一些頻譜分析儀可能需要幾分鐘來(lái)更新一個(gè)波形。PicoScope 采用優(yōu)化的高頻頻譜分析算法可以達到類(lèi)似實(shí)時(shí)的分析結果。即是在一臺普通的電腦上，例如 33MHz的486 電腦，PicoScope的頻譜分析功能也能達到每秒更新數次。

　　2 音頻分析

　　雖然大多數PicoScope PC示波器可以做音頻頻譜分析，但還是示波器的分辨率越高越適合做頻譜分析。這里高性能的ADC-216最適合的。從通用型考慮，PicoScope 3224 和3424 (USB示波器)和ADC-212(并口示波器)也是理想的選擇。如果考慮到成本因素，Pico 320X系列也可以。

　　FFT頻譜分析儀的關(guān)鍵參數是采樣率和動(dòng)態(tài)范圍。頻譜分析儀能夠顯示高達最高采樣率的一半頻譜。為了測量到20kHz的音頻帶寬，就需要采樣率高于40kS/s。如果測試放大器的頻率響應，您可能需要高于20kHz的樣本數，所以需要更高的采樣率。

　　頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍是另一個(gè)重要的參數。大多數示波器(基于PC的或臺式的)都有一個(gè)8位(256階)的分辨率，這將頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍限制在48dB(20 log 256)。PicoScope 320X系列就是8位分辨率。像ADC-212， PicoScope 3224 和3424 是12位分辨率(4096階)，理論最大動(dòng)態(tài)范圍72dB。ADC-216是16位分辨率(65536階)有一個(gè)趨近與100dB的動(dòng)態(tài)范圍。

　　可能您還不太清楚動(dòng)態(tài)范圍的意義，那么我們做一下對比。一個(gè)典型的錄音機的動(dòng)態(tài)范圍40~50dB,一個(gè)好的功率放大器是70~80dB，一個(gè)高端的CD播放器是80~90dB，當然，并不是所有的CD播放器都能達到這個(gè)性能。

　　下表是Pico設備的規格：

　　3用ADC-216測試CD播放器

　　為了比較產(chǎn)品的性能，我們用ADC-216 頻譜分析儀測試兩個(gè)CD播放器，一個(gè)是便宜的手持式CD播放器，一個(gè)是Quad高性能的播放器。ADC-216 一個(gè)通道直接連接手持式設備

圖1 測試手持式CD播放器1kHz 音調的波形

　　圖1是CD播放器單個(gè)1kHz音調的波形。跟理論值一樣，在1kHz有一個(gè)尖峰。二次、三次和五次諧波清晰可見(jiàn)，這些諧波表示了CD播放器引起的失真。18kHz附近的峰值是由CD播放器內部電源適配器的開(kāi)關(guān)引起的。如果CD播放器是電池供電的，那么這個(gè)噪聲將會(huì )消失。

　　圖2跟圖1 是相同的試驗，但是測試的是Quad CD播放器。跟預期的一樣，波形是更干凈的。5次諧波是比較明顯的，跟主信號相比下降了96dB。圖2 中還在PicoScope 中進(jìn)行了自動(dòng)化音頻測量?，F在這些功能已經(jīng)沒(méi)有了，新的PicoScope是通過(guò)設置菜單中的增加測量按鈕來(lái)實(shí)現的，詳見(jiàn)幫助文檔。

　　圖2測試Quad CD播放器1kHz 音調的波形

　　串擾是頻譜分析儀能夠測試出來(lái)的另一個(gè)重要指標，我們輪流用每個(gè)CD播放器的右聲道播放一個(gè)10kHz的正弦波(-10dB)。理想情況下，右聲道是沒(méi)有信號的。不過(guò)可以看到手持式CD播放器右聲道串擾，比左聲道信號降低了60dB。

　　Quad CD播放器串擾測試中， 串擾至少下降了90dB(如圖4所示)。

　　圖 3 手持式CD播放器串擾測試

　　圖 4 Quad CD播放器串擾測試

　　1個(gè)理想的CD播放器應該在整個(gè)音頻域內有一個(gè)平滑的頻率響應。手持式CD播放器在20Hz~20kHz范圍內維持在3dB。用一個(gè)正弦波測試，頻率掃描從20Hz~20KHz。許多FFT頻譜分析儀可能無(wú)法繪制這樣的一個(gè)頻譜圖，因為快速采集信號，然后卻花費幾秒中來(lái)處理和顯示。這樣一個(gè)掃描周期內，往往只有測試到一個(gè)頻率峰值。Pico示波器的數據才采集和處理是優(yōu)化過(guò)的，即是在一個(gè)相對慢的電腦上(33MHz 386)，頻譜分析儀也有一個(gè)近似實(shí)時(shí)更新率。測試中我們用的正弦波從20Hz~20kHz掃描完大概用了30s的時(shí)間。這段時(shí)間內PicoScope完成FFT計算只需要100s，處理速度是大多數頻譜分析儀的2~3倍。為了用單線(xiàn)顯示頻率響應(而不是波形的峰值)，我們用Pico示波器的峰值檢測函數，如下圖5所示。我們可以看到-3dB的點(diǎn)并不是產(chǎn)品參數表中聲稱(chēng)的20kHz，只僅僅接近于16kHz。

　　圖 5 手持式CD播放器的頻率響應

　　用Quad CD播放器做相同的頻率響應測試(如圖6 所示)，發(fā)現頻率響應在整個(gè)音頻域幾乎是平的，在20kHz也有一個(gè)更陡峭的跌落。

　　也有客戶(hù)問(wèn)我們：什么類(lèi)型的信號源可以用于測試放大器，關(guān)鍵是找到一款信號發(fā)生器或者一款低失真的正弦波信號源。我們推薦Black Star LDO 低失真振蕩器，圖7是用ADC-216采集到1kHz的輸出波形。

　　圖 6 Quad CD播放器的頻率響應

　　圖 7 Black Star LDO 低失真振蕩器輸出1kHz的波形

　　注意：該文章中用到的產(chǎn)品目前已經(jīng)停產(chǎn)了，16位分辨率 ADC-216的替代產(chǎn)品是PicoScope 4262，PicoScope 3224 和3424 6位示波器的替代產(chǎn)品是PicoScope 3000系列，PicoScope 320X系列的替代產(chǎn)品是 PicoScope 2200A口袋示波器系列。