一種立體聲信號(hào)相位差電平差測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方法

本文主要提出了一種立體聲信號(hào)相位差電平差測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方法。用單片機(jī)為控制核心，主要由相位差檢測(cè)模塊、電平差檢測(cè)模塊、頻譜分析及處理模塊、電源模塊、鍵盤(pán)和顯示模塊組成。

將LR立體聲信號(hào)經(jīng)頻譜分析、整形及占空比檢測(cè)電路進(jìn)行處理，采用過(guò)零鑒相法，通過(guò)測(cè)矩形波占空比，實(shí)現(xiàn)相位差的測(cè)試。將LR信號(hào)用AD736專(zhuān)用芯片實(shí)現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換，通過(guò)單片機(jī)編程，得到LR電平差。

在立體聲播音或放音時(shí)，如果左右聲道信號(hào)存在相位差和電平差，對(duì)播音或放音質(zhì)量將會(huì)產(chǎn)生一定影響，出現(xiàn)聲像漂移、音量減小、噪音增大和失真等故障現(xiàn)象。左右聲道相位差電平差越大，音質(zhì)也越差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成無(wú)音故障。

為此文中設(shè)計(jì)了立體聲信號(hào)相位差電平差測(cè)試儀，只有準(zhǔn)確測(cè)出相位差電平差，再用補(bǔ)償電路進(jìn)行修正，才能保證播音或放音質(zhì)量，更好地滿(mǎn)足人們欣賞到音質(zhì)優(yōu)美的廣播或音樂(lè)的需要。

1設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，是立體聲信號(hào)相位差電平差測(cè)試儀原理方框圖。提出了一種立體聲信號(hào)相位差電平差測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方法。用C8051F020單片機(jī)為控制核心，主要由相位差檢測(cè)模塊、電平差檢測(cè)模塊、頻譜分析及處理模塊、電源模塊、鍵盤(pán)和顯示模塊組成。將LR立體聲信號(hào)經(jīng)頻譜分析、整形及占空比檢測(cè)電路進(jìn)行處理，采用過(guò)零鑒相法，通過(guò)測(cè)矩形波占空比，實(shí)現(xiàn)相位差的測(cè)試。將LR信號(hào)分別用AD736專(zhuān)用芯片實(shí)現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換，通過(guò)單片機(jī)編程，得到LR電平差。整個(gè)系統(tǒng)用單片機(jī)控制，鍵盤(pán)操作，用LCD顯示相位差電平差及相關(guān)信息。


圖1 立體聲信號(hào)相位差電平差測(cè)試儀原理方框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1相位差檢測(cè)模塊

2.1.1方框圖和電路原理圖

如圖2所示，是相位差檢測(cè)模塊原理方框圖。如圖3所示，是相位差檢測(cè)模塊電路原理。


圖2 相位差檢測(cè)模塊原理圖

相位差檢測(cè)模塊由電壓比較器、與門(mén)、放大器、占空比檢測(cè)電路和儀器放大器組成。如圖3所示，IC2 LM311和IC21LM311及其周?chē)骷?，?gòu)成2個(gè)電壓比較器，L（A點(diǎn)信號(hào)）R（B點(diǎn)信號(hào)）左右聲道信號(hào)分別經(jīng)IC2、IC21電壓比較器整形變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)（C點(diǎn)信號(hào)和D點(diǎn)信號(hào)），然后再相與，得到矩形波（E點(diǎn)信號(hào)），74LS08是與門(mén)。IC4 AD827及其周?chē)骷?gòu)成同相放大器，對(duì)與門(mén)輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。IC5 CD4069及其周?chē)骷?gòu)成占空比檢測(cè)電路，用過(guò)零鑒相法，測(cè)量?jī)蓚€(gè)矩形波信號(hào)的占空比。輸入端加入一個(gè)占空比為D的矩形波，輸出端F點(diǎn)輸出一個(gè)直流信號(hào)，數(shù)值在0~100 mV之間變化，這個(gè)直流信號(hào)既代表占空比D，是反映相位差的一個(gè)量。IC6 OPA2111及其周?chē)骷M成儀器放大器，用于放大F點(diǎn)輸出信號(hào)，因這個(gè)信號(hào)數(shù)值在0~100 mV，是小信號(hào)，所以采用自動(dòng)較零型儀器放大器，以保證測(cè)試儀有很高的精度。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S2同時(shí)打在“1”時(shí)，完成自動(dòng)較零功能；當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S2同時(shí)打在“3”時(shí)，是正常的放大功能。放大后的信號(hào)，再加到單片機(jī)的A/D端，C8051F 020的內(nèi)部設(shè)有12位A/D轉(zhuǎn)換器。


圖3 相位差檢測(cè)模塊電路原理圖

2.1.2理論分析及實(shí)現(xiàn)

立體聲信號(hào)是20Hz~20 kHz的音頻信號(hào)，用uSL、uSR分別表示由音響設(shè)備輸出的左右聲道信號(hào)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

uSL（t）=USLsin（ωSLt+ψIL）（1）

uSR（t）=USRsin（ωSRt+ψIR）（2）

在式（1）和式（2）中，ψ是初相，ωt+ψ是相位。相位的表達(dá)式為：

φ（t）=ωt+ψ（3）

由式（3）可知，相位是時(shí)間t的線性函數(shù)。左右聲道的φSL（t）和φSR（t）是2個(gè)簡(jiǎn)諧振蕩的相位，則其相位差為：

φS（t）=φSL（t）-φSR（t）=（ωSL-ωSR）t+（ψSL-ψSR）=ψSt+（ψSL-ψSR）（4）

由式（4）可知，相位差也是時(shí)間t的線性函數(shù)。φ對(duì)ω偏導(dǎo)數(shù)是群延時(shí)，群延時(shí)tp為

由音響設(shè)備輸出的左右聲道信號(hào)“uSL、uSR，經(jīng)過(guò)頻譜分析及處理電路后，得到uL、uR信號(hào)，uL、uR是同頻率的正弦信號(hào)，即ωL=ωR，則有：

φ（t）=φL（t）-φR（t）=（ωL-ωR）t+（ψL-ψR）=ψL-ψR（6）

由式（6）可知，uL、uR信號(hào)的相位差是一個(gè)常數(shù)，并由初相之差決定。如將L信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，L、R信號(hào)即uL、uR信號(hào)的表達(dá)式為：

uL（t）=ULsinωt（7）

uR（t）=URsin（ωt+ψ）（8）

這時(shí)，L、R信號(hào)相位差為：

φ=0-ψ=-ψ（9）

式（9）中的負(fù)號(hào)表示L滯后R一個(gè)ψ角度。所以只需要測(cè)量計(jì)算出相位差φ即可，或用△ψ表示LR信號(hào)的相位差。

如圖4所示，是圖4中A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)、E點(diǎn)的波形圖。


圖4 ABCDE各點(diǎn)的波形圖

圖4中，uA、uB是L信號(hào)和R信號(hào)，是正弦波；uC、uD是L、R信號(hào)經(jīng)電壓比較器整形后的方波，uE是2個(gè)方波相與后得到的矩形波，D是占空比。用過(guò)零鑒相法，測(cè)量?jī)蓚€(gè)矩形波信號(hào)的占空比。過(guò)零鑒相法是：兩個(gè)正弦波，頻率相同，讓其經(jīng)過(guò)鑒相網(wǎng)絡(luò)后，變?yōu)榉讲?。其前沿?duì)應(yīng)于正弦波的正向過(guò)零點(diǎn)，后沿對(duì)應(yīng)于正弦波的負(fù)向過(guò)零點(diǎn)。再將兩個(gè)方波送入到觸發(fā)器的復(fù)位端和置位端，被測(cè)量方波的前沿將其復(fù)位，基準(zhǔn)方波的前沿將觸發(fā)器復(fù)位。觸發(fā)器輸出的脈沖寬度即是兩個(gè)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差，即圖4中的占空比D.

再將uE放大后，送入占空比檢測(cè)電路，在輸出端F得到一個(gè)直流電壓，數(shù)值是0~100 mV，這個(gè)直流信號(hào)即代表占空比D，是反映相位差的一個(gè)量，D從[（0~100%）×T]變化，其中T為A點(diǎn)（或B點(diǎn)）信號(hào)的周期。如F點(diǎn)輸出信號(hào)為10 mV時(shí)，D=10%×T，則L（A點(diǎn)信號(hào)）和R（B點(diǎn)信號(hào)）的相位差△φ=180°-10%x360°。當(dāng)D=0時(shí)，R、L信號(hào)的相位差為180°，即反相，這時(shí)立體聲信號(hào)嚴(yán)重失真。

2.2電平差檢測(cè)模塊

圖5所示為電平差檢測(cè)電路原理圖。因左右聲道電平差檢測(cè)電路圖完全一樣，所以圖5是左聲道電平差檢測(cè)電路原理圖。電平差檢測(cè)電路由衰減器、交流直流變換電路和放大器三級(jí)組成，其中IC7 NE5532及其周?chē)骷M成衰減器，將輸入L信號(hào)電壓的有效值衰減到200 mV.IC 8AD736及其周?chē)骷M成交流變直流電路。IC9 NE5532及其周?chē)骷M成放大器，將信號(hào)放大后送入單片機(jī)的A/D端。為了提高精度和減小誤差，前級(jí)衰減器和后級(jí)放大器設(shè)計(jì)成自動(dòng)校零型電路。


圖5 電平差檢測(cè)電路原理圖

AD736是專(zhuān)用的單片精密真有效值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部經(jīng)過(guò)激光修正，具有頻率特性好、速度快、靈敏度高、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬、功耗小等特點(diǎn)，其測(cè)量誤差小于±0.3%.C3是輸入耦合電容，一般取5~25μF.C4是輸出濾波電容，一般取5~15μF，其數(shù)值會(huì)影響到輸出電壓有效值的精度，在低頻端更為重要。C5一般取30~40μF，其數(shù)值大小會(huì)影響到被測(cè)電壓的波峰因數(shù)Kp，Kp是被測(cè)電壓的峰值與真有效值之比。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

用C8051F020單片機(jī)，采用C語(yǔ)言編程，由主程序和子程序兩部分組成。主程序完成系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置和各子程序的調(diào)用。子程序主要包括：工作模式選擇模塊、參數(shù)設(shè)置及計(jì)算模塊、相位差計(jì)算模塊、電平差計(jì)算模塊、A/D模塊、鍵盤(pán)掃描模塊和顯示模塊等。如圖6所示，是主程序流程圖。


圖6 主程序流程圖

4試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

如表1所示，是相位差電平差測(cè)試數(shù)據(jù)。



由表1的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，相位差的絕對(duì)誤差小于0.7°，電平差的絕對(duì)誤差小于3 mV（當(dāng)△Ui=10 mV），測(cè)試精度較高。

5結(jié)論

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量不斷提高，同時(shí)對(duì)廣播和音樂(lè)放音也提出了更高的要求。只有準(zhǔn)確地測(cè)量出左右聲道的相位差電平差，再用補(bǔ)償電路進(jìn)行修正，才能保證播音和放音質(zhì)量，滿(mǎn)足人們欣賞到音質(zhì)優(yōu)美的廣播和音樂(lè)的需求。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該儀器實(shí)現(xiàn)了LR信號(hào)相位差電平差的測(cè)試，且具有較高的測(cè)試精度，并能存儲(chǔ)和顯示相關(guān)信息。本設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性和實(shí)用性，為高質(zhì)量立體聲廣播和研發(fā)制造高質(zhì)量音響設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。