如何用Pico示波器做音頻頻譜分析

　　1頻譜分析儀的分類

　　頻譜分析儀一般分為兩類：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(cè)量信號(hào)振幅，然后改變?cè)摓V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(duì)于音頻分析來說，掃頻頻譜分析儀不是特別適用，因?yàn)樾盘?hào)在整個(gè)掃頻周期內(nèi)必須是不變的。

　　FFT頻譜分析儀是用ADC轉(zhuǎn)換器將信號(hào)數(shù)字化，然后將存儲(chǔ)的值進(jìn)行FFT變換得到的。該方法的優(yōu)勢(shì)在于可以捕捉到偶發(fā)信號(hào)或者持續(xù)時(shí)間短的信號(hào)。例如，用PicoScope的觸發(fā)功能來單一鼓聲的頻譜。

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

　　2 音頻分析

　　雖然大多數(shù)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(shù)是采樣率和動(dòng)態(tài)范圍。頻譜分析儀能夠顯示高達(dá)最高采樣率的一半頻譜。為了測(cè)量到20kHz的音頻帶寬，就需要采樣率高于40kS/s。如果測(cè)試放大器的頻率響應(yīng)，您可能需要高于20kHz的樣本數(shù)，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(shù)。大多數(shù)示波器(基于PC的或臺(tái)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(duì)比。一個(gè)典型的錄音機(jī)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(dāng)然，并不是所有的CD播放器都能達(dá)到這個(gè)性能。

　　下表是Pico設(shè)備的規(guī)格：

　　3用ADC-216測(cè)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(cè)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(shè)備

圖1 測(cè)試手持式CD播放器1kHz 音調(diào)的波形

　　圖1是CD播放器單個(gè)1kHz音調(diào)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，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(nèi)部電源適配器的開關(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(yàn)，但是測(cè)試的是Quad CD播放器。跟預(yù)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(hào)相比下降了96dB。圖2 中還在PicoScope 中進(jìn)行了自動(dòng)化音頻測(cè)量?，F(xiàn)在這些功能已經(jīng)沒有了，新的PicoScope是通過設(shè)置菜單中的增加測(cè)量按鈕來實(shí)現(xiàn)的，詳見幫助文檔。

　　圖2測(cè)試Quad CD播放器1kHz 音調(diào)的波形

　　串?dāng)_是頻譜分析儀能夠測(cè)試出來的另一個(gè)重要指標(biāo)，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，右聲道是沒有信號(hào)的。不過可以看到手持式CD播放器右聲道串?dāng)_，比左聲道信號(hào)降低了60dB。

　　Quad CD播放器串?dāng)_測(cè)試中， 串?dāng)_至少下降了90dB(如圖4所示)。

　　圖 3 手持式CD播放器串?dāng)_測(cè)試

　　圖 4 Quad CD播放器串?dāng)_測(cè)試

　　1個(gè)理想的CD播放器應(yīng)該在整個(gè)音頻域內(nèi)有一個(gè)平滑的頻率響應(yīng)。手持式CD播放器在20Hz~20kHz范圍內(nèi)維持在3dB。用一個(gè)正弦波測(cè)試，頻率掃描從20Hz~20KHz。許多FFT頻譜分析儀可能無法繪制這樣的一個(gè)頻譜圖，因?yàn)榭焖俨杉盘?hào)，然后卻花費(fèi)幾秒中來處理和顯示。這樣一個(gè)掃描周期內(nèi)，往往只有測(cè)試到一個(gè)頻率峰值。Pico示波器的數(shù)據(jù)才采集和處理是優(yōu)化過的，即是在一個(gè)相對(duì)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(cè)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(nèi)PicoScope完成FFT計(jì)算只需要100s，處理速度是大多數(shù)頻譜分析儀的2~3倍。為了用單線顯示頻率響應(yīng)(而不是波形的峰值)，我們用Pico示波器的峰值檢測(cè)函數(shù)，如下圖5所示。我們可以看到-3dB的點(diǎn)并不是產(chǎn)品參數(shù)表中聲稱的20kHz，只僅僅接近于16kHz。

　　圖 5 手持式CD播放器的頻率響應(yīng)

　　用Quad CD播放器做相同的頻率響應(yīng)測(cè)試(如圖6 所示)，發(fā)現(xiàn)頻率響應(yīng)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。

　　也有客戶問我們：什么類型的信號(hào)源可以用于測(cè)試放大器，關(guān)鍵是找到一款信號(hào)發(fā)生器或者一款低失真的正弦波信號(hào)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(yīng)

　　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。