立體聲信號(hào)相位差電平差測(cè)試儀

摘要：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。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)。
關(guān)鍵詞：立體聲信號(hào)；相位差；電平差；測(cè)試儀

    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，鍵盤操作，用LCD顯示相位差電平差及相關(guān)信息。

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。

    相位差檢測(cè)模塊由電壓比較器、與門、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及其周圍器件，構(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。IC4 AD827及其周圍器件構(gòu)成同相放大器，對(duì)與門輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。IC5 CD4069及其周圍器件構(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及其周圍器件組成儀器放大器，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。

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及其周圍器件組成衰減器，將輸入L信號(hào)電壓的有效值衰減到200 mV。IC 8AD736及其周圍器件組成交流變直流電路。IC9 NE5532及其周圍器件組成放大器，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。

    AD736是專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、鍵盤掃描模塊和顯示模塊等。如圖6所示，是主程序流程圖。

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，滿足人們欣賞到音質(zhì)優(yōu)美的廣播和音樂(lè)的需求。
    本設(shè)計(jì)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)，還可推廣到其它應(yīng)用領(lǐng)域，用于檢測(cè)和調(diào)整兩路信號(hào)平衡，如飛機(jī)平衡、運(yùn)動(dòng)平衡調(diào)整等。