Audio Analyzer – quarta parte

di Marco Re e Livio Argentini

Un’alternativa all’utilizzo di un audio analyzer è costituita dalla possibilità di utilizzare degli strumenti tradizionali di nuova generazione controllati da un software che interagisce con lo strumento stesso mediante l’interfaccia SCPI (Standard Command for Programmable Instruments).
Un esempio di setup di misura di questo tipo è stato messo a punto presso il Master in Ingegneria del Suono e dello Spettacolo [6] dell’Università degli Studi di Roma Tor Vergata, nell’ambito di una collaborazione con ARREL Audio. Tale setup è costituito da un generatore di segnali stereo (Keysight 33522B) e da un multimetro digitale (Keysight 34406A) capace di effettuare misure di livello true RMS in AC. Utilizzando questa coppia di apparati possiamo implementare misure parametriche di risposta in frequenza, sweep di ampiezza, misure di guadagno ed altro.

 
Architettura del sistema di misura ARREL Audio.

Generalità: i sistemi Automated – Test Equipment (ATE)

In realtà il nostro sistema cosi assemblato (generatore di segnali, multimetro digitale, pc con software di controllo) corrisponde ad un semplice sistema di Automated Test Equipment (ATE) basato sulla interfaccia SCPI. Un sistema ATE è costituito da un insieme di strumenti di misura (oscilloscopi, multimetri, generatori di segnale, matrici di switch, alimentatori, ecc.) opportunamente connessi tra loro e con un dispositivo supervisore che ne controlla le funzioni di impostazione e ne governa le acquisizioni di dati di misura. Stabilite le connessioni con i punti di misura, un sistema ATE può operare in modo automatico sotto il controllo di un programma di supervisione in esecuzione sul dispositivo supervisore che normalmente è un computer opportunamente programmato e interfacciato agli strumenti.
Nella storia della strumentazione di misura si sono utilizzate diverse interfacce elettriche per il controllo remoto della strumentazione: RS-232, interfacce proprietarie etc. La più importante interfaccia storica è stata IEEE-488, chiamata anche GPIB, ormai superata. Attualmente la stragrande maggioranza della strumentazione di misura di buon livello è dotata di una porta Ethernet e di un hardware interno che supporta lo standard di controllo di strumentazione SCPI. In realtà esistono anche altri standard, come VISA (Virtual Instrument Software Architecture) ed altre.

Il generatore Keysight 33522B

Il generatore Keysight 33522B è un generatore di segnali stereo di basso costo. Consente la generazione di un’ampia classe di segnali in un range di frequenza che si estende, nella versione a nostra disposizione, dai milliHertz alle decine di MHz.
Il generatore consente la creazione di forme d’onda tradizionali quali sinusoide, quadra, triangolare e rampa, oltre alla generazione di forme d’onda arbitrarie. Consente inoltre la generazione delle più importanti classi di segnali modulati (AM, PM, FM FSK, BPSK, ecc.) oltre che di segnali a struttura arbitraria (arbitrary waveform generator).
Come già scritto negli articoli precedenti, occorre ricordare le più importanti caratteristiche di un generatore di segnali per applicazioni audio: 

  • la limitata distorsione armonica (THD, Total Harmonic Distortion) della sinusoide generata, 
  • la costanza in ampiezza della sinusoide generata nel range di frequenze di utilizzo (Amplitude Flatness)
  • il range di ampiezze generabili in uscita (Output Level).

Per questo specifico strumento le performance sono le seguenti:

  • Amplitude Flatness: ± 0,15 dB (fout < 100 kHz);
  • THD < –70 dBC, pari a circa 0,032 % (fout < 20 kHz,) 
  • Output Amplitude: 2 mV PP ÷ 20 V PP, cioè –54 dBu ÷ +19,2 dBu.
 
Fig. 2: Esempio di GUI nel caso di misura della risposta in frequenza.

Alla luce di questi dati, appare chiaro che questo tipo di strumenti a basso costo non è adatto a misure audio performanti ma è utilizzabile certamente in applicazioni di misure audio non performanti orientate, per esempio, alla produzione.
Nelle nostre applicazioni, il generatore Keysight 33522B è stato usato come generatore di segnali sinusoidali per la caratterizzazione della risposta in frequenza e per la generazione di segnali sinusoidali modulati in ampiezza per la caratterizzazione della risposta dinamica dei compressori. Inoltre è stato usato per la generazione di sweep di ampiezza per la caratterizzazione statica dei compressori.
Per le specifiche tecniche approfondite dello strumento consultare il link [1]

Il Multimetro Digitale Keysight 34406A

La misura delle risposte in ampiezza AC per le diverse applicazioni è stata effettuata mediante l’utilizzo del multimetro Keysight 34406A da 6 1/2 cifre. Questo strumento è in grado di misurare tensioni AC (in modalità true RMS) nella banda 3 Hz ÷ 300 kHz con delle ottime accuratezze. Per le specifiche tecniche approfondite dello strumento consultare il link [2].

L’interfaccia SCPI

Dalla prima comparsa della strumentazione di misura asservita ad un controller digitale, quindi in un certo senso programmabile, fino a pochi anni fa le diverse case costruttrici normalmente implementavano, per controllare i propri strumenti, set di comandi proprietari su interfacce non del tutto standard.
Comandi uguali potevano avere differenti significati per strumenti di diversi produttori o (più frequentemente) identiche funzioni su strumenti diversi (anche se dello stesso produttore) richiedevano comandi completamente differenti.
Sotto la guida dello SCPI Consortium UK (un’associazione dei maggiori produttori di strumenti programmabili, oggi assorbito dalla IVI Foundation) si è ottenuto uno standard noto come SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments), che introduce un modello unico per gli strumenti di misura programmabili e incoraggia l’uso di un set univoco di istruzioni per il relativo controllo remoto.
I vantaggi di questo standard sono notevoli sia rispetto alla cross-compatibilità, sia in rapporto ad una più razionale sintassi dei comandi che controllano lo strumento.
I maggiori vantaggi dello standard SCPI sono:

  • è un modello di riferimento adattabile ad ogni strumento/dispositivo di misura e/o di stimolo;
  • comporta una standardizzazione delle regole per la composizione dei comandi della strumentazione programmabile;
  • è una estensione dello standard IEEE488.2 (ed è con esso retro-compatibile);
  • è indipendente dal particolare hardware utilizzato nella sezione controller dello strumento e può essere adottato anche su strumentazione programmabile non GPIB;
  • è intuitivo e razionale nella definizione dei comandi, comportando così una riduzione del tempo di sviluppo/manutenzione degli applicativi che controllano il sistema ATE.

I comandi SCPI sono comandi ASCII che vengono inviati allo strumento come stringhe di testo. Per la documentazione relativa ad un approfondimento sullo standard consultare il riferimento [3] o riferirsi alla documentazione relativa alla programmazione SCPI dei singoli strumenti (manuali relativi agli strumenti stessi).

 
Fig. 3: ARREL Audio ML-116 – risposta in frequenza sezione parametrica HI.
 
Fig. 4: ARREL Audio ML-116 – risposta in frequenza sezione BAXANDALL HI e LO.

L’architettura del sistema

Il sistema sviluppato presso il Master in Ingegneria del Suono e dello Spettacolo in collaborazione con ARREL Audio è un ATE orientato alle misure per la produzione ed è basato sulla coppia di strumenti precedentemente illustrati, su un router Ethernet e su un PC portatile sul quale gira il programma Matlab, il quale a sua volta permette l’esecuzione del software di controllo della strumentazione controllata SCPI.
Gli strumenti sono collegati al router mediante cavi Ethernet e sono identificati con un opportuno indirizzo di porta. Il PC portatile sul quale viene eseguito uno script Matlab [4] (o un programma in linguaggio C) è collegato al router mediante una rete dedicata e comunica in WI-FI con il router (figura 1).
Matlab è un software molto potente che viene usato nelle applicazioni tecnico/scientifiche e che consente la scrittura di programmi in un linguaggio simile al linguaggio C. Il vero punto di forza di Matlab sono le librerie, dette Toolbox, che supportano le più diverse aree scientifico/applicative. Ci sono Toolbox per Digital Signal Processing (DSP), Image Processing, etc.
Uno di questi Toolbox, detto Control Instrument Toolbox [5], riguarda le procedure per l’interfacciamento ed il controllo di strumenti di misura. Basandosi sulle funzioni presenti in questo Toolbox è possibile creare il link di collegamento con i diversi strumenti di misura, programmarli per la particolare misura scelta ed acquisire il risultato di una misura.
In ambiente Matlab è anche possibile la composizione di un’interfaccia grafica (GUI, Graphical User Interface) da utilizzare per un più razionale controllo dello strumento.
Nel nostro caso, l’interfaccia grafica mostrata in figura 2 consente, all’avvio dell’applicativo, di selezionare il tipo di misura da effettuare (sweep di frequenza, sweep di ampiezza, misura di guadagno, misura di rumore), il livello del segnale che deve essere generato, il range di frequenze e la risoluzione in frequenza del sistema (ossia il numero di punti che deve essere acquisito nella risposta in frequenza).
Parametri simili sono presenti nel caso della risposta in ampiezza ove verrà specificato, in questo caso, al posto del range di frequenze da generare ad ampiezza costante, il set di ampiezze a frequenza costante che dovremo generare in uscita.
La risposta in frequenza viene realizzata mediante misura per punti alle diverse frequenze con un algoritmo che adatta l’incremento alla forma della risposta in frequenza. Ad esempio nel caso di misura della curva di risposta di un equalizzatore configurato con enfasi elevata e Q stretto sarà necessario incrementare la risoluzione di frequenza in quella regione, al fine di avere una sufficiente precisione nel determinare la forma della curva di risposta. In figura 3 e in figura 4 sono illustrate le curve di risposta ottenute nella caratterizzazione dell’equalizzatore parametrico ARREL Audio ML-116. In particolare la figura 3 mostra la risposta in frequenza sulla banda delle frequenze alte settata a 4 kHz per diversi valori di enfasi e di de-enfasi e con diversi valori per il parametro Q. Nella figura 4 è invece illustrata la risposta in frequenza della sezione BAXANDALL HI e LO per le diverse shape del BAX e per diversi livelli di enfasi e de-enfasi.
I comandi inviati allo strumento sono stringhe di testo ASCII generate all’interno dell’applicativo ARREL; questi comandi vengono mandati come se si stesse scrivendo su un device mediante la funzione fprintf che è una funzione nativa del linguaggio C. È poi possibile leggere la risposta del device utilizzando la funzione fscanf.
Con le seguente istruzione, ad esempio, si invia al multimetro il cui indirizzo è nella variabile handles.myDmm il comando di settaggio misura in VOLT di tipo AC con banda di misura limitata a 200 Hz.

fprintf(handles.myDmm,’VOLT:AC:BAND 200’);

Insomma mediante l’utilizzo del Programma Matlab e del Control Instrument Toolbox è estremamente facile controllare da remoto strumentazione connessa via interfaccia SCPI. Evidentemente, in questo caso, per poter far funzionare il sistema occorre fare girare uno script Matlab e quindi Matlab deve essere installato sul PC.
È possibile però evitare l’uso di Matlab utilizzando le funzioni C messe a disposizione da Keysight Technologies, produttore degli strumenti utilizzati, in maniera da essere completamente indipendenti da software di terze parti. In questo caso occorrerà scrivere un programma C basato sulle librerie Keysight e che, una volta compilato, sarà in grado di controllare la strumentazione autonomamente.

Riferimenti Bibliografici

[1] https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5990-5914EN.pdf?id=1919803

[2] https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5991-1983EN.pdf?id=2318052

[3] http://www.ivifoundation.org/

[4] https://it.mathworks.com/products/matlab.html

[5] https://it.mathworks.com/products/instrument.html

[6] http://mastersuono.uniroma2.it

 

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