di Marco Re e Livio Argentini

La strumentazione per misure audio di tipo tradizionale, utilizzata dagli anni ‘60 sino a metà degli anni ‘70, era basata su alcuni strumenti base necessari alla realizzazione delle misure primarie (risposta in frequenza, rapporto segnale/rumore, distorsione, livello AC etc.) quali: oscillatore sinusoidale a bassa distorsione, generatore ad onda quadra a fronti ripidi, millivoltmetro AC in banda audio, analizzatore di distorsione, registratore cartaceo per il disegno su carta della risposta in frequenza o di ampiezza (vedi caratterizzazione dei compressori) e, ovviamente, oscilloscopio analogico con e senza memoria. Per dare un’idea del setup tipico di quegli anni, si potrebbero citare alcuni strumenti classici che si possono ancora trovare nel mercato dell’usato:

• Gould J3B (generatore di segnali con uscita bilanciata – fig. 1, rif. [2]),
• HP 400EL (millivoltmetro AC con scala in dBm, ingresso non bilanciato – fig. 2),
• HP 339A (analizzatore di distorsione con generatore a bassa distorsione, oppure i suoi antenati HP331, 332, 333 – fig. 3, rif. [3]);
• oscilloscopio analogico con e senza memoria e a banda larga.

Successivamente, tale strumentazione di base si è evoluta nella direzione di una semplificazione delle misure ripetitive quali quelle necessarie al tracciamento della curva di risposta in frequenza. Un importante strumento di quegli anni fu il sistema di plotting UREI model 2000. Tale macchina integrava un generatore, un millivoltmetro AC ed un sistema di stampa tipo plotter (fig. 4). Altre versioni di macchine di questo tipo, più o meno sofisticate, sono state anche proposte in quegli anni da Brüel & Kjær.

Questa strumentazione era completamente analogica e piuttosto avanzata a livello di performance, tanto che alcuni strumenti si utilizzano ancora oggi in produzione o in sviluppo.
Il vantaggio principale di questa classe di strumenti era ed è la velocità di utilizzo, in quanto essendo macchine completamente analogiche esse sono pronte ad operare appena accese.
Viceversa, oggi, anche gli strumenti più semplici sono basati su un microprocessore il quale integra un sistema operativo che deve essere inizializzato, con tempi più lunghi di attivazione dello strumento.

Si inizia a delineare l’architettura dell’analizzatore audio

Negli anni seguenti l’elettronica digitale è entrata sempre più nell’architettura dei sistemi di misura audio più performanti, dando origine ad una serie di strumenti “integrati” tramite i quali la misura veniva effettuata con tecniche eminentemente analogiche, mentre la sezione digitale era utilizzata per le seguenti funzioni:

1. gestione delle misure (sequenziamento di misure di tipo diverso, misure parametrizzate)
2. set-up della macchina (differenti opzioni di recall)
3. calibrazione della parte analogica
4. interfacciamento esterno con protocolli standard (HP-IB o IEEE 488)

Si è così iniziata a delineare l’architettura dei moderni analizzatori audio.
Gli analizzatori audio moderni sono caratterizzati da architetture duali che consentono misure sul segnale audio analogico, o con metodi analogici o mediante l’applicazione di tecniche di Digital Signal Processing (DSP) basate su un’interfaccia molto performante di conversione A/D (Analogico/Digitale) e D/A (Digitale/Analogico) o ancora sul segnale audio codificato in digitale (diverse interfacce digitali supportate).
Per ciò che riguarda le misure audio ad alte prestazioni dei segnali analogici (che più ci interessano per la ricerca e lo sviluppo), queste vengono realizzate ancora completamente con metodi analogici (assistiti digitalmente) ed alcune di esse, come ad esempio la risposta in frequenza, possono anche essere effettuate mediante metodi basati sul Digital Signal Processing (DSP) ottenendo maggior flessibilità ma con prestazioni generalmente inferiori.
Una delle caratteristiche dei moderni analizzatori audio – che salta subito all’occhio all’utilizzatore esperto – è l’assenza dei tradizionali strumenti a bobina mobile utilizzati nelle misure di livello. Questi sono stati sostituiti da interfacce con display a sette segmenti oppure da interfacce software grafiche avanzate che in genere richiedono, in questo caso, l’uso di un PC. Questo presenta molti vantaggi ma anche alcuni svantaggi: talvolta, ad esempio, si sente la mancanza del feeling dello strumento analogico che consente, all’occhio esperto, di verificare velocemente il comportamento “globale” del sistema sotto misura (si immagini ad esempio la comodità delle misure su un equalizzatore con un millivoltmetro AC a doppio canale).
Normalmente i moderni analizzatori audio possono effettuare misure singole (ad esempio il livello di uscita di un sistema eccitato con una sinusoide) oppure multiple (ad esempio ripetendo automaticamente la misura del livello di uscita su una sequenza di sinusoidi della stessa ampiezza e a diversa frequenza, ottenendo la risposta in frequenza per punti). In altri casi, questi strumenti possono operare sequenze di misure parametrizzate variando un parametro aggiuntivo (ad esempio il livello, generando una famiglia di curve di risposta in frequenza a diverse ampiezze). Tale approccio consente un enorme risparmio di tempo ed ha come interessante effetto collaterale quello di diminuire le operazioni manuali, incrementando quindi l’affidabilità delle misure stesse.
Storicamente, i maggiori attori nel mercato della strumentazione professionale per l’audio sono stati Hewlett Packard (HP), Tektronix, Panasonic ed altri minori. Nei prossimi paragrafi verranno forniti alcuni cenni sull’architettura di un audio analyzer degli anni passati e verranno illustrati i più importanti modelli dei produttori che hanno operato in questo settore sino agli anni ‘90. Nelle tabelle 1 e 2, inoltre, è presentata una comparazione quantitativa dei parametri più importanti per la valutazione delle loro performance.
Possiamo con certezza affermare che gran parte delle apparecchiature audio costruite al mondo negli ultimi 40 anni sono state caratterizzate e progettate usando questi strumenti.

L’architettura tipica di un audio analyzer classico

In figura 5 è illustrata l’architettura del Panasonic VP-7723A (figura 7), tipico audio analyzer di quegli anni. Le sezioni principali sono:

1. Oscillatore a bassa distorsione
2. Contatore di frequenza e visualizzatore di livello
3. Due circuiti analogici per la misura del valore true-RMS della tensione di ingresso all’analizzatore. Il primo, senza filtri in ingresso, serve per la misura diretta del valore true-RMS del segnale (ad esempio per la misura del livello dell’oscillatore), il secondo è posto dopo una serie di filtri tra cui il più importante è un filtro notch accordato automaticamente con la frequenza impostata sul generatore; modificando la frequenza del generatore sinusoidale viene centrato su quella stessa frequenza il picco di attenuazione del filtro notch, in modo da eliminare la fondamentale e poter misurare il valore true-RMS del segnale residuo, utile per il calcolo della distorsione armonica totale + noise (THD+N)
4. Sezione digitale per la calibrazione ed il controllo delle funzionalità operative dello strumento
5. Convertitore analogico-digitale che converte le uscite in tensione continua dei rivelatori true-RMS e comunica tali valori alla sezione digitale di signal processing e visualizzazione su display a sette segmenti.

Non sono messe in evidenza, nello schema di figura 5, le sezioni di sbilanciamento e bilanciamento di ingresso e di uscita, perché VP-7723A non è una macchina “bilanciata” come, al contrario, molti altri audio analyzer di quegli anni.
Nelle macchine un poco più datate, come ad esempio il Panasonic VP-7721A di qualche anno prima (figura 6), le tensioni in uscita ai rivelatori true-RMS sono inviate, dopo un opportuno adattamento di livello, allo strumento a bobina mobile. Nel riferimento bibliografico [1] l’architettura di un audio analyzer viene descritta con maggiore dettaglio.

Panasonic

Panasonic è stata presente per parecchi anni nel mondo della strumentazione audio producendo macchine di tutto rispetto, tra cui spicca il modello VP-7721A (figura 6, rif. [6]) e gli strumenti successivi come ad esempio VP-7722A e VP-7723A.
VP-7721A è un audio analyzer che permette di generare segnali sinusoidali a bassissima distorsione; ha un sistema di misura true-RMS analogico e un sistema avanzato di filtraggio passa banda asservito al generatore che consente misure di THD+N, di rapporto segnale/rumore e di livello AC. I limiti principali di questo strumento sono gli ingressi e le uscite sbilanciate (uscita dell’oscillatore ed ingresso dell’analizzatore di distorsione) e il basso livello della tensione di uscita dal generatore. Le performance dello strumento sono di tutto rispetto e per anni è stato uno degli strumenti di punta per le misure audio (vedi le tabelle 1 e 2). Non ne sono stati prodotti tanti, conseguentemente è difficile trovare delle macchine sul mercato dell’usato e chi le ha se le tiene ben strette. VP-7721A (figura 6) e VP-7723A (figura 7) presentano architetture fondamentalmente analogiche ma sono presenti diverse funzioni avanzate per la memorizzazione delle configurazioni di misura e per la calibrazione dello strumento.
Nel Panasonic VP-7723A, rispetto ai modelli precedenti, vengono abbandonanti i comodi strumenti a bobina mobile per passare alla visualizzazione mediante display a sette segmenti. VP-7723A, inoltre, può essere controllato da remoto mediante la interfaccia HP-IB che manca nel VP-7721A.

Tektronix

Gli strumenti per le misure audio messi in campo dalla nordamericana Tektronix in quegli anni sono stati primariamente quelli della serie 500. Tali strumenti modulari potevano essere connessi tra loro mediante una sorta di lunch box (la serie TM 50x e TM 500x). Tra essi sono stati importanti il generatore a bassissima distorsione SG 505 (figura 8, rif [5]) uscito nel 1979 (per altro disponibile con uscite bilanciate e sbilanciate), progettato da Bruce Hofer che poi farà parte del gruppo di fondatori di Audio Precision, ed il Distortion Analyzer AA501 (figura 9).
Successivamente, anche in questa serie è stata introdotta la possibilità di controllo remoto via HP-IB e sono nati i modelli SG5010 (generatore di segnali, rif. [4]) e AA5001 (analizzatore di distorsione). Negli anni successivi venne introdotto il modello AM700 (figura 11, rif. [7]), macchina che ormai mostrava la direzione degli analizzatori audio moderni. Negli anni successivi, Tektronix uscì dal mercato delle misure per l’audio professionale ed alcuni dei progettisti delle macchine per le misure audio fondarono poi Audio Precision.

Keysight (Ex HP, ex Agilent)

La macchina HP per le misure audio più importante dopo il distortion analyzer HP 399A (figura 3) è stato l’audio analyzer HP8903B (figura 12).
Anche in questo caso – analogamente ai Panasonic VP-7721A e VP-7723A – lo strumento integra i blocchi principali per l’effettuazione di misure di livello, distorsione e rapporto segnale/rumore. L’ultima versione di questo strumento è andata fuori produzione non più di un paio di anni fa (rif. [8]).

Generatori ed analizzatori di distorsione: comparazione

Le caratteristiche più importanti per un generatore di segnali per misure audio sono le seguenti:

1. THD o THD+N, ossia distorsione armonica totale, con o senza il contributo del rumore (vedi le definizioni in appendice) sovrapposto al segnale generato dall’oscillatore. Questa è definita come una misura percentuale o in dB. Diciamo che gli strumenti allo stato dell’arte sono in grado di raggiungere dei valori di THD o THD+N dell’ordine dei 129 dB, ma in caso di frequenze singole si possono ottenere anche valori intorno a 140 dB. Questo parametro è fondamentale perché definisce il limite inferiore di distorsione che possiamo leggere all’uscita di un apparato, in maniera da mettere in evidenza la distorsione introdotta dall’unità sotto test. In altri termini: se la distorsione dell’unità sotto test è molto bassa, per poterla misurare il segnale sinusoidale di test in ingresso dovrà essere molto puro dal punto di vista della composizione armonica, ovvero deve presentare una distorsione molto inferiore rispetto a quella dell’apparato sotto test (rif. [9]).
2. Range di frequenza: è importante che tale range sia esteso, perché permette di analizzare il comportamento dell’unità sotto test anche alle frequenze estreme. Negli strumenti di livello elevato, tale range si estende da 5 Hz fino a circa 200 kHz.
3. Level flatness (costanza del livello di uscita in funzione della frequenza): rappresenta la capacità di un generatore di mantenere costante l’ampiezza della sinusoide generata nell’intero range di frequenze producibili. Tale parametro è di rilevante importanza nella misura della risposta in frequenza.
4. Uscite (del generatore) ed ingressi (dell’analizzatore di distorsione) bilanciati: tale parametro è importante perché semplifica il setup di misura e rende inoltre la misura più affidabile e precisa, in quanto il circuito di bilanciamento/sbilanciamento è stato caratterizzato all’atto della progettazione dello strumento stesso.
5. Sweep di frequenza lineare o logaritmico: talvolta nella strumentazione vintage esiste un ingresso in tensione (VCF) che controlla la frequenza dell’oscillatore.
6. Maximum Output Level: si tratta del massimo livello generabile in uscita. Tale parametro è fondamentale per la garanzia di poter eseguire misure sul dispositivo sotto test anche ai massimi livelli di ampiezza (ad esempio misurando della distorsione ad alti livelli di segnale in ingresso). Occorre tenere conto che le macchine audio professionali sono normalmente alimentate a ± 24 V DC. Per testare estensivamente tali unità è quindi necessario poter avere un generatore capace di generare livelli anche di +30 dBu.
7. Residual THD+N (per gli analizzatori di distorsione): questo parametro rappresenta la distorsione intrinseca dello strumento e quindi costituisce il limite minimo di distorsione misurabile dallo strumento stesso (tabella 2).

Ci sono anche altre caratteristiche che occorrerebbe valutare, ma quelle che abbiamo indicato sono le più importanti per una classificazione delle performance degli strumenti.
Nelle tabelle 1 e 2 è possibile notare che nessuno degli strumenti vintage presenta contemporaneamente tutte le caratteristiche fondamentali, obiettivo che è invece stato raggiunto nei moderni audio analyzer.

Nella prossima puntata ci occuperemo dettagliatamente della descrizione dei moderni audio analyzer presenti sul mercato.

tabella 1: caratteristiche degli oscillatori (autonomi o integrati all’interno di macchine più complesse) (*)

tabella 2: THD+N residuale (*)

Nota (*): I parametri riportati sopra sono ottenuti dall’analisi delle specifiche tecniche degli strumenti e sono stati sottoposti ad un processo di semplificazione per ridurre il numero di dati presenti nelle tabelle, mentre non sempre le specifiche tecniche sono direttamente confrontabili. Spesso sono anche stati convertiti per avere unità di misura omogenee. Tali dati hanno conseguentemente solo un valore indicativo.

Riferimenti Bibliografici

[1] Schiffner, Klaus, Modern Audio Analyzers-Architecture and Functions, AES Conference:UK 12th Conference: The Measure of Audio (MOA) (April 1997)
[2] Gould J3B Manual http://www.kevinchant.com/uploads/7/1/0/8/7108231/gould.__j3b._._service_and_operating..pdf
[3] HP339A Manual, http://thehistoryofrecording.com/Test_Equipment/Manuals/HP/HP-339A_Manual.pdf
[4] SH5010 data sheet, http://w140.com/smb/SG5010.pdf
[5] SG 505 manual, http://exodus.poly.edu/~kurt/manuals/manuals/Tektronix/TEK%20SG%20505%20Instruction.pdf
[6] Panasonic VP7721 Manual http://kenrockwell.com/audio/panasonic/images/vp-7721a/vp-7721a-manual.pdf
[7] Tektronix AM 700, https://www.tek.com/am700-manual/am700-user-manual
[8] HP 8903, http://www.partsconnexion.com/test-pdf/hp8903-man.pdf
[9] https://www.ap.com/technical-library/more-about-thdn-and-thd/

Appendice

Definizione di distorsione armonica totale in %

In cui V_i sono da intendere come valori RMS delle armoniche; V₁ è l’armonica fondamentale.

Definizione di distorsione armonica in dB

Livello di uscita in dBu:

Dove V_RMS è il valore RMS del segnale V.

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