立體聲信號相位差電平差測試儀

摘要：提出了一種立體聲信號相位差電平差測試儀的設(shè)計方法。用單片機(jī)為控制核心，主要由相位差檢測模塊、電平差檢測模塊、頻譜分析及處理模塊、電源模塊、鍵盤和顯示模塊組成。將LR立體聲信號經(jīng)頻譜分析、整形及占空比檢測電路進(jìn)行處理，采用過零鑒相法，通過測矩形波占空比，實現(xiàn)相位差的測試。將LR信號用AD736專用芯片實現(xiàn)AC／DC轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)編程，得到LR電平差。試驗數(shù)據(jù)表明該儀器實現(xiàn)了LR信號相位差電平差的測試，且具有較高的測試精度，并能存儲和顯示相關(guān)信息。本設(shè)計具有創(chuàng)新性和實用性，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；相位差；電平差；測試儀

在立體聲播音或放音時，如果左右聲道信號存在相位差和電平差，對播音或放音質(zhì)量將會產(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)重時還會造成無音故障。
為此文中設(shè)計了立體聲信號相位差電平差測試儀，只有準(zhǔn)確測出相位差電平差，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)美的廣播或音樂的需要。

1 設(shè)計方案
如圖1所示，是立體聲信號相位差電平差測試儀原理方框圖。提出了一種立體聲信號相位差電平差測試儀的設(shè)計方法。用C8051F020單片機(jī)為控制核心，主要由相位差檢測模塊、電平差檢測模塊、頻譜分析及處理模塊、電源模塊、鍵盤和顯示模塊組成。將LR立體聲信號經(jīng)頻譜分析、整形及占空比檢測電路進(jìn)行處理，采用過零鑒相法，通過測矩形波占空比，實現(xiàn)相位差的測試。將LR信號分別用AD736專用芯片實現(xiàn)AC／DC轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)編程，得到LR電平差。整個系統(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
2．1 相位差檢測模塊
2．1．1 方框圖和電路原理圖
如圖2所示，是相位差檢測模塊原理方框圖。如圖3所示，是相位差檢測模塊電路原理。

相位差檢測模塊由電壓比較器、與門、放大器、占空比檢測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個電壓比較器，L(A點信號)R(B點信號)左右聲道信號分別經(jīng)IC2、IC21電壓比較器整形變?yōu)榉讲ㄐ盘?C點信號和D點信號)，然后再相與，得到矩形波(E點信號)，74LS08是與門。IC4 AD827及其周圍器件構(gòu)成同相放大器，對與門輸出的信號進(jìn)行放大。IC5 CD4069及其周圍器件構(gòu)成占空比檢測電路，用過零鑒相法，測量兩個矩形波信號的占空比。輸入端加入一個占空比為D的矩形波，輸出端F點輸出一個直流信號，數(shù)值在0～100 mV之間變化，這個直流信號既代表占空比D，是反映相位差的一個量。IC6 OPA2111及其周圍器件組成儀器放大器，用于放大F點輸出信號，因這個信號數(shù)值在0～100 mV，是小信號，所以采用自動較零型儀器放大器，以保證測試儀有很高的精度。當(dāng)開關(guān)S1、S2同時打在“1”時，完成自動較零功能；當(dāng)開關(guān)S1、S2同時打在“3”時，是正常的放大功能。放大后的信號，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 理論分析及實現(xiàn)
立體聲信號是20Hz～20 kHz的音頻信號，用uSL、uSR分別表示由音響設(shè)備輸出的左右聲道信號，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，相位是時間t的線性函數(shù)。左右聲道的φSL(t)和φSR(t)是2個簡諧振蕩的相位，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，相位差也是時間t的線性函數(shù)。φ對ω偏導(dǎo)數(shù)是群延時，群延時tp為

由音響設(shè)備輸出的左右聲道信號“uSL、uSR，經(jīng)過頻譜分析及處理電路后，得到uL、uR信號，uL、uR是同頻率的正弦信號，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信號的相位差是一個常數(shù)，并由初相之差決定。如將L信號作為基準(zhǔn)信號，L、R信號即uL、uR信號的表達(dá)式為：
uL(t)=ULsinωt (7)
uR(t)=URsin(ωt+ψ) (8)
這時，L、R信號相位差為：
φ=0-ψ=-ψ (9)
式(9)中的負(fù)號表示L滯后R一個ψ角度。所以只需要測量計算出相位差φ即可，或用△ψ表示LR信號的相位差。
如圖4所示，是圖4中A點、B點、C點、D點、E點的波形圖。

圖4中，uA、uB是L信號和R信號，是正弦波；uC、uD是L、R信號經(jīng)電壓比較器整形后的方波，uE是2個方波相與后得到的矩形波，D是占空比。用過零鑒相法，測量兩個矩形波信號的占空比。過零鑒相法是：兩個正弦波，頻率相同，讓其經(jīng)過鑒相網(wǎng)絡(luò)后，變?yōu)榉讲?。其前沿對?yīng)于正弦波的正向過零點，后沿對應(yīng)于正弦波的負(fù)向過零點。再將兩個方波送入到觸發(fā)器的復(fù)位端和置位端，被測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信號過零點的時間差，即圖4中的占空比D。
再將uE放大后，送入占空比檢測電路，在輸出端F得到一個直流電壓，數(shù)值是0～100 mV，這個直流信號即代表占空比D，是反映相位差的一個量，D從[(0～100％)×T]變化，其中T為A點(或B點)信號的周期。如F點輸出信號為10 mV時，D=10％×T，則L(A點信號)和R(B點信號)的相位差△φ=180°-10％x360°。當(dāng)D=0時，R、L信號的相位差為180°，即反相，這時立體聲信號嚴(yán)重失真。
2．2 電平差檢測模塊
圖5所示為電平差檢測電路原理圖。因左右聲道電平差檢測電路圖完全一樣，所以圖5是左聲道電平差檢測電路原理圖。電平差檢測電路由衰減器、交流直流變換電路和放大器三級組成，其中IC7 NE5532及其周圍器件組成衰減器，將輸入L信號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，前級衰減器和后級放大器設(shè)計成自動校零型電路。

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，其測量誤差小于±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)值大小會影響到被測電壓的波峰因數(shù)Kp，Kp是被測電壓的峰值與真有效值之比。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
用C8051F020單片機(jī)，采用C語言編程，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)置及計算模塊、相位差計算模塊、電平差計算模塊、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 試驗數(shù)據(jù)及分析
如表1所示，是相位差電平差測試數(shù)據(jù)。

由表1的測試數(shù)據(jù)可知，相位差的絕對誤差小于0．7°，電平差的絕對誤差小于3 mV(當(dāng)△Ui=10 mV)，測試精度較高。

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，同時對廣播和音樂放音也提出了更高的要求。只有準(zhǔn)確地測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)美的廣播和音樂的需求。
本設(shè)計為高質(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，用于檢測和調(diào)整兩路信號平衡，如飛機(jī)平衡、運(yùn)動平衡調(diào)整等。