TOOLMOX - AUDIO MEASUREMENT TOOLBOX
(10 March 2008)
Abstract
The Toolmox© is an all-in-one portable hardware interface for audio measurement and analysis software (e.g. Arta, SpectraLAB, RightMark or any other such application). Its design integrates all the necessary hardware capabilities (a 24-bit soundcard, microphone and line preamplifiers, output amplifier, etc.) to perform tests and measurements on a wide range of analogue audio circuits and loudspeakers.
The soundcard provides 16/24-bit signal measurement accuracy at 44.1/48 kHz, achieving a maximum dynamic range (and S/N ratio) of 120 dB. The microphone preamplifier can readily accommodate a variety of different microphones and its gain may be adjusted to 0, 20 or 40 dB. The measurement output amplifier can deliver up to 15W into 8Ω, with less than 0.005% of THD over the entire frequency range, whereas the line preamplifier has a fixed gain of 20 dB and a THD of less than 0.001%. The input selector/attenuator is used to switch between different measurement inputs and to adjust for correct input levels to the soundcard. The device is supplied by 4 voltage regulators to ensure the best measurement accuracy and precision possible.
The Toolmox is designed to help audio DIYers to improve the quality of their projects by giving them access to a compact, accurate, fast and straightforward measurement and diagnostic tool at a cost that is, compared to similar off-the-shelf solutions, both reasonable and affordable.
Note: This seemingly simple project requires careful planning, layout and great attention to detail (not newbie-friendly!).
Toolmox je univerzalno mjerno audio sučelje namijenjeno brzom, jednostavnom i učinkovitom mjerenju i razvoju audio uređaja, kao što su pretpojačala, pojačala ili zvučnici. Nastao je kao rezultat moje potrage za mjernim sustavom koji bi zadovoljio potrebe vlastitog znanstvenog istraživanja iz područja zvučničkih sustava, a ujedno bi bio razumne cijene i mogao bi se kontrolirati i upravljati putem prijenosnog računala. Premda se na početku potrage činilo da ovim zahtjevima ne bi trebalo biti teško udovoljiti, ubrzo se pokazalo da su postojeća tvornička rješenja ili manjkava ili preskupa (preko 2000€) za moje potrebe. Jedino što mi je stoga preostalo bilo je napraviti i osmisliti vlastiti uređaj u DIY varijanti.
Toolmox se sastoji od više funkcionalnih blokova, koji sami po sebi nisu osobito kompleksni niti skupi za izradu. To su:
- mikrofonsko pretpojačalo,
- linijsko pretpojačalo,
- ulazni selektori i atenuatori,
- izlazno pojačalo snage,
- ispravljači i stabilizatori te
- zvučna kartica s USB sučeljem.
Blok shema
Na slici ispod prikazana je blok shema uređaja.
 |
Osnovni blok čini zvučna kartica koja sadrži analogne ulaze i izlaze te se spaja s računalom putem USB sučelja. Kartica se upravlja softverom za audio mjerenja. Ja preferiram Artu, izvrstan uradak dr.sc. Ive Mateljana sa splitskog FESB-a, premda je sučelje kompatibilno s većinom postojećeg mjernog softvera takve vrste (SpectraLAB, RightMark, audioTester itd.). Analogni izlaz iz kartice dovodi se u linijsko pretpojačalo, koje pojačava audio signal 10 puta te ima potenciometar za regulaciju razine signala. Taj je signal mjerni signal poznatih karakteristika, koji ili dovodimo izravno na audio uređaj koji mjerimo (npr. pretpojačalo ili pojačalo) ili njime napajamo mjerno izlazno pojačalo prilikom mjerenja zvučnika. Izlazno pojačalo snage je malo pojačalo koje kao aktivni element koristi IC LM3886 iz ranije objavljene serije o Gain-klonovima. Signal koji analiziramo može dolaziti iz nekoliko izvora, zbog čega uređaj ima selektor ulaza sa 6 položaja za odabir onog ulaza čiji signal želimo analizirati. Budući da signal može biti velike razine (mjerimo li, primjerice, neko izlazno pojačalo), potrebno ga je u tom slučaju atenuirati na razinu koja se optimalno može mjeriti zvučnom karticom, za što služi prikazani atenuator. Mikrofonsko pojačalo služi za pojačanje signala iz mjernog mikrofona i napajanje mjernog mikrofona potrebnim naponom. Uređaj se napaja iz mreže pomoću toroidnog transformatora snage 40VA te napona 2x17V. Istosmjerni naponi za napajanje zvučne kartice i pretpojačala dobivaju se pomoću 4 stabilizatora napajanja. |
| (click to enlarge) | |
Zvučna kartica
Zvučna kartica je najvažniji dio uređaja jer o njezinim karakteristikama najviše ovise mjerna preciznost i kvaliteta samog uređaja pa izboru kartice stoga valja posvetiti posebnu pozornost. Ja sam odabrao M-audio karticu TRANSIT zbog sljedećih razloga:
- razumna cijena (oko 700kn),
- jednostavnost (nema nepotrebnih ulaza, izlaza i raznih kontrola, poput mikrofonskog balansiranog ulaza, surround izlaza itd.)
- male dimenzije i jednostavna montaža,
- izvrsne karakteristike (24bita/96kHz).
Mikrofonski balansirani ulaz na vanjskim zvučnim karticama treba izbjegavati jer je uglavnom loše kvalitete zato što se kartice napajaju ili iz samog USB priključka naponom od +5V ili (u rijetkim slučajevima) pomoću adaptera, koji u pravilu daje opet samo +5V. Da bi ispravno radili, mikrofoni s balansiranim priključkom trebaju fantomski napon za napajanje od +48V, koji se u vanjskoj zvučnoj kartici dobiva prekidačkim up-konverterom, čiji je napon dosta daleko od idealnog po čistoći, stabilnosti i točnosti. Činjenica je da mikrofonski ulazi na vanjskim karticama nisu namijenjeni prihvatu mjernih mikrofona, već prosječno kvalitetnih mikrofona u kućnim ili priručnim sustavima za obradu i snimanje zvuka. Pored navedenog, valja imati na umu da su mjerni mikrofoni uglavnom elektretskog tipa, gdje nije potreban visoki fantomski napon, te da je u prosječnim (DIY) mjernim uvjetima balansirani spoj mikrofona potpuno nepotreban jer je udaljenost mikrofona od mjernog uređaja svega nekoliko metara.
Nadalje, da bih postigao što bolje mjerne rezultate, napajanje kartice izveo sam iz lokalna dva izvora od +5V, velike stabilnosti i čistoće. Jedan napon služi za napajanje digitalnog dijela kartice, a drugi za napajanje izlaznog operacionog pojačala. Napajanje iz računala putem USB konektora je odspojeno jer je taj izvor strujno ograničen, nestabilan i ovisan o trenutnom opterećenju baterije/ispravljača radom sklopova računala (HD, video kartica itd.) Osim toga, spoj mase Toolmoxa i računala putem USB kabela na ovaj način više nije opterećen strujom napajanja, što pogoduje stabilnosti rada zvučne kartice.
Prilikom testiranja zvučne kartice, utvrdio sam da generirani mjerni napon na izlazu ima najmanji THD i rezidualni šum pri vrijednosti od 0,5V RMS. Pri većim vrijednostima napona THD naglo raste, dok za manje izlazne napone pada odnos signal-šum. Zbog toga sam dodao vanjsko linijsko pojačalo s mogućnošću regulacije (i pojačanja) razine signala prilikom mjerenja, a zvučnu karticu softverski namjestio da daje 0,5V RMS fiksno (Windows control panel). Najbolje mjerne rezultate analize ulaznog signala u zvučnu karticu dobio sam kada je signal bio u području od 0,5 do 0,8V RMS. To znači da, pri mjerenju nekog uređaja, izlazni napon generatora i ulazni atenuator u karticu moram namjestiti tako da ulazni napon u karticu bude u tom području.
Ovakvi rezultati i ograničenja kartice očekivani su s obzirom da se zvučna kartica napaja naponom od samo +5V i vjerojatno će biti slični i za većinu drugih kartica.
Mikrofonsko pretpojačalo
Kao što sam već napomenuo, Toolmox sadrži posebno pretpojačalo za mjerni mikrofon, čija je shema prikazana na slici ispod.
Pretpojačalo se sastoji od dvostupanjskog pojačala od 0/20dB, izvedenog pomoću dvostrukog operacionog pojačala. Ovdje koristim standardni OP MC33078, kvalitetan niskošumni OP koji je stabilan pri pojačanju od 0dB. Mogu se koristiti i druge IC izvedbe, što sam ostavio kao mogućnost za kasnija eksperimentiranja (te zato postavio OP u kvalitetna podnožja da bih ih mogao lako mijenjati).
Pojačanje pretpojačala odabire se kip preklopnikom koji prespajanjem otpornika mijenja ukupno pojačanje oba OP-a. Dodao sam posebno napajanje za mjerni mikrofon, koje iznosi +12V. Mjerni mikrofon se spaja na DIN 5-pinski konektor. Posebno prilagođen spojni kabel između mjernog mikrofona i Toolmoxa omogućava korištenje različitih mjernih mikrofona (slike ispod).
 |
 |
| Measurement microphones |
From left to right: Behringer ECM8000, Neutrik 3382, DLSA, Neutrik MiniSPL |
Za standardna mjerenja koristim mikrofone Neutrik 3382 i MiniSPL, čiji se kalibracijski frekvencijski odziv i osjetljivost vide na donjim slikama. U skoroj budućnosti planiram objaviti i svoj DIY mjerni mikrofon. Mikrofonsko i linijsko pretpojačalo napajaju se istosmjernim stabiliziranim napajanjem od +/- 12V.
 |
 |
| Neutrik 3382 (click to enlarge) |
Neutrik MiniSPL (click to enlarge) |
Linijsko pretpojačalo
Kako je ranije rečeno, izlazni mjerni napon iz zvučne kartice ima optimalnu vrijednost Uout=0,5VRMS. Prilikom mjerenja, taj je napon potrebno regulirati (smanjiti ili pojačati za, primjerice, pobudu izlaznih pojačala), što se ostvaruje jednostavnim pojačalom s OP MC33078 koje ima fiksno pojačanje od 20dB, a prikazano je na slici ispod. Maksimalni napon koji pojačalo može dati iznosi 5VRMS, što je i više nego dovoljno za pobudu bilo kojeg pretpojačala ili izlaznog pojačala snage. Ovim pretpojačalom se napaja i interno izlazno pojačalo kada se izvode mjerenja na zvučnicima.
Ulazni selektori i atenuatori
Da bi se uređajem mogli mjeriti signali iz različitih izvora, bilo je potrebno izvesti selektor ulaznih signala u lijevi i desni kanal zvučne kartice. Najčešći ulazni signali su mikrofonsko pretpojačalo (kada se analizira odziv nekog zvučnika), eksterni ulaz (kada se analizira izlazni signal iz nekog linijskog uređaja ili pojačala snage) te izlaz iz mjernog izlaznog pojačala s izlaznim mjernim otpornikom ili bez njega (kada se analiziraju T/S parametri zvučnika te njegova impedancija i frekvencijski odziv). Svi ovi mjerni signali mogu imati različite razine, od linijske razine (oko 0,5V) do izlazne razine od nekoliko desetaka volta (npr. iz nekog izlaznog pojačala). Zbog toga se na ulazu mjernih kanala zvučne kartice, osim selektora ulaza, nalaze atenuatori 0-20-30dB da bi se previsoki ulazni napon smanjio na optimalnu mjernu razinu od 0,5V. Shema selektora i atenuatora prikazana je ispod.
Ulazi kartice dodatno su zaštićeni od prenaponskog preopterećenja limiterom sastavljenim od otpornika R4 i protuserijski spojenih zener dioda, kojima se ulazni napon limitira na maksimalnu vrijednost od oko 2VRMS.
Izlazno pojačalo snage
Izlazno mjerno pojačalo snage temeljeno je na pojačalu s LM3886 čipom, čiju sam shemu i izgled pločice već ranije objavio na stranici. Pojačalo se napaja nestabiliziranim naponom od +/-22V, što osigurava približno 20W snage pri opterećenju od R=8 oma, uz vrlo mala THD izobličenja. Na izlazu pojačala nalazi se mjerni otpornik od 25ohma/20W, koji se koristi prilikom mjerenja impedancije i T/S parametara zvučnika. Ovaj se otpornik može kip prekidačem premostiti kada se izlazno pojačalo koristi za analizu ostalih karakteristika zvučnika.
Izlazno pojačalo snage dobiva signal iz linijskog pretpojačala preko kip prekidača na stražnjoj strani Toolmoxa. Ovim se prekidačem može isključiti signal s ulaza kada se izlazno pojačalo ne koristi. Time se onemogućava negativan utjecaj visokog napona (do 20V) koji se pojavljuje na zvučničkom terminalu na mjerenje signala s linijskog eksternog ulaza.
Ispravljači i stabilizatori
click to enlarge
Toolmox se napaja iz 4 stabilizirana izvora: dva od +5V za napajanje zvučne kartice te +/-12V za napajanje mikrofonskog i linijskog pretpojačala. Shema ispravljača i stabilizatora vidi se na slici lijevo.
Za napajanje izlaznog pojačala snage koristi se nestabilizirani ispravljeni napon od +/-22V. Izvedba zvjezdišta masa u ovom je uređaju iznimno kritična. Zvjezdište je izvedeno u sredini uređaja i na njega se spajaju sve mase od svih funkcionalnih blokova. Time se na najmanju mjeru smanjuju petlje masa i osigurava maksimalan mogući S/N odnos mjernog uređaja.
Zaključak
Iako se ovaj uređaj na prvi pogled može činiti jednostavnim, on to nikako nije. Mala pogreška u izvođenju ožičenja može izazvati drastično pogoršanje karakteristika mjernog uređaja. To je i temeljni razlog zbog kojega gradnju Toolmoxa nikako ne preporučam neiskusnim graditeljima.
Sam uređaj pokazao je izvrsne mjerne rezultate te mi omogućio daleko jednostavniju i bržu provedbu mjerenja u odnosu na do sada korištene mjerne uređaje. Na donjoj slici prikazan je kalibracijski spektar lanca zvučna kartica - linijsko pretpojačalo - selektor ulaza –atenuator, koji pokazuje da je ostvaren dinamički opseg mjerenja od približno 120dB, što je sasvim dovoljno za širok raspon kompleksnih audio mjerenja i analiza. Budući da je uređaj lagan (oko 1kg) i malih dimenzija (24x20x4cm), može se bez problema i napora prenositi na željene mjerne lokacije u istoj torbi s prijenosnim računalom, po potrebi. Ukupna cijena dijelova potrebnih za izgradnju Toolmoxa, uključujući kutiju, iznosi oko 200 EUR. (-v)
COPYRIGHT NOTICE
This material is not public domain. It is provided for your personal use only and may not be reproduced, re-distributed, re-transmitted, copied or otherwise used in any form without the express written permission of the author. You may not upload this material to any public server, on-line service, network or bulletin board without the prior written permission of the author.
The use or copying of the contents of this page, in whole or in part, for any commercial purpose is expressly prohibited.