Applicazioni della Scheda Audio

La Scheda Audio come Strumento per l’analisi di Segnali

Le moderne schede audio pensate per il collegamento con un PC sono strumenti sofisticati che permettono l’acquisizione in formato digitale (conversione ADC) di segnali elettrici su due canali. La frequenza di campionamento standard è di 44,1 KHz (pensata per un segnale audio che arriva al massimo fino a 20 KHz), si trovano però anche apparecchiature che campionano a frequenza superiori come 96KHz, con conversione su 16 bit o anche 24 bit.
Queste apparecchiature, originariamente pensate per acquisizione di segnali audio, ad esempio da microfoni, possono essere utilizzate per l’acquisizione digitale di qualsiasi segnale elettrico con ampiezza compatibile con lo stadio d’ingresso della scheda. Naturalmente la frequenza massima del segnale deve essere minore della metà della velocità di campionamento della scheda altrimenti il processo di campionamento causa perdita di informazione sul segnale (criterio di Nyquist).

Nella immagine sotto vediamo la scheda audio esterna che abbiamo utilizzato per le nostre prove : si tratta del modello Easy-Link USB 6. Questo modello supporta frequenze di campionamento di 32 KHz, 44.1 KHz e 48 KHz. Ha un ingresso MIC IN (mono) e LINE IN (stereo), oltre ai canali per i collegamenti con casse audio e sistemi home-theater che però non abbiamo utilizzato.

Abbiamo utilizzato l’ingresso LINE IN che, essendo stereo, ci permette di acquisire segnali su due canali distinti. Nella immagine sotto si vede lo “splitter” che divide il collegamento della scheda audio in due canali separati (che corrispondono ai canali SX e DX) i quali vengono resi disponibili su due connettori BNC posti ai lati dello splitter.

Nella immagine sotto viene mostrato il pin-out dei connettori jack più utilizzati.

La parte hardware descritta sopra va corredata con un software di acquisizione e gestione dei segnali. Nei paragrafi seguenti descriviamo alcuni di questi software che si possono trovare in rete.

Audacity

Audacity è un software audio free, open-source e cross-platform che permette all’utente di registrare, montare, mixare, aggiungere effetti, analizzare e convertire qualsiasi file audio. E’ un software veramente ricco di funzionalità avanzate tra le quali ricordiamo la possibilità di calcolare lo spettro in frequenza del segnale audio, la possibilità di registrare lo spettrogramma del segnale (l’andamento nel tempo delle componenti in frequenza) e la possibilità di registrare su file i dati dei segnali campionati (funzione datalogger).
L’immagine sotto mostra la schermata del programma, il software si può scaricare dal sito Audacity.

Visual Analyser

Visual Analyser è un programma Windows che consente di simulare un completo set di strumenti di misura, utilizzando un PC provvisto di scheda sonora oppure di hardware specifico. Il software può essere scaricato liberamente presso il sito web : sillanumsoft. Questo software trasforma il PC in un oscilloscopio per la visualizzazione delle forme d’onda ed in un analizzatore di spettro per il calcolo e la visualizzazione delle spettro in frequenza del segnale. Il software ha molte funzionalità tra cui : misura dei parametri del segnale, filtrazione, generazione di forme d’onda. L’immagine sotto mostra la schermata del programma con le due principali finestre che mostrano il segnale e lo spettro.

Theremino Digital Audio Analyser

Theremino DAA è uno strumento di misura e collaudo per apparecchiature audio, che comprende anche un generatore di segnali e un analizzatore di spettro. L’immagine sotto mostra la finestra principale del programma. Si può scaricare dal sito Theremino.

Acquisizione ed Analisi di un Segnale di Rumore Termico

Come applicazione della scheda audio per l’acquisizione di segnali vogliamo mostrare un esempio nel quale viene acquisito il segnale prodotto dal rumore termico in un resistore.

Il rumore termico si manifesta come una tensione aleatoria Vn(t) ai capi di un resistore con resistenza R, posto ad una temperatura T (in gradi Kelvin), tensione avente valore efficace (Vrms) dato dall’espressione :

Vrms = sqrt(4K_BRTBn)

Dove

• K_B: Costante di Boltzmann = 1.38064852×10^-23 [J/°K]
• R : Valore della Resistenza [Ω]
• T : Temperatura assoluta [°K]
• Bn : Banda equivalente del rumore [Hz]

La banda equivalente di rumore Bn è la larghezza spettrale usata per calcolare il valore quadratico medio della tensione di rumore, e in pratica è legata alla larghezza di banda del dispositivo usato per fare la misurazione.

Nella loro agitazione aleatoria gli elettroni interni ad un conduttore, considerati come cariche elettriche, generano delle correnti infinitesime senza una direzione privilegiata producendo ai capi del resistore, per la legge di Ohm, delle corrispondenti tensioni elementari aleatorie. L’effetto combinato di queste ultime, per il teorema del limite centrale, produce una tensione aleatoria con descrizione probabilistica dell’ampiezza di tipo gaussiana con un valor medio uguale a zero, proprio perché non c’è una direzione privilegiata delle correnti.

Per questa misura è stata utilizzata la stessa apparecchiatura descritta nel post Rumore Termico e Costante di Boltzmann. Per ottenere le caratteristiche richieste (basso rumore e bassa capacità di input), il sistema di misura del rumore che è stato adottato è basato su tre stadi :

• Stadio di ingresso con JFET a bassissima capacità di input (BF244);
• Stadio di pre-amplificazione con OP-AMP a bassissimo rumore (LT1028);
• Stadio di amplificazione con OP-AMP (LT1357)

Il sistema è basato sul progetto JCan dei Gellerlabs. Nelle immagini sotto si vede l’amplificatore montato sul suo PCB e fissato al coperchio della scatola metallica, si notano il connettore BNC e le due batterie da 9V per l’alimentazione dell’amplificatore. Sulla sinistra del PCB ci sono i terminali per l’inserimento del resistore sorgente di rumore termico.

Per i nostri test abbiamo utilizzato un resistore da 10 MΩ. L’uscita dell’amplificatore viene collegata direttamente ad un ingresso dello splitter, il quale porta il segnale direttamente alla scheda audio, come mostrato nella immagine sotto :

Con il programma audacity può essere registrato ed analizzato il segnale. Nella immagine sotto si vede la traccia del rumore prodotto dal resistore.

Dopo la registrazione possiamo visualizzare lo spettro del segnale, riportato nella immagine sotto. Si vede come lo spettro sia sostanzialmente piatto, almeno nell’intervallo corrispondente alla banda passante della scheda audio. E’ interessante notare la presenza di un massimo in corrispondenza della frequenza di 50 Hz, proveniente dai disturbi che si originano dall’impianto elettrico di casa.

Analisi Statistica

La registrazione audio del segnale elettrico prodotto dal rumore termico del resistore può essere esportata su file nel quale vengono inseriti i valori delle campionature acquisite dalla scheda, aggiungiamo che, dato che i canali disponibili sono due, possono essere campionati e registrati due canali contemporaneamente. Con questa funzionalità stiamo in pratica utilizzando la scheda audio come data logger con frequenza di campionamento pari a 44,1 KHz.
Il logging su file è però limitato, per ragioni di software, ad un milione di campioni che corrispondono a circa 30 secondi di registrazione. Questa campionatura è però più che sufficiente ad effettuare una interessante analisi statistica del segnale.

L’analisi statistica è stata effettuata dal nostro amico Richard Collins (esperto in matematica statistica). I campioni numerici sono stati adattati per essere acquisiti da excel come dati csv/tsv, successivamente sono stati elaborati mediante funzionalità statistiche e raggruppati in intervalli di valori al fine di produrre l’istogramma mostrato sotto.

La traccia arancione corrisponde all’andamento Gaussiano o normale, la traccia in blu corrisponde all’istogramma delle campionature del segnale, mentre la traccia rossa è il delta fra le due.
A parte una leggera polarizzazione positiva del segnale, probabilmente dovuta ad una deriva della catena di amplificazione, si vede come la corrispondenza con l’andamento gaussiano è praticamente perfetta, come previsto per un segnale “termico”.

Conclusioni

L’attività descritta in questo post ha messo in evidenza il grande potenziale di utilizzo delle schede audio come strumenti di analisi ed acquisizione di segnali, le schede audio beneficiano anche di una ricca scelta di software open source. Le potenziali applicazioni sono molteplici, citiamo ad esempio :

• acquisizione ed analisi di segnali da gravimetri e sismometri;
• studio di segnali radio in basse frequenze;
• studio di segnali da risonanza nucleare in campi magnetici a bassa intensità

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