Benvenuti a un nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source. In questa Rubrica del blog EOS abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi passati ancora di interesse per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. Soprattutto per i segnali di bassa frequenza è possibile ricavare una moltitudine di strumenti di misura software utilizzando il PC e poco hardware aggiuntivo.
Se non si ha la necessità di eseguire misure su segnali a banda larga o ad alta frequenza, è possibile operare efficacemente utilizzando semplicemente il proprio computer ed alcuni software che risultano adeguati e particolarmente utili allo scopo. In questo modo è possibile disporre delle funzioni di un oscilloscopio e di quelle di un generatore di funzione universale, almeno per segnali che rientrano nella banda delle frequenze audio. In questa trattazione ci soffermeremo sui software di tipo freeware. Effettivamente, qualsiasi computer moderno è sufficientemente veloce e potente per effettuare l’acquisizione e la misura o per generare segnali nel campo audio. Ciò di cui abbiamo bisogno è semplicemente un PC su cui far girare applicativi che si basano su sistema operativo Windows.
Il Sistema Operativo Windows XP sembra l’opzione migliore da questo punto di vista dal momento che la maggior parte dei programmi di interesse in questo ambito, anche quelli meno recenti, funzionano correttamente senza problemi su Windows XP. Per l’impiego con altre piattaforme meno comuni come Linux e Mac OS la disponibilità di software applicativo di misura e di controllo è purtroppo piuttosto limitata. Ovviamente, le caratteristiche della scheda audio sono essenziali in questo ambito poiché esse determinano sostanzialmente la capacità di acquisizione e quindi di misura. Fortunatamente, le schede audio negli ultimi anni hanno migliorato molto le loro prestazioni tanto che anche su una scheda madre standard si trova spesso integrato un chip set audio che lavora a 96 kHz.
Se avete poi intenzione di comprare una scheda audio dedicata, cioè non integrata nella scheda madre per questi scopi, potreste scegliere un modello con una frequenza massima di campionamento pari a 192 kHz ed una risoluzione pari a 24 bit. Schede di questo tipo per PC sono oggi disponibili a costi che partono da circa un centinaio di sterline. Gli ingressi e le uscite fisiche di una scheda audio per PC sono di solito costituiti da prese RCA o jack da 3,5 mm. Essi non sono effettivamente adeguati ai nostri scopi, cioè nel caso in cui si desidera utilizzarli per acquisire/generare segnali di misura/test. Piuttosto può essere conveniente utilizzare dei cavi adattatori che consentano di passare dal connettore BNC al connettore RCA o al connettore jack da 3,5 mm. Utilizzando tali adattatori è possibile, per esempio, collegare una sonda standard da oscilloscopio per l’acquisizione e la misura dei segnali (nota: usare solo sonde senza attenuazione cioè con rapporto ingresso/uscita 1:1, non utilizzare invece sonde che integrano l’attenuatore 10:1).
Lo stesso discorso vale per le uscite: è possibile impiegare un adattatore per utilizzare i comuni connettori BNC, ma è anche possibile realizzare un pratico cavo adattatore con presa a doppia banana. Quando si utilizza una scheda audio come strumento di misura occorre fare particolare attenzione al valore in tensione del segnale che si intende misurare. Normalmente l’ingresso di linea non è in grado di gestire correttamente segnali più ampi di ± 0,5 V, poiché valori di segnale superiori mandano generalmente in over-drive il convertitore A/D. Di conseguenza, quando è necessario misurare segnali di valore superiore, bisogna interporre tra esso e l’ingresso della scheda audio un opportuno attenuatore. A tale proposito occorre anche tenere presente che l’impedenza di ingresso di una scheda audio di questo tipo non è generalmente molto alta essendo tipicamente pari a pochi kΩ. Una scheda audio è quindi chiaramente meno sensibile di un oscilloscopio reale tanto che essa può potenzialmente influenzare lo stesso circuito sottoposto a misura e quindi il segnale stesso da misurare. L’ingresso microfonico può essere invece utilizzato per effettuare misure ad un livello di sensibilità abbastanza elevato.
E’ importante, tuttavia, osservare che uno dei terminali microfonici presenta una tensione continua necessaria all’alimentazione dei microfoni ad elettrete. E’ anche importante osservare che quando si utilizzano le uscite della scheda audio, queste non possono essere caricate eccessivamente; per esempio, non è possibile collegare un carico di 50 Ω direttamente all’uscita della scheda audio. In questi casi è pertanto necessario collegare un piccolo amplificatore di potenza alle uscite di linea (utilizzare ad esempio un piccolo amplificatore di un vecchio speaker amplificato per PC e per essere sicuri che sia adeguato è possibile rilevarne la caratteristica in frequenza utilizzando uno dei programmi descritti di seguito).
OSCILLOSCOPI/ANALIZZATORI AUDIO
Audio Analyser è un analizzatore di spettro per segnali audio con alcune caratteristiche aggiuntive integrate estremamente utili. Con questo programma freeware è possibile effettuare sul segnale analisi in frequenza in tempo reale. Frequenza di campionamento, lunghezza e tipo di finestra FFT possono essere impostate con estrema facilità. Esso consente di effettuare la media di una serie di misure e di utilizzare due marcatori, che consentono di indicare il livello del segnale a determinate frequenze. Esso integra, inoltre, numerosi altri utili strumenti: una applicazione che mostra il livello e la differenza di fase tra i segnali dei due canali destro e sinistro, rispettivamente, ed un analizzatore ad 1/3-ottava.
I dati misurati possono anche essere salvati in un file. L’analizzatore FFT reagisce velocemente, in particolare sui computer moderni che sono dotati di notevole potenza di calcolo. BIP Oscilloscope è un programma che ha ormai più di dieci anni e che, forse, non offre tutte le caratteristiche e potenzialità offerte da alcuni degli altri programmi descritti in questo articolo. Tuttavia, funziona anche con Windows XP, ha un layout chiaro e di semplice utilizzo grazie ai comandi software a forma di manopole rotative. Quando si utilizza questo software sotto Windows XP si ha l’impressione che sia un pò più lento degli altri programmi e che non sia caratterizzato da una riproduzione accurata del segnale. Questo dipende probabilmente dal fatto che si tratta di un software abbastanza datato.
GENERATORI DI FUNZIONI
Audio Sweepgen è un piccolo programma ben strutturato, appositamente sviluppato da David Taylor per produrre sweep audio. E’ possibile selezionare la forma d’onda del segnale oggetto dello sweep che può essere sia un’onda quadra che un’onda sinusoide. Inoltre, sono disponibili dei pulsanti per una serie di intervalli di sweep come per esempio quelli del segnale vocale. È possibile selezionare manualmente gli esatti valori di inizio e di fine del range di frequenze di sweep desiderato. La velocità di sweep è completamente regolabile ma è anche possibile scegliere tra alcune impostazioni predefinite. E’ possibile impostare sia sweep lineari che logaritmici ed è anche possibile impostare un marcatore di metà ottava. BIP Sine Wave Generator è un semplice generatore d’onda sinusoidale, che mette a disposizione due manopole per l’impostazione della frequenza e dell’ampiezza della forma d’onda. E’ inoltre disponibile una funzione di sweep. La realizzazione del programma risale alla stessa epoca di Beep scope (ed è anche dello stesso autore) e appare pertanto un pò datato.
Esso, tuttavia, funziona ancora su molti computer anche se sul nostro computer abbiamo comunque osservato, di tanto in tanto, strani effetti sul segnale di uscita, che potevano essere eliminati agendo per alcuni attimi con un clic sul pulsante Mute. Il generatore di funzioni Multisine è un ottimo tool se si vuole generare qualunque tipo di forma d’onda di segnale attraverso una scheda audio. Come suggerisce il nome del tool, questo software può generare forme d’onda di segnale composte, a loro volta, da onde sinusoidali multiple; più precisamente è possibile scegliere la frequenza, l’ampiezza e fase di ciascuna sinusoide componente. Esso consente tuttavia anche di generare tutti gli altri tipi di forme d’onda, come segnali sinusoidali semplici, onde quadre, triangolari o a dente di sega. Inoltre, consente di impostare una “spazzolata” tra due frequenze e di generare un segnale modulato in ampiezza oppure in frequenza. Il software può anche essere impostato per generare un rumore bianco oppure un rumore rosa. Con l’ausilio dell’analizzatore di spettro integrato è possibile analizzare la composizione in frequenza del segnale generato. La forma d’onda del segnale di uscita è riportata a video.
Un programma davvero versatile! SigJenny è un programma che funge da generatore di funzioni e che ad una prima impressione potrebbe non sembrare un granché, tuttavia la prima impressione inganna. Ovviamente, è possibile impiegarlo per generare un segnale sinusoidale, triangolare o a dente di sega. Una caratteristica molto interessante è data dal fatto che è possibile trasformare una forma d’onda triangolare lentamente fino a farle assumere l’aspetto di un dente di sega. E’ integrata anche la possibilità di eseguire degli sweep in frequenza, sia di tipo lineare che logaritmico, e con evoluzione dello sweep in entrambe le direzioni. Inoltre, esso consente di generare un segnale burst, con la frequenza, il numero di periodi per il quale il segnale perdura e la frequenza di ripetizione impostabili. La forma d’onda generata è mostrata in una piccola finestra dedicata allo scopo. Il programma, infine, offre la possibilità di misurare la caratteristica in frequenza di un altoparlante utilizzando un microfono e di visualizzarla in una apposita finestra. Si tratta di una misura non eccessivamente precisa ma in ogni caso molto utile per una analisi sommaria e rapida.
SOFTWARE MULTI-FUNZIONI
Si tratta di programmi applicativi che integrano molteplici funzioni che insieme sono spesso sufficienti a costituire un piccolo e completo laboratorio composto essenzialmente da un oscilloscopio e da un generatore di funzioni. Audio Test Bench è una raccolta di singoli programmi utilizzabili gratuitamente e scaricabili da HigherFi.com, un rivenditore online di apparecchiature audio di alto livello. La raccolta comprende, tra gli altri, un pratico oscilloscopio che originariamente era disponibile come applicativo freeware sviluppato diversi anni fa da uno studente russo e che ora, noto nella nuova versione chiamata Zelscope, può essere acquistato ad un costo piuttosto contenuto. La collezione comprende anche un analizzatore di spettro che deriva da Dazyweb Labs, un semplice generatore di toni in cui è possibile impostare la frequenza, l’ampiezza e diverse forme d’onda di segnale e infine un analizzatore di spettro che è possibile utilizzare per ricavare una caratteristica in frequenza e che deriva ancora da DazyWeb.
Si tratta di software abbastanza datati, ma che costituiscono comunque una bella collezione da tenere a portata di mano quando si vuole misurare qualcosa. Soundcard Scope è una bella applicazione di misura realizzata interamente in LabView. Il programma appare proprio come un oscilloscopio, con pulsanti che è possibile comandare attraverso il mouse per impostare la scala del segnale in ingresso e la base dei tempi. Il programma reagisce velocemente alle variazioni del segnale di ingresso, tanto da dare la reale sensazione di lavorare con un vero oscilloscopio. Sono disponibili tutte le funzioni tipiche di un oscilloscopio comprese diverse opzioni di trigger. Oltre alla visualizzazione classica del segnale è possibile utilizzare appositi tab e quindi pagine per avviare una modalità di rappresentazione di tipo XY per la rappresentazione delle figure di Lissajous. Inoltre, vi è la possibilità di visualizzare una finestra in cui viene mostrata l’analisi in frequenza (FFT) cioè l’analisi di Fourier del segnale d’ingresso acquisito. Il tab successivo e la relativa pagina rendono disponibile un generatore di funzioni a due canali, che può essere impostato attraverso tasti rotativi. ll segnale generato può appartenere a diverse forme d’onda come seno, triangolare, quadrata, a dente di sega oppure può essere un rumore bianco. E’ anche possibile impostare sul segnale generato uno sweep tra due frequenze. Accedendo all’ultima pagina integrata nell’interfaccia software è possibile agire sulle impostazioni della scheda audio (per esempio sulla frequenza di campionamento) ed impostare la registrazione del segnale sottoposto a misura e la sua memorizzazione all’interno di un file .wav. Davvero utile! Visual Analyzer è un programma realizzato in Italia caratterizzato da un numero davvero ampio di funzioni. Per default l’interfaccia mostra sullo schermo due ampie finestre di lavoro di cui una funge da oscilloscopio a due canali e l‘altra mostra simultaneamente l’analisi FFT dei segnali misurati.
Sia la funzione da oscilloscopio che quella di analizzatore FFT reagiscono prontamente e rendono pertanto l’interazione ed il lavoro molto piacevole. Esso risulta dotato di numerose impostazioni per cui, a volte, individuare l’opzione più adeguata può sembrare non immediato. Inoltre, è possibile visualizzare la caratteristica di fase in una finestra separata e anche aprire una apposita finestra che integra un frequenzimetro. Naturalmente, è anche integrato un generatore di segnale completo in quanto in grado di generare diverse forme d’onda e di gestire anche opzioni di sweep in frequenza. Altre caratteristiche tipiche di questo tool sono la possibilità di calcolare automaticamente la THD e la possibilità di effettuare misure LCR con l’aiuto di alcuni componenti hardware aggiuntivi (gli schemi relativi sono disponibili sul sito dell’autore). Purtroppo il design può sembrare un pò disordinato e il programma non sempre segue le convenzioni standard di Windows, ma se si accetta questo si tratta di un programma che offre davvero una serie notevole di caratteristiche e di funzionalità.
