Все что связано с измерениями на АЦП

[Сергей Кор]

Недавно возникла потребность в измерении искажений.Была поставлена задача измерять искажения не хуже -140-150 дБ(хотелось бы меньше,цифры исходя из реалий) с достаточной достоверностью при условии калибровки АЦП.Поиски привели к АЦП и аналоговым генераторам синуса.В тему хотелось бы включить обсуждение выбора БП и материнских плат(как оказалось не менее влияющих на шумовую полку чем БП) для звуковых карт PCI-PCI-E c 24bit АЦП, генераторов синуса с сверхнизкими искажениями,полосовых и режекторных фильтров для повышения разрешающей способности АЦП методом подавления частоты гена,аттенюаторов(в том числе дифференциальных) входа АЦП, FFT-анализаторов для АЦП, теоретических базовых знаний по выше перечисленным вопросам.Надеюсь на высказывания и участие уважаемых профессионалов.
Думаю данная тема заинтересует не только меня но всех кто интересуется измерениями с АЦП.

Привожу ссылки на наиболее интересные (на мой взгляд) темы и работы .
АЦП: https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=67983 ; https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=68856
Генераторы : https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=59277 ; http://www.audio-perfection.com/forum/thread-231.html
Фильтры : http://www.audio-perfection.com/forum/thread-87.html ; https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=71889
и самое интересное(но я не уверен в достоверности показаний комплекса) : https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=52750

Тему хотел начать с основного вопроса -шумовая полка 24бит АЦП и нижний предел измерений.Как я это понимаю исходит из формулы SNR(db) = 6.02 N + 1.76, где N - разрешение АЦП.
Привожу отрывок из известной работы: "Шум, измеряемый при расчете SNR, не включает гармонические искажения, но включает шум квантования. Для АЦП с определенным разрешением именно шум квантования ограничивает возможности преобразователя теоретически лучшим значением отношения сигнал/шум, которое определяется как:SNR(db) = 6.02 N + 1.76,
где N - разрешение АЦП.
Спектр шума квантования АЦП стандартных архитектур имеет равномерное распределение по частоте. Поэтому величина этого шума не может быть уменьшена путем увеличения времени преобразования и последующего усреднения результатов. Шум квантования может быть снижен только путем проведения измерений с помощью АЦП большей разрядности.
Особенность сигма-дельта АЦП состоит в том, что спектр шума квантования у него распределен по частоте неравномерно - он смещен в сторону высоких частот. Поэтому, увеличивая время измерения (и, соответственно, количество выборок измеряемого сигнала), накапливая и затем усредняя полученную выборку (фильтр нижних частот), можно получить результат измерений с более высокой точностью. Естественно, при этом общее время преобразования будет возрастать.
Другие источника шума АЦП включают тепловой шум, шум составляющей 1/f и джиттер опорной частоты."
Далее смотрим в той же википедеи если угодно про преобразование Фурье и FFT -анализаторы. Т.е. теоретически возможный предельный динамический диапазон 24бит АЦП -146,24дб, все что сверху получено -это преобразования.
Правильно ли я понимаю принцип шумовой полки и нижнего предела измерений?
Привожу шумовую полку своего АЦП на CS5381 звуковая карта Asus STX, калибровал : за 0дб 1V rms и замер генератора Виктора на 10кгц показал -115дб(к сожалению, блок питания лабораторный).

За ранее всем спасибо!

[tomtit]

Сергей, не хочу Вас обижать, но Вам бы учебники полистать чуть, а потом уже цитировать.
Ибо цитаты из "известных работ", вырванные из контекста, бессмысленны.
Шум квантования как раз прекрасно усредняется и фильтруется в присутствии дизеринга.
А макс. разрешение АЦП определяется его диф. и инт. нелинейностями и всякими "небелыми" шумами.

[Сергей Кор]

Сергей, не хочу Вас обижать, но Вам бы учебники полистать чуть, а потом уже цитировать.
Ибо цитаты из "известных работ", вырванные из контекста, бессмысленны.
Шум квантования как раз прекрасно усредняется и фильтруется в присутствии дизеринга.
А макс. разрешение АЦП определяется его диф. и инт. нелинейностями и всякими "небелыми" шумами.

Да какие обиды , я рад учиться.Спасибо что отозвались.Если вспомните что конкретно почитать буду рад.Т. е. шумовая пока вполне может быть ниже? А насколько, может есть формула?

[Alex]

Была поставлена задача измерять искажения не хуже -140-150 дБ(хотелось бы меньше,цифры исходя из реалий)

С имеющимися микросхемами АЦП - в прямом виде это не реально, максимум - 120-125дБ, больше - только с режектором.

[Сергей Кор]

С имеющимися микросхемами АЦП - в прямом виде это не реально, максимум - 120-125дБ, больше - только с режектором.

Спасибо Alex за Ваше весомое мнение.А почему? Шумовая полка позволяет вроде. Или она занижена Вы считаете?Я калибровал(не берусь утверждать что правильно калибровал).С внешнего гена 1кгц 1v rms, контролировал амплитуду UT-70C.

[Alex]

А почему?

Из-за искажений самого АЦП.

---------- Сообщение добавлено 20.01 ---------- Предыдущее сообщение было 19.55 ----------

Шумовая полка позволяет вроде.

Шумовая полка тут не причем, у самого чипа растут уровни гармоник при увеличении сигнала, и чем ближе к 0 dBFS, тем все хуже.
Лучше чем AK5394 на сегодняшний день практически ничего нет. Более новые 5397, а также серия 55хх - для измерительных целей хуже.
У других дела не лучше обстоят, у РСМ42222 от ТИ, и от AT1201 от ARDA, при сигнале (основной гармонике) выше -10-15дБ, уровни 2 и 3-й весьма приличные, намного больше, чем дает "викторовский" генератор. Это легко видеть - уровень 2/3 гармоник снижается не пропорционально уровню 1-й.

Так что, что толку от шумовой полки на уровне -150-160, если палки 2/3 гармоник торчат на -110-125 с практически идеального источника?
Мало того, оно еще и меняется от температуры чипа и его обвязки, прям хоть термостат делай!
В результате - при измерениях на таких уровнях, становиться не очень понятно - а что, собственно, измеряется, и чьи это гармоники - испытательного сигнала, ADC или DUT.

[Сергей Кор]

Из-за искажений самого АЦП.

Все ясно, спасибо. Тогда такой вопрос, если Вас не затруднит, какой уровень можно измерить с АЦП AK5394, без фильтров?И как я понял надо в общем смысле , для большего разрешения АЦП ждать 32-х битные чипы, точнее их реализацию(хотя Вы писали про AK5397) ?Как здорово что Вы в теме появились и все разъяснили!Придется как готовое решение искать EMU 1212 с АЦП AK5394.

[Сергей Кор]

И так, пока можно подвести итог.Предельное прямое измерение не ниже -120-125 дБ с такими АЦП как CS5381 (основываясь на весомое мнение Alex-са) , несмотря на шумовую полку ниже.Уровень с АЦП AK5394 узнаем позже,если уважаемый Alex появится еще в теме, как говорится из "первых рук" т.к. он делал на этом чипе измерительный АЦП https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=68856 (уровень -130 дБ показан с ослаблением сигнала -3 дБ в теме).

[Alex]

Тогда такой вопрос, если Вас не затруднит, какой уровень можно измерить с АЦП AK5394, без фильтров?

Я про это писал выше - около -120-130dBFS при основной гармонике почти доходящей до 0dBFS.
Я не видел, чтобы у кого-то получилось существенно лучше, чем у меня в Onyx, в основном все пляшет около этого.
(с обычным включением, без даунсемплинга и без режектора).

[Сергей Кор]

Я про это писал выше - около -120-130dBFS при основной гармонике почти доходящей до 0dBFS.
Я не видел, чтобы у кого-то получилось существенно лучше, чем у меня в Onyx, в основном все пляшет около этого.
(с обычным включением, без даунсемплинга и без режектора).

Спасибо за ответ.Да, это конечно здорово.Следующая мысль возникает сама собой как бы получить эту вещь!(вопрос конечно риторический).Т.к. я только начинающий, позволю себе некомпетентность, что такое даунсемплинг и где он выставляется, смею предположить в настройках FFT анализатора.

[Alex]

что такое даунсемплинг

Понижение семплрейта выходного потока с усреднением отсчетов.
Например АЦП работает на 192кгц, отсчеты усредняем по 2 : B=[A(i)+A(i-1)]/2
На выходе получаем семплрейт 96кгц и шумовую полку на 3дБ ниже.

[Сергей Кор]

Понижение семплрейта выходного потока с усреднением отсчетов.
Например АЦП работает на 192кгц, отсчеты усредняем по 2 : B=[A(i)+A(i-1)]/2
На выходе получаем семплрейт 96кгц и шумовую полку на 3дБ ниже.

Да спасибо, наверно понял.Это вроде так должно выглядеть 1-я и 2-я опция в настройках :

[s3tup]

Понижение семплрейта выходного потока с усреднением отсчетов.
Например АЦП работает на 192кгц, отсчеты усредняем по 2 : B=[A(i)+A(i-1)]/2
На выходе получаем семплрейт 96кгц и шумовую полку на 3дБ ниже.

не знаю как у всех остальных АЦП, но PCM4222 всегда сэмплит на 192(или выше?) чд, и даунсемплит по выбранной ЧД в железе (44.1 это даунсемплинг 4х от 176).

спектраплюс делает что-то непонятное с семплрейтом, по идее она должна переключать ЧД АЦПшки в зависимости от выставленного в настройках, но если втыкать АЦПшку не способную переключаться, то она чудесным образом всеравно работает будто переключилась. Может это виндовс ресемплит - когда спектра хочет одно, а возможно лишь другое.
плюс у нее есть какой-то decimation, который призван дополнительно даунсемплить .





По шумовой полке - она может рисоваться где угодно и как угодно, она сильно зависит от RBW (resolution bandwidth, сколько герц приходится на каждый бин, от оконной функции (ее spectral leakage) и даже от размеров окна спектраплюса (обычного виндосовского окна, в пикселях ).
Для более-менее достоверных результатов шумовой полки, ее нужно нормализовать к RBW=1Hz; т.е. показывать ее спектральную плотность в единицах Vrms/sqrt(Hz). Спектраплюс это умеет, достаточно выставить отображение спектральной плотности в настройках (спектры под рукой нет, но настройка там есть).

Читать
http://www.ap.com/kb/show/170
http://www.ni.com/white-paper/4278/en/

[Alex]

не знаю как у всех остальных АЦП, но PCM4222 всегда сэмплит на 192(или выше?) чд, и даунсемплит по выбранной ЧД в железе (44.1 это даунсемплинг 4х от 176).

Да нет, он оверсемплит в зависимости от настрое 64х-128х, собственно. как и все остальные ДС-АЦП.
Но имел ввиду не внутренний а внешний семплрейт.

спектраплюс делает что-то непонятное с семплрейтом, по идее она должна переключать ЧД АЦПшки в зависимости от выставленного в настройках,

Как он может управлять напрямую АЦПшкой? Их-же сотни разных.
Спектраплюс может только внешний семплрейт переключать, который передается железу через драйвер (и то не всегда - например вин7 и ЮСБ АСИО), а там уж, как реализовано железо, можно и чипом АЦП управлять.

[s3tup]

Да нет, он оверсемплит в зависимости от настрое 64х-128х, собственно. как и все остальные ДС-АЦП.

точно, это все даунсемплится в 192, и только потом - в выбранную пользователем 192-96-48. Выбор пользователя на внутреннюю частоту семплирования не влияет.

Как он может управлять напрямую АЦПшкой? Их-же сотни разных.

ну так и может:

Спектраплюс может только внешний семплрейт переключать, который передается железу через драйвер (и то не всегда - например вин7 и ЮСБ АСИО), а там уж, как реализовано железо, можно и чипом АЦП управлять.

но не всегда при том, когда это ему не получается, спектра всеравно работает будто ЧД переключилась. Значит кто-то додумывает семплы, либо виндовс (получивший требование выставить требуемую ЧД но не осилив), либо спектра (увидив что виндовс ей не дал требуемую ЧД).
Этот момент мне остался непонятным, и я решил его не испытывать))

а еще странная фигня у меня со спектрой была - при не полном движке громкости (а чуточку вниз), появлялись маленькие рога на очень маленьких отстройках от несущей (аналоговый лупбек, оч большое окно). Просматривались только на спектрограмме/очень сильном зуме на несущую частоту. так и не выяснил откуда они лезли

[s3tup]

ы. забыл.

так откуда ж брать уровень шума для вычисления S/N?
циферка N = сумма всех бинов в полосе частот / полоса.
никто не любит мерять фликер шум, поэтому его вычеркивают всякими взвешенными фильтрами, либо меряют с 1кГц, 10Гц и т.д., т.е. его не меряют.
Соответственно сумма бинов/полоса в герцах = это то-же самое что и V/sqrt(Hz), т.е. спектральная плотность шума.

В продолжение - THD+N = S/N, где N = сумма всех бинов кроме того, что относится к сигналу, во время работы.
Соответственно IMD+N считается аналогично, уровень шума за пределами тестовых синалов.

как суммировать - точно не помню, среднеквадратично или в лоб)


и в заключение - неполный (без линейки параметров семплирования, которая внизу) скриншот из спектраплюса нельзя считать достоверным в плане шума, совсем.
впринципе, считать скриншот в плане шума достоверным нельзя. ну, можно, в пределах +-10дБ
например один и тот-же замер, смотрим в двух разных разрезах - один раз вся полоса на экране (верхний скрин), второй раз - ограничили полосу просмотра (снизу).

частоты указаны, замер один и тот-же (из памяти). Видно, что "шумовая полка" она нифиха не "полка" - 7дБ разницы.
это из-за механизма отображения бинов на пиксель экрана. он кстати в настройках тоже есть /кажется/
когда бинов больше чем пикселей, то спектре нужно как-то обьеденить бины для получения пикселя. она (кажется, по дефолту) берет максимальный бин из пачки, приходящихся на пиксель экрана. таким образом отображаемый уровень совсем не равен RMSному притом курсоры - приклеиваются к отображаемому (а значит неправильному) уровню, и значит - сами по себе не правильны. Кстати, именно из-за этой фигни на первом скрине у топикстартера шумовая полка на НЧ лежит ниже чем на ВЧ, хотя должно быть наоборот
Корочи, шум штука тонкая, его можно просто игнорировать, либо сравнивать в равных условиях.

[Сергей Кор]

Для более-менее достоверных результатов шумовой полки, ее нужно нормализовать к RBW=1Hz; т.е. показывать ее спектральную плотность в единицах Vrms/sqrt(Hz). Спектраплюс это умеет, достаточно выставить отображение спектральной плотности в настройках (спектры под рукой нет, но настройка там есть).

Читать
http://www.ap.com/kb/show/170
http://www.ni.com/white-paper/4278/en/

Спасибо большое за Ваши комментарии, для себя почерпнул не мало нового.Немного огорчило про достоверность по шуму+-10дБ. Спасибо за отличные ссылки(пробежался, но еще не впитал).Не нашел к сожалению в настройках Спектраплюс обнадеживающую опцию по спектральной плотности Vrms/sqrt(Hz)(вроде все опции смотрел дважды, наверно еще плохо в программе разбираюсь).По поводу переключения частоты дискретизации, из спектры она не переключается, выбрав в настройках 192кгц надо вручную выбрать в микшере win., и да действительно, если даже не переключишь в микшере, спектра ведет себя "как не в чем не бывало".Не очень хороший признак, полагаю это связано с тем что Спектраплюс не работает с asio драйвером(на более низком уровне) работает с ds(Direct Sound) windows.Если аналогично сравнивать работу asio и ds драйверов при воспроизведении музыки в foobar-е , то на слух asio выигрывает(как бы нет мусора кривых драйверов windows).Это я к тому что может быть лучше выбрать FFT анализатор который четко поддерживает ASIO драйвер.С другой стороны Спектраплюс советуется как один из лучших FFT анализаторов.

---------- Сообщение добавлено 20.19 ---------- Предыдущее сообщение было 19.54 ----------

Alex, если не трудно посоветуйте на счет АЦП AK5385A. У меня есть ЗК e-mu 0204 на этом чипе, будет ли этот АЦП лучше чем CS5381 для измерений? Раньше я судил только по шумовой полке(которая у AK5385A выше), а теперь могу полагаться на личный опыт и знания как у Вас.

[Alex]

По поводу переключения частоты дискретизации, из спектры она не переключается, выбрав в настройках 192кгц надо вручную выбрать в микшере win.,

Этоне со всеми звуковыми картами (точнее их драйверами), и под вин7 (и наверное выше).
Под ХР - прекрасно переключается.

Не нашел к сожалению в настройках Спектраплюс обнадеживающую опцию по спектральной плотности Vrms/sqrt(Hz)(вроде все опции смотрел дважды, наверно еще плохо в программе разбираюсь).

B SpectraPlus 5.0.27.5 - нажми F5, там посередине увидишь.

Это я к тому что может быть лучше выбрать FFT анализатор который четко поддерживает ASIO драйвер

WaveSpectra (WS150).

АЦП AK5385A. У меня есть ЗК e-mu 0204 на этом чипе, будет ли этот АЦП лучше чем CS5381 для измерений?

Вряд ли, конечно все от конкретнойреализации завист, но вообще CS5381 намного лучше чем AK5385.

[Сергей Кор]

Alex, спасибо за ответы!Со всем разобрался. WaveSpectra (WS150) когда поставлю отчитаюсь.

[Сергей Кор]

В поисках "правильного" аттенюатора входа и сопряжения АЦП с источником сигнала, нашлись следующие любопытные материалы : http://www.cirrus.com/en/pubs/appNote/an234-1.pdf -поверхностное сравнение CS5381 с AK5394 (где видно что AK5394 лучше, кроме потребления питания); даташиты - http://www.cirrus.com/en/pubs/proDatasheet/CS5381_F2.pdf , http://www.akm.com/akm/en/file/datasheet/AK5394AVS.pdf ,даташит на AK порадовал подробностями и вниманию к входному буферу; сопряжение АЦП с источником сигнала - http://www.kit-e.ru/articles/dac/2008_4_136.php ; для примера аттенюатор и что бывает (далее в обсуждениях) если подключить например к мостовому усилителю - http://geektimes.ru/post/257166/
В конечном итоге если не переделывать входной буфер АЦП заинтересовал такой дифференциальный пробник-аттенюатор : https://www.quantasylum.com/content/Products/QA190.aspx сделан как говорится в описании по схеме Уолта Юнга(Walt Jung) : http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/39-05/Web_Ch6_final_I.pdf , рис.6-30.

Еще есть реализация менее затейливая, без специального ОУ:

Пока печатал -увидел недостатки этих решений. Удобней было бы использовать балансные входы АЦП , чем преобразовывать балансный вход в небалансный, а потом обратно в самой схеме АЦП, лишние звенья и шумы.Возможно подойдет двойной пассивный аттенюатор синхронно переключающий оба балансных входа.В общем по "правильному" аттенюатору и входу опять в поисках.
В любом случае в моей Asus STX линейный вход не балансный, а значит имеет как минимум 2 ОУ которые наверно надо убрать(еще не уверен, гарантию на карточку точно потеряю).Предположительная схема входного буфера (на четырехслойной печатке трудновато разобраться, почему то не увидел резисторов по даташиту на 10к в Не-и входе ОУ перед АЦП) :