Buffer x misure con Visual Analyser

Ecco una piccola e semplice realizzazione che permette a chiunque di cominciare ad utilizzare Visual Analyzer per fare finalmente qualche misura sui dispositivi audio. Su Visual Analyzer non sto a dilungarmi troppo: è un programma veramente ben fatto e soprattutto gratuito, che permette di trasformare un qualsiasi pc (anche datato) dotato di scheda audio in un oscilloscopio (e tanto altro, disponendo infatti di moltissime altre funzioni quali generatore di BF, analizzatore di spettro, misuratore di distorsione armonica THD e misuratore ZRLC per dirne qualcuna). In rete trovate di tutto e di più circa l'utilizzo del programma, ma indubbiamente consiglierei a chi non lo conosce di farsi un giro QUI.
Uno dei limiti riconosciuti di VA (Visual Analyzer) è relativo alla massima tensione accettabile in ingresso dalla scheda audio del pc (pochi volts) e dalla sua delicatezza. Tensioni in ingresso più alte e soprattutto tensioni continue rendono molto alto il rischio di danneggiarla e limitano il suo utilizzo a tensioni che si confanno più ad un preamplificatore che ad un amplificatore.
Per ovviare a questo Nuova Elettronica realizzò a suo tempo una scheda audio USB (mascherata sotto il nome di convertitore DAC/ADC...) dotata di un buffer di ingresso che la rendesse immune alle sovratensioni e alle tensioni continue. Per la scheda audio USB usavano un chip dedicato su una scheda troppo complessa per un principiante....ma essendo appunto alla fine solo una scheda audio ho pensato di estrapolare la parte del buffer ed utilizzarla con la scheda audio del PC(integrata o meno) o con una delle tante schede audio usb che si trovano in rete (la Behringer UCA202 ad esempio...). Nel sito che vi ho segnalato trovate anche i link ai pdf completi degli articoli di NE (Nuova Elettronica), pertanto non credo ci siano problemi se riporto parte dello schema pubblicato:

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Si tratta della parte relativa ad un singolo canale....ovviamente per un "doppia traccia" occorre realizzarne due.
Se leggete l'articolo di NE trovate tutte le spiegazioni, io velocemente vi dico che (partendo da sinistra) il condensatore serve a bloccare eventuali componenti continue del segnale, le tre resistenze formano un partitore con rapporto di attenuazione 1:1 , 1:10 e 1:100 che potremo selezionare con il commutatore. I due diodi zener da 3,3V tosano tutte le tensioni superiori a questo valore (intorno ai 4V). I due amplificatori operazionali che seguono sono configurati per avere un guadagno unitario (di fatto non amplificano...) e adattare l'impedenza d'ingresso del circuito. Il secondo inoltre è un filtro passa/basso che limita la banda passante a 40Khz (ben oltre le capacità di una scheda audio per pc che già a 15Khz entra nel panico...). I componenti sono tutti di facile reperibilità, unico problema potrebbe essere rappresentato dalle 3 resistenze del partitore d'ingresso: sono resistenze 1% di valori un po' desueti: 909 KOhm, 90,9 KOhm e 10,1KOhm. Io ad esempio ho trovato le prime due...per la terza ne ho messa in serie una da 10K e una da 100 Ohm (sempre 1%). Se avete voglia di far due conti vedrete che le posizioni del partitore con questi valori corrispondono esattamente ad un attenuatore 1:1 1:10 e 1:100. Non inserito nello schema, un ulteriore condensatore da 0,1uF che blocchi qualsiasi componente continua in uscita verso la scheda audio. Completa il tutto un piccolo alimentatore duale in grado di erogare i pochi mA necessari con tensioni di +12 e -12V (la classica implementazione di una copia di 78L12 e 79L12). L'alimentatore non è critico....il rapporto di reiezione al ripple degli operazionali è di gran lunga sufficente a renderlo "invisibile" per questo uso.

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Ecco i due semplici circuiti disegnati con Fidocad. Ho preferito montare tutti i componenti (commutatore incluso) sulla pcb, in modo da dover in seguito realizzare il minor numero di cablaggi.
Una volta testato il circuito l'ho assemblato  sul frontale di in un contenitore surpluss:

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Ci sono dei componenti aggiuntivi, servono per quello che è il reale uso che voglio fare di questo buffer. Io ho già un paio d'oscilloscopi, quello che mi serve è un misuatore di distorsione armonica (THD) e VA ne implementa uno. Si tratta cmq di aggiungere un deviatore, un condensatore ed un potenziometro, oltre a qualche connettore...se interessa parliamo anche di quello (sul sito di VA trovate cmq anche la rivista NE che parla di questa cosa.....).

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Ecco il frontale finito...se uno decidesse di utilizzarlo soltanto come buffer basterebbe il commutatore per l'attenuatore d'ingresso e due connettori RCA (o BNC) uno per la "sonda" e uno verso l'ingresso "linea" del PC.

Fine prima parte----seguono misure.

Giovanni

Una volta assemblato il tutto è il momento di verificare come questo circuito dalla semplicità "disarmante" funzioni.
L'utilità degli oscilloscopi di nuova generazione è quella di permettere la visualizzazione non solo di una forma d'onda, ma anche alcune misure ad essa relativa, come ad esempio tensioni (picco/picco o RMS). VA fa, ovviamente, anche questo. E' ovvio che disporre di una visualizzazione della tensione del segnale in esame è estremamente utile quando si fanno misure su dispositivi audio. Ma quanto è preciso VA dotato di questo buffer? Vediamo:

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Piccolo banco di prova, da sx un ampli (2020 di Helder), il buffer, oscilloscopio Rigol 1052, il fido multimetro UNI-T 61E e un pc portatile piuttosto datato. "Ahhhhh.....ma allora serve un oscilloscopio per tarare questo buffer...." direte. No...serve solo a me per dimostrare che la lettura di tensione AC del 61E  è attendibile.

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Questo perchè occorre calibrare il voltmetro di VA...e per farlo serve una tensione di riferimento nota. Ora, proprio perchè chi si costruisce questo buffer per avere un "oscilloscopio" è molto probabile che non ne disponga di uno "serio", bisogna pur metterlo in condizione di fare sta benedetta calibrazione. Quindi, se disponete di un multimetro in grado di effettuare misure "TRUE RMS", siete a cavallo....se ne avete uno comune....fa lo stesso. L'unica differenza sta nel fatto che un comune multimetro resituisce valori RMS attendibili solo se la forma d'onda è perfettamente sinusoidale, mentre uno TRUE RMS funziona anche in presenza di forme d'onda diverse o distorte (armoniche). Ripeto....non l'ho provato ma usare un comune multimetro non è un problema.
Non sto a parlare di come si effettui la calibrazione di VA, in rete ci sono molte guide ben fatte ed soprattutto esplicative.
Tornando a noi, usando il generatore di segnali di VA si imposta una forma d'onda sinusoidale diciamo di 1Khz e la si applica al multimetro. La lettura ci fornirà il valore da inserire in VA per la calibratura del voltmetro.
A questo punto non resta che cominciare a fare un po' di misure: il modo in cui ho assemblato il buffer mi permette di collegarvi il generatore di BF (uscita audio del pc) e di switcharne l'ingresso tra uscita dell'ampli e ingresso dell'ampli. In parole povere attraverso il buffer posso misurare il segnale in ingresso e uscita dell'amplificatore in prova semplicemente agendo su un deviatore. In questo modo dispongo di forme d'onda con ampiezza da pochi mV (generatore BF) a circa 12V.
Cominciamo:

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Ecco la misura di un segnale in ingresso all'a mpli, 1Khz a 150mV picco/picco....le misure del Rigol corrispondono.  

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2,60V indicati dal Rigol contro i 2,61V del VA. Direi accettabilissimo. Saliamo ancora con la tensione fino a raggiungere il limite massimo per la scala 1X, limite oltre il quale i due diodi zener iniziano a tosare il segnale proteggendo l'ingreso della scheda audio da tensioni troppo alte:

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Come vediamo, la forma d'onda appare evidentemente distorta per l'azione dei diodi di protezione. Anche aumentando il valore del segnale in ingresso al buffer l'aumento è di poche decine di mV. A questo punto non riane che portare il commutatore in posizione 10X, e le forme d'onda (e le misure) riprendono ad essere attendebili:

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Un segnale di 5V in ingresso del buffer (non ho preso lo scrennshot del Rigol senza il buffer....sorry, ma giuro che erano 5V) vengono visualizzati come 500mV su entrambi. Perfetto.
Saliamo ancora fino a 10V e commutiamo a 100X.

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Accettabilissimo anche questo: i 10V iniziali vengono visualizzati rispettivamente come 1,01V e 0,102V.  

Ok...adesso che abbiamo visto che le tensioni visualizzate da VA sono attendibili e che il buffer/attenuatore fa il suo sporco lavoro....parliamo di clipping, visto che c'è un amplificatore collegato. Alziamo il livello del segnale in ingresso fintanto che il 2020 non arriva a clippare:

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a 12,2 V (siamo a 10x...) la sinusoide è ancora accettabile ma comincia a presentare i primi segni di clipping...

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da quel punto in poi, aumentando ancora l'ampiezza del segnale in ingresso, l'uscita risulta affetta palesemente da distorsione, il clipping appunto, evidente dalla "tosatura" che subiscono le cuspidi della sinusoide.
Per terminare, gli screenshot della stessa forma d'onda più difficile (la ciofeca immonda che il PC spaccia per "onda quadra" ad 1Khz):

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Anche qui VA non ha nulla da invidiare al Rigol (che intendiamoci....è sempre un oscilloscopio di fascia economica...)

Bene...e adesso? Beh...vi par poco? Potete ad esempio affermare senza tema di smentita la potenza del vostro ampli prima che sopraggiunga il clipping. Apro una parentesi...le misure sopra sono effettuate su un ampli in una configurazione che prevede che il negativo dell'uscita sia separato dalla massa di alimentazione ( si trova diciamo a metà della tensione di alimentazione). Ne consegue che la tensione misurata è in realtà la metà di quella presente sull'uscita...quindi i valori vanno raddoppiati. Ad esempio abbiamo visto che il nostro 2020 arriva a una tensione picco picco di 12,2 volts prima di clippare. Conoscendo il valore del carico collegato (in questo caso un carico fittizio da 8 Ohm) possiamo calcolare la potenza picco/picco e quella RMS con delle semplici formule:

W p/p= (VppxVpp)/R= (24,4x24,4)/8= 74 W picco/picco che corrispondono a circa 9W RMS (1/.

Carino no? In tutta sicurezza per il pc, poca spesa e un po' di tempo da dedicarci si riesce ad avere una idea di quello di cui spesso si parla senza averne una minima cognizione. Con VA (o un oscilloscopio in generale)si scoprono tante cose e soprattutto tanti problemi che affliggono le nostre realizzazioni. Si riesce pure ad esser più precisi quando si chiede aiuto sul forum perchè qualcosa non "suona come ci si aspettava facesse"....Avete comprato ieri il multimetro e il saldatore? Bene...da domani potete dotarvi di qualcosa che assomiglia ad un oscilloscopio.    

Giovanni

Per rendere il tutorial di Giovanni più fruibile sposto  i due messaggi , mio e di switters che erano a cavallo dei messaggi di Giobax

Maurarte scrive: " Ottimo Giovanni!!! Vai avanti!!! "

Switters scrive :Brau !!!   

azzzzz ottimo giova x misurare al volo ...mica tanto poi e' veramente utile . per poi non parlare della sua semplicita dello schema .     

Che operationale hai usato, TL082, NE5532 o altro?
Ancora complimenti   

Bravissimo a Giobax, che, come sempre, ha fatto un ottimo lavoro e molto ben documentato.       

Mi ha fatto tornare la voglia di accendere il saldatore...   

Switters ha scritto:Che operationale hai usato, TL082, NE5532 o altro?
Ancora complimenti   

Ho usato un TL082, ma non è certamente un componente critico e può esser sostituito tranquillamente.

bravissimo ed esauriente come sempre , anche a me ha fatto voglia di prendere il saldatore....
confesso che ho provato alcune volte VA trovo che sia un programma magnifico,ed e' gratis...
il problema per me nubbio e' farlo funzionare,grazie giobax

Giobax ha scritto:Ho usato un TL082, ma non è certamente un componente critico e può esser sostituito tranquillamente.

Bene, grazie.

Gli zener nello schema di N.E. sono in serie, cambia qualcosa se vengono messi in parallelo?
Le misure con l'oscilloscopio sono state fatte in uscita del buffer o in ingresso?

Switters ha scritto:

Giobax ha scritto:Ho usato un TL082, ma non è certamente un componente critico e può esser sostituito tranquillamente.

Bene, grazie.

Gli zener nello schema di N.E. sono in serie, cambia qualcosa se vengono messi in parallelo?
Le misure con l'oscilloscopio sono state fatte in uscita del buffer o in ingresso?

Beh....direi che cambia. Un diodo zener se polarizzato direttamente si comporta come un normale diodo. La caratteristica interessante degli zener è invece quella che, quando polarizzati inversamente, entrano in conduzione solo quando la ddp è superiore al loro dato di targa. Metterne due in parallelo (o meglio credo tu intenda in "antiparallelo") significa che ogni semionda disporrebbe di un diodo correttamente polarizzato...praticamente un cortocircuito per segnali con ampiezza superiore a 0,7V. Mettendone due in serie (antiserie direi) si ottiene che per ogni semionda ce ne è uno in conduzione e l'altro interdetto fintanto che il segnale non supera l'ampiezza di targa degli zener. Visto che anche un comune diodo è interdetto (quando polarizzato direttamente) fino a 0,7V ne risulta che con due diodi zener da 3,3V in quella configurazione si ottiene che l'uscita viene "tosata" a 4V (3,3+0,7).

Le misure con l'oscilloscopio sono state fatte in uscita del buffer, esattamente in parallelo con il PC. Le differenze con l'ingresso del buffer sono minime, visto (e verificato) che il guadagno del buffer è praticamente unitario e lineare fintanto che si rimane nel range della banda passante di una scheda audio economica.Ecco comunque le misure fatte con il doppiatraccia, in giallo l'ingresso del buffer, in blu l'uscita:

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100Hz

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1KHz

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1KHz

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10KHz

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15KHz , dove vediamo che le cose comincino a peggiorare e gli 80mV diventano 200mV.

Giovanni

Giobax ha scritto:Beh....direi che cambia. Un diodo zener se polarizzato direttamente si comporta come un normale diodo. La caratteristica interessante degli zener è invece quella che, quando polarizzati inversamente, entrano in conduzione solo quando la ddp è superiore al loro dato di targa. Metterne due in parallelo (o meglio credo tu intenda in "antiparallelo") significa che ogni semionda disporrebbe di un diodo correttamente polarizzato...praticamente un cortocircuito per segnali con ampiezza superiore a 0,7V. Mettendone due in serie (antiserie direi) si ottiene che per ogni semionda ce ne è uno in conduzione e l'altro interdetto fintanto che il segnale non supera l'ampiezza di targa degli zener. Visto che anche un comune diodo è interdetto (quando polarizzato direttamente) fino a 0,7V ne risulta che con due diodi zener da 3,3V in quella configurazione si ottiene che l'uscita viene "tosata" a 4V (3,3+0,7).

Ottimo, mi ero fatto un'idea sbagliata di come funzionassero gli zener, grazie.

Le misure con l'oscilloscopio sono state fatte in uscita del buffer, esattamente in parallelo con il PC. Le differenze con l'ingresso del buffer sono minime, visto (e verificato) che il guadagno del buffer è praticamente unitario e lineare fintanto che si rimane nel range della banda passante di una scheda audio economica.Ecco comunque le misure fatte con il doppiatraccia, in giallo l'ingresso del buffer, in blu l'uscita:

[..]

15KHz , dove vediamo che le cose comincino a peggiorare e gli 80mV diventano 200mV.

Mi sembra un ottimo risultato.
Per le misure sopra i 15KHz, una volta che si sa si può tenerne conto, o ci sono casi in cui potrebbe comportare delle "sorprese"?

Switters ha scritto:
Per le misure sopra i 15KHz, una volta che si sa si può tenerne conto, o ci sono casi in cui potrebbe comportare delle "sorprese"?

Il "progetto" nasce come misuratore di distorsione armonica. Considerando la banda passante della scheda audio, con un segnale di test a 1Khz si arriva a misurare tranquillamente le prime 15 armoniche....ci si deve accontentare.

Giovanni

BEL LAVORO Giovanni, stò realizzando anch'io una cosa simile utilizzando una scheda audio esterna, vorrei integrare il tutto in uno strumento adatto sia per VA che per ARTA aggiungendo un finalino di potenza. Hai qualche suggerimento per una scheda USB full duplex con un buon rapporto prezzo prestazioni?
PS: (il pre l'ho modificato con un doppio stadio con ingresso mos in modo da avere una impedenza molto alta con dei TL072 ma penso che anche i vari LF347 vadano bene ed un guadagno regolabile 0-3-10)

lukyluke ha scritto:Hai qualche suggerimento per una scheda USB full duplex con un buon rapporto prezzo prestazioni?

Dai un'occhiata a questa:
http://it.creative.com/p/sound-blaster/sound-blaster-digital-music-premium-hd

lukyluke ha scritto: Hai qualche suggerimento per una scheda USB full duplex con un buon rapporto prezzo prestazioni?

Guarda....io avevo preso una economicissima Behringer UCA 202....ma non ne sono troppo soddisfatto: devo fare qualche prova per quello che riguarda gli ingressi, ma sicuramente in uscita (come generatore di funzioni) è più "rumorosa" di quella integrata nel mio portatile.

Giovanni

Innanzitutto devo ringraziare Giovanni, mi ha mandato praticamente un "kit" completo per il buffer: PCB, componenti e "accessori".
E manco le spese di spedizione ha voluto...   

Oggi ho trovato il tempo di cominciare a metterci mano ma confrontando le foto postate ho qualche piccolo dubbio. Giovanni, mi confermi che l'alimentazione va bene così?

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Il dubbio è sui condensatori, i ceramici sono marchiati 104Z (ne ho misurato uno, è da 0,12 uF), quelli in ingresso sull'alternata sono da 0,1 uF.

Ciao Andrea.
Si..mi pare che l'alimentazione sia ok. Non riesco a vedere l'orientamento del ponte li in basso...ma considera che va praticamente ruotato di 90° rispetto a quello sopra (che è montato correttamente). Per i condensatori elettrolitici la polarità è giusta, quelli sul ramo "negativo" hanno infatti il positivo sul GND....come è normale che sia. I regolatori sono montati correttamente. Per le altre capacità è OK. 104 significa 10+4 zeri....quindi 100000..quindi 0,1uF. Alimenta e verifica.  Occhio soltanto a non aver invertito tra loro 78L12 e 79L12!

Giovanni

Giobax ha scritto:Ciao Andrea.
Si..mi pare che l'alimentazione sia ok. Non riesco a vedere l'orientamento del ponte li in basso...ma considera che va praticamente ruotato di 90° rispetto a quello sopra (che è montato correttamente). Per i condensatori elettrolitici la polarità è giusta, quelli sul ramo "negativo" hanno infatti il positivo sul GND....come è normale che sia. I regolatori sono montati correttamente. Per le altre capacità è OK. 104 significa 10+4 zeri....quindi 100000..quindi 0,1uF. Alimenta e verifica.  Occhio soltanto a non aver invertito tra loro 78L12 e 79L12!

Accendo il saldatore
Ponti e regolatori dovrebbero essere a posto ma li ricontrollo prima di saldare.
Grazie!

E l'alimentazione è fatta. 11,95V su un ramo, 11,99 sull'altro (senza carico).
Però dai secondari del trasformatore invece dei 12V dichiarati ne escono 16 a vuoto, tanto che ai capi dei condensatori prima dei regolatori ho circa 20V, va bene così o rischio di mettere in crisi i regolatori?

Switters ha scritto:E l'alimentazione è fatta. 11,95V su un ramo, 11,99 sull'altro (senza carico).
Però dai secondari del trasformatore invece dei 12V dichiarati ne escono 16 a vuoto, tanto che ai capi dei condensatori prima dei regolatori ho circa 20V, va bene così o rischio di mettere in crisi i regolatori?

No tranquillo. L'assorbimento del buffer è talmente basso che la potenza dissipata dai due regolatori è irrisoria. e adesso....vai col buffer!

Giovanni

Giobax ha scritto:No tranquillo. L'assorbimento del buffer è talmente basso che la potenza dissipata dai due regolatori è irrisoria. e adesso....vai col buffer!

Finita anche la PCB del buffer, adesso viene il difficile... trovare o fare uno scatolo e mettere insieme i pezzi   

Ciao, ho trovato una soluzione semplice per i partitori ho usato 100K + 10 K +parallelo di 1200+15000 (1111,11) se fai i calcoli vedrai che è esattamente una riduzione di 10 ad ogni scatto, per il 100 k conviene mettere un piccolo compensatore variabile da sistemare con una quadra di riferimento (ho un vecchio calibratore) fatto come quello proposto da NE con un LM385 da 2,5 VOLT esatti recupero da un ancora più vecchio analizzatore digitale scassato.Per l'ingresso ho usato un LM351 .... vabbè è un pò confuso, appena riesco posto la prova