立體聲信號相位差電平差測試儀

苗匯靜，孫桂華，李恒偉

（1．山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049；2．煙臺連營電子科技有限公司，山東 煙臺 264003）

在立體聲播音或放音時，如果左右聲道信號存在相位差和電平差，對播音或放音質量將會產生一定影響，出現(xiàn)聲像漂移、音量減小、噪音增大和失真等故障現(xiàn)象。左右聲道相位差電平差越大，音質也越差，嚴重時還會造成無音故障[1]。

為此文中設計了立體聲信號相位差電平差測試儀，只有準確測出相位差電平差，再用補償電路進行修正，才能保證播音或放音質量，更好地滿足人們欣賞到音質優(yōu)美的廣播或音樂的需要。和顯示模塊組成。將LR立體聲信號經頻譜分析、整形及占空比檢測電路進行處理，采用過零鑒相法，通過測矩形波占空比，實現(xiàn)相位差的測試。將LR信號分別用AD736專用芯片實現(xiàn)AC/DC轉換，通過單片機編程，得到LR電平差。整個系統(tǒng)用單片機控制，鍵盤操作，用LCD顯示相位差電平差及相關信息。

1 設計方案

如圖1所示，是立體聲信號相位差電平差測試儀原理方框圖。提出了一種立體聲信號相位差電平差測試儀的設計方法。用C8051F020單片機為控制核心，主要由相位差檢測模塊、電平差檢測模塊、頻譜分析及處理模塊[2]、電源模塊、鍵盤

圖1 立體聲信號相位差電平差測試儀原理方框圖Fig．1 Stereo signals tester for phase difference and voltage difference principle block diagram

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 相位差檢測模塊

2.1.1 方框圖和電路原理圖

如圖2所示，是相位差檢測模塊原理方框圖。如圖3所示，是相位差檢測模塊電路原理。

圖2 相位差檢測模塊原理方框圖Fig．2 Phase difference detection circuit principle block diagram

相位差檢測模塊由電壓比較器、與門、放大器、占空比檢測電路和儀器放大器組成。如圖3所示，IC2 LM311和IC21 LM311及其周圍器件，構成2個電壓比較器，L（A點信號）R（B點信號）左右聲道信號分別經IC2、IC21電壓比較器整形變?yōu)榉讲ㄐ盘枺–點信號和D點信號），然后再相與，得到矩形波（E點信號），74LS08是與門。IC4 AD827及其周圍器件構成同相放大器，對與門輸出的信號進行放大。IC5 CD4069及其周圍器件構成占空比檢測電路，用過零鑒相法，測量兩個矩形波信號的占空比[3]。輸入端加入一個占空比為D的矩形波，輸出端F點輸出一個直流信號，數(shù)值在0～100mV之間變化，這個直流信號既代表占空比D，是反映相位差的一個量。IC6 OPA2111及其周圍器件組成儀器放大器，用于放大F點輸出信號，因這個信號數(shù)值在0～100 mV，是小信號，所以采用自動較零型儀器放大器，以保證測試儀有很高的精度[4]。當開關 S1、S2同時打在“1”時，完成自動較零功能；當開關S1、S2同時打在“3”時，是正常的放大功能。放大后的信號，再加到單片機的A/D端，C8051F020的內部設有12位A/D轉換器。

圖3 相位差檢測模塊電路原理圖Fig．3 Phase difference detection circuit SCH

2.1.2 理論分析及實現(xiàn)

立體聲信號是20Hz～20 kHz的音頻信號，用 uSL、uSR分別表示由音響設備輸出的左右聲道信號，其數(shù)學表達式為：

在式（1）和式（2）中，ψ 是初相，ωt+ψ 是相位。 相位的表達式為：

由式（3）可知，相位是時間t的線性函數(shù)。左右聲道的φSL（t）和 φSR（t）是 2 個簡諧振蕩的相位，則其相位差為：

φS（t）=φSL（t）-φSR（t）=（ωSL-ωSR）t+（ψSL-ψSR）=ωSt+（ψSL-ψSR）（4）

由式（4）可知，相位差也是時間t的線性函數(shù)。φ對ω偏導數(shù)是群延時，群延時tP為

由音響設備輸出的左右聲道信號uSL、uSR，經過頻譜分析及處理電路后，得到uL、uR信號，uL、uR是同頻率的正弦信號，即 ωL=ωR，則有：

由式（6）可知，uL、uR信號的相位差是一個常數(shù)，并由初相之差決定。如將L信號作為基準信號，L、R信號即uL、uR信號的表達式為：

這時，L、R信號相位差為：

式（9）中的負號表示L滯后R一個ψ角度。所以只需要測量計算出相位差φ即可，或用Δψ表示LR信號的相位差。

如圖4所示，是圖4中A點、B點、C點、D點、E點的波形圖。

圖 4 中，uA、uB是 L 信號和 R 信號，是正弦波；uC、uD是 L、R信號經電壓比較器整形后的方波，uE是2個方波相與后得到的矩形波，D是占空比。用過零鑒相法，測量兩個矩形波信號的占空比。過零鑒相法是：兩個正弦波，頻率相同，讓其經過鑒相網絡后，變?yōu)榉讲āＦ淝把貙谡也ǖ恼蜻^零點，后沿對應于正弦波的負向過零點。再將兩個方波送入到觸發(fā)器的復位端和置位端，被測量方波的前沿將其復位，基準方波的前沿將觸發(fā)器復位。觸發(fā)器輸出的脈沖寬度即是兩個信號過零點的時間差，即圖4中的占空比D。

圖4 A B CD E各點的波形圖Fig．4 A B CD E points of thewaveform

再將uE放大后，送入占空比檢測電路，在輸出端F得到一個直流電壓，數(shù)值是0～100mV，這個直流信號即代表占空比 D，是反映相位差的一個量，D 從[（0～100%）×T]變化，其中T為A點（或B點）信號的周期。如F點輸出信號為10 mV時，D=10%×T，則 L（A 點信號）和 R（B 點信號）的相位差 Δφ=180°-10%×360°。 當 D=0 時，R、L 信號的相位差為 180°，即反相，這時立體聲信號嚴重失真。

2.2 電平差檢測模塊

圖5所示為電平差檢測電路原理圖。因左右聲道電平差檢測電路圖完全一樣，所以圖5是左聲道電平差檢測電路原理圖。電平差檢測電路由衰減器、交流直流變換電路和放大器三級組成，其中IC7 NE5532及其周圍器件組成衰減器，將輸入L信號電壓的有效值衰減到200mV。IC8 AD736及其周圍器件組成交流變直流電路[5]。IC9 NE5532及其周圍器件組成放大器，將信號放大后送入單片機的A/D端。為了提高精度和減小誤差，前級衰減器和后級放大器設計成自動校零型電路。

圖5 電平差檢測電路原理圖Fig．5 Voltage difference detection circuit

表1 相位差電平差測試數(shù)據(jù)Tab.1 Phase difference and voltage difference test date

AD736是專用的單片精密真有效值A/D轉換器，內部經過激光修正，具有頻率特性好、速度快、靈敏度高、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬、功耗小等特點，其測量誤差小于±0．3%。 C3是輸入耦合電容，一般取 5～25 μF。 C4是輸出濾波電容，一般取5～15μF，其數(shù)值會影響到輸出電壓有效值的精度，在低頻端更為重要。C5一般取30～40μF，其數(shù)值大小會影響到被測電壓的波峰因數(shù)KP，KP是被測電壓的峰值與真有效值之比。

3 系統(tǒng)軟件設計

用C8051F020單片機，采用C語言編程，由主程序和子程序兩部分組成。主程序完成系統(tǒng)初始化、參數(shù)設置和各子程序的調用。子程序主要包括：工作模式選擇模塊、參數(shù)設置及計算模塊、相位差計算模塊、電平差計算模塊、A/D模塊、鍵盤掃描模塊和顯示模塊等。如圖6所示，是主程序流程圖。

圖6 主程序流程圖Fig．6 Flow chart of themain program

4 試驗數(shù)據(jù)及分析

如表1所示，是相位差電平差測試數(shù)據(jù)。

由表1的測試數(shù)據(jù)可知，相位差的絕對誤差小于0．7°，電

平差的絕對誤差小于 當 測試精度較高。

5 結 論

隨著電子技術的迅速發(fā)展，人們的生活質量不斷提高，同時對廣播和音樂放音也提出了更高的要求。只有準確地測量出左右聲道的相位差電平差，再用補償電路進行修正，才能保證播音和放音質量，滿足人們欣賞到音質優(yōu)美的廣播和音樂的需求[6]。

本設計為高質量立體聲廣播和研發(fā)制造高質量音響設備奠定了基礎，還可推廣到其它應用領域，用于檢測和調整兩路信號平衡，如飛機平衡、運動平衡調整等。

[1]裴躍波，楊旭東．音頻輸入信號相位與電平差對調頻立體聲廣播質量的影響[J]．廣播與電視技術，2002（8）：160-161．

PEIYue-bo，YANG Xu-dong．Audio input signal phase and level difference on the quality of FM stereo radio[J]．Radio ＆TV Broadcast，2002（8）：160-161．

[2]何佳若，曾向陽．聲信號的可視化特征提取方法[J]．電聲技術，2011，35（7）：61-63．

HE Jia-ruo，ZENG Xiang-yang．Method ofextracting visualized features for sound signals[J]．Electro-acoustic Technology，2011，35（7）：61-63．

[3]丁英麗．相位差測量方法[J]．本溪冶金高等?？茖W校學報，2002，4（2）：20-21．

DINGYing-li．Phasedifferencemeasurementmethod[J]．Journal of BenxiCollege of Metallurgy，2002，4（2）：20-21．

[4]譚博學，苗匯靜．集成電路原理及應用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2011．

[5]劉春生．真有效值AC/DC轉換器AD736及其在RMS儀表電路中的應用[J]．國外電子元器件，2001（9）：66-68．

LIU Chun-sheng．Principle and application of true eff ective value AC/DC converter AD736[J]．International Electronic Elements，2001（9）：66-68．

[6]Park JY，Chang JH，Kim Y H．Generation of inde-pendent bright zones for a two-channel private audiosystem [J]．J．Acoust．Eng．Soc．，2010（58）：382-393．