立体声信号相位差电平差测试仪

2012-03-17苗汇静孙桂华李恒伟

电子设计工程 2012年16期

苗汇静，孙桂华，李恒伟

（1．山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博 255049；2．烟台连营电子科技有限公司，山东烟台 264003）

在立体声播音或放音时，如果左右声道信号存在相位差和电平差，对播音或放音质量将会产生一定影响，出现声像漂移、音量减小、噪音增大和失真等故障现象。左右声道相位差电平差越大，音质也越差，严重时还会造成无音故障[1]。

为此文中设计了立体声信号相位差电平差测试仪，只有准确测出相位差电平差，再用补偿电路进行修正，才能保证播音或放音质量，更好地满足人们欣赏到音质优美的广播或音乐的需要。和显示模块组成。将LR立体声信号经频谱分析、整形及占空比检测电路进行处理，采用过零鉴相法，通过测矩形波占空比，实现相位差的测试。将LR信号分别用AD736专用芯片实现AC/DC转换，通过单片机编程，得到LR电平差。整个系统用单片机控制，键盘操作，用LCD显示相位差电平差及相关信息。

1 设计方案

如图1所示，是立体声信号相位差电平差测试仪原理方框图。提出了一种立体声信号相位差电平差测试仪的设计方法。用C8051F020单片机为控制核心，主要由相位差检测模块、电平差检测模块、频谱分析及处理模块[2]、电源模块、键盘

图1 立体声信号相位差电平差测试仪原理方框图Fig．1 Stereo signals tester for phase difference and voltage difference principle block diagram

2 系统硬件设计

2.1 相位差检测模块

2.1.1 方框图和电路原理图

如图2所示，是相位差检测模块原理方框图。如图3所示，是相位差检测模块电路原理。

图2 相位差检测模块原理方框图Fig．2 Phase difference detection circuit principle block diagram

相位差检测模块由电压比较器、与门、放大器、占空比检测电路和仪器放大器组成。如图3所示，IC2 LM311和IC21 LM311及其周围器件，构成2个电压比较器，L（A点信号）R（B点信号）左右声道信号分别经IC2、IC21电压比较器整形变为方波信号（C点信号和D点信号），然后再相与，得到矩形波（E点信号），74LS08是与门。IC4 AD827及其周围器件构成同相放大器，对与门输出的信号进行放大。IC5 CD4069及其周围器件构成占空比检测电路，用过零鉴相法，测量两个矩形波信号的占空比[3]。输入端加入一个占空比为D的矩形波，输出端F点输出一个直流信号，数值在0～100mV之间变化，这个直流信号既代表占空比D，是反映相位差的一个量。IC6 OPA2111及其周围器件组成仪器放大器，用于放大F点输出信号，因这个信号数值在0～100 mV，是小信号，所以采用自动较零型仪器放大器，以保证测试仪有很高的精度[4]。当开关 S1、S2同时打在“1”时，完成自动较零功能；当开关S1、S2同时打在“3”时，是正常的放大功能。放大后的信号，再加到单片机的A/D端，C8051F020的内部设有12位A/D转换器。

图3 相位差检测模块电路原理图Fig．3 Phase difference detection circuit SCH

2.1.2 理论分析及实现

立体声信号是20Hz～20 kHz的音频信号，用 uSL、uSR分别表示由音响设备输出的左右声道信号，其数学表达式为：

在式（1）和式（2）中，ψ 是初相，ωt+ψ 是相位。相位的表达式为：

由式（3）可知，相位是时间t的线性函数。左右声道的φSL（t）和 φSR（t）是 2 个简谐振荡的相位，则其相位差为：

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

由式（4）可知，相位差也是时间t的线性函数。φ对ω偏导数是群延时，群延时tP为

由音响设备输出的左右声道信号uSL、uSR，经过频谱分析及处理电路后，得到uL、uR信号，uL、uR是同频率的正弦信号，即 ωL=ωR，则有：

由式（6）可知，uL、uR信号的相位差是一个常数，并由初相之差决定。如将L信号作为基准信号，L、R信号即uL、uR信号的表达式为：

这时，L、R信号相位差为：

式（9）中的负号表示L滞后R一个ψ角度。所以只需要测量计算出相位差φ即可，或用Δψ表示LR信号的相位差。

如图4所示，是图4中A点、B点、C点、D点、E点的波形图。

图 4 中，uA、uB是 L 信号和 R 信号，是正弦波；uC、uD是 L、R信号经电压比较器整形后的方波，uE是2个方波相与后得到的矩形波，D是占空比。用过零鉴相法，测量两个矩形波信号的占空比。过零鉴相法是：两个正弦波，频率相同，让其经过鉴相网络后，变为方波。其前沿对应于正弦波的正向过零点，后沿对应于正弦波的负向过零点。再将两个方波送入到触发器的复位端和置位端，被测量方波的前沿将其复位，基准方波的前沿将触发器复位。触发器输出的脉冲宽度即是两个信号过零点的时间差，即图4中的占空比D。

图4 A B CD E各点的波形图Fig．4 A B CD E points of thewaveform

再将uE放大后，送入占空比检测电路，在输出端F得到一个直流电压，数值是0～100mV，这个直流信号即代表占空比 D，是反映相位差的一个量，D 从[（0～100%）×T]变化，其中T为A点（或B点）信号的周期。如F点输出信号为10 mV时，D=10%×T，则 L（A 点信号）和 R（B 点信号）的相位差 Δφ=180°-10%×360°。当 D=0 时，R、L 信号的相位差为 180°，即反相，这时立体声信号严重失真。

2.2 电平差检测模块

图5所示为电平差检测电路原理图。因左右声道电平差检测电路图完全一样，所以图5是左声道电平差检测电路原理图。电平差检测电路由衰减器、交流直流变换电路和放大器三级组成，其中IC7 NE5532及其周围器件组成衰减器，将输入L信号电压的有效值衰减到200mV。IC8 AD736及其周围器件组成交流变直流电路[5]。IC9 NE5532及其周围器件组成放大器，将信号放大后送入单片机的A/D端。为了提高精度和减小误差，前级衰减器和后级放大器设计成自动校零型电路。

图5 电平差检测电路原理图Fig．5 Voltage difference detection circuit

表1 相位差电平差测试数据Tab.1 Phase difference and voltage difference test date

AD736是专用的单片精密真有效值A/D转换器，内部经过激光修正，具有频率特性好、速度快、灵敏度高、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽、功耗小等特点，其测量误差小于±0．3%。 C3是输入耦合电容，一般取 5～25 μF。 C4是输出滤波电容，一般取5～15μF，其数值会影响到输出电压有效值的精度，在低频端更为重要。C5一般取30～40μF，其数值大小会影响到被测电压的波峰因数KP，KP是被测电压的峰值与真有效值之比。