Turn a PC into a OSCILLOSCOPE, SPECTRUM ANALYZER and SIGNAL GENERATOR using USB interface

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Gli strumenti ormai indispensabili in un laboratorio sono senza dubbio l’oscilloscopio, l’analizzatore di spettro ed il generatore di funzioni. Questi strumenti, oltre alla possibilità di effettuare misure con precisione superiore a qualsiasi altro strumento, offrono la visione real-time del segnale, nel tempo e nelle frequenze, consentendo di misurare l’amplificazione, la frequenza, la distorsione, ecc.

Pertanto, questi strumenti sono necessari per coloro che si dedicano alla realizzazione di componenti Hi-Fi, infatti permettono di caratterizzare e, magari, di riparare, i propri amplificatori, preamplificatori, diffusori, ecc.

Purtroppo, pochi saranno i laboratori di hobbisti in possesso dei tre strumenti, causa del loro costo totale eccessivo. Tuttavia, oggi con l’elettronica digitale, oscilloscopio e analizzatore di spettro, questo ultimo almeno nella sua forma base, sono stati inglobati nello stesso strumento, con un notevole abbattimento del costo, in quanto, prima era necessario acquistare due strumenti separati, ora è sufficiente uno solo. Comunque, il prezzo supera, facilmente, il migliaio di euro.

Tuttavia, con una spesa contenuta e, spesso neanche quella, è possibile disporre dei suddetti tre strumenti. Utilizzando una comune scheda audio e il giusto software avremo a disposizione i tre strumenti. Ovvio, le performance non saranno quelle dei costosi fratelli maggiori, ma è un utile compromesso.

Fra i software free e non che ho potuto provare/confrontare con strumenti stand-alone, quello che mi ha soddisfatto maggiormente è il Virtins Sound Card Intrument. Purtroppo non gratis, ma costa poco. Consiglio di dare un’occhiata al sito (http://www.virtins.com/) per scoprirne le potenzialità.

Ora entro nel merito di questa pubblicazione. La scheda audio rappresenta il mezzo più importante e deve essere scelta con precisi canoni. Non tutte vanno bene, perché da test, molte, risultano poco lineari e limitate in banda. Per esempio, effettuando un test su una Sound Blaster Live! 24-bit External con RMAA, si ha:

Come si può ben notare, la frequenza di taglio superiore è ben al di sotto dei 20KHz, ed inoltre c’è un dannoso ripple in banda alta, dannoso perché falsa le misure.

La frequenza di campionamento di targa della scheda è di 96KHz, quindi il teorema del campionamento ci indica che la banda audio utile sarà al massimo di 96KHz/2 = 48HKz. Considerando che c’è solo un ADC/DAC con ingressi multiplexati, per un segnale stereo la banda utile diviene la metà (a canale), ovvero 24KHz (massima teorica). Inoltre c’è anche il filtro anti-aliasing in ingresso all’ADC che taglia tutte le frequenze superiori a 20KHz.

Spesso si trovano in commercio schede audio con frequenza di campionamento pari a 192KHz, quindi facendo i conti come prima, per canale avremmo a disposizione ben 48KHz di banda. Tuttavia c’è sempre da considerare il filtro anti-aliasing che taglia inesorabilmente a 20KHz. Allora cosa serve questa frequenza di campionamento più alta del necessario? Semplice, tali schede spesso nascono per riproduzioni multicanale (5.1), inoltre la frequenza di campionamento più alta può essere utilizzata, a parità di banda, per sovracampionare. La teoria del campionamento ci ricorda che sovracampionando distanziamo ulteriormente gli spettri facilitando il successivo filtraggio passa-basso (ricostruzione del segnale), per chiarimenti consiglio di leggere questo mio articolo.

Tuttavia possiamo trovare in commercio ottime schede audio, come la Terratec DMX, con cui è possibile misurare fino a 48KHz (per canale):

C’è comunque da dire che tali schede sono tuttavia costose, ma ancor peggio sono, interne, pertanto non utilizzabili con un notebook.

Questo mi ha spinto ad andar alla ricerca di un buon ADC con possibilità di essere interfacciato USB, ma, importante, che il PC lo riconoscesse come scheda audio.

L’unico che ho potuto trovare è il PCM2902/PCM2900 della Texas Instruments. L’integrato è molto economico, ma completo. Al suo interno ha praticamente tutto: ADC/DAC, filtro anti-aliasing, interfaccia USB e SPDIF.

Ecco un rapido review:

Il test con RMAA ci ha dato interessanti ed incoraggianti risultati:

Resta il fatto che non andiamo oltre i 20KHz, ma l’andamento è praticamente lineare e tutta la banda audio è coperta.

Schema elettrico

Lo schema è quello consigliato nel datasheet, io ho inserito il filtro ricostruttore (stereo) per il segnale d’uscita, il deviatore per l’attenuazione (10X) con trimmer di calibrazione ed il deviatore per l’accoppiamento DC/AC.

Realizzazione

Una immagine del circuito stampato:

Lo stampato comprende tutti i componenti, compresi i deviatori a levetta e i pulsanti, questo per evitare i fastidiosi cablaggi esterni.

Alcune foto della realizzazione:

Per informazioni scrivetemi.

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