立体声信号相位差电平差测试仪

摘要：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、电源模块、键盘和显示模块组成。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。试验数据表明该仪器实现了LR信号相位差电平差的测试，且具有较高的测试精度，并能存储和显示相关信息。本设计具有创新性和实用性，为高质量立体声广播和研发制造高质量音响设备奠定了基础。
关键词：立体声信号；相位差；电平差；测试仪

    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。
    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。

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、电源模块、键盘和显示模块组成。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。

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。

    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IC21LM311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。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0～100 mV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。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，C8051F 020的内部设有12位A／D转换器。

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：
    uSL(t)=USLsin(ωSLt+ψIL)     (1)
    uSR(t)=USRsin(ωSRt+ψIR)     (2)
    在式(1)和式(2)中，ψ是初相，ωt+ψ是相位。相位的表达式为：
    φ(t)=ωt+ψ       (3)
    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)=ψSt+(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：
    φ(t)=φL(t)-φR(t)=(ωL-ωR)t+(ψL-ψR)=ψL-ψR     (6)
    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：
    uL(t)=ULsinωt     (7)
   uR(t)=URsin(ωt+ψ)     (8)
   这时，L、R信号相位差为：
   φ=0-ψ=-ψ      (9)
   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△ψ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。
    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0～100 mV，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△φ=180°-10％x360°。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200 mV。IC 8AD736及其周围器件组成交流变直流电路。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。

    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5～25μF。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。

3 系统软件设计
    用C8051F020单片机，采用C语言编程，由主程序和子程序两部分组成。主程序完成系统初始化、参数设置和各子程序的调用。子程序主要包括：工作模式选择模块、参数设置及计算模块、相位差计算模块、电平差计算模块、A／D模块、键盘扫描模块和显示模块等。如图6所示，是主程序流程图。

4 试验数据及分析
    如表1所示，是相位差电平差测试数据。

    由表1的测试数据可知，相位差的绝对误差小于0．7°，电平差的绝对误差小于3 mV(当△Ui=10 mV)，测试精度较高。

5 结论
    随着电子技术的迅速发展，人们的生活质量不断提高，同时对广播和音乐放音也提出了更高的要求。只有准确地测量出左右声道的相位差电平差，再用补偿电路进行修正，才能保证播音和放音质量，满足人们欣赏到音质优美的广播和音乐的需求。
    本设计为高质量立体声广播和研发制造高质量音响设备奠定了基础，还可推广到其它应用领域，用于检测和调整两路信号平衡，如飞机平衡、运动平衡调整等。