立体声信号相位差电平差测试仪设计方案
本文主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。
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。
图1 立体声信号相位差电平差测试仪原理方框图
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。
图3 相位差检测模块电路原理图
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 abcde各点的波形图
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。
图5 电平差检测电路原理图
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图1 立体声信号相位差电平差测试仪原理方框图
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。
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