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。

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。