Réaliser un analyseur audio FFT/Générateur 110 dB, 5 Hz à 90 kHz, 0.007%, gratuit !

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Comment réaliser tout ça gratuitement ?

En utilisant un PC Windows 10... et un logiciel  analyseur de spectre.

Notre ancien PC portable, un Asus N56V est équipé :

Si votre portable n'a pas d'entrée microphone, vous pourrez utiliser le générateur mais pas l'analyseur ou l'oscilloscope. 

A moins de rajouter une prise microphone extérieure vie une clef USB, mais attention à la qualité : les prises micro casque USB à 1.5 € ne sont pas toujours au top !

En général, ces adaptateurs USB low cost sont équipés d'un circuit intégré CM108 qui ne permet pas de dépasser 16 bits et 48 kHz  de fréquence d'échantillonnage ADC et DAC.

 https://www.ebay.fr/itm/USB-To-3-5mm-Mic-Headphone-Jack-Stereo-Headset-3D-Sound-Card-for-PC-Computer-Hot/283047763157?hash=item41e6f61cd5:g:dVAAAOSwt5VbGNTC

Mais les adaptateurs audio USB externe ont une qualité : en cas de fausse manip, c'est l'adaptateur à 1.5 € qui lâche, pas la carte son du précieux portable !

Les PC "tour" ont, en général une carte son qui contient tout.

L'idéal est d'avoir un portable dont la carte son peut monter, en entrée et en sortie à 96 kHz, voire 192 kHz ou plus de fréquence d'échantillonnage et 48 kHz de bande passante (voire 92 kHz) (rappelons qu'on ne peut pas dépasser la moitié de la fréquence d'échantillonnage en bande passante.


Il faut installer un logiciel pour PC Windows d'analyse de spectre. Il y en a beaucoup. Des gratuits et des payants. Des bons et des moins bons...

Nous en avons essayé pas mal... 

  1. Le meilleur, et de loin, est Virtual Analyser. http://www.sillanumsoft.org/
  2. Ensuite, Real time Analyser de Yoshimasa http://www.ymec.com/manual/era/reference_ver3.htm (a priori, la version gratuite est limitée à 30 jours)

La plupart des logiciels sont limités à 16 bits 44 kHz échantillonnage et 20 kHz de bande passante. La plupart des cartes son peuvent faire beaucoup mieux...

Recette de l'analyseur gratuit : (Virtual Analyser)

  1. Se procurer 2 câbles audio Jack 3.5 stéréo d'un côté et ce que vous voulez de l'autre: 
    1. Jack stéréo
    2. BNC
    3. RCA Cinch...
    4. XLR
    5. Pinces croco :-)
  2. Brancher un câble audio sur la sortie stéréo casque Jack 3.5 du PC
    1. Brancher l'autre câble audio sur l'entrée ligne/micro Jack 3.5 du PC
  3. Télécharger (17 Mo) et installer le logiciel gratuit Visual Analyser http://www.sillanumsoft.org/ (Download a single setup file de préférence)
Nota : actuellement (juin 2021) je recommande la version 2020 Beta (La version 2021 a trop de bugs, la version 2019 est moins puissante)
  1. Mettre le volume HP au max
  2. Clic droit sur HP, barre des tâches, en bas à droite, Ouvrir les paramètres de son
  3. Entrée, Microphone, Propriétés du périphérique
  4. Propriétés des périphériques supplémentaires
  5. Enregistrement, Microphone, Propriétés
  6. Propriétés de microphone,
    1. Niveaux: Microphone: 35, Ampli microphone : 0.0 dB, Appliquer
    2. Améliorations : décocher tous les effets
      1. Suppression du bruit
      2. Faisceau de fibres
      3. Annulation de l'écho acoustique
    3. Statistiques avancées, Format par défaut : Canal 2, 16 bits, 192000 Hz, Appliquer (Bande passante : 192 kHz :-)
Attention : Quand Windows fait une mise à jour, en général, il remet les paramètres du microphone par défaut : effet, volume, format...
  1. Sortie, Haut-parleurs, Propriétés du périphérique
  2. Propriétés des périphériques supplémentaires
  3. Propriétés de Haut-parleurs,
    1. Niveaux : 100
    2. Améliorations : décocher tous les effets : 
    3. Statistiques avancées, Format par défaut : 24 bits, 192000 Hz,
    4. OK, Fermer
  4. Lancer Visual Analyser en mode administrateur (clic droit sur l'icone...) :
Nota : si on ne le lance pas en mode administrateur, on ne peut pas enregistrer les réglages...analyseur01.jpg.
  1. Régler la taille de la fenêtre pour voir le bas si nécessaire
  2. Cliquer sur On en haut à gauche
  3. Oscillo ChA : base de temps: 0.25 ms/div, Zoom 1, trigger, Vpos=0, trigger=0
  4. D/A, DC removal
  5. Analyseur, Main : Yaxis jusqu'à -110 dB, Log, , Xaxis Log
  6. Permet aussi d'afficher la tension RMS, la fréquence, la THD, générateur sinus, triangle, carré, bruit blanc...
  7. Mesurer bande passante: Spectrum, Main, Wave Gen./Record
  8. Spectrum, Main, Hold
  9. Waveform Generator, Left A, Main, Wave function, Sweep (Sine), idem Left B
  10. Settings, Colors, Skin, Windows (mais il faut refaire à chaque démarrage de VA...)
  11. Settings
    1.  Main
      1. FFT Size samples : 4096
      1. Frequency sample rate: 192000 (Si VA ne le propose pas, il faut le taper)
      1. Bit Depth: 24
      2. Function, Voltmeter : On
    1. Spectrum
      1. Step :6 dB
      1. Xaxis : Fit Screen
      2. Octave Band Analysis : 1/24
      1. FFT Enabled
      1. Freq Range
        1. Automatic : No
        1. Upper : 100000
        1. Lower : 5
    2. Scope
      1. Save config
    3. Cal
      1. Régler un générateur sinus à 1 kHz, 1 Veff RMS pile et le relier à l'entrée micro
      2. L : Level of know input signal : 1
      3. Unit : Volt, RMS
      4. Clic sur Start measure signal
      5. Clic sur Apply calibration left
      6. idem pour l'autre canal
      7. Clic sur Save en bas et donner un nom au fichier de calibration :1 par exemple
  12. Cocher TRMS dans la fenêtre du voltmètre si besoin
  13. Le voltmètre doit afficher 1 pile
  14. Clic sur Save config et OK pour fermer la fenêtre
  15. Clic à droite de la fenêtre Spectrum : Freq Meter
  16. Dans la fenêtre du fréquencemètre:  Resol : 0.63 Hz : le fréquencemètre doit afficher 1 kHz (il faut refaire ce réglage chaque fois que l'on redémarre VA)
  17. Régler la taille du voltmètre et du fréquencemètre et positionner les fenêtres.
  18. Settings, Save config, OK
  19. Le système obtenu a une bande passante de 5 Hz à 100 kHz (en réalité, avec notre Asus N56V de 10 Hz à 90 khZ) à peu près 100 dB de dynamique et 0.015% de distorsion.
  20. On peut aussi mesurer la bande passante avec le générateur de bruit blanc et du moyennage... (le générateur de bruit blanc est un peu capricieux)
Et voilà !

Nous avons testé l'analyseur : avec notre vieux Asus N56V : la bande passante est de 10 Hz à 90 kHz : pas trop mal :
Ici, après calibrage et réglage de l'analyseur et des paramètre son de Windows (16 bits 192kHz), mesure d'un petit générateur BF réglé à 1V RMS et 1kHz :
L'harmonique principale à 1 kHZ -6 dB et  l'harmonique 2 kHz vers -40 dB, un taux de distorsion de 2.1% : moyen notre petit générateur...
Une dynamique de 100 dB, un peu moins au-dessus de 40 kHz (90 dB).
Les défauts (minimes) du logiciel :
  1. Le paramètre de résolution de 0.73 Hz n'est pas enregistré dans le fichier de configuration : il faut le régler à chaque fois : sinon la résolution est d'environ 40Hz...
  2. L'échelle Y en volts de l'oscilloscope a une graduation bizarre : pourquoi ne pas indiquer, par exemple: 0.2, 0.4, 0.6...
  3. Le voltmètre affiche 10 chiffres mais n'est pas très précis quelques % d'erreurs par rapport à notre multimètre RMS selon la distorsion du signal. Apparemment, on ne peut pas régler le nombre de chiffre du voltmètre
Mais bon, pour un logiciel gratuit, ce n'est pas si mal...
analyseur01a.jpg

Évidemment, il faut être prudent avant de brancher le PC sur la sortie enceinte ampli...
Exemple de mesure de bande passante sortie son reliée à l'entrée :
analyseur02.jpg
.
Une bande passante de 5 Hz à 100 kHz, un peu plus de 100 dB de dynamique...
Mesure du générateur sinus du logiciel : 0.015 % de distorsion (on peut descendre à 0.007 %)
analyseur03.jpg

.
Mesure du générateur BF 1 kHz d'une petite carte XR2206 : une distorsion de 2.7 % : c'est nettement moins bon !

analyseur04.jpg

Ce logiciel, gratuit, offre de nombreuses possibilités : (2 voies d'entrée si le PC le permet)

  1. Oscilloscope 2 voies, gain, zéro, inverse, niveau trigger, + ou -, curseur tension, temps, D/A : Digital-Analogue : reconstruction du signal sinus pour les HF (Nyquist), AC-DC, XY
  2. Analyseur FFT 2 voies, maximum 24 bits, 192 kHz, 1/24 octave, crête, moyenne jusqu'à 200, A/B, B/A, A+B, A-B, B-A,
  3. Mesure de distorsion : THD
  4. Mesure de bande passante (Sweep ou White noise)
  5. Générateur sinus, triangle, carré, bruit blanc, bruit rose...
  6. Voltmètre RMS, crête, crête-crête, moyenne, DC en V mV ou dB (il faut calibrer le logiciel avant de mesurer les tensions)
  7. Fréquencemètre, Périodmètre, Compteur
  8. Phasemètre, moyenne
  9. Enregistreur
  10. Filtre, passe bas, passe haut, passe bande, reject, Notch, Fir...
  11. Mesure ZRLC (avec une carte supplémentaire) avec la puissante fonction ZRLC et une carte avec quelques ampli op supplémentaires, mesurer des composants ZRLC diode, transistors... sur une prise USB. http://www.sillanumsoft.org/ZRLC.htm.
PDF pour construire la carte ZLRC (en italien)  : http://www.sillanumsoft.org/Download/impedUSB.pdf
Le même document traduit (automatiquement) en français : impedUSB.it.fr.pdf
Nous pensons qu'on doit pouvoir construire une telle carte à très bas coût en modifiant un adaptateur audio USB à 1.70 € comme celui-ci :
 
https://www.ebay.fr/itm/USB-To-3-5mm-Mic-Headphone-Jack-Stereo-Headset-3D-Sound-Card-for-PC-Computer-Hot/283047763157?hash=item41e6f61cd5:g:dVAAAOSwt5VbGNTC
voir : https://www.electroschematics.com/usb-sound-card-hack/


Mesure de la bande passante (sweep) du microphone et haut-parleurs intégrés d'un PC portable ASUS UX501 :
analyseur05.jpg
.
Mesure de la bande passante (sweep) du microphone du
PC portable ASUS UX501 et ampli Denon PMA-320 et enceintes Martin Logan Aerius II :
analyseur06.jpg
.
Visiblement, ce sont les microphones du PC Asus qui ont un "trou" en dessous de 10 kHz mais une bande passante large...
.
Mesure de la bande passante (sweep 60s) d'un ampli Denon PMA-320 et enceintes Martin Logan Aerius II avec un bon microphone electret :
analyseur07.jpg
.
Tiens, tiens, il n'y a plus de trou dans la bande passante. Reste à savoir si l'atténuation vient plutôt du microphone ou des enceintes... Les Martin Logan  sont annoncées à  40 Hz  - 20 kHz  à 3 dB.

La même mesure de la bande passante d'un ampli Denon PMA-320 et enceintes Martin Logan Aerius II avec un bon microphone electret, mais en bruit blanc :
analyseur09.jpg
.
Le résultat est instantané
.


Une mesure en sinus pure, sortie bouclée sur l'entrée : le THD est inférieur à 0.007% : pas si mal :
analyseur08.jpg
.
On utilise maintenant un microphone Electret passé au banc Bruel & Kjaer :
analyseur10.jpg
.
Une bande passante relativement plate de 20 Hz à 20 kHz avec un creux de 4 dB à 30 Hz et un autre creux de 3 dB autour de 15 kHz

Mesure de la bande passante d'un ampli Denon PMA-320 et enceintes Martin Logan Aerius II avec le microphone electret étalonné, en bruit blanc :
analyseur11.jpg


Une documentation assez complète (en anglais) de VA : http://www.mcgee-flutes.com/VA-Intro.htm

Calibration du voltmètre :
  1. Relier l'entré microphone à un générateur sinus 1khz 1 V RMS, sinon à la sortie écouteur
  2. A droite, cocher Voltmeter
  3. Cocher TRMS, V
  4. En haut à gauche clic : Settings, Cal
  5. Clic Start measure signal (L)
  6. Level of known input signal (units) : entrez la valeur RMS du signal connu : 1
  7. Cocher Apply calibration left channel
  8. Même chose du côté droit
  9. OK
Attention pour les mesures DC : la plupart des entrées microphone ou ligne ont des condensateurs d'entrée qui ne transmettent pas la composante continue
Attention pour les mesures DC : la plupart des adaptateurs audio USB ont un filtre numérique pour couper la composante continue : avant de supprimer le condensateur d'entrée de la prise microphone, faites un essai, par exemple en reliant l'entrée microphone, après le condensateur, à la masse USB à travers une résistance de 10 kohms. Si la valeur indiquée par le voltmètre de VA en position DC bouge et revient immédiatement à 0 : l'adaptateur a un filtre coupe bas : il n'y a rien à faire : on ne pourra pas mesurer de tension DC avec cet adaptateur...

En cas de problèmes :
  1. L'analyseur ne fonctionne pas : ne pas oublier de cliquer sur On, tout en haut à gauche !
  2. Pas de signal en entrée : certains portables ont des connecteurs Jack particuliers avec 3 ou 4 contacts et l'ordre peut changer selon les fabricants. Normalement, brancher le cordon microphone désactive le microphone intégré, sur certains portables, il faut modifier les propriétés des paramètres de son.
  3. Le fond noir n'est pas très lisible : Settings, Colors, Skin, Windows, OK . Mais il faut le refaire à chaque fois...
  4. La valeur indiquée par le voltmètre est fantaisiste (32 000V) : avant de faire des mesures de tension, il faut calibrer VA : Settings, Cal, avec une source sinus dont on connaît l'amplitude. Ensuite, il faut noter et ne plus toucher aux niveaux du microphone dans les paramètres de son.
  5. La fréquence du fréquencemètre n'est pas très précise : dans la fenêtre du fréquencemètre, il faut modifier la résolution de, par exemple 23.4 Hz à 0.34 Hz (A refaire chaque fois que l'on lance le logiciel)
  6. Les raies de l'analyseur de spectre ne sont pas assez fines : Settings, Spectrum, Octave band analysis : 1/24
  7. Le bruit blanc ne fonctionne pas : essayer Waveform generator, Setup, Bit depth : 16. Sinon : Waveform Generator, Noise, Standard deviation, 1, Apply.
  8. Au lancement du programme une fenêtre "Divide by zéro" s'ouvre : supprimer le fichier va.ini dans le répertoire (Et refaire les réglages...)


Nous allons connecter notre PC à un adaptateur de carte son USB (à 3.5 €)
OK, à partir de maintenant, l'analyseur n'est plus gratuit...:-)
https://www.ebay.fr/itm/294099631171?ssPageName=STRK%3AMEBIDX%3AIT&_trksid=p2060353.m2749.l2649
analyseur12.jpg

Ce qui devrait nous permettre d'avoir 2 voies d'entrées ligne pour l'analyse
(Notre Asus N56V a seulement une entrée microphone mono)
Il n'est pas facile de trouver des bons ADC USB à un prix décent.

Avec ce modèle modèle économique, la bande passante va probablement être limitée à 22 kHz (48 kHz fréquence échantillonnage max : à voir)
Si les caractéristiques de cet adaptateur sont suffisamment bonnes : bande passante et dynamique, nous l'installerons dans un coffret muni de 3 BNC :
(Construit dans un morceau de profil alu de fenêtre).
analyseur13.jpg
.
A l'avant :
Entrée A (rouge)
Entrée B (noire)
Sortie générateur

A l'arrière :

Une prise USB pour le relier à n'importe quel PC.


A voir...



On peut faire mieux mais c'est plus cher :
Par exemple une très bonne carte, mais à plus de 50 €...
https://fr.aliexpress.com/item/1005001604756841.html?spm=a2g0w.12057483.detail.3.6c7c7452lIFMxg
2 entrées 24 bits 192 kHz, 2 sorties 24 bits 192 kHz...


That's All, folks !

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http://spt06.perso.libertysurf.fr

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20/06/2020