11 PMZTue, 18 Mar 2025 13:30:16 +000030wtorek 2016
W ostatnich latach obserwujemy znaczny wzrost popularności urządzeń smart, wyposażonych w czujniki akustyczne, w tym mikrofony. Skutkiem tego jest wzrost wymagań w zakresie projektowym i produkcyjnym, wymuszający dodatkowe testy akustyczne i elektroakustyczne.
W poniższym artykule omówię systemy pomiarowe dedykowane mikrofonom typu MEMS, które ze względu na swój rozmiar, cenę i parametry stały się standardem w przypadku nowoczesnych urządzeń, szeroko nazywanych segmentem “Smart”. Dodatkowo w poszczególnych rozdziałach skupimy się na problematyce pomiarowej oraz automatyzacji poszczególnych procesów.
Mikrofony MEMS
Mikrofony MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) to nowoczesne mikrofony wykorzystujące technologię mikromechanicznych struktur półprzewodnikowych, charakteryzujące się miniaturowym rozmiarem, wysoką niezawodnością i niskim poborem mocy. Ich popularność wynika z szerokiego zastosowania w urządzeniach mobilnych, IoT i asystentach głosowych, gdzie kluczowe są kompaktowość i jakość dźwięku. Działają poprzez konwersję fal dźwiękowych na sygnał elektryczny za pomocą zmiany pojemności lub piezoelektryczności, a w wersji cyfrowej przesyłają dane głównie w formacie PDM (Pulse Density Modulation) lub I2S (Inter-IC Sound). W bardziej zaawansowanych systemach wielokanałowych mogą także wykorzystywać protokół TDM (Time Division Multiplexing) do efektywnej transmisji wielu sygnałów audio.
Rejestracja sygnału PDM - Moduły Audio Precision
Najczęściej spotykanym formatem rejestracji danych z mikrofonów MEMS jest sygnał PDM. Szerzej zagadnienia związane z tym protokołem opisaliśmy w tym artykule: Zrozumieć PDM.
W kontekście pomiarowym analizatory Audio Precision posiadają dwa moduły, pozwalające na bezpośrednie podłączenie płytek z zainstalowanym mikrofonem. Są to odpowiednio PDM i PDM16 stanowiące opcjonalne rozszerzenie modułowe analizatorów AP. Wszystkie moduły dostępne są tutaj: Moduły AP.
Audio precision PDM
Moduł Audio Precision PDM oferuje dwa kanały wejściowe oraz dwa kanały wyjściowe dla sygnału PDM. W takiej konfiguracji, pozwala na bezpośrednie pomiary mikrofonów MEMS, ale również generację sygnału PDM dla różnego rodzaju przetworników.
Rys. 1 - Panel połączeniowy modułu Audio Precision PDM. Moduł zawiera dwukanałową sekcję input i output.
W kontekście rejestracji sygnału PDM generowanego przez mikrofony MEMS możliwe jest szczegółowe ustawienie parametrów w tym zegara, nadpróbkowania, zboczy, czy zasilania.
Rys. 2 - Okno ustawień wejściowego sygnału PDM (ustawienia dla sygnału rejestrowanego z mikrofonu MEMS)
Specyfikacja Modułu PDM
Parametr | Wartość |
Zakres częstotliwości próbkowania | 4 kHz do 216 kHz |
Zakres częstotliwości zegara | 128 kHz do 24.576 MHz |
Współczynnik interpolacji | 33 od x16 do x800 |
Modulator | 4-tego lub 5-tego rzędu |
Poziomy logiczne interfejsu | 0.8 do 3.3 V |
Tryby krawędzi | Narastająca krawędź, kanał I; Opadająca krawędź, kanał 1; Stereo (obie krawędzie), 2 kanały |
Napięcie zasilania (Vdd) | 0.0 do 3.6 V, 15 mA |
Maksymalny poziom wejściowy modulatora | -0 dBFS |
SNR (Stosunek sygnału do szumu) | 129 dB (1 kHz, 20 kHz BW, nieważony, nadpróbkowanie 256x, modulator 5-tego rzędu) |
THD+N (Całkowite zniekształcenia harmoniczne + szum) | -129 dB (1 kHz, -9.3 dBFS, 20 kHz BW, nadpróbkowanie 256x, modulator 5-tego rzędu) |
Zakres dynamiczny | 137 dB (AES17, CCIR-RMS, nadpróbkowanie 256x, modulator 5-tego rzędu) |
Płaskość charakterystyki | ±0.001 dB (20 Hz do 20 kHz) |
Złącza | Dane wyjściowe, zegar wyjściowy, dane wejściowe, zegar wejściowy, zasilanie zewnętrzne (wszystko przez BNC) |
Rys. 3 - Analizator APx516B z zamontowanym modułem PDM16
Audio Precision PDM 16
Moduł Audio Precision PDM 16 oferuje do 16 kanałów wejściowych pozwalających na rejestrację całej macierzy mikrofonów MEMS, lub jednoczesny pomiar kilku niezależnych mikrofonów.
Rys. 4 - Panel połączeniowy modułu Audio Precision PDM 16 wraz z opisem poszczególnych pinów.
Moduł dostosowany został do jednoczesnej rejestracji wielu kanałów pomiarowych. w przypadku testów produkcyjnych, w których analizator znajduje się w większej odległości niż badany mikrofon MEMS, może wystąpić potrzeba zastosowania adaptera z kablem przedłużającym do 10 metrów. Niweluje to wpływ zakłóceń przy wysokiej wartości nadpróbkowania.
Rys. 5 - Analizator APx525B z adapterem PDM-16-10m - Zapobiega zniekształceniom sygnału spowodowanego, długimi przewodami.
Specyfikacja Modułu PDM 16
Parametr | Wartość |
Zakres częstotliwości próbkowania | 4 kHz do 216 kHz |
Zakres częstotliwości zegara | 128 kHz do 24.576 MHz |
Częstotliwość nadpróbkowania | 32, 64, 128, 256 |
Tryby krawędzi | Narastająca krawędź, kanały nieparzyste; Opadająca krawędź, kanały parzyste |
Wyjście Vdd | 0.0 do 3.6 V, maks. 50 mA |
Poziomy logiczne interfejsu | 0.8 do 3.3 V |
SNR (Stosunek sygnału do szumu) | < 129 dB (20 kHz BW, nieważony) |
THD+N (Całkowite zniekształcenia harmoniczne + szum) | < -130 dB (20 kHz BW, nieważony) |
Zakres dynamiczny | < 137 dB (AES17, CCIR-RMS) |
Płaskość charakterystyki | ±0.002 dB (20 Hz do 20 kHz, decymacja 32x) <br> ±0.001 dB (20 Hz do 20 kHz, decymacja 64x, 128x, 256x, 512x) |
Współczynniki decymacji | Pięć do wyboru: 32x, 64x, 128x, 256x, 512x |
Wyrównanie fazy międzykanałowej | Wszystkie kanały próbkowane synchronicznie ze wspólnego zegara, zależności fazowe między kanałami w pełni zachowane |
Złącze | Połączenie z DUT odbywa się za pomocą 40-pinowego złącza IDC 2,54 mm (0,1″) (na module zdalnym) |
Funkcje pomiarowe oprogramowania APx500
Oprogramowanie APx500 stanowi platformę pomiarową, zarządzającą analizatorami Audio Precision. Dwa tryby pomiarowe, pozwalają zarówno na ręczne testy projektowe jak i zautomatyzowane sekwencji produkcyjne. Więcej informacji na temat poszczególnych trybów pracy dostępne jest w artykule: Oprogramowanie Pomiarowe APx - Tryb Sekwencyjny vs Bench Mode
Rys. 6 - Oprogramowanie APx500 w trybie sekwencyjnym.
Pomiary akustyczne
Badania audio mikrofonów MEMS, wymagać będą ciągłego łańcucha pomiarowego, pozwalającego na przetestowanie samych mikrofonów pomiarowych jak i gotowych urządzeń, bez możliwości bezpośredniego doprowadzenia sygnału do analizatora.
Rys. 7 - Analizator APx517B z wbudowanym modułem PDM.
Otwarta i zamknięta pętla pomiarowa
W zależności od badanego obiektu analiza sygnału będzie odbywała się w dwóch formach: otwartej lub zamkniętej pętli pomiarowej. Temat ten został dokładniej opisany w artykule: Otwarta i zamknięta pętla pomiarowa w testach audio, natomiast w kontekście mikrofonów MEMS możemy rozważyć dwa najpowszechniejsze scenariusze.
Pomiar mikrofonów - Pętla zamknięta
W tym wypadku bandy będzie mikrofon MEMS lub matryca mikrofonów zamontowana na płytce, z wyjściem sygnałowym w formacie PDM. W takim założeniu mikrofon zbierać będzie sygnał wygenerowany przez jakiś badany głośnik i konwertować na sygnał PDM, bezpośrednio do modułu analizatora Audio Precision. Taki rodzaj pomiarów nie wymaga żadnej dodatkowej synchronizacji ponieważ oprogramowanie APx500 synchronizuje sygnał generowany i rejestrowany.
Pomiary urządzeń - Pętla otwarta
Częstą sytuacją, szczególnie w kontekstach produkcyjnych testów weryfikacyjnych, jest brak możliwości bezpośredniego podłączenia badanego urządzenia do analizatora. Dotyczy to szczególnie urządzeń, gdzie mikrofon stanowi jedynie pomocniczy element całej funkcjonalności badanego urządzenia. W tym wypadku oprogramowanie APx500 pozwala na przeprowadzanie pomiarów w otwartej pętli pomiarowej, wykorzystującej tony pilotaże, do zsynchronizowania analizowanego sygnału.
W takim wypadku generator przed podaniem bodźca, generuje ton o określonych parametrach. Całość rejestrowane jest przez badane urządzenie i zapisywane w formie WAV. Następnie plik WAV poddawany jest przez oprogramowanie APx500 analizie, w takim samym stopniu jak sygnał bezpośrednio zarejestrowany. Pozwala to na pełen zakres pomiarów, nawet w ograniczonych warunkach.
Rys. 8 - Przebieg czasowy bodźca pomiarowego poprzedzonego sygnałem synchronizującym analizę.
Mikrofon referencyjny
W przypadku akustycznych pomiarów mikrofonów MEMS, ważnym elementem toru pomiarowego jest referencyjny mikrofon pomiarowy. Pozwala on na stałe monitorowanie środowiska akustycznego, w tym hałasu tła, ale również wyłapanie potencjalnych odchyleń parametrów wynikających ze zmiany położenia poszczególnych elementów. Mikrofon pozwala również wykluczyć błędy wynikające z wad badanego urządzenia.
Dodatkowe informacje na temat mikrofonów, razem z instrukcją jak dobrać prawidłowy typ dostępne są w artykule: Mikrofony pomiarowe - dobór na podstawie pola akustycznego.
Oprogramowanie Audio Precision APx500 pozwala na jednoczesną analizę sygnału cyfrowego, pochodzące z badanego urządzenia jak i analogowego pochodzącego z mikrofonu referencyjnego.
Rys. 9 - Mikrofon pomiarowy GRAS 40PM
Automatyzacja procesów pomiarowych
W kontekście testów produkcyjnych oprogramowanie APx500 pozwalają na szereg automatyzacji, które w połączeniu z gotowymi funkcjami pomiarowymi minimalizuj czas potrzebny na pomiar. W tym zakresie sterowanie oprogramowaniem i tworzenie gotowych scenariuszy pomiarowych, dostępne jest zarówno poprzez oprogramowanie APx500, ale również przez zewnętrzne sterowanie wykorzystując API w tym m.in. Python, C#, czy LabView.
Szerszy opis zagadnień związanych z automatyzacją scenariuszy pomiarowych znajdują się w artykule: Produkcyjne pomiary audio urządzeń smart.
Rys. 10 - Wykres serii pomiarów, wykonanych za pomocą oprogramowanie APx500.
Podsumowanie
Artykuł zawierał przekrojowy opis wyposażenia, przystosowanego do pomiarów mikrofonów MEMS, oraz urządzeń wyposażonych w takie mikrofony. Kluczową cechą w kontekście rozwiązań Audio Precision jest możliwość dopasowania go do indywidualnych warunków testowych. W kontekście podłączeń dedykowany moduły PDM i analiza plików WAV pozwoli na testowanie zarówno samych mikrofonów jak i gotowych urządzeń bez fizycznych wyjść sygnałowych. W przypadku zarządzania, analizator może być sterowany bezpośrednio z dedykowanego oprogramowania lub przy użyciu API i wewnętrznego systemu zarządzającego większą liczbą elementów.