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利用输入缓冲器和衰减器改善声卡示波器的低端频响

时间:2022-05-16 09:18:14 作者:Stephen Woodward 阅读:
用于个人电脑的廉价标准化16位和24位音频I/O硬件的出现,引发了示波器仿真应用的热潮。本文介绍了利用9051构建的声卡滤波器设计,该设计利用缓冲器和衰减器,有效地改善了示波器的低端频率响应。
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用于个人电脑的廉价标准化16位和24位音频I/O硬件的出现,引发了示波器仿真应用的热潮。其中,许多“声卡示波器”功能强大,提供输入缩放、触发和时基选项、频率分析、数据文件存储和内置信号发生器。

虽然硬件尽可能降低成本,但毕竟硬件是专门为音频采集和再现而优化的。所以,即使是最好的软件应用程序也只能克服硬件的基本限制,这些限制包括:

使用不便的低输入阻抗:通常不超过10kΩ到30kΩ,因此可能会导致信号源负载过重。

有限的输入范围:固定在5Vpp左右,如果明显超过此范围,可能会造成永久性损坏(甚至可能对连接的计算机造成损坏)。

带宽限制:高端大约为20kHz左右;而低端则为10Hz、20Hz甚至100Hz。

为解决这些问题,可以参考文献中列举的许多硬件改进措施。简单的缓冲器和可调式衰减器可用来改善输入阻抗和范围,而一项基于AD583 S&H的巧妙设计(Doug Mercer在模拟对话中:“前端将PC声卡转换为高速采样示波器”),可将带宽上限(针对重复波形)扩展至50MHz!

声卡示波器前端的设计理念略有不同。参考图1所示原理图,它将兆欧输入阻抗与可切换的X1-X10-X100衰减器相结合,随后又将声卡带宽的底端扩展了10倍以上。对于双声道(立体声卡)示波器而言,也只是简单的再复制而已。

图1:声卡示波器前端原理图。

前端始于衰减器开关S1周围的级联电阻网络。它提供1MΩ(最小)输入阻抗和可切换的十进制衰减,而无需使用高于2MΩ的电阻器(该点位以上的精密电阻器开始变得非常昂贵),并带有一个简单的“开-关-开”三位拨动开关。

同相9051缓冲放大器电平将输入信号转换为Vdd/2,并通过C1(R1+R2)反馈网络进行可调节(对使用的特定声卡硬件进行一次性校准)低频校正。这正是其工作原理。

基本上,所有声卡编解码器都有交流耦合输入,即使与RC时间常数相关的额定截止频率可能低至10Hz(用于记录图2所示绿色迹线的编解码器正是如此),也会导致常见波形(如图2中的20Hz方波)的失真(“下垂”),当然这可能是极端和不可接受的情况。

图2:低频响应校正效果图。(绿色迹线为未校正响应,而红色迹线为利用R1将时常数调整到22ms后的校正响应。)

修正包括调整(R1+R2)以使反馈时间常数等于并抵消编解码器输入的时间常数:本例中该数值为22ms。经过这番一次性校准,图2中的红色迹线显示一个明显改进,准确地再现了原始波形和所有类似输入值。但这种补偿并不十分完美,因为9051最终会耗尽余量,而且编解码器高通滤波有时比一个简单的单极RC要复杂。但正如图2所示,其改进效果还是显著且有用的。

当然,随着我们对开始就已非常普及的、简单、便宜且令人愉悦的声卡硬件不断地进行改进,最终肯定会到达众所周知的矫枉过正和失去成本效益的地步。希望这个设计不会越过那条线。

(参考原文:Input buffer and attenuator for sound card oscilloscopes extends low-end frequency response

本文为《电子工程专辑》2022年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订

责编:Jimmy.zhang
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