幾年前，我需要一個(gè)快速、低頻但失真極低的源來(lái)測(cè)試板載微控制器 ADC，看看它是否具有接近數(shù)據(jù)表中所述的有效位數(shù) (ENOB) 和線性度。

我知道凌力爾特 [1] 的失真非常低，但設(shè)計(jì)有些復(fù)雜，但這對(duì)于我的迫切需要來(lái)說(shuō)似乎有點(diǎn)過(guò)分了。因此，我最終基于 Hein van den Heuvel [2] 的電路構(gòu)建了一個(gè)經(jīng)典的三運(yùn)放狀態(tài)變量振蕩器，帶有一個(gè)小小麥燈泡作為振幅穩(wěn)定電路。

經(jīng)過(guò)一天擺弄電路中運(yùn)算放大器的各個(gè)階段的負(fù)載后，我設(shè)法將諧波失真產(chǎn)物降低到 -95 dBc 水平以下，這對(duì)我的即時(shí)需求來(lái)說(shuō)很好。

雖然可以構(gòu)建分立的振蕩器電路，但它很繁瑣。存在溫度問(wèn)題，如幅度漂移、頻率漂移、啟動(dòng)和穩(wěn)定時(shí)間等。同樣，我認(rèn)為在未來(lái)?yè)碛幸粋€(gè)具有 2.5 到 +/-10 伏多輸出的快速設(shè)置振蕩器會(huì)很好，這樣我可以快速測(cè)量任何 16 位精度的 ADC。

模擬方法絕不是一種快速設(shè)置，這讓我開(kāi)始思考專業(yè)音頻分析儀是如何實(shí)現(xiàn)它們的源的。我想，他們必須要么構(gòu)建一個(gè)精密的離散 DDS，要么使用其中一個(gè)高分辨率 I2S 音頻 DAC。

然后，我瀏覽了 TI 應(yīng)用說(shuō)明，了解他們對(duì)超低失真測(cè)試振蕩器的看法，果然，它使用了他們的 Burr-Brown I2S 音頻 DAC 之一，然后是一些高性能低通濾波器 [3]。

我買(mǎi)了幾個(gè) I2S DAC 并將它們連接到我的一個(gè)微控制器演示板上，大約一天后 I2S 就開(kāi)始運(yùn)行，并且有一些不錯(cuò)的信號(hào)從設(shè)置中跑出來(lái)。I2S 的奇妙之處在于它可以連接到處理器的 DMA 上，使 99% 的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)處理器透明。處理器所要做的就是每隔一段時(shí)間保持 DMA 管道充滿。

這是一種學(xué)習(xí)體驗(yàn)，在經(jīng)濟(jì)上并不有利，因?yàn)?TI 以低于 300 美元的價(jià)格出售他們的電路，但是，沒(méi)有發(fā)布的 API 可用于通過(guò)您自己的測(cè)試程序控制他們的解決方案。

然后我想，“USB聲卡加密狗怎么樣？它們一定很體面而且很便宜。”

快速搜索發(fā)現(xiàn)，Creative Labs 確實(shí)制造了一款成本極低但性能卓越的 16/24 位 USB 加密狗，令人印象深刻的是“Creative Labs Sound Blaster Play！3.” 這款不到 20.00 美元的設(shè)備甚至具有 24 位/96-kHz 的數(shù)據(jù)速率 [4]。我相信創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)室不會(huì)制造垃圾，所以我買(mǎi)了一個(gè)試試。

使用我的 18 位 FFT 分析儀 [5] 進(jìn)行的初步測(cè)試表明，筆記本電腦不僅“聽(tīng)起來(lái)”更好聽(tīng)我的耳朵，而且性能確實(shí)處于 16 位失真水平，底噪非常干凈。

這種方法確實(shí)是我的通用 ADC 測(cè)試臺(tái)的“快速設(shè)置”解決方案，因?yàn)樗熊浖伎梢栽谖业膶?shí)驗(yàn)室 PC 上運(yùn)行；現(xiàn)在我將擁有一個(gè)“可控”的源、頻率和幅度，并且它正在我的 PC 上運(yùn)行，因此我可以擁有獨(dú)立的應(yīng)用程序，甚至可以構(gòu)建 API 以在以后需要時(shí)包含在自動(dòng)化測(cè)試套件中。

在那里解決了很多工作，并且通過(guò)使用外部聲卡，精確的幅度和已知質(zhì)量可以在任何測(cè)試臺(tái)之間轉(zhuǎn)移，因?yàn)槲业臏y(cè)試筆記本電腦內(nèi)部聲卡在輸出幅度和真實(shí)音質(zhì)上隨處可見(jiàn).

將筆記本電腦用于測(cè)試控制器的另一個(gè)好處是，您可以拔下電源適配器并依靠電池運(yùn)行，從而消除了許多接地回路問(wèn)題，這些問(wèn)題總是在您嘗試快速移動(dòng)并完成工作時(shí)突然出現(xiàn)。

輸入 BlasterAmp

現(xiàn)在所需的所有項(xiàng)目都是用于 Sound Blaster 加密狗的模擬接口板，以便為我的“通用”測(cè)試設(shè)置獲得所需的輸出。

我測(cè)量了 Sound Blaster 音頻輸出到指定的 300 歐姆耳機(jī)負(fù)載和一些測(cè)試音調(diào)，我測(cè)量了滿量程輸出的一致 0.37 伏峰值，與我使用的 PC 或操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)。

列出了常用的 ADC 輸入范圍（表 1）。我想如果我涵蓋了常見(jiàn)的 ADC 輸入范圍，則可以通過(guò)使用音量控制來(lái)調(diào)整幅度來(lái)測(cè)量介于兩者之間的任何內(nèi)容，這最終會(huì)降低可實(shí)現(xiàn)的信噪比 (SNR)，但 Sound Blaster 的 SNR 已經(jīng)足夠了對(duì)于我要測(cè)量的應(yīng)用程序。

表 1：這些范圍涵蓋了我在過(guò)去 10 年中遇到的幾乎所有 ADC 輸入。該表用作確定 Sound Blaster 加密狗輸出的放大器所需的增益和偏移量的基礎(chǔ)。

3.3 伏的峰值范圍很奇怪，但仍然出現(xiàn)在較低分辨率的基本設(shè)計(jì)中，無(wú)論如何大多數(shù)都是 10 位或 12 位 ADC，因此決定只使用音量控制和 0-5 伏范圍在這些應(yīng)用中，只有很小的信噪比損失。

然后我設(shè)計(jì)了我稱之為“BlasterAmp”的東西，它具有所需的增益和偏移，以便能夠轉(zhuǎn)換 0.37 伏峰值，即 Sound Blaster 加密狗的滿量程輸出，以匹配表 2。

表 2：BlasterAmp 旨在涵蓋表 1 中的常見(jiàn)電壓，只有 4 個(gè)增益步長(zhǎng)和 3 個(gè)偏移設(shè)置。單極范圍需要使用三個(gè)偏移電壓。

關(guān)于單極范圍需要注意的一點(diǎn)：現(xiàn)在這些總是“軌到軌”，雖然我們說(shuō)“軌到軌”，但幾乎總是與“軌”有一些偏移。這將對(duì)任何 ADC/緩沖器測(cè)試造成嚴(yán)重破壞，因?yàn)槿绻败墶辈煌耆幱诹慊驖M量程，那么 ADC 將削波，這將導(dǎo)致嚴(yán)重的失真，從而阻止進(jìn)行任何有意義的測(cè)量。此外，有時(shí) ADC 參考電壓為 2.048 或 4.096 伏，而不是 2.5 和 5 伏。為了解決這些情況，我使用了精確的 25 轉(zhuǎn)微調(diào)器，以便在需要時(shí)對(duì)增益和偏移進(jìn)行微調(diào)。微調(diào)器還允許 Sound Blaster 加密狗、電阻器容差和運(yùn)算放大器偏移電壓的任何細(xì)微差異。

圖 1 顯示了完成的 BlasterAmp 的一個(gè)通道。短路跳線用于允許根據(jù)需要更改偏移和增益，以適應(yīng)各種所需的輸出范圍。

圖 1：立體聲 BlasterAmp 的一個(gè)通道。增益和偏移范圍通過(guò)可移動(dòng)的跳線設(shè)置，然后借助精確的 25 圈微調(diào)器進(jìn)行微調(diào)。U101 周圍的電阻網(wǎng)絡(luò)是來(lái)自 Vishay (OSOPTC1001AT0) 的 1 k-ohm 匹配網(wǎng)絡(luò)。所有其他電阻器的尺寸為 0.1%，0805，以最大限度地減少電阻器發(fā)熱和隨后的失真。C100 和 C101 必須是薄膜或 COG 陶瓷類型以消除失真。

對(duì)于放大器，我使用了久經(jīng)考驗(yàn)的真正 Burr-Brown OPA1611，這是一款超低失真音頻運(yùn)算放大器，它們的性能符合數(shù)據(jù)表，也就是說(shuō)非常出色。

對(duì)于偏移參考電壓，我使用了 TI REF5050，它是一個(gè)精密的 5 伏參考電壓。

由于該電路預(yù)計(jì)將在我的工作臺(tái)上用于測(cè)試設(shè)置安排，因此我將其設(shè)計(jì)為由 +/-15 伏導(dǎo)軌供電，并使用了另一個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的真正組件，即我保留的 HP6234A 雙線性電源在我的長(zhǎng)凳上這樣的場(chǎng)合。使用像 HP6234A 這樣的線性電源非常有用，因?yàn)樗哂械驮肼暋⒌?IO 電容設(shè)計(jì)，而且它不會(huì)在任何地方從開(kāi)關(guān)電源中噴出共模電流。如果我必須使用切換器為設(shè)計(jì)供電，我會(huì)使用一些線性、低壓差穩(wěn)壓器和電路中的大量共模扼流圈，以盡我所能將開(kāi)關(guān)噪聲遠(yuǎn)離電路板。值得信賴的 HP6234A 消除了所有這些問(wèn)題。

我鋪設(shè)了最終的雙通道 BlasterAmp PCB，以安裝在我沒(méi)有蓋上蓋子的小型 Hammond 外殼 [6] 中，因?yàn)檫@樣可以輕松更換各種跳線和微調(diào)電位器（圖 2 ）。

圖 2：完成的 BlasterAmp。我將 PCB 安裝在擠壓外殼中以進(jìn)行保護(hù)。來(lái)自聲卡的音頻是 PCB 右上方的黑色電纜。電源由我的 HP6234A 線性工作臺(tái)電源通過(guò) PCB 中間右側(cè)的電線連接器供電。完整的設(shè)計(jì)可用，見(jiàn)參考文獻(xiàn) 10。

通用格言：硬件需要軟件

使用 Sound Blaster 加密狗無(wú)疑大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間，但我仍然需要一種將高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試信號(hào)播放到 Sound Blaster 中的方法。我嘗試了大約十幾種音頻測(cè)試音調(diào)軟件解決方案，其中大多數(shù)都只有 60-dBc 或更低的失真水平，這對(duì)于聽(tīng)力測(cè)試來(lái)說(shuō)很好，但對(duì)于我的應(yīng)用來(lái)說(shuō)不行，我需要將失真降低到 16位級(jí)別。

互聯(lián)網(wǎng)上有幾個(gè)發(fā)燒友網(wǎng)站提供非常低的失真文件用于測(cè)試 [7]。對(duì)于播放，您需要一個(gè)在循環(huán)時(shí)具有零死區(qū)時(shí)間的 WAV 或 MP3 文件播放器。我發(fā)現(xiàn)愚蠢地命名的程序“foobar2000”是一個(gè)很好的選擇[8]。我最初在旅行時(shí)使用該程序在筆記本電腦上播放白噪聲，以在嘗試入睡時(shí)淹沒(méi)多余的聲音，并且在循環(huán)播放白噪聲文件時(shí)也不能有任何咔噠聲或爆裂聲，否則您會(huì)立即醒來(lái). foobar2000 程序非常適合 BlasterAmp 和睡眠。

這些預(yù)制測(cè)試文件具有固定頻率，但可以通過(guò) BlasterAmp 微調(diào)器或 PC 的音量控制根據(jù)需要微調(diào)幅度。

至于能夠以編程方式設(shè)置頻率和音量，我找到了一個(gè)名為 PyAudio [9] 的 Python 庫(kù)，它允許我生成給定幅度的精確正弦波信號(hào)，然后能夠直接從 Python 腳本 [10 ]。事實(shí)證明，這可以產(chǎn)生非常低的失真信號(hào)，如圖 3 所示。

圖 3：在我的 DMT9000 FFT 分析儀上測(cè)量的 BlasterAmp 設(shè)置為 +/-10V 范圍時(shí)的結(jié)果 [5]?？梢钥吹綕M量程失真產(chǎn)物在滿量程以下 -96 dBc 的 16 位級(jí)別。

然而，在產(chǎn)生任何測(cè)試音時(shí)必須小心。您要么必須為測(cè)試創(chuàng)建一個(gè)連續(xù)且足夠長(zhǎng)的文件，要么必須不斷循環(huán)。循環(huán)時(shí)，只需確保波形的起點(diǎn)和終點(diǎn)準(zhǔn)確對(duì)齊，否則會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)性，從而在循環(huán)點(diǎn)增加失真。

作為使用 Sound Blaster 加密狗生成精確音調(diào)的最后一點(diǎn)，請(qǐng)務(wù)必關(guān)閉正在播放聲音生成的 PC 上的所有音頻均衡器或控制程序，以確保沒(méi)有不可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題。

下次

在下一篇文章中，我將展示使用 BlasterAmp 測(cè)量一些實(shí)際 ADC 和測(cè)試組件的失真的技術(shù)。

Python 腳本的完整源代碼和 BlasterAmp 的完整原理圖可以在 Github 上找到。

審核編輯 黃昊宇