基于聲卡的多功能測(cè)試系統(tǒng)

基于聲卡的多功能測(cè)試系統(tǒng)
幾乎每臺(tái)電腦或掌上電腦都有一個(gè)內(nèi)置聲卡。聲卡通常被用來(lái)作為音頻輸入輸出設(shè)備，用于記錄、合成和回放語(yǔ)言、音樂(lè)和歌曲。然而，聲卡其實(shí)可以做得更多。從測(cè)控的角度來(lái)看，聲卡是一個(gè)具有雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）和雙通道數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）的信號(hào)采集和輸出設(shè)備。它在音頻范圍內(nèi)具有平滑的頻率響應(yīng)，采樣頻率通常為44.1kHz和48kHz，最大可達(dá)192kHz，采樣位數(shù)通常為16bit，最大可達(dá)24bit。由于聲卡內(nèi)部都帶有增益控制（例如：話筒音量控制、話筒提升控制、線路輸入音量控制），即使在不外加信號(hào)放大或衰減電路的情況下，它也可以測(cè)量從1微伏到1伏左右的信號(hào)。聲卡支持以連續(xù)數(shù)據(jù)流模式工作，因此可完全利用電腦自身的內(nèi)存（從數(shù)百M(fèi)B到數(shù)GB）或電腦的硬盤(pán)（從數(shù)十GB到數(shù)百GB）來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的不間斷存儲(chǔ)。與普通的獨(dú)立式數(shù)字存儲(chǔ)示波器相比，基于電腦聲卡的測(cè)試系統(tǒng)的存儲(chǔ)深度極大。今日個(gè)人電腦的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)能力已遠(yuǎn)非二十年前的286中央處理器、1MB內(nèi)存、10MB硬盤(pán)空間可比，可實(shí)時(shí)進(jìn)行包括頻譜分析所需要的快速傅里葉變換（FFT）等在內(nèi)的復(fù)雜運(yùn)算，這使得以前需要采用的極其昂貴的獨(dú)立式傳統(tǒng)儀器才能實(shí)現(xiàn)的功能，可通過(guò)電腦虛擬儀器軟件以極低的成本來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且維護(hù)方便，可不斷升級(jí)。

測(cè)量精度由聲卡的質(zhì)量決定。通常是外置聲卡最好，其次是內(nèi)置獨(dú)立聲卡，最后是板載聲卡。專(zhuān)業(yè)級(jí)聲卡優(yōu)于消費(fèi)級(jí)聲卡。一塊專(zhuān)業(yè)級(jí)聲卡的總諧波失真+噪聲（Total　Harmonic　Distortion　　plus　Noise，THD+N）可小于0.001%(－100dB)，信噪比（Signal－to－Noise　Ratio，SNR）可大于110dB，帶寬可達(dá)1Hz～96kHz，因此能幾乎完美地測(cè)量音頻甚至略微超過(guò)音頻范圍的信號(hào)。從價(jià)格上講，即使是專(zhuān)業(yè)級(jí)聲卡，其價(jià)格也遠(yuǎn)低于同類(lèi)的專(zhuān)業(yè)ADC或DAC卡。聲卡的時(shí)基精度通常為0.00x%，即：幾十ppm。例如，一個(gè)時(shí)基精度為0.002%的聲卡，在采樣頻率為48kHz時(shí)，其誤差僅為0.96Hz。

那么，聲卡適合測(cè)量什么呢？它可以近乎完美地測(cè)量任何在音頻范圍內(nèi)的信號(hào)，例如：聲音、振動(dòng)、心肺音、腦電、心電、地震波，電源諧波等，根據(jù)所用傳感器的不同而不同，當(dāng)然還要看所采用的軟件所提供的功能。目前市面上基于聲卡的虛擬儀器軟件有不少，從免費(fèi)的到售價(jià)上萬(wàn)元人民幣的都有。部分付費(fèi)軟件也提供了免費(fèi)下載，以讓用戶試用其部分或全部功能。配上這類(lèi)軟件，無(wú)需添加任何ADC和DAC硬件，即可將一臺(tái)電腦或掌上電腦變成一臺(tái)集示波器、頻譜分析儀、信號(hào)發(fā)生器、頻率計(jì)、聲壓計(jì)等多種功能于一體的測(cè)試儀器。

一、基于聲卡的測(cè)試系統(tǒng)的基本架構(gòu)

圖1為基于聲卡的測(cè)試系統(tǒng)的基本架構(gòu)圖，可分為四層。最底層為傳感器和執(zhí)行器層，其上為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出硬件層，再上面為驅(qū)動(dòng)程序?qū)?，最上面為虛擬儀器軟件層。

1、傳感器和執(zhí)行器層

任何在音頻范圍內(nèi)甚至略微超過(guò)音頻范圍的物理信號(hào)，都可以通過(guò)相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后通過(guò)聲卡的話筒輸入或線路輸入送到聲卡內(nèi)，進(jìn)行測(cè)試和分析。根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱、輸出阻抗的高低以及聲卡的增益和輸入阻抗的高低來(lái)決定是否需要在傳感器與聲卡之間插入前置放大器。與普通數(shù)據(jù)采集卡不同的是，聲卡自身已帶有前置放大器，能直接接受比較微弱的信號(hào)，例如來(lái)自話筒的信號(hào)。有些聲卡還能為需要+15~+48幻象電源的專(zhuān)業(yè)話筒提供電源。執(zhí)行器用于將聲卡線路輸出口或揚(yáng)聲器輸出口送出的電信號(hào)，直接或在經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器后轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砹浚鐡P(yáng)聲器、耳機(jī)等。傳感器和執(zhí)行器層也可以是直接對(duì)電信號(hào)進(jìn)行輸入輸出的示波器探頭或測(cè)試導(dǎo)線。