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。聲卡通常被用來作為音頻輸入輸出設(shè)備，用于記錄、合成和回放語言、音樂和歌曲。然而，聲卡其實(shí)可以做得更多。從測(cè)控的角度來看，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（從數(shù)十GB到數(shù)百GB）來進(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，可通過電腦虛擬儀器軟件以極低的成本來實(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。專業(yè)級(jí)聲卡優(yōu)于消費(fèi)級(jí)聲卡。一塊專業(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音頻范圍的信號(hào)。從價(jià)格上講，即使是專業(yè)級(jí)聲卡，其價(jià)格也遠(yuǎn)低于同類的專業(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。配上這類軟件，無需添加任何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)甚至略微超過音頻范圍的物理信號(hào)，都可以通過相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后通過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)，例如來自話筒的信號(hào)。有些聲卡還能為需要+15~+48幻象電源的專業(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)過驅(qū)動(dòng)器后轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砹?，例如揚(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。