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基于声卡的多功能测试系统
刘高
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基于声卡的多功能测试系统
几乎每台电脑或掌上电脑都有一个内置声卡。声卡通常被用来作为音频输入输出设备，用于记录、合成和回放语言、音乐和歌曲。然而，声卡其实可以做得更多。从测控的角度来看，声卡是一个具有双通道模数转换（ADC）和双通道数模转换（DAC）的信号采集和输出设备。它在音频范围内具有平滑的频率响应，采样频率通常为44.1kHz和48kHz，最大可达192kHz，采样位数通常为16bit，最大可达24bit。由于声卡内部都带有增益控制（例如：话筒音量控制、话筒提升控制、线路输入音量控制），即使在不外加信号放大或衰减电路的情况下，它也可以测量从1微伏到1伏左右的信号。声卡支持以连续数据流模式工作，因此可完全利用电脑自身的内存（从数百MB到数GB）或电脑的硬盘（从数十GB到数百GB）来进行数据的不间断存储。与普通的独立式数字存储示波器相比，基于电脑声卡的测试系统的存储深度极大。今日个人电脑的运算速度和存储能力已远非二十年前的286中央处理器、1MB内存、10MB硬盘空间可比，可实时进行包括频谱分析所需要的快速傅里叶变换（FFT）等在内的复杂运算，这使得以前需要采用的极其昂贵的独立式传统仪器才能实现的功能，可通过电脑虚拟仪器软件以极低的成本来实现，而且维护方便，可不断升级。
测量精度由声卡的质量决定。通常是外置声卡最好，其次是内置独立声卡，最后是板载声卡。专业级声卡优于消费级声卡。一块专业级声卡的总谐波失真+噪声（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，带宽可达1Hz～96kHz，因此能几乎完美地测量音频甚至略微超过音频范围的信号。从价格上讲，即使是专业级声卡，其价格也远低于同类的专业ADC或DAC卡。声卡的时基精度通常为0.00x%，即：几十ppm。例如，一个时基精度为0.002%的声卡，在采样频率为48kHz时，其误差仅为0.96Hz。
那么，声卡适合测量什么呢？它可以近乎完美地测量任何在音频范围内的信号，例如：声音、振动、心肺音、脑电、心电、地震波，电源谐波等，根据所用传感器的不同而不同，当然还要看所采用的软件所提供的功能。目前市面上基于声卡的虚拟仪器软件有不少，从免费的到售价上万元人民币的都有。部分付费软件也提供了免费下载，以让用户试用其部分或全部功能。配上这类软件，无需添加任何ADC和DAC硬件，即可将一台电脑或掌上电脑变成一台集示波器、频谱分析仪、信号发生器、频率计、声压计等多种功能于一体的测试仪器。
一、基于声卡的测试系统的基本架构
图1为基于声卡的测试系统的基本架构图，可分为四层。最底层为传感器和执行器层，其上为数据采集和数据输出硬件层，再上面为驱动程序层，最上面为虚拟仪器软件层。
1、传感器和执行器层
任何在音频范围内甚至略微超过音频范围的物理信号，都可以通过相应的传感器转变为电信号，然后通过声卡的话筒输入或线路输入送到声卡内，进行测试和分析。根据传感器输出信号的强弱、输出阻抗的高低以及声卡的增益和输入阻抗的高低来决定是否需要在传感器与声卡之间插入前置放大器。与普通数据采集卡不同的是，声卡自身已带有前置放大器，能直接接受比较微弱的信号，例如来自话筒的信号。有些声卡还能为需要+15~+48幻象电源的专业话筒提供电源。执行器用于将声卡线路输出口或扬声器输出口送出的电信号，直接或在经过驱动器后转变为物理量，例如扬声器、耳机等。传感器和执行器层也可以是直接对电信号进行输入输出的示波器探头或测试导线。
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