Появление недорогих стандартизированных 16- и 24-битных аудиоустройств ввода-вывода для персональных компьютеров вдохновило на создание приложений, имитирующих осциллографы. Многие из этих «Осциллографов на звуковых картах» вполне функциональны, обеспечивая масштабирование входного сигнала, управление параметрами запуска и временной развертки, частотный анализ, хранение файлов данных и поддержку встроенных генераторов сигналов.
Но даже самые лучшие программные средства не могут преодолеть основные ограничения «железа», которое, в конце концов, было специально оптимизировано для записи и воспроизведения звука, будучи при этом максимально дешевым.
К числу таких ограничений относятся:
- Слишком низкое входное сопротивление, обычно не превышающее 10–30 кОм, что может привести к чрезмерной нагрузке на источник сигнала.
- Диапазон входных сигналов, ограниченный уровнем порядка 5 В пик-пик, с вероятностью повреждения (возможно, даже подключенного компьютера) в случае значительного превышения, этого уровня.
- Ограничения полосы пропускания: сверху – значением примерно 20 кГц, снизу – 10 Гц, 20 Гц или даже 100 Гц.
В ответ на это в литературе появилось множество описаний аппаратных средств. Предложены схемы входных буферов и управляемых аттенюаторов, улучшающие входное сопротивление и расширяющие диапазон измеряемых сигналов, а оригинальная конструкция, основанная на УВХ AD583 [1], подняла верхний предел полосы пропускания (для повторяющихся сигналов) до 50 МГц!
Описанная здесь входная цепь для осциллографа на основе звуковой карты немного отличается от других. Схема на Рисунке 1 сочетает в себе мегаомное входное сопротивление со ступенчатым аттенюатором x1-x10-x100, но, кроме того, дополнительно расширяет нижний предел полосы пропускания звуковой карты более чем в 10 раз. Для двухканальных осциллографов (стерео звуковая карта) схема просто дублируется.
 | |
| Рисунок 1. | Входная цепь осциллографа на основе звуковой карты. |
Входная цепь начинается с аттенюатора на резисторной цепочке, коммутируемой переключателем S1. С помощью простого трехпозиционного переключателя ВКЛ-ВЫКЛ-ВКЛ она обеспечивает минимальный входной импеданс 1 МОм и трехступенчатое декадное ослабление без использования резисторов сопротивлением выше 2 МОм (точка, с которой прецизионные резисторы становиться дорогими).
Неинвертирующий буферный усилитель 9051 сдвигает уровень входного сигнала к середине напряжения питания и обеспечивает регулируемую низкочастотную коррекцию цепью обратной связи C1(R1+R2). (Для конкретной используемой звуковой карты требуется лишь однократная калибровка). Вот как это работает.
Практически все кодеки звуковых карт имеют входы, связанные по переменному току, и даже, несмотря на то, что номинальная частота среза, определяемая постоянной времени входной разделительной RC цепи кодека может составлять всего 10 Гц (как в случае с кодеком, используемым для записи сигнала, отображаемого зеленой кривой на Рисунке 2), возникающее в результате искажение (спад вершины) типичного представляющего интерес сигнала (например, последовательности прямоугольных импульсов частотой 20 Гц, обозначенной красным цветом на Рисунке 2), может быть чрезмерным и неприемлемым.
 | |
| Рисунок 2. | Отклик схемы без низкочастотной коррекции характеристики кодека (зеленая осциллограмма) по сравнению со скорректированным откликом (красная осциллограмма). |
Решение проблемы состоит в подборе такого значения (R1 + R2), чтобы постоянная времени цепи обратной связи равнялась постоянной времени входа кодека и компенсировала ее; в данном примере это 22 мс. Типичное улучшение при такой однократной калибровке видно из красной кривой на Рисунке 2, что обеспечивает количественно точное воспроизведение исходной формы сигнала и всех аналогичных входных сигналов. Компенсация не совсем идеальна, поскольку в конечном итоге 9051 выйдет за пределы запаса по фазе, а также потому, что фильтрация верхних частот в кодеке иногда выполняется более сложными цепями, чем простой однополюсный RC фильтр. Тем не менее, как показывает Рисунок 2, улучшение является значительным и полезным.
Конечно, по мере того, как мы добавляем бесконечные усовершенствования к тому, что начиналось как общедоступная, простая, дешевая и веселая звуковая карта, в конечном итоге должен наступить момент, когда позолоты на лилии станет чрезмерно много, и ее экономическая эффективность будет потеряна. Надеюсь, предложенная схема не переступит эту черту.