Входная цепь осциллографа на основе звуковой карты

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:

  1. Слишком низкое входное сопротивление, обычно не превышающее 10–30 кОм, что может привести к чрезмерной нагрузке на источник сигнала.
  2. Диапазон входных сигналов, ограниченный уровнем порядка 5 В пик-пик, с вероятностью повреждения (возможно, даже подключенного компьютера) в случае значительного превышения, этого уровня.
  3. 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.

Входная цепь осциллографа на основе звуковой карты.
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.

Отклик схемы без низкочастотной коррекции характеристики кодека (зеленая осциллограмма) по сравнению со скорректированным откликом (красная осциллограмма).
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.

  1. Datasheet Texas Instruments TLV9051

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 62
сейчас смотрят 5
представлено поставщиков 1569
загружено
позиций
25 067 862