幾年前，我需要一個(gè)快速、低頻但失真極低的源來測試板載微控制器 ADC，看它是否具有數(shù)據(jù)表中所說的有效位數(shù) (ENOB) 和線性度。
    我知道 Linear Technology [1] 的失真度非常低，但設(shè)計(jì)有些復(fù)雜，但對(duì)于我的即時(shí)需求來說，這似乎有點(diǎn)過分了。因此，我基于 Hein van den Heuvel [2] 的電路構(gòu)建了一個(gè)經(jīng)典的三運(yùn)算放大器狀態(tài)可變振蕩器，帶有一個(gè)小麥粒燈泡作為振幅穩(wěn)定電路。
    經(jīng)過一天擺弄電路中運(yùn)算放大器各級(jí)的負(fù)載后，我設(shè)法將諧波失真產(chǎn)物降低到 -95 dBc 水平以下，這足以滿足我的即時(shí)需求。
    雖然可以構(gòu)建分立振蕩器電路，但它很繁瑣。存在溫度問題，例如振幅漂移、頻率漂移、啟動(dòng)和穩(wěn)定時(shí)間等。同樣，我認(rèn)為將來有一個(gè)具有 2.5 到 +/-10 伏的多個(gè)輸出的快速設(shè)置振蕩器，這樣我可以以 16 位精度快速測量任何 ADC。
    模擬方法絕不是一種快速設(shè)置，這讓我開始思考音頻分析儀如何實(shí)現(xiàn)它們的源。我認(rèn)為，他們必須構(gòu)建精密的分立式 DDS，或者使用其中一種高分辨率 I2S 音頻 DAC。
    然后我瀏覽了 TI 應(yīng)用說明，了解他們對(duì)超低失真測試振蕩器的看法，果然，它使用了他們的 Burr-Brown I2S 之一，音頻 DAC 后跟一些高性能低通濾波器 [3]。
    我買了幾個(gè) I2S DAC 并將它們連接到我的一個(gè)微控制器演示板上，大約一天后 I2S 開始運(yùn)行，并且有一些不錯(cuò)的信號(hào)從設(shè)置中跑出來。I2S 的妙處在于它可以連接到處理器的 DMA 上，使 99% 的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)處理器透明。處理器所要做的就是每隔一段時(shí)間保持 DMA 管道充滿。
    這是學(xué)習(xí)經(jīng)歷，在經(jīng)濟(jì)上沒有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)?TI 以低于 300 美元的價(jià)格出售他們的電路，但是，沒有已發(fā)布的 API 可用于從您自己的測試程序控制他們的解決方案。
    然后我想，“USB 聲卡加密狗怎么樣？它們一定很不錯(cuò)而且很便宜。”
    快速搜索顯示，Creative Labs 確實(shí)制造了一種成本非常低但性能很高的 16/24 位 USB 加密狗，令人印象深刻的名稱是“Creative Labs Sound Blaster Play！3.” 這款不到 20.00 美元的設(shè)備甚至具有 24 位/96-kHz 數(shù)據(jù)速率 [4]。我相信 Creative Labs 不會(huì)制造垃圾，所以我買了一個(gè)試試。
    使用我的 18 位 FFT 分析儀 [5] 進(jìn)行的初步測試表明，筆記本電腦不僅“聽起來”更適合我的耳朵，而且其性能確實(shí)達(dá)到了 16 位失真水平，并且本底噪聲非常干凈。
    這種方法確實(shí)是我的通用 ADC 測試臺(tái)的“快速設(shè)置”解決方案，因?yàn)樗熊浖伎梢栽谖业膶?shí)驗(yàn)室 PC?? 上運(yùn)行；現(xiàn)在我將擁有一個(gè)“可控”的源、頻率和幅度明智的，并且它正在我的 PC 上運(yùn)行，因此我可以擁有獨(dú)立的應(yīng)用程序，甚至可以構(gòu)建 API 以在以后需要時(shí)包含到自動(dòng)測試套件中。
    很多工作就在那里解決了，通過使用外部聲卡，的振幅和已知質(zhì)量可以在任何測試臺(tái)之間轉(zhuǎn)移，因?yàn)槲业臏y試筆記本電腦內(nèi)部聲卡在輸出振幅和真實(shí)音質(zhì)上各處都不同.
    使用筆記本電腦作為測試控制器的另一個(gè)好處是，您可以拔出電源適配器并使用電池運(yùn)行，從而消除了很多接地環(huán)路問題，這些問題在您嘗試快速移動(dòng)并完成工作時(shí)總是會(huì)出現(xiàn)。
    進(jìn)入 BlasterAmp
    現(xiàn)在需要的所有項(xiàng)目是 Sound Blaster dongle 的模擬接口板，以獲得我的“通用”測試設(shè)置所需的輸出。
    我測量了 Sound Blaster 音頻輸出到指定的 300 歐姆耳機(jī)負(fù)載和一些測試音調(diào)，以及全量程輸出我測量了一致的 0.37 伏峰值，與我使用的 PC 或操作系統(tǒng)無關(guān)。

    列出了常用的 ADC 輸入范圍（表 1）。我認(rèn)為如果我涵蓋常見的 ADC 輸入范圍，則可以通過使用音量控制調(diào)整幅度來測量介于兩者之間的任何內(nèi)容，這終會(huì)降低可實(shí)現(xiàn)的信噪比 (SNR)，但 Sound Blaster 的 SNR 綽綽有余對(duì)于我要測量的應(yīng)用程序。

    表 1：這些范圍幾乎涵蓋了我在過去 10 年中遇到的所有 ADC 輸入。該表用作確定放大器在 Sound Blaster dongle 輸出端所需的增益和偏移量的基礎(chǔ)。
    3.3 伏的峰值范圍是一個(gè)奇怪的東西，但仍然出現(xiàn)在較低分辨率的基本設(shè)計(jì)中，無論如何大多數(shù)都是 10 位或 12 位 ADC，因此決定只使用音量控制和 0-5 伏范圍這些應(yīng)用中，信噪比損失很小。

    然后，我設(shè)計(jì)了我稱之為“BlasterAmp”的東西，它具有所需的增益和偏移，能夠轉(zhuǎn)換 0.37 伏峰值，即 Sound Blaster Dongle 的滿量程輸出，以匹配表 2。

    表 2：BlasterAmp 旨在覆蓋表 1 中的常見電壓，僅具有 4 個(gè)增益步長和 3 個(gè)偏移設(shè)置。單極性范圍需要使用三個(gè)偏移電壓。

    關(guān)于單極范圍需要注意的一件事：它們現(xiàn)在總是“軌到軌”，而當(dāng)我們說“軌到軌”時(shí)，幾乎總是與“軌”有一些偏移。這將對(duì)任何 ADC/緩沖器測試造成嚴(yán)重破壞，因?yàn)槿绻败墶辈煌耆幱诹慊驖M刻度，則 ADC 將削波，這將導(dǎo)致嚴(yán)重失真，從而阻止進(jìn)行任何有意義的測量。此外，有時(shí) ADC 參考電壓為 2.048 或 4.096 伏，而不是 2.5 和 5 伏。為了解決這些情況，我使用了的 25 圈微調(diào)電位器，以便在需要時(shí)對(duì)增益和偏移進(jìn)行微調(diào)。微調(diào)電位器還允許 Sound Blaster dongle、電阻容差和運(yùn)算放大器偏移電壓存在任何細(xì)微差異。

    圖 1 顯示了完成的 BlasterAmp 的一個(gè)通道。短接跳線用于允許根據(jù)需要更改偏移和增益，以適應(yīng)各種所需的輸出范圍。
    圖 1：立體聲 BlasterAmp 的一個(gè)通道。增益和偏移范圍通過可移動(dòng)跳線設(shè)置，然后借助的 25 圈微調(diào)電位器進(jìn)行微調(diào)。U101 周圍的電阻網(wǎng)絡(luò)是一個(gè) 1 k 歐姆的匹配網(wǎng)絡(luò)，來自 Vishay (OSOPTC1001AT0)。所有其他電阻器均為 0.1%、0805 尺寸，以限度地減少電阻器發(fā)熱和隨后的失真。C100 和 C101 必須是薄膜或 COG 陶瓷類型以消除失真。
    對(duì)于放大器，我使用了久經(jīng)考驗(yàn)的 Burr-Brown OPA1611，這是一款超低失真音頻運(yùn)算放大器，它們的性能符合數(shù)據(jù)表，可以說非常出色。
    對(duì)于偏移參考電壓，我使用了 TI REF5050，這是一款精密的 5 伏參考電壓。
    由于預(yù)計(jì)該電路將在我的工作臺(tái)上用于測試設(shè)置，我將其設(shè)計(jì)為由 +/-15 伏電源軌供電，并使用了另一個(gè)久經(jīng)考驗(yàn)的組件，即我保留的 HP6234A 雙線性電源在這種情況下坐在我的長凳上。使用像 HP6234A 這樣的線性電源非常有用，因?yàn)樗哂械驮肼?、?IO 電容設(shè)計(jì)，而且它不會(huì)從開關(guān)電源到處噴出共模電流。如果我必須使用切換器為設(shè)計(jì)供電，我會(huì)在電路中使用一些線性、低壓降穩(wěn)壓器和強(qiáng)大的共模扼流圈，以盡我所能將開關(guān)噪聲遠(yuǎn)離電路板。值得信賴的 HP6234A 消除了所有這些問題。

    我將終的雙通道 BlasterAmp PCB 放置在一個(gè)小型 Hammond 外殼 [6] 中，我沒有蓋上蓋子，因?yàn)檫@樣可以輕松更換各種跳線和調(diào)整電位器（圖 2 ).

    圖 2：完成的 BlasterAmp。我將 PCB 安裝在擠壓外殼中以提供保護(hù)。來自聲卡的音頻是 PCB 右上角的黑色電纜。我的 HP6234A 線性臺(tái)式電源通過 PCB 右中部的電線連接器供電。完整的設(shè)計(jì)可用，請(qǐng)參閱參考資料 10。
    通用格言：硬件需要軟件
    使用 Sound Blaster dongle 無疑大大簡化了設(shè)計(jì)并節(jié)省了開發(fā)時(shí)間，但我仍然需要一種方法來將高動(dòng)態(tài)范圍測試信號(hào)播放到 Sound Blaster 中。我嘗試了大約一打音頻測試音軟件解決方案，其中大部分都只有 60 dBc 的失真級(jí)別或更低，這對(duì)于聽力測試來說還不錯(cuò)，但對(duì)我的應(yīng)用程序來說不太好，我需要將失真降低到 16 -位級(jí)別。
    互聯(lián)網(wǎng)上有幾個(gè)發(fā)燒友網(wǎng)站提供非常低失真的測試文件 [7]。對(duì)于播放，您需要一個(gè) WAV 或 MP3 文件播放器，它在循環(huán)時(shí)死區(qū)時(shí)間為零。我發(fā)現(xiàn)名字愚蠢的程序“foobar2000”是一個(gè)很好的選擇 [8]。我初在旅行時(shí)使用該程序在我的筆記本電腦上播放白噪聲以在嘗試睡覺時(shí)淹沒無關(guān)的聲音，并且在循環(huán)播放白噪聲文件時(shí)也不能有任何咔噠聲或爆裂聲，否則您會(huì)立即醒來. foob??ar2000 程序非常適合 BlasterAmp 和睡眠。
    這些預(yù)制測試文件具有固定頻率，但可以根據(jù)需要通過 BlasterAmp 微調(diào)電位器或 PC 的音量控制對(duì)振幅進(jìn)行微調(diào)。

    至于能夠以編程方式設(shè)置頻率和音量，我找到了一個(gè)名為 PyAudio [9] 的 Python 庫，它允許我生成給定幅度的正弦波信號(hào)，然后能夠直接從 Python 腳本 [10] 播放它]. 事實(shí)證明，這會(huì)產(chǎn)生非常低的失真信號(hào)，如圖 3 所示。

    圖 3：在我的 DMT9000 FFT 分析儀 [5] 上測得的 BlasterAmp 設(shè)置為 +/-10V 范圍時(shí)的結(jié)果。可以看到滿量程失真產(chǎn)物處于低于滿量程的 -96 dBc 的 16 位級(jí)別。
    然而，在生成任何測試音時(shí)必須小心。您要么必須制作一個(gè)連續(xù)且足夠長的文件來進(jìn)行測試，要么必須連續(xù)循環(huán)。循環(huán)時(shí)，只需確保波形的起點(diǎn)和終點(diǎn)完全對(duì)齊，否則會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)性，從而在循環(huán)點(diǎn)處增加失真。
    作為使用 Sound Blaster 加密狗進(jìn)行音調(diào)生成的一點(diǎn)注意事項(xiàng)，請(qǐng)務(wù)必關(guān)閉正在播放聲音生成的 PC 上的所有音頻均衡器或控制程序，以確保不會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)見的問題。