Второе амплуа звуковой платы
АрхивНа основе недорогой звуковой карты можно создать профессиональную систему сбора и обработки данных, которой по плечу многие задачи прямых измерений и контроля. Известны "перевоплощения" в двухканальный осциллограф, анализатор спектра, генератор сигналов. Этим списком новые применения звуковой платы не исчерпываются, она может использоваться, скажем, и для определения передаточных функций разнообразных устройств. Получаемые решения дешевле традиционных на порядок, не уступая им в качестве, что привлекательно для профессионалов, работающих в промышленности и научно-исследовательских организациях, в системе образования - для обучения школьников и студентов основам теории сигналов и методов их обработки, а также для любителей, неравнодушных к радиотехническому творчеству.
За последние десять лет цены на звуковые платы снизились чуть ли не в двадцать раз. В то же время платы сбора данных среднего класса (12 бит АЦП/ЦАП, время преобразования АЦП 15-20 мкс, рис. 1) не стали дешевле. Если читателю интересно узнать, как собрать прикладную измерительную систему с использованием звуковой карты PC, то некоторые соображения человека, имеющего опыт в этом, могут быть полезными.
Рис. 1.
Типовая структура платы сбора данных.
Сразу оговорим основные ограничения. Звуковая плата способна регистрировать и формировать сигналы только переменного тока от нескольких герц до примерно 20 кГц с 16-разрядной разрешающей способностью по двум каналам одновременно [1].
Второе препятствие - переходный процесс в сигма-дельта-преобразователях АЦП при переключении сигналов на его входе. Он длится некоторое количество периодов дискретизации из-за самого принципа действия таких АЦП.
Третий минус - не все звуковые карты поддерживают одновременную работу АЦП и ЦАП в режиме DMA (Full Duplex). Однако большинство способно работать в режиме программируемого ввода-вывода (PIO Mode), а в нем можно обеспечить одновременное считывание данных из АЦП и запись данных в ЦАП. Этот подход потребует разработки собственного программного обеспечения (ПО) для поддержки аппаратной части. Впрочем, для DOS разработка ПО не особенно сложна, по силам многим и к тому же обеспечит более высокую точность. С помощью собственных программ можно более полно реализовать особенности конкретного кодека, не представленные в унифицированном драйвере.
И плюсы
Звуковые платы с сигма-дельта-кодеками, не имеющими проблем, связанных с эффектом наложения частот [2], могут стать даже более выгодным решением, чем распространенные типы специальных плат для сбора данных на диапазон частот до 20 кГц/канал, особенно в задачах определения спектра сигналов. Такие платы сбора данных, называемые также платами АЦП/ЦАП или ввода-вывода аналоговых сигналов, имеют следующую типовую структуру в наиболее расширенном варианте (рис. 1).
Для АЦП последовательного приближения, а это наиболее распространенный тип АЦП, необходимо запоминание входного сигнала на время преобразования. С этой целью используется устройство выборки и хранения (УВХ, Sample-and-Hold, Track-and-Hold), которое может быть внешним или встроенным в АЦП (в настоящее время наиболее распространен последний вариант). В противном случае плата способна обрабатывать только постоянные или медленно меняющиеся сигналы.
В каталогах часто не указывается отсутствие/наличие УВХ! Особенно внимательно нужно относиться к недорогим платам ранних разработок, когда АЦП со встроенным УВХ не были широко распространены. Опишем пару известных плат сбора данных.
Платы такой структуры не имеют нормализующего фильтра, и потребитель должен сам следить за возможностью возникновения эффекта наложения частот при работе с широкополосными входными сигналами.
Существует тип плат сбора данных, часто называемых динамическими анализаторами, в которых решены проблемы с эффектом наложения частот. Такие платы по структуре похожи на звуковые и наиболее распространены на диапазон частот от 0 до 20 кГц. Характеристики плат этого класса выше звуковых и, что особенно важно, подробно объявляются и гарантируются. Пример такой платы - A2150C фирмы National Instruments. Она имеет четыре одновременно работающих канала 16-разрядных сигма-дельта-АЦП с общей для всех каналов частотой дискретизации от 4 до 51,2 кГц. ЦАП отсутствует. Динамический диапазон DR (Dynamic Range) или отношение сигнал/шум SNR (Signal-to-Noise Ratio) - 93 дБ [3]. Гармонические искажения THD (Total Harmonic Distortion) составляют 95 дБ (0,0018%). Неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) - не более +/- 0,025 дБ. Стоимость в Москве 2332 доллара.
Варианты применения
Для определения передаточных функций систем один канал регистрирует входное воздействие (непосредственно или через датчик), а второй канал - выходное воздействие (непосредственно или через другой датчик).
Благодаря общему источнику опорного напряжения и высокой идентичности обоих каналов в такой измерительной схеме ослабляются погрешности. Разрешающая способность в 16 разрядов обеспечивает высокий динамический диапазон. Иногда в качестве входного воздействия можно воспользоваться ЦАП звуковой платы, что повысит точность результатов измерений.
Звуковую плату можно использовать в задачах, связанных с выделением малых сигналов известной частоты при наличии больших шумов и помех. Традиционно здесь используются методы синхронного детектирования. С ростом производительности современных PC стало перспективным применение более строгих стандартных корреляционных методов, реализованных во многих прикладных пакетах.
Звуковая плата подходит для исследования механических колебаний, например при проведении виброиспытаний. Однако ограничением для имитации реальных вибраций может оказаться нижняя граничная частота типовой звуковой платы около 20 Гц [4].
Как соединить звуковую плату с внешними схемами
Исходят из того, что разрядность АЦП/ЦАП распространяется на полный размах входного/выходного сигнала. Идеальная характеристика преобразования 16-разрядного АЦП равна:
N = 32767ћk1ћuвх/Uоп.
Выходное напряжение 16-разрядного ЦАП равно
uвых = k2ћUопћN/32767,
где
N - входной/выходной код АЦП/ЦАП со знаком,
Uоп - величина опорного напряжения и
k1, k2 - коэффициенты передачи, зависящие от типа кодека.
Питание аналоговой части кодеков обычно равно +5 В (стандарт AC '97 допускает питание аналоговой части +3,3 В), и поэтому рабочая точка сдвинута на величину Uоп. Для +5 В кодеков значения Uоп около 2,0-2,5 В.
Возможно наличие деления/усиления сигналов по входам или выходам звуковой платы. Поэтому значение единицы младшего разряда определяется из амплитуды входного/выходного напряжения и, если максимальное действующее значение такого напряжения указано или измерено как 1 В, то для 16-разрядного кодека единица младшего разряда равна (Ц2Ч1 В)/32767=43,2 мкВ при усилении/аттенюации 0 дБ.
Для входных сигналов звуковой платы необходим контроль их максимальных значений. Если размах сигнала на входе кодека превысит его напряжение питания, то вероятно возбуждение микросхемы. Часто только аппаратный сброс помогает вывести ее из этого состояния. Неприятностей можно избежать, питая оконечные схемы (с которых подается сигнал на звуковую плату) напряжением такой же величины, как у кодека, или применять диодные ограничители.
В кодеках звуковых плат на входе каждого АЦП расположен усилитель с программируемым коэффициентом усиления. Его параметры сильно зависят от типа кодека. Одним из распространенных вариантов является усилитель с коэффициентом усиления 0-20 дБ и шагом установки около 1,5 дБ. Разброс коэффициентов усиления может достигать 10-15%. Предпочтительнее усиливать сигнал до входа установленной в корпус компьютера платы, что также снижает влияние системных шумов. Эти замечания касаются и микрофонного входа, сигнал с которого усиливается или/и на плате или/и в кодеке.
Программное обеспечение
Автор использовал несколько пакетов: серию Spectra фирмы Sound Technology (www.soundtechnology.com) - рис. 2, серию HSVI виртуальных инструментов фирмы Hyperception (www.hyperception.com), а также SystemView фирмы Elanix (www.elanix.com) - рис. 3.
Рис. 2.
Рис. 3.
Программа SystemView фирмы Elanix являет собой развитую систему разработки алгоритмов линейных и нелинейных систем и оценки их поведения и, вообще говоря, к звуковым платам особого отношения не имеет. Она просто допускает использование WAV-файла в качестве одного из вариантов задания входных и получения выходных данных. WAV-файл должен быть в 8- или 16-разрядном PCM (Pulse Code Modulation - импульсно-кодовая модуляция), моно- или стереоформате.
Выходной WAV-файл может быть выведен через стандартный для Windows плейер.
Упоминание SystemView в данном контексте вызвано тем, что его использование в качестве мощного программируемого инструмента постобработки позволяет получить законченную комплексную систему обработки данных, охватывающую чрезвычайно широкий спектр применений. Возможность создания собственных программ в SystemView является удачным дополнением к пакетам Spectra с их законченным набором функций типового измерительного прибора, рассчитанных на оперативность получения результатов.
На веб-сервере Elanix имеются 16-разрядная для Windows 3.1 и 32-разрядная для Windows 95/NT демонстрационные версии пакета с главным ограничением, состоящем в запрете функций записи (32-разрядная версия "весит" 15 Мбайт). Полнофункциональные версии требуют аппаратного ключа. Дистрибьютор фирмы в России не известен.
При оценке температурного дрейфа коэффициентов преобразования АЦП и ЦАП можно ориентироваться на величину в 100 ppm/њC (1ppm=10-6), которую фирма Crystal Semiconductor указывает для своих мультимедиа-кодеков.
Значения допустимых частот дискретизации кодека очень сильно зависят от его типа и могут достигать диапазона 4-50 кГц. Чаще всего частота дискретизации является общей для АЦП и ЦАП, реже допустимы разные скорости одновременной работы записи и воспроизведения и еще реже встречается независимая работа левого и правого каналов. Конкретные величины поддерживаемых частот дискретизации звуковой платы определяются используемым драйвером и прикладной программой и могут быть сильно сокращены по сравнению с возможностями кодека.
Снижение нижней граничной частоты звуковой платы
Верхняя граница частотного диапазона АЦП кодеков звуковых плат достигает 0,4-0,45 от установленной частоты дискретизации (при неравномерности АЧХ в этом диапазоне во многих случаях от +/- 0,05 до +/- 0,1 дБ). Эти характеристики стабильны, так как формируются цифровым фильтром кодека. Нижняя граничная частота звуковой платы по линейным входам (около 20 Гц по уровню -3 дБ) определяется емкостью входного разделительного конденсатора и входным сопротивлением последующей схемы, которой обычно является кодек. Типовые значения входного сопротивления последнего находятся в диапазоне 10-40 кОм (хотя бывают и исключения).
Если возникла настоятельная необходимость снизить нижнюю граничную частоту, это можно делать без особого риска повредить плату. Удавалось довести частоту до 1-2 Гц. Для этого необходимо определить расположение на плате входного разделительного конденсатора по нужному линейному входу. Иногда между входным разъемом и этим конденсатором может быть включен резистор в несколько килоом.
Если позволяет конструкция, конденсатор следует заменить или напаять параллельно ему добавочный. Бывает, что конденсатор соединен непосредственно с входным разъемом, тогда его можно закоротить и использовать внешний конденсатор. В случае использования полярного конденсатора его положительный вывод должен подключаться в сторону кодека.
Попытка снизить нижнюю граничную частоту до величины менее 1-2 Гц путем значительного увеличения емкости разделительного конденсатора скорее всего не даст результата, так как здесь начинают сказываться параметры других элементов схемы включения кодека, и может привести к возбуждению АЦП на этих частотах.
Возможно проведение подобных действий и для ЦАП, но это сделать сложнее, так как обычно к выходам кодека подключаются внешние усилители и разделительных конденсаторов может быть больше одного.
Выбор звуковой платы
Характеристики записи/воспроизведения сигналов могли бы служить ориентиром при выборе звуковых карт для применения в системах сбора данных. Но, увы, в документации чаще всего они не приводятся. Удовлетворительным способом их оценки является изучение справочных данных на используемый в том или ином устройстве кодек.
Как это ни парадоксально, чем проще звуковая плата, тем больше она подходит для регистрации и формирования сигналов. В справочных данных на новые звуковые платы или системные платы со звуковой подсистемой могут быть приведены ссылки на совместимость с требованиями стандарта AC '97 (Audio Codec '97). По этой спецификации, последняя редакция 2.1 от 22 мая 1998 года (www.download.intel.com), кодек должен быть выполнен в виде отдельной микросхемы, содержащей минимально возможное количество цифровых узлов и размещенной в небольшом корпусе с 48 (предпочтительнее) или 64 выводами. Это позволит разместить его в максимальном приближении к входным/выходным разъемам и минимизировать уровень шумов.
Выбор платы: подробности
В зависимости от типа платы кодек может быть или отдельной схемой, или интегрирован вместе с другими узлами в одну многофункциональную микросхему. Если в звуковой плате используется микросхемы известных производителей, таких как Analog Devices или Crystal Semiconductor, то подробные справочные данные на кодек легко найти на веб-сайте фирмы. Гораздо сложнее найти такие данные, если производитель звуковой платы использует схемы собственной разработки или заказные, не поставляющиеся отдельно.
Неплохим выбором для задач регистрации и формирования сигналов оказываются платы (в том числе и не самые новые), совместимые с Microsoft Windows Sound System (WSS), с кодеками фирм Analog Devices или Crystal Semiconductor. Эта совместимость распространяется только на кодек. Стандарт WSS непосредственно на уровне регистров поддерживает 16-разрядные стереокодеки Analog Devices AD1848, AD1846 и выпускаемый AD1845, Crystal Semiconductor CS4248, CS4231 и выпускаемый CS4231A, их функциональные аналоги и микросхемы, в которых они являются составной частью многофункциональной микросхемы. Такими многофункциональнами схемами, имеющими характеристики кодека CS4231A c некоторыми расширениями, являются, например, CS4236B, CS4237B, CS4238B и CS4239B (Crystal Semiconductor), которые часто можно встретить и на некоторых типах материнских плат. В частности, в собственной звуковой плате фирмы Microsoft под этим названием (выпускалась в первой половине 90-х годов) использовался кодек AD1848JP. Основные характеристики упомянутых кодеков (кроме AD1846, который выпускался очень недолго) приведены в таблице 1. Кодеки фирм, известных своей репутацией в мире, приведены в табл. 2.
Таблица 1.
Кодек | AD1848K (3) | AD1845 | CS4248/CS4231 | CS4231A | ||||||||
Параметр | min. | typ. | max. | min. | typ. | max. | min. | typ. | max. | min. | typ. | max. |
Верхняя граничная частота/ 0,45 0,4 0,4 0,4 Частота дискретизации | 0.45 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | ||||||||
Неравномерность АЧХ, дБ | +/- 0.1 | +/- 0.1 | +/- 0.1 | +/- 0.1 | ||||||||
ЦП: DR, дБ (4) | 80 | 85 | 80 | 85 | 80 | 85 | ||||||
АЦП: DR, дБ А-взвешенный (4, 5) | 75 | 81 | ||||||||||
АЦП: THD, % | 0.003 | 0.02 | 0.006 | 0.02 | ||||||||
АЦП: THD+N, % (6) | 0.02 | 0.025 | ||||||||||
ЦАП: DR, дБ (3) | 80 | 85 | 80 | 85 | 80 | 85 | ||||||
ЦАП: DR, дБ А-взвешенный (4, 5) | 76 | 82 | ||||||||||
ЦАП: THD, % | 0.01 | 0.02 | 0.01 | 0.02 | ||||||||
ЦАП: THD+N, % (6) | 0.02 | 0.022 | ||||||||||
| Примечания 1 AD1848 и CS4248 - почти полные функциональные аналоги; AD1845, CS4231 и CS4231A - близкие функциональные аналоги, совместимые на уровне регистров сверху вниз с AD1848 и CS4248. Все имеют одинаковое расположение выводов и во многих случаях взаимозаменяемы в печатной плате при соответствующем добавлении, исключении или только изменении значений внешних пассивных элементов схемы включения. 2 Значения частот дискретизации для AD1848, CS4248 и CS4231/A выбираются из достаточно известного ряда 5,5125...48,0 кГц, а для AD1845 они могут быть установлены в диапазоне 4...50 кГц с шагом 1 Гц. 3 Выпускалась первоначальная версия AD1848J с небольшими функциональными отличиями и худшими параметрами. 4 Измеряется при -60 дБ от всей шкалы сигнала. Иногда так измеренный DR называют Instantaneous DR (IDR), чтобы отличить от встречающегося понятия Total DR (TDR). TDR определяется как отношение действующих значений сигнала всей шкалы к минимально достижимому шуму (обычно в отсутствие сигнала) и зависит от установок канала преобразования. Для ЦАП, если не указываются установки, - это полная аттенюация, но без Mute. 5 При измерениях используется фильтр с АЧХ, соответствующий кривой "A" чувствительности уха человека к малым сигналам (с А-взвешиванием). Иногда обозначается как дБ А. 6 Гармонические искажения + шум (Noise). |
Кодек | AD1819A | CS4297-KQ(6) | LM4545 | TLC320AD90 | TLC320AD91 | ||||||||||
Фирма | Analog Devices | Cristal Semiconduction (7) | National Semiconduction (8) | Texas Indtruments | Texas Indtruments | ||||||||||
Параметр | min. | typ. | max. | min. | typ. | max. | min. | typ. | max. | min. | typ. | max. | min. | typ. | max. |
Число разрядов | 16 | 18 | 18 | 16 | 18 | ||||||||||
Частота дискретизации | 0.4 | 0.4 | (3) | 0.4 | 0.4 | ||||||||||
Неравномерность АЧХ, дБ(4) | +/- 0.09 | +/- 0.5 | -(5) | -0.1 | 0.1 | -(5) | |||||||||
АА-взвешенный | 84 | 87 | 85 | 90 | 75 | 90 | 80 | 85 | 75 | 80 | |||||
АЦП: THD, % | 0.02 | -(5) | 0.02 | ||||||||||||
АЦП: THD+N, дБ | -87 | -80 | |||||||||||||
АЦП: THD+N, % | 0.004 | 0.007 | |||||||||||||
ЦА-взвешенный | 85 | 90 | 85 | 90 | 85 | 89 | 83 | 87 | 85 | 90 | |||||
ЦАП: THD, % | 0.02 | 0.01 | 0.03 | 0.01 | 0.02 | 0.01 | |||||||||
ЦАП: THD+N, дБ | -86 | -80 | |||||||||||||
| Примечания 1 Значения параметров, объединенных в одну строку для разных кодеков, взяты из справочных данных на них, в которых не всегда однозначно совпадают условия измерений, или они не полностью указаны. См. также примечания к табл. 1. 2 AD1819A допускает установку частоты дискретизации в диапазоне 7...48 кГц с шагом 1 Гц раздельно по левому и правому каналам, остальные кодеки имеют фиксированное значение частоты дискретизации 48 кГц. 3 Для LM4545 верхняя граничная частота по каналу АЦП составляет 20 кГц, а по каналу ЦАП - 21 кГц на уровне -1 дБ. 4 Для TLC320AD90 по каналу ЦАП минимальное значение неравномерности АЧХ составляет -0,5 дБ. 5 Отсутствие значения параметра в справочных данных предположительно означает его соответствие спецификации AC '97. 6 Имеется версия CS4297-JQ с худшими параметрами. 7 (www.national.com). 8. (www.ti.com). По стандарту AC '97 звуковая подсистема должна выполняться из двух микросхем, и обмен данными со второй микросхемой цифровой кодек производит в последовательном коде (приведенные в табл. 1 схемы имеют 8-разрядный интерфейс, ориентированный на шину ISA). В соответствии со спецификацией AC '97 кодек должен обладать следующими характеристиками: Проверка звуковой платы В любом случае - известны предполагаемые технические характеристики звуковой платы или нет - ее проверка с целью использования для задач сбора данных необходима. Поскольку предполагаемая область применения звуковой платы ограничится регистрацией и формированием сигналов кодеком, к основным проверяемым параметрам следует отнести: Методику проведения испытаний можно взять из документа "Personal Computer Audio Quality Measurements" на www.crystal.com. В качестве ПО для испытаний АЦП, вычисляющего спектральный состав его выходных данных с необходимыми при этом утилитами, годится упомянутое в разделе "Программное обеспечение". Вычислительные ограничения, способы их преодоления и интерпретация полученных результатов в приложении к АЦП представлены в различных документах на серверах www.analog.com, www.burr-brown.com. Проверка: подробности Для проверки АЦП кодека можно выбрать давно выпускаемый отечественный генератор сигналов типа Г3-118, рассчитанный на диапазон частот 10 Гц-200 кГц и имеющий малые гарантированные нелинейные искажения. В частности, коэффициент гармоник составляет для диапазонов частот: 100-200 Гц - 5ћ10-3 %; 200 Гц-10 кГц - 2ћ10-3 %; 10-20 кГц - 5ћ10-3 %. В комплект входит внешний режекторный фильтр (notch filter) на несколько фиксированных типовых и удвоенных типовых частот для подавления или основной частоты, или ее второй гармоники. Включение фильтра на выходе генератора позволяет дополнительно снизить его нелинейные искажения. При проверке параметров ЦАП, формирующего сигнал, ПО влияет на проверяемую систему. Использование режекторного фильтра для подавления основной частоты и регистрация побочных составляющих выходного сигнала - давно испытанный прием. Указания по проверке генератора Г3-118, имеющиеся в его комплекте документации, также могут быть полезны, пусть и не ожидаются от звуковой платы гармонические искажения менее 0,002%, как у него. Ограничиться паспортными данными на кодек в части взаимного влияния каналов достаточно рискованно, так как оно еще зависит от конструкции платы. Проведение этой проверки выполняется несложным способом на том же оборудовании. Более сложные измерения интермодуляционных искажений можно опустить, если остальные полученные параметры соответствуют характеристикам кодека. Изготовители кодеков часто их гарантируют тоже без испытаний. Если звуковую плату предполагается использовать в задачах, где абсолютная погрешность по оси частот имеет второстепенное значение, то при определении погрешности установки частоты дискретизации достаточно точности генератора сигналов. В противном случае потребуется еще частотомер для контроля частоты выходного сигнала генератора. Эту проверку достаточно провести только для канала АЦП и на одной частоте (обычно 44,1 кГц), если в кодеке используется один кварцевый резонатор. Если используются два резонатора, то для WSS-кодеков вторую частоту можно взять из ряда: 8; 9,6; 16; 27,4; 32; 48 кГц в зависимости от того, какая из них поддерживается используемыми драйвером и ПО. Для других типов кодеков с двумя резонаторами следует исходить из описания или проводить проверку на всех доступных частотах дискретизации. Если предполагается использовать программируемые усилитель по каналам АЦП и аттенюатор по каналам ЦАП, необходимо определить, в какой степени неопределенность их коэффициентов передачи повлияет на точность в конкретной задаче. Полная их проверка довольно трудоемка. При использовании программируемого усилителя по каналам АЦП следует обязательно проверить динамический диапазон и уровень нелинейных искажений при максимальном коэффициенте усиления. Факты их заметного роста отмечены. Наличие эффекта наложения частот для АЦП проверяется исходя из определения явления, а также анализа получаемого вклада в уровень шумов. Она несложна, и лучше ее не опускать, даже если в описании кодека указано о решении этой проблемы. Для плат с кодеками AD1845, AD1846 и AD1848 проведение проверки обязательно, так как они требуют применения внешнего нормализующего RC-фильтра. Для кодеков производства Crystal Semiconductor такой внешний фильтр не требуется. Может возникнуть искушение использовать для проверки АЦП кодека его ЦАП, или наоборот. Такой подход не выглядит метрологически корректным. Достоверность результатов не гарантируется, поскольку характеристики АЦП/ЦАП не известны, и для них имеется несколько общих источников погрешностей, в том числе: системный шум, питание, опорное напряжения, тракт формирования частоты дискретизации. Эффект влияния последнего фактора, кроме как источника одинаковой систематической ошибки, заключается в том, что кратковременные флуктуации параметров кварцевого резонатора и схемы его возбуждения приводят к нестабильности частоты дискретизации и, как следствие, к снижению отношения сигнал/шум. При проведении проверки и эксплуатации установленной в корпус компьютера звуковой платы, работающей с широкополосными сигналами, не стоит забывать о возможном влиянии всякого рода помех. Источниками их являются ключевые источники питания в системном блоке, в мониторе, на многих типах материнских плат или в других блоках и платах, дисплейная подсистема, линии связи и т. п. Эксперименты с изменением взаимного расположения блоков, плат и соединительных кабелей могут существенно снизить уровень помех. На рост помех также сильно влияют способы выполнения соединений и заземлений внешних устройств. Было замечено, что кодеки, выпущенные в разное время (разные партии), могут заметно отличаться друг от друга, например, динамическим диапазоном (естественно, в пределах лимитных значений). Это означает, что, если попалась одна очень удачная звуковая плата, не факт, будто следующая окажется такой же: для микросхем, отнесенных к классу аудио, характерен достаточно большой разброс параметров. В последний момент Когда статья была уже готова и находилась в редакции, стало известным решение в части ПО для звуковых плат, которое заслуживает хотя бы краткого упоминания. Германская фирма GfS (www.gfs-inc.de) свою систему сбора и обработки DIAdem (Windows 3.1, 95, 98, NT) расширила драйвером звуковой платы. Этот пакет, достаточно своеобразный, не требует знания языков программирования и основан на построении функциональной схемы и описании связей и переменных. Теперь в одной среде можно проводить сбор данных от звуковой платы, их обработку, визуализацию и документирование (в реальном или квазиреальном времени, в зависимости от быстродействия PC и сложности обработки). В явном виде вопросы калибровки платы, что гарантировало бы какую-то достоверность абсолютных значений получаемых результатов, не предусмотрены. Программируемость системы позволяет решить эти вопросы, в том числе с помощью создания специальной программы определения параметров звуковой платы. Для проведения обработки в частотной области в системе DIAdem имеются блоки FFT (БПФ), спектральных окон, усреднения, трехоктавного анализа, цифровой фильтрации со значительным набором подвариантов их выполнения. Для начинающего пользователя их быстрое освоение может оказаться тяжеловатым, а Help выглядит чересчур лаконичным. Стоимость DIAdem по прайс-листу фирмы - от 2250 (Starter Kit) до 3980 (стандартный вариант) немецких марок и более. Но для университетов и государственных исследовательских институтов предусмотрены скидки в четыре раза, то есть от 560 марок. 1 (обратно к тексту) - За шестнадцатью разрядами скрывается именно разрешающая способность, а не точность. Последняя нередко существенно хуже. Определение точности АЦП/ЦАП является главной задачей для определения применимости звуковой платы в системах контроля и регистрации данных. Употребляемые в звуковых платах кодеки часто называют Multimedia Codec, чтобы подчеркнуть их целевое назначение и не смешивать с другими типами кодеков. Они выполняются по схемам преобразователей сигма-дельта. Теоретические основы этого типа обработки сигналов можно найти в книге Р. Стила "Принципы дельта-модуляции", М.:, Связь, 1979. Схемотехнические подходы, реализация и сравнительные характеристики сигма-дельта-преобразователей хорошо представлены на Web-сервере фирм Analog Devices (www.analog.com), Burr-Brown (www.burr-brown.com) и подразделения Cirrus Logic фирмы Crystal Semiconductor (www.crystal.com). Analog Devices и Crystal Semiconductor также давно являются производителями кодеков для звуковых плат. 2 (обратно к тексту) - Физически это означает, что для взятых во времени отсчетов одного гармонического сигнала всегда найдется другой гармонический сигнал более высокой частоты, который пройдет через эти же отсчеты. Таким образом, результат работы АЦП для таких двух сигналов будет одинаков. Исключение эффекта наложения частот достигается включением на входе АЦП аналогового нормализующего фильтра нижних частот (antialiasing filter), осуществляющего удаление входных сигналов АЦП с частотами выше представляющего интерес диапазона частот. Порядок этого фильтра тем выше, чем ближе верхняя граница диапазона частот к половине частоты дискретизации и выше разрядность АЦП. Нормализующие фильтры 8-го и выше порядка для АЦП на 12 и более разрядов - обычное явление. Для сигма-дельта-АЦП (вследствие его принципа действия) входной аналоговый нормализующий фильтр получается обычно первого или второго порядка, а дальнейшая фильтрация осуществляется цифровым способом. В задачах, где требуется разное спектральное разрешение, достигаемое путем обработки сигналов с разными частотами дискретизации, необходимо перестраивать по частоте нормализующий фильтр. Перестраиваемый аналоговый фильтр высокого порядка на входе АЦП и не ухудшающий его характеристики - сложное и дорогое устройство. В сигма-дельта-преобразователях, допускающих изменение частоты дискретизации, в таких случаях перестраивается внутренний цифровой фильтр. 3 (обратно к тексту) - Параметры DR и SNR очень часто взаимозаменяемы и определяются как отношение максимального действующего значения сигнала (Full Scale) к действующему значению шумов в присутствии сигнала без вклада в них его гармонических искажений. Шумы измеряются при удалении из результатов составляющей основной частоты или при малом значении сигнала, обычно -60 дБ от всей шкалы, или из результатов также исключаются составляющие на частотах, кратных частоте измерения. 4 (обратно к тексту) - Ее можно попытаться снизить до 5 Гц (распространенное характерное значение) способом, описанным в разделе "Снижение нижней граничной частоты звуковой платы". |
