幾年前，我需要一個快速、低頻但失真極低的源來測試板載微控制器 ADC，看它是否具有數據表中所說的有效位數 (ENOB) 和線性度。
    我知道 Linear Technology [1] 的失真度非常低，但設計有些復雜，但對于我的即時需求來說，這似乎有點過分了。因此，我基于 Hein van den Heuvel [2] 的電路構建了一個經典的三運算放大器狀態(tài)可變振蕩器，帶有一個小麥粒燈泡作為振幅穩(wěn)定電路。
    經過一天擺弄電路中運算放大器各級的負載后，我設法將諧波失真產物降低到 -95 dBc 水平以下，這足以滿足我的即時需求。
    雖然可以構建分立振蕩器電路，但它很繁瑣。存在溫度問題，例如振幅漂移、頻率漂移、啟動和穩(wěn)定時間等。同樣，我認為將來有一個具有 2.5 到 +/-10 伏的多個輸出的快速設置振蕩器，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置，這讓我開始思考音頻分析儀如何實現它們的源。我認為，他們必須構建精密的分立式 DDS，或者使用其中一種高分辨率 I2S 音頻 DAC。
    然后我瀏覽了 TI 應用說明，了解他們對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 I2S DAC 并將它們連接到我的一個微控制器演示板上，大約一天后 I2S 開始運行，并且有一些不錯的信號從設置中跑出來。I2S 的妙處在于它可以連接到處理器的 DMA 上，使 99% 的數據傳輸對處理器透明。處理器所要做的就是每隔一段時間保持 DMA 管道充滿。
    這是學習經歷，在經濟上沒有優(yōu)勢，因為 TI 以低于 300 美元的價格出售他們的電路，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？它們一定很不錯而且很便宜?！?br>    快速搜索顯示，Creative Labs 確實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 美元的設備甚至具有 24 位/96-kHz 數據速率 [4]。我相信 Creative Labs 不會制造垃圾，所以我買了一個試試。
    使用我的 18 位 FFT 分析儀 [5] 進行的初步測試表明，筆記本電腦不僅“聽起來”更適合我的耳朵，而且其性能確實達到了 16 位失真水平，并且本底噪聲非常干凈。
    這種方法確實是我的通用 ADC 測試臺的“快速設置”解決方案，因為所有軟件都可以在我的實驗室 PC?? 上運行；現在我將擁有一個“可控”的源、頻率和幅度明智的，并且它正在我的 PC 上運行，因此我可以擁有獨立的應用程序，甚至可以構建 API 以在以后需要時包含到自動測試套件中。
    很多工作就在那里解決了，通過使用外部聲卡，的振幅和已知質量可以在任何測試臺之間轉移，因為我的測試筆記本電腦內部聲卡在輸出振幅和真實音質上各處都不同.
    使用筆記本電腦作為測試控制器的另一個好處是，您可以拔出電源適配器并使用電池運行，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并完成工作時總是會出現。
    進入 BlasterAmp
    現在需要的所有項目是 Sound Blaster dongle 的模擬接口板，以獲得我的“通用”測試設置所需的輸出。
    我測量了 Sound Blaster 音頻輸出到指定的 300 歐姆耳機負載和一些測試音調，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。

    列出了常用的 ADC 輸入范圍（表 1）。我認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整幅度來測量介于兩者之間的任何內容，這終會降低可實現的信噪比 (SNR)，但 Sound Blaster 的 SNR 綽綽有余對于我要測量的應用程序。

    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。
    3.3 伏的峰值范圍是一個奇怪的東西，但仍然出現在較低分辨率的基本設計中，無論如何大多數都是 10 位或 12 位 ADC，因此決定只使用音量控制和 0-5 伏范圍這些應用中，信噪比損失很小。

    然后，我設計了我稱之為“BlasterAmp”的東西，它具有所需的增益和偏移，能夠轉換 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 個增益步長和 3 個偏移設置。單極性范圍需要使用三個偏移電壓。

    關于單極范圍需要注意的一件事：它們現在總是“軌到軌”，而當我們說“軌到軌”時，幾乎總是與“軌”有一些偏移。這將對任何 ADC/緩沖器測試造成嚴重破壞，因為如果“軌”不完全處于零或滿刻度，則 ADC 將削波，這將導致嚴重失真，從而阻止進行任何有意義的測量。此外，有時 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 圈微調電位器，以便在需要時對增益和偏移進行微調。微調電位器還允許 Sound Blaster dongle、電阻容差和運算放大器偏移電壓存在任何細微差異。

    圖 1 顯示了完成的 BlasterAmp 的一個通道。短接跳線用于允許根據需要更改偏移和增益，以適應各種所需的輸出范圍。
    圖 1：立體聲 BlasterAmp 的一個通道。增益和偏移范圍通過可移動跳線設置，然后借助的 25 圈微調電位器進行微調。U101 周圍的電阻網絡是一個 1 k 歐姆的匹配網絡，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。
    對于放大器，我使用了久經考驗的 Burr-Brown OPA1611，這是一款超低失真音頻運算放大器，它們的性能符合數據表，可以說非常出色。
    對于偏移參考電壓，我使用了 TI REF5050，這是一款精密的 5 伏參考電壓。
    由于預計該電路將在我的工作臺上用于測試設置，我將其設計為由 +/-15 伏電源軌供電，并使用了另一個久經考驗的組件，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，因為它具有低噪聲、低 IO 電容設計，而且它不會從開關電源到處噴出共模電流。如果我必須使用切換器為設計供電，我會在電路中使用一些線性、低壓降穩(wěn)壓器和強大的共模扼流圈，以盡我所能將開關噪聲遠離電路板。值得信賴的 HP6234A 消除了所有這些問題。

    我將終的雙通道 BlasterAmp PCB 放置在一個小型 Hammond 外殼 [6] 中，我沒有蓋上蓋子，因為這樣可以輕松更換各種跳線和調整電位器（圖 2 ).

    圖 2：完成的 BlasterAmp。我將 PCB 安裝在擠壓外殼中以提供保護。來自聲卡的音頻是 PCB 右上角的黑色電纜。我的 HP6234A 線性臺式電源通過 PCB 右中部的電線連接器供電。完整的設計可用，請參閱參考資料 10。
    通用格言：硬件需要軟件
    使用 Sound Blaster dongle 無疑大大簡化了設計并節(jié)省了開發(fā)時間，但我仍然需要一種方法來將高動態(tài)范圍測試信號播放到 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 的失真級別或更低，這對于聽力測試來說還不錯，但對我的應用程序來說不太好，我需要將失真降低到 16 -位級別。
    互聯(lián)網上有幾個發(fā)燒友網站提供非常低失真的測試文件 [7]。對于播放，您需要一個 WAV 或 MP3 文件播放器，它在循環(huán)時死區(qū)時間為零。我發(fā)現名字愚蠢的程序“foobar2000”是一個很好的選擇 [8]。我初在旅行時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淹沒無關的聲音，并且在循環(huán)播放白噪聲文件時也不能有任何咔噠聲或爆裂聲，否則您會立即醒來. foob??ar2000 程序非常適合 BlasterAmp 和睡眠。
    這些預制測試文件具有固定頻率，但可以根據需要通過 BlasterAmp 微調電位器或 PC 的音量控制對振幅進行微調。

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

    圖 3：在我的 DMT9000 FFT 分析儀 [5] 上測得的 BlasterAmp 設置為 +/-10V 范圍時的結果。可以看到滿量程失真產物處于低于滿量程的 -96 dBc 的 16 位級別。
    然而，在生成任何測試音時必須小心。您要么必須制作一個連續(xù)且足夠長的文件來進行測試，要么必須連續(xù)循環(huán)。循環(huán)時，只需確保波形的起點和終點完全對齊，否則會出現不連續(xù)性，從而在循環(huán)點處增加失真。
    作為使用 Sound Blaster 加密狗進行音調生成的一點注意事項，請務必關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，以確保不會出現不可預見的問題。