Компьютерный измерительный комплекс
Инфразвуковой диапазон в компьютерных приборах
Применение в компьютерных приборах в качестве цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП) стандартной (типовой) звуковой системы компьютера позволяет весьма экономично решать задачу исследования сигналов звукового диапазона, но расширение частотного диапазона по электрическому напряжению в область инфразвука и постоянного тока сопряжено с некоторыми трудностями.
Многие распространенные звуковые карты компьютера имеют низкочастотную границу порядка 10-20 Гц. Данное ограничение обусловлено, как правило, наличием разделительных конденсаторов на входе АЦП и выходе ЦАП. К сожалению простого удаления разделительных конденсаторов может оказаться недостаточно для работы в области инфразвука и постоянного тока. Это обстоятельство связано с тем, что во многих случаях и вход АЦП и выход ЦАП имеют смещение по постоянному току относительно аналоговой земли устройства. Последнее обусловлено, в свою очередь, тем, что питание таких кодеков (кодер-декодер, ЦАП и АЦП на одном кристалле) чаще всего однополярное (обычно 5 вольт). Следовательно, для того, чтобы обеспечить работу звуковой карты в области инфразвука и постоянного тока необходимо применить дополнительную схему смещения уровня и для входных и для выходных сигналов.
Такое решение актуально, во-первых, потому, что оно многократно дешевле применения специализированных АЦП и ЦАП, обеспечивая в тоже время весьма высокие параметры. Во-вторых, такой подход позволяет использовать уже существующее программное обеспечение для построения измерительной системы с расширенным в область инфразвука частотным диапазоном.
В качестве примера приведем решение данной задачи для двухканального 16- разрядного кодека CS4232 производства Crystal Semiconductor Corporation, установленного в звуковой карте TBS2000 фирмы Turtle Beach Systems.
Принципиальная схема устройства смещения нулевого уровня входных и выходных сигналов совместно с фрагментом схемы кодека показана на рисунке. Указаны названия и нумерация задействованных в переделке выводов микросхемы CS4232, выполненной в 100-контактном корпусе типа TQFP. Все соединения с выводами LAUX1 и RAUX1, имеющиеся на звуковой плате, должны быть отключены. От выводов LOUT и ROUT должно быть отключено все, кроме фильтрующих конденсаторов C1 и C2, показанных на рисунке.
В качестве опорного напряжения для операционных усилителей схемы смещения уровня используется источник опорного напряжения VREF, встроенный в кодек CS4232. В технической документации на микросхему CS4232 написано, что входные и выходные напряжения кодека центрированы относительно опорного напряжения VREF. Типовое значение VREF равно 2.2 В. Поскольку, как указано в, этот источник не допускает никакой существенной нагрузки по постоянному току, он буферизирован повторителем напряжения на микросхеме DA5. Использование встроенного в кодек источника опорного напряжения существенно уменьшает дрейф всей схемы смещения уровней при изменении температуры и напряжения питания. На микросхемах DA3, DA4 выполнены инверторы опорного напряжения, необходимые для работы схемы смещения нулевого уровня входных сигналов. Применение раздельных инверторов продиктовано необходимостью максимально точной подстройки нуля каждого из входных каналов, имеющих, как правило, различные собственные величины сдвига нуля. Точная подстройка нуля раздельно для каждого из двух каналов осуществляется подбором сопротивления резисторов R7 и R10.
Узел смещения нулевого уровня для входных сигналов построен на операционных усилителях DA1 и DA2. Они выполняют вычитание инвертированного напряжения опорного источника из входного (измеряемого) напряжения. Таким образом, осуществляется суммирование входного (измеряемого) сигнала и напряжения опорного источника. Диоды VD1-VD4 на выходах операционных усилителей предназначены для защиты входов АЦП от превышения допустимого напряжения на них, возникающего при перегрузке входным сигналом или во время переходных процессов при включении и выключении всего устройства.
Кроме входов LAUX1 и RAUX1 для ввода сигнала в кодек могут быть использованы также входы LLINE, RLINE. Ввод с тех или других переключается в программном микшере, входящем в состав операционной системы Windows. Если снабдить схемой смещения нуля все указанные входы кодека, то это позволит программно переключать ввод от двух сдвоенных источников сигнала без применения дополнительного оборудования. В этом случае для смещения нуля дополнительных каналов LLINE, RLINE должны быть продублированы микросхемы DA1 – DA4, а также соответствующие резисторы и диоды VD1-VD4.
Блок смещения нулевого уровня для выходных сигналов кодека выполнен на операционных усилителях DA6 и DA7. Они выполняют вычитание напряжения опорного источника из выходного напряжения ЦАП. Точная подстройка нуля раздельно в каждом из каналов осуществляется подбором сопротивления резисторов R14 и R18. Конденсаторы C1, C2 входят в конструкцию звуковой платы.
Полная реализация возможностей кодека по динамическому диапазону (более 80 дБ) требует применения в качестве операционных усилителей DA1 – DA7 малошумящих приборов с полевыми транзисторами на входах и скоростью нарастания выходного напряжения в режиме единичного усиления не менее 1 В/мкс. Отличные результаты дают импортные малошумящие операционные усилители AD743, AD745. Несколько худшие параметры обеспечивают отечественные микросхемы 574УД1 или 544УД2. Нумерация выводов операционных усилителей на схеме не приводится, поскольку для микросхем AD743, AD745, изготавливаемых в различных корпусах она отличается.
Операционные усилители с большим смещением нуля (574УД1, 544УД2) должны быть снабжены типовым цепями коррекции нуля, выполненными по схемам, обычно приводимым в справочной технической документации. Данные цепи коррекции позволят также более точно компенсировать смещение нуля ЦАП и АЦП кодека. В случае если применяемые операционные усилители для стабильной работы требуют внешних цепей коррекции частотной характеристики, то их также следует выполнить в соответствии с технической документацией.
Для питания всех операционных усилителей необходимо применять двухполярный стабилизированный малошумящий источник постоянного тока напряжением ±5…±12 В. В цепях питания операционных усилителей необходимо установить блокирующие конденсаторы емкостью 0.1 мкФ (керамические или пленочные) и 10.0 мкФ (электролитические). При условии дополнительной фильтрации помех допустимо использование имеющегося в компьютере источника напряжением ±12 В. Все показанные на схеме смещения уровней «земляные» выводы, следует соединить с «аналоговой землей» звуковой платы. В микросхеме CS4232 это – контакт «AGND» (вывод 80). Последний из контактов CS4232 участвующий в переделке это — «AV» (вывод 81) – питание аналоговой части кодека – используется для подключения защитных диодов VD2,VD3.
Применяемые в устройстве резисторы должны быть обязательно малошумящие, например, металлопленочные типа С2-1, любой мощности. Резисторы, имеющие на схеме номинал 10 кОм, следует подобрать по парам для каждого из операционных усилителей с минимальным разбросом. Это требуется для наиболее точной компенсации смещения уровня. Собственно номинальное сопротивление этих резисторов значения не имеет и может быть в интервале 5-10 кОм. Резисторы, имеющие на схеме номинал 1 кОм, выполняют защитные функции. Их точность значения не имеет.
В качестве диодов D1-D4 – можно использовать любые высокочастотные кремниевые с малой емкостью, например, типа КД503.
Наилучшая конструкция блока смещения уровней — на отдельной экранированной печатной плате, расположенной «вторым этажом» на звуковой карте. Топология печатной платы автором не разрабатывалась. Опытный экземпляр устройства был выполнен на макетной печатной плате. Дополнительную плату следует снабдить типовой металлической скобой крепления, на которой должны быть расположены выходные и входные коаксиальные разъемы.
Дополнительная наладка устройства для повышения точности работы заключается в подборе резисторов R7, R10, R14, R18. Смещение входного сигнала регулируется подбором резисторов R7, R10 при закороченных на землю входах устройства (разъемы X1, X2). Индикатором настройки должен служить осциллограф.
Настройка смещения выходных усилителей DA6, DA7 производится подбором резисторов R14, R18. При этом генератор должен генерировать сигнал нулевой амплитуды. Для этого в нем должны быть включены кнопки “Mute”. В качестве индикатора нуля следует использовать милливольтметр постоянного тока или уже настроенную входную часть описываемого устройства.
Такой же переделке можно подвернуть и другие звуковые карты, построенные на микросхемах ЦАП и АЦП, имеющих сходную с CS4232 структуру. Очевидно, что нумерация задействованных выводов и их формальные названия могут отличаться от указанных на рисунке. Эти данные могут быть получены из технической документации конкретных микросхем. В настоящее время такая информация, как правило, свободно доступна на интернет-сайтах компаний — производителей микросхем ЦАП и АЦП. Если на звуковой карте применяются ЦАП и АЦП, выполненные на раздельных микросхемах, то в качестве источников опорного напряжения для схем смещения уровня входных и выходных сигналов должны использоваться соответствующие выводы ЦАП и АЦП.
Здесь совершенно необходимо сделать одно существенное замечание. В высококачественных (и достаточно дорогих) звуковых картах часто применяются цифровые фильтры высоких частот, с частотой среза порядка нескольких герц. Так сделала, например, фирма Turtle Beach Systems в своей звуковой карте FIJI. Подобные фильтры предназначены для компенсации смещения и дрейфа нуля входного АЦП. Фильтры могут быть выполнены на кристалле кодека, или встроенного цифрового процессора обработки сигналов или же иметь программную реализацию в драйвере. В любом из перечисленных случаев это сделает невозможным использование такой звуковой карты для ввода очень низких частот. Выяснить сей факт до начала переделки можно только с какой-то степенью вероятности. Для этого необходимо оценить смещение и дрейф нуля АЦП при отсутствии входного сигнала (закороченный на землю вход) с помощью осциллографа, встроенного в комбинированный компьютерный анализатор спектра. В случае если измеренное смещение превышает 5-10 единиц младшего разряда, да еще и изменяется с прогревом, то, почти наверняка, никакого цифрового фильтра нет. Если смещение существенно меньше, то это означает, что, либо используется очень хороший и стабильный АЦП, либо применен цифровой фильтр высоких частот.
Еще один способ предварительной проверки реальной возможности ввода постоянного напряжения заключается в соединении между собой выхода ROUT и входа RAUX1 (в терминах кодека CS4232) и измерении сквозной амплитудночастотной характеристики в области сверхнизких (вплоть до 10 в минус 3 степени Гц) частот с помощью генератора и осциллографа, входящего в состав компьютерного анализатора спектра. Такой метод проверки гарантирует практически надежный результат, но требует уже предварительного вмешательства (хотя и незначительного) в схему звуковой карты.
Вывод инфразвука и постоянного тока описанным здесь способом, обычно, возможен без каких-либо сложностей для любых звуковых карт независимо от типа примененного ЦАП.
Доработанная таким путем звуковая карта обеспечивает при работе компьютерного генератора сигналов нижнюю границу частотного диапазона по выходному электрическому напряжению 10 в минус 3 степени Гц. Для комбинированного компьютерного анализатора спектра нижняя рабочая частота составляет 10 в минус 3 степени Гц, для входящего в его состав осциллографа нижний предел – постоянный ток. Верхний предел рабочих частот определяется максимальной частотой дискретизации кодека CS4232 и достигает 20 кГц. Номинальное входное и выходное напряжение, эквивалентное полной шкале АЦП и ЦАП составляет, соответственно, ±0,7 В и ±1,4 В. Наибольшее допустимое входное напряжение для описанного устройства определяется параметрами используемых операционных усилителей и в любом случае не должно превышать по абсолютной величине напряжения питания последних.
Остаточное смещение нуля ЦАП и АЦП после компенсации разработанным устройством определяется их внутренними погрешностями и, обычно, не превышает 0.05 % полной шкалы преобразователей. Окончательная компенсация остаточного смещения нуля АЦП осуществляется программными средствами анализатора спектра.
Сквозной динамический диапазон всего устройства, измеренный при соединении выхода с входом, в случае использования в схеме смещения нулевого уровня импортных малошумящих операционных усилителей AD743 или AD745 достигает 78-80 дБ.
В заключение автор должен предупредить читателей, что любая переделка компьютерной звуковой платы связана с определенным риском ее повреждения. Автор не несет никакой ответственности ни за какие отрицательные последствия (и положительные тоже), произошедшие в результате применения описанного в статье устройства.