用于个人电脑的廉价标准化16位和24位音频I/O硬件的出现，引发了示波器仿真应用的热潮。本文介绍了利用9051构建的声卡滤波器设计，该设计利用缓冲器和衰减器，有效地改善了示波器的低端频率响应。
用于个人电脑的廉价标准化16位和24位音频I/O硬件的出现，引发了示波器仿真应用的热潮。其中，许多“声卡示波器”功能强大，提供输入缩放、触发和时基选项、频率分析、数据文件存储和内置信号发生器。
虽然硬件尽可能降低成本，但毕竟硬件是专门为音频采集和再现而优化的。所以，即使是最好的软件应用程序也只能克服硬件的基本限制，这些限制包括：
使用不便的低输入阻抗：通常不超过10kΩ到30kΩ，因此可能会导致信号源负载过重。
有限的输入范围：固定在5Vpp左右，如果明显超过此范围，可能会造成永久性损坏(甚至可能对连接的计算机造成损坏)。
带宽限制：高端大约为20kHz左右；而低端则为10Hz、20Hz甚至100Hz。
为解决这些问题，可以参考文献中列举的许多硬件改进措施。简单的缓冲器和可调式衰减器可用来改善输入阻抗和范围，而一项基于AD583 S&H的巧妙设计(Doug Mercer在模拟对话中：“前端将PC声卡转换为高速采样示波器”)，可将带宽上限(针对重复波形)扩展至50MHz！
声卡示波器前端的设计理念略有不同。参考图1所示原理图，它将兆欧输入阻抗与可切换的X1-X10-X100衰减器相结合，随后又将声卡带宽的底端扩展了10倍以上。对于双声道(立体声卡)示波器而言，也只是简单的再复制而已。
图1：声卡示波器前端原理图。
前端始于衰减器开关S1周围的级联电阻网络。它提供1MΩ(最小)输入阻抗和可切换的十进制衰减，而无需使用高于2MΩ的电阻器(该点位以上的精密电阻器开始变得非常昂贵)，并带有一个简单的“开-关-开”三位拨动开关。
同相9051缓冲放大器电平将输入信号转换为Vdd/2，并通过C1(R1+R2)反馈网络进行可调节(对使用的特定声卡硬件进行一次性校准)低频校正。这正是其工作原理。
基本上，所有声卡编解码器都有交流耦合输入，即使与RC时间常数相关的额定截止频率可能低至10Hz(用于记录图2所示绿色迹线的编解码器正是如此)，也会导致常见波形(如图2中的20Hz方波)的失真(“下垂”)，当然这可能是极端和不可接受的情况。
图2：低频响应校正效果图。(绿色迹线为未校正响应，而红色迹线为利用R1将时常数调整到22ms后的校正响应。)
修正包括调整(R1+R2)以使反馈时间常数等于并抵消编解码器输入的时间常数：本例中该数值为22ms。经过这番一次性校准，图2中的红色迹线显示一个明显改进，准确地再现了原始波形和所有类似输入值。但这种补偿并不十分完美，因为9051最终会耗尽余量，而且编解码器高通滤波有时比一个简单的单极RC要复杂。但正如图2所示，其改进效果还是显著且有用的。
当然，随着我们对开始就已非常普及的、简单、便宜且令人愉悦的声卡硬件不断地进行改进，最终肯定会到达众所周知的矫枉过正和失去成本效益的地步。希望这个设计不会越过那条线。
(参考原文：Input buffer and attenuator for sound card oscilloscopes extends low-end frequency response ）
本文为《电子工程专辑》2022年5月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订
您可能感兴趣