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1、电脑音频虚拟仪器的构建与使用原文出处： 郑重声明：本文来自网络，使用本文及其涉及的技术请遵守相关法律规定、/一前言近年来电脑虚拟仪器的发展很快。在飞速发展的计算机技术支持下， “软件即仪器 ”的理念得到了充分的发挥。计算机加软件 配合合适的 AD/DA 界面和传感器 /控制器， 就可以完成形形色色的传统仪器的所有功能，应用领域遍及现代科技的各个方面，大有星火燎原之势。而且由于其成本较低，升级容易换代快，维护简单，特别是数据的采集、分析、管理做到了智能化，大 大提高了工作效率，在科研、计量、工控、自控等应用上特别受青睐，发展势头已将传统仪器远远抛在了后面，并将持续下 去。但是一般的虚拟仪器对于普
2、通电子爱好者来说仍然是太昂贵了，而且由于通用的虚拟仪器要考虑高速信号，往往采用高速低 分辨率的 AD/DA 芯片，一般分辨率只能达到 8 至 12 位，这对于电子爱好者常用的音频领域恰恰不够精确。在现代多媒体电脑上，声卡已经成为一个必不可少的重要组成部分，它给我们提供了丰富多彩的视听娱乐和有声交流功能，使 “多媒体 ”的名称名副其实。但是你是否知道，利用声卡高精度的AD/DA 变换界面，加上合适的软件，就可以构成功能十分强大的音频（超音频）虚拟仪器呢？并且，如果使用足够好的声卡，配合比较简单的扩展设备和传声器/放大器，再选用本文介绍的软件，将是目前音频虚拟仪器的最强、最佳选择。限于篇幅和时间，
3、本文主要介绍一些原则性的测试方法，期望起到抛砖引玉的作用，给有兴趣的爱好者引个路。具体的应用 还需要大家不断学习、探索，详细的软件应用方法将在 2004 年无线电杂志以及本站连续刊登介绍。1. 声卡的选择 声卡担负着模拟信号进出大门的重任，其性能如何，对虚拟仪器的精度有着最直接的影响，因此选择合适的声卡是非常有必 要的。96KHz/24bit 的从分辨率看，一般电脑多媒体声卡为 16 位，取样频率为 44.1/48KHz ，而现在的主流中高档声卡大多具备了 取样精度，好的专业声卡甚至能达到输入/ 输出兼备的 192KHz/24bit 取样精度。从音频处理的技术指标看， 许多质量良好的廉价声卡已
4、经超越了一般模拟仪器， 而高档的专业声卡更是具有极其优异的指标。 这也不奇怪，因为专业声卡本身就是为专业的录音、监听、音频处理而设计的，是音频传播的门槛，理应具有良好的素质。 例如，顶级的专业声卡频率响应可以从几 Hz 平坦地延伸到数十 KHz 至接近 100 KHz ，波动在正负 0.1dB 以下，噪声水平在 -110dB以下，动态范围大于 110dB，总谐波失真和互调失真远小于万分之一，通道分离度能达到100dB 这样的声卡已经超越了绝大多数模拟设备的指标，足以应付最苛刻的应用要求，也足以胜任高精度电脑音频虚拟仪器的要求，乃至于数十 KHz 的超声波研究。当然了，顶级的专业声卡价格昂贵，一
5、般相当于一套主流电脑的价格，大多数业余爱好者不能或不愿承受，但比起模拟测试 仪器来说还是便宜很多，而且软件升级没有限制。不过近来电脑音频设备市场看好，许多专业声卡厂家推出了“准专业 ”声卡进军多媒体市场，素质良好，支持多声道，价格也便宜很多，用途广泛，很适合业余爱好者选用。如果再 “抠门 ”一点，精选百元级优质声卡也是可以应付一般的声学测量的，因为我们知道声学测量的瓶颈一般在于传声器而 不是电路。当然这时最好对声卡模拟电路进行 “打摩 ”如更换运放和输出电容等，以得到更好的效果。介绍一些具体的声卡品牌。顶级声卡首选 Lynx Two/Lynx 22, 据笔者所知是目前世界上指标最优秀的声卡，价
6、格一千美元左 右。类似的其它专业声卡有 RME ，比 Lynx 还贵（主要因为支持的声道数多）。另外如果单为测试用，一些专业的测试用 AD/DA 界面设备也可用（例如 Sound Technology 公司的产品），不过可能更昂贵，而且功能少，指标也未必更强，但好处 是可以找到 USB 接口型的，可配合笔记本电脑使用。这类声卡可以进行精确的电路测试，如作为其它声卡、碟机、功放等 设备的输入输出参考标准进行测量，声学测试更是不在话下。中高档声卡包括许多一般的专业声卡和高级多媒体声卡，价位在一两千元，其中有些是USB 接口型的。较好的有 TerratecDMX 6Fire 24/96 、M-Aud
7、io Audiophile 2496 、创新 Audigy2 等。特别说明， Terratec DMX 6Fire 24/96 的性能指标比较好， 而且该公司目前在中国市场的推广力度大，价格相对合理，服务有保障；而创新则是多媒体市场的龙头，游戏和DVD 功能出色。这类声卡可以进行一般的电路测试和比较精确的声学测量。中低档声卡的型号很多， 有些指标相当不错，例如 声卡叫板，只不过不支持 考资料。Terratec 、M-Audio 、创新等公司都有许多型号，还有许多其他二线公司的产品，一般售价数百元。Terratec DMX XFire1024 ，价格不到 200 元， 44.1/48KHz 下的
8、表现甚至可以与不少中高档多媒体24bit/96KHz 取样，声道数也少，因而便宜。大家可以从电脑类报刊杂志、网站找到很多有关的参低档声卡数不胜数，这里推荐两款。其一是创新的 VB128 或 PCI128 ，核心是一样的，售价百余元。这款声卡的特点是音质相当不错，可以与中档声卡媲美。由于是符号AC 97标准的声卡，采用与核心分离的CODEC （ AD/DA芯片），再加一级运放输出模拟信号， “打摩 ”的余地不小，可以获得更好的音质。 另一款声卡是 CMI8738 ，售价仅四五十元。这个声卡很有特点， 其音质不算很好， 但是频率响应特别好， 可以与专业声卡相比， 特别是其能够处理直流信号的能力更是
9、鹤立鸡群，无人可比，具体内容见第六节。另外说明，这两款 “平民”声卡面世日久，产量极大，在二手市场很容易找到，只用1/3 原价即可买到， 性能是一样的，更是非常超值！2. 硬件构筑首先提醒大家，要测量可能输出大于 5V 信号的设备（例如功放），一定要对声卡的输入端口进行保护，否则一旦输入过载， 极易损坏声卡。特别是价格昂贵的中高档声卡，更应该小心保护，以免带来大的损失。笔者在试验过程中未加保护时烧坏了1所示。如果测量电网交流电信号，必须另好几块声卡，请大家引以为戒！合适的保护措施包括衰减网络和过压抑制，如图 加隔离电路！输入端 限週屯阻i叫K1DW输出端压敏电阻10K&S1600VL立鞋抑制电
10、位器 匹二极管弭1M地端图中的电位器可以用带刻度的精密电位器，但最好不要用多圈线绕式的，因其电感量大，易使高频信号衰减严重。最好是用多段开关配合固定电阻来构成，例如用优质的多段音量电位器。保护二极管最好用2-4V的瞬态抑制二极管，或稳压管，不推荐普通二极管串联的方法，因其高频特性差。由于工作于交流状态，需要两只反向串联。最基本的硬件只要声卡和输入输出信号线就够了，可以进行一般的线路信号测试。但由于其输出电平和功率有限，也不能进 行声学测试，因此一般还需要增加功放电路和传声器。如果用专业的电容传声器，就需要特殊的供电电路提供极化电压，并 且需要专门的前置放大电路。图2给岀了基本的电脑音频测试系统
11、的原理框图，大家可以参考有关资料具体设计其中的每一部分。话爾曲硼 Q 再浮ati耋丸瓦） + , 俸护帧L_I衰减佶率训整I融抵电踌后面我们会看到，笔者介绍的系统是可以进行脉冲信号测试分析的，因此有合适的脉冲发生器是需要的，这也是一些价格昂贵的专业测试系统所必备的功能，很有实用价值。当然用软件产生脉冲信号是可能的，问题是一般的声卡根本不能正确输岀需要的脉冲，除非你拥有顶级的专业声卡，可以输岀近100KHZ信号，否则一般的 20KHZ带宽根本不够。我们希望脉冲信号仍然受控于电脑软件，如图3所示，用简单的555定时器电路加过零触发电路，将软件产生的正弦波形作为触发输入即可。脉冲宽度约5uS，即带宽
12、200KHZ-X亠丄图3另外需要说明，用于音频测试的计算机是有要求的，应该是配置简单、性能稳定、电磁干扰小的系统，否则难以达到应有的性能指标。一般来讲音频测试并不需要很高速的计算机，因此可以用过期”的低速系统（主频四五百兆以上，内存尽可能大）来构建测试平台，并辅以合理的降噪、隔离、屏蔽措施。这样的硬件系统可以说是非常简单的，但它已足以胜任绝大多数常见的专业测试系统所能进行的测试项目，其它的工作我们要依赖软件的强大处理能力。3. 软件三剑客”简介目前适合配合声卡作为音频虚拟仪器使用的软件有好多种，其中包括专门为声卡音频虚拟仪器设计的软件。但笔者只推荐三种软件：Spectra ，Adobe Aud
13、ition（原 CoolEdit），和 RMAA。这三种软件的共同优点是功能强，精度高，数值特别精确，图示非常精细，可以放大到很高倍率，展示出分毫毕现的图示化分析结果，完全可以满足专业化测量测试的要求，对于业余应用更是绰绰有余。另外，三种软件中RMAA是免费软件，另两种的试用版都可以使用全部功能，而有些功能不咋地的软件试用版却设置种种障碍而无法实用。要知道Adobe Audition 1.0的售价为299美元，而Spectra LAB432 的全功能版价值 3995美元！对于囊中羞涩的电子爱好者，这种天价软件的全功能 试用版何等可爱！因此它们都非常值得推荐。三种软件的侧重点不同，各有长处，互为
14、补充，即便是免费的RMAA也具有特有的非常实用的功能，决不可小觑！根据不同的测试项目选用不同的软件，将使你拥有一套音频测试的倚天利剑！根据笔者的实验，三种软件结合可以完成几乎所有的常见专业音频测试项目，并且自由度更大，可以设计非常复杂的测试信 号和自由设计测试过程。不过有些项目的测试操作和计算分析可能比某些专业的软硬件系统复杂些，这当然也是可以理解的。先来看Spectra，最高版本 Spectra LAB432 。这可是身岀名门，由著名的惠普公司分离岀的Sou nd Tech no logy 公司推岀的音频分析软件。Spectra LAB即频谱分析实验室”的意思，其主要功能也正是图示化的频谱分
15、析，也可以产生常用的测试信 号，最大的特色是可以进行三维频谱分析，为我们进行脉冲响应测试分析提供了可能性。再看Adobe Auditi on，最新版本 1.0,2003年8月才发布。是由Sy ntrillium 公司开发的 CoolEdit Pro2.1 变化而来，因为2003 年中Syntrillium 公司被Adobe公司收购了。 CoolEdit的意思是“（音乐）酷编辑”本来是为录音和多轨音频编辑处理而设计 的，但是由于其波形发生和处理的强大功能，使其可以产生和编辑几乎任意的波形，因此作为音频虚拟仪器软件很合适。最后说说RMAA，即“Right Mark Audio Analyzer ，意即 客观音频分析软件 ”是由俄罗斯硬件资讯网站IXBT.com 开发的音频硬件测试软件，最新版本5.2，2003年12月8日才发布。可别小看它是免费软件，功能可一点不弱，不但可以快速测试 频响、噪声、动态范围、谐波失真、互调失真、通道分离度等全部项目，更为可贵的是提供了频响校正、全频带谐波失真测 试等独有的功能，使用很方便，十分值得推荐！4. 音频测试项目简介4.1. FFT首先介绍一个最重要的概念： F
