【導讀】基于Hein van den Heuvel的電路，構建了一個(gè)經(jīng)典的、三運放、狀態(tài)變量振蕩器，并用一小粒小麥燈泡作為振幅穩定電路。對電路中運算放大器的各級負載進(jìn)行了一天的擺弄，成功地將諧波失真產(chǎn)物降至-95 dBc以下，滿(mǎn)足了當時(shí)的需求。

幾年前曾需要一個(gè)快速、低頻、且失真極低的源來(lái)測試片上微控制器ADC，看它是否接近數據手冊所給出的有效位數(ENOB)和線(xiàn)性度。

凌特公司的設計失真度很低，不過(guò)設計有些復雜，對于那時(shí)的需要來(lái)說(shuō)，似乎有點(diǎn)大材小用了。最后，基于Hein van den Heuvel的電路，構建了一個(gè)經(jīng)典的、三運放、狀態(tài)變量振蕩器，并用一小粒小麥燈泡作為振幅穩定電路。

對電路中運算放大器的各級負載進(jìn)行了一天的擺弄，成功地將諧波失真產(chǎn)物降至-95 dBc以下，滿(mǎn)足了當時(shí)的需求。

雖然可以構建分立式振蕩器電路，但調試起來(lái)比較復雜。還有溫度問(wèn)題，如幅度漂移、頻率漂移、啟動(dòng)和穩定時(shí)間等。同樣，我認為將來(lái)如果有一個(gè)快速設置振蕩器，具有2.5至+/-10v的多路輸出，這樣就可以實(shí)現一個(gè)通用ADC測試平臺，可快速測量任何16位精度的ADC。

通用ADC測試平臺

該測試平臺如果采用模擬方案，實(shí)施起來(lái)太慢了，這讓我想起不知道專(zhuān)業(yè)音頻分析儀的源是如何實(shí)現的？我想要么是構建精密的分立式DDS，要么使用高分辨率I2S音頻DAC。

然后，開(kāi)始瀏覽TI應用手冊，了解他們的超低失真測試振蕩器是如何實(shí)現的。果不其然，使用了一款Burr Brown的 帶I2S的音頻DAC，后接了一些高性能低通濾波器。

我買(mǎi)了幾個(gè)I2S DAC，將它們連接到我的一個(gè)微控制器演示板上，大約一天時(shí)間，I2S就開(kāi)始運行了，并且系統中產(chǎn)生出了一些基本像樣的信號。I2S的奇妙之處在于，它可以連接到處理器的DMA，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(shí)間把DMA管道充滿(mǎn)。

這只是一次體驗，在經(jīng)濟上并沒(méi)有優(yōu)勢，因為T(mén)I的電路售價(jià)才不到300美元，不過(guò)沒(méi)有公開(kāi)API接口，無(wú)法從自己的測試程序來(lái)控制他們的解決方案。

然后我想，“USB聲卡加密狗怎么樣？它們也許既好用又便宜?！?/p>

快速搜索后發(fā)現，Creative Labs確實(shí)有一款成本很低、但性能又非常高的16/24位USB加密狗，其名字令人印象深刻:“Creative Labs Sound Blaster Play！3"。這款不到20美元的設備，竟然具有24位/96 kHz的數據速率。我相信Creative Labs制造的不會(huì )是“垃圾”，所以買(mǎi)了來(lái)試用。

使用18位FFT分析儀進(jìn)行的初步測試表明，筆記本電腦不僅聽(tīng)起來(lái)音質(zhì)更好，而且性能確實(shí)達到了16位失真水平，噪聲基底非常干凈。

對于我的通用ADC測試平臺來(lái)說(shuō)，這種方法確實(shí)是一種“快速”解決方案，因為所有軟件都可以在實(shí)驗室電腦上運行；如今，我擁有了一套頻率和幅度都“可控”的信號源，并且運行在我自己的電腦上，這樣就可以擁有獨立的應用程序，甚至可以構建API，以便在以后需要時(shí)納入自動(dòng)測試套件。

這就解決了很多問(wèn)題，通過(guò)使用外部聲卡，精確的振幅和已知的質(zhì)量可以在任何測試平臺之間轉移，因為我的測試筆記本電腦內部聲卡的輸出振幅和真實(shí)音質(zhì)因地可變。

使用筆記本電腦作為測試控制器的另一個(gè)好處是，可以拔出電源適配器并用電池供電，從而消除了試圖快速更換地點(diǎn)并完成工作時(shí)經(jīng)常出現的許多接地回路問(wèn)題。

聲霸(Blaster)放大器

現在需要的是用于聲霸加密狗（sound blaster dongle）的模擬接口板，以獲得“通用”測試裝置所需的輸出。

我在300歐姆的指定耳機負載上測量聲霸音頻輸出，并使用了一些測試音，滿(mǎn)量程輸出測量到一致的0.37V峰值，并與使用的PC或操作系統無(wú)關(guān)。

表1列出了常見(jiàn)的ADC輸入范圍。我認為，如果覆蓋了常見(jiàn)的ADC輸入范圍，則通過(guò)音量控制來(lái)調整幅度，就可以實(shí)現范圍內任何輸入的測量，不過(guò)這最終會(huì )降低可實(shí)現的信噪比(SNR )，然而，聲霸的SNR已足以滿(mǎn)足所預期的所有測量應用。

表1：表中所列涵蓋了幾乎所有常見(jiàn)的ADC輸入范圍，這些是計算聲霸加密狗輸出端放大器所需增益和偏置的基礎。

表中的3.3V峰值范圍貌似有點(diǎn)奇怪，但在分辨率較低的設計中仍然會(huì )出現，無(wú)論如何，基本設計大多是10位或12位ADC，因此決定在這些應用中只使用音量控制和0-5V范圍，此時(shí)信噪比損失很小。

然后，我設計了具有所需的增益和偏置、且稱(chēng)之為“BlasterAmp”的放大器，能夠轉換0.37峰值，即聲霸加密狗的滿(mǎn)量程輸出，以與表2中的數值匹配。

表2：BlasterAmp設計用于覆蓋表1中的常見(jiàn)電壓范圍，僅有4個(gè)增益步長(cháng)和3個(gè)偏置設置。對于單極性則需要使用三個(gè)偏置電壓。

對于單極性范圍，有一點(diǎn)需要注意，雖然目前所講的這些范圍都是“軌到軌”，但幾乎總有一點(diǎn)偏差。這將對任何ADC/緩沖器測試造成嚴重影響，因為如果“供電軌”不完全處于零電平或滿(mǎn)量程，ADC就會(huì )削波，導致嚴重失真，從而無(wú)法進(jìn)行任何有意義的測量。此外，有時(shí)ADC基準電壓為2.048或4.096V，而不是2.5和5V。為了應對這些情況，我使用了25圈精密微調電位器，以便在需要時(shí)對增益和偏置進(jìn)行微調。該精密微調還可以對聲霸加密狗、電阻容差和運算放大器失調電壓存在的任何細微差異進(jìn)行補償。

圖1顯示了成品BlasterAmp的一個(gè)通道。根據需要，短路跳線(xiàn)用于改變偏置和增益，以適應所需的各種輸出范圍。

圖1：立體聲聲霸放大器的單通道示意圖。

圖1中，增益和偏置范圍通過(guò)可移動(dòng)跳線(xiàn)設置，然后借助精密的25圈微調電位器進(jìn)行微調。U101周?chē)碾娮杈W(wǎng)絡(luò )是Vishay (OSOPTC1001AT0)的1 k歐姆匹配網(wǎng)絡(luò )。為了最大限度地減少電阻發(fā)熱和后續的失真，所有其他電阻的尺寸均為0805，精度為0.1%。為了消除失真，C100和C101必須是薄膜或COG陶瓷電容。

對于放大器，選用了久經(jīng)考驗的Burr-Brown OPA1611，這是一款失真超低的音頻運算放大器，其性能符合數據手冊所列，可以說(shuō)非常出色。

對于偏置基準電壓，用的是TI REF5050，為一款5V精密基準電壓源。

由于期望該電路用在測試工作臺上，因此將其設計成由+/-15v電壓軌供電，并使用了另一個(gè)久經(jīng)考驗的HP6234A雙線(xiàn)性電源，將其放在工作臺上以備此類(lèi)場(chǎng)合使用。使用HP6234A這類(lèi)的線(xiàn)性電源非常有用，因為它具有低噪聲、低IO電容設計，而且沒(méi)有開(kāi)關(guān)電源到處冒出的共模電流。如果供電設計必須使用一個(gè)開(kāi)關(guān)的話(huà)，應在電路中使用一些線(xiàn)性、低壓差調節器和大共模扼流圈，以盡可能地消除電路板上的開(kāi)關(guān)噪聲。值得信賴(lài)的HP6234A消除了所有這些問(wèn)題。

最后，將雙通道BlasterAmp PCB放在一個(gè)小尺寸的Hammond外殼中，沒(méi)有蓋上外殼，因為這樣可以方便地進(jìn)行各種跳線(xiàn)更換和可調電位器調整，見(jiàn)圖2。

圖2：完整的聲霸放大器示意圖。

圖中，印刷電路板被安裝在一個(gè)沖壓外殼中進(jìn)行保護。PCB右上角的黑色電纜為聲卡的音頻電纜。電源由 HP6234A線(xiàn)性工作臺電源，并通過(guò)PCB中間右側的導線(xiàn)連接器供電。

測試軟件

使用聲霸卡確實(shí)大大簡(jiǎn)化了設計，節省了開(kāi)發(fā)時(shí)間，但還需要一種方法將大動(dòng)態(tài)范圍測試信號播放到聲霸卡中。我嘗試了大概十幾種音頻測試音軟件解決方案，其中大多數的失真水平都只有60 dBc或更低，這對于聽(tīng)力測試來(lái)說(shuō)還好，但對于我的應用來(lái)說(shuō)就不夠了，我的應用需要將失真降至16位水平。

互聯(lián)網(wǎng)上有幾個(gè)發(fā)燒友網(wǎng)站提供了非常低失真的測試文件。為了回放，需要一個(gè)WAV或MP3文件播放器，循環(huán)播放時(shí)沒(méi)有死區時(shí)間。使用中發(fā)現這個(gè)“foobar2000” 程序雖然命名愚蠢，但卻是一個(gè)極好的選擇。最初使用該程序在筆記本電腦上播放白噪音，試圖在睡覺(jué)時(shí)淹沒(méi)外來(lái)聲音，另外，當循環(huán)播放白噪音文件時(shí)，不能有任何點(diǎn)擊或彈出，否則就會(huì )立即醒來(lái)。foobar2000程序非常適合BlasterAmp和睡眠。

這些預先錄制好的測試文件的頻率固定，但振幅可以根據需要通過(guò)聲霸放大器中的微調電位器或電腦的音量控制來(lái)微調。

至于能夠以編程方式設置頻率和音量，我發(fā)現了一個(gè)名為PyAudio 的Python庫，它可以生成特定幅度的精密正弦波信號，然后能夠直接從Python腳本中播放。這已經(jīng)證明可以產(chǎn)生失真非常低的信號，如圖3所示。

圖3：在DMT9000 FFT分析儀上測量聲霸放大器范圍設置為+/-10V時(shí)的測量結果?？梢钥闯?，滿(mǎn)量程失真產(chǎn)物為滿(mǎn)量程以下16位，即-96 dBc。

然而，在產(chǎn)生任何測試音時(shí)都必須小心。要么必須為測試創(chuàng )建一個(gè)連續且足夠長(cháng)的文件，要么必須連續循環(huán)。循環(huán)時(shí)，只需確保波形的起點(diǎn)和終點(diǎn)完全對齊，否則會(huì )出現不連續，這會(huì )增加循環(huán)點(diǎn)的失真。

關(guān)于使用聲霸加密狗進(jìn)行精確音調生成的最后一點(diǎn)注意事項是，請務(wù)必關(guān)閉正在播放PC上的任何音頻均衡器或控制程序，以確保沒(méi)有不可預見(jiàn)的問(wèn)題出現。

（參考原文：An easier way to test integrated analog-to-digital converters，本文為《電子工程專(zhuān)輯》2022年10月刊雜志文章）

（來(lái)源：EDN電子設計，作者：Steve Hageman,Embedded.com特約作者）

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