如何改善音效卡示波器的低端頻率響應
作者 : Stephen Woodward，EDN特約作者
用於個人電腦的廉價標準化16位元和24位元音訊I/O硬體的出現，引發了示波器模擬應用的熱潮…
用於個人電腦的低成本標準化16位元和24位元音訊I/O硬體的出現，引發了示波器模擬應用的熱潮。其中，許多「音效卡示波器」功能強大，提供輸入縮放、觸發和時基選項、頻率分析、資料檔案儲存和內建訊號產生器。雖然硬體盡可能降低成本，但畢竟硬體是專門為音訊採集和再現而最佳化的。所以，即使是最好的軟體應用程式也只能克服硬體的基本限制，這些限制包括：
- 使用不便的低輸入阻抗：通常不超過10kΩ~30kΩ，因此可能會導致訊號源負載過重；
- 有限的輸入範圍：固定在5Vpp左右，如果明顯超過此範圍，可能會造成永久性損壞(甚至可能對連接的電腦造成損壞)；
- 頻寬限制：高階大約為20kHz左右；而低階則為10Hz、20Hz甚至100Hz。
為解決這些問題，許多參考資料中列舉了許多硬體補救措施。簡單的緩衝器和可調式衰減器可用來改善輸入阻抗和範圍，而一項基於AD583 S&H的巧妙設計(Doug Mercer在類比對話(Analog Dialogue)中：「前端將PC音效卡轉換為高速採樣示波器(Front End Turns PC Sound Card into High-Speed Sampling Oscilloscope)」)，可將頻寬上限(針對重複波形)擴展至50MHz。
音效卡示波器前端的設計理念略有不同。參考圖1所示原理圖，它將MΩ輸入阻抗與可切換的X1-X10-X100衰減器結合，隨後又將音效卡頻寬的底端擴展了10倍以上。對於雙聲道(身歷聲卡)示波器而言，也只是簡單的再複製而已。
圖1：音效卡示波器前端原理圖。
前端始於衰減器開關S1周圍的級聯電阻網路。它提供1MΩ (最小)輸入阻抗和可切換的十進位衰減，而無需使用高於2MΩ的電阻器(該點位以上的精密電阻器開始變得非常昂貴)，並具有一個簡單的「開-關-開」3位元撥動開關。
同相9051緩衝放大器電平將輸入訊號轉換為Vdd/2，並透過C1 (R1+R2)回饋網路進行可調節(對使用的特定音效卡硬體進行一次性校準)低頻校正，這正是其工作原理。
基本上，所有音效卡轉碼器都有交流耦合輸入，即使與RC時間常數相關的額定截止頻率可能低至10Hz (用於記錄圖2所示綠色跡線的轉碼器正是如此)，也會導致常見波形(如圖2中的20Hz方波)的失真(「下垂」)，當然這可能是極端和不可接受的情況。
修正包括調整(R1+R2)以使回饋時間常數等於並抵消轉碼器輸入的時間常數：本例中該數值為22ms。經過這番一次性校準，圖2中的紅色跡線顯示一個明顯改進，準確地再現了原始波形和所有類似輸入值。但這種補償並不十分完美，因為9051最終會耗盡餘量，而且轉碼器高通濾波有時比一個簡單的單極RC要複雜。但正如圖2所示，其改進效果仍顯著且有用。
圖2：低頻回應校正效果圖(綠色跡線為未校正回應，而紅色跡線為利用R1將時常數調整到22ms後的校正回應)。
當然，隨著對開始就已非常普及的、簡單、便宜且令人愉悅的音效卡硬體不斷地進行改進，最終一定會到達眾所周知的矯枉過正和失去成本效益的境地，希望這個設計不會越過那條線。
(參考原文：Input buffer and attenuator for sound card oscilloscopes extends low-end frequency response，by Stephen Woodward)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年5月號
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