微機音效卡電聲測試裝置的製作方法
2023-11-03 01:50:22 1
專利名稱：微機音效卡電聲測試裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電聲測試設備，尤其是採用微機音效卡的電聲測試裝置。
現有的電聲特性參數測量必須利用一整套電聲測試儀器，如信號發生器、濾波器、功率放大器、電平表、測量傳聲器、測量放大器、示波器、電平記錄儀等，並配備條件極為苛刻的大消聲室(200～300m3)。如丹麥BK公司產的電聲測量系統由10餘臺儀器組成，價格幾十萬元，而且在測量過程中，應針對不同的參數選用不同的儀器，手工連接線路，操作複雜，其推廣應用存在較大困難。除傳統的模擬電聲測試系統外，數字測試系統(非音效卡)利用自製模數轉換電路插卡或外置數字處理器，硬體電路配套也很複雜，成本仍較高，運行速度較慢，測試軟體一般在DOS下運行，界面不直觀，操作不易掌握，各種測試需更換儀器和接線。申請號為95116592.5的專利申請提出一種電聲轉換器件參數的測量方法及其測量系統，其方法是對器件輸入間斷的窄脈衝信號，測出其輸出信號，對輸出及輸入信號進行數學變換及運算處理，得到所需參數；測量系統包括一標準傳聲器、一主機及其周邊設備；在計算機控制系統操作程序控制下，一信號發生器給被測器件提供特定發射信號；一電子開關實時接收來自標準傳聲器或信號發生器的信號，經抗混淆濾波器、前置放大器、A/D轉換器及採樣保持器分別濾波、放大、轉換及時採樣後，輸入到計算機控制系統進行變換及運算處理，處理結果由所述周邊設備輸出。南京大學(馬青玉等，南京師大學報(自然科學版)，1992((2))1998年研製成功智能化電聲器件電聲參數測試儀。該儀器由微機、檢測、列印、顯示等部分組成，在微機的控制下，一臺儀器可替代信號發生器、測量放大器、電平記錄儀和濾波器等多臺電聲測試儀器，可在消聲環境下工作，也可在線測量和控制，濾波特性為1/3倍頻程濾波，測試傳聲器採用1/2英寸電容測試傳聲器，可測2次、3次諧波失真曲線，頻響曲線可存儲、顯示，以進行電聲器件頻響比較，測試的各種參數可自動列印並顯示。
本實用新型的目的在於解決傳統電聲測試儀器在推廣應用上存在的較大困難，如大消聲室、多而複雜的儀器、昂貴的價格、複雜的手工操作、軟體DOS界面不易掌握，以及實現揚聲器生產線上的質量監控和檢驗檢疫系統現場檢驗的快速檢測，儘量降低經濟成本，提供一種採用計算機音效卡的方法實現測量信號的輸入、輸出，實現電聲測量的微機音效卡電聲測試裝置。
本實用新型設有微機與音效卡、信號控制器，微機的串行通訊口與信號控制器的串行通訊口連接，進行命令控制和數據傳送，音效卡的音頻信號輸出端及線性雙聲道輸入端分別與信號控制器的信號輸入端及雙聲道檢測輸出端連接，信號控制器的測試輸出端外接被測揚聲器或音箱，傳聲器與信號控制器的對應輸入端連接。
所說的信號控制器設有單片機、測試功率放大器、電聲測試電路、前置放大電路、選擇輸出電路，測試功率放大器的輸入端接音效卡的測試音頻信號輸出端，測試功率放大器的輸出端接電聲測試電路的測試信號輸入端後，一路經分壓取樣電路和電壓跟隨電路後接選擇輸出電路的一端；另一路經恆流或恆壓測試方式切換電路後接並聯繼電器組，再分別接至被測揚聲器和前置放大器輸入端。前置放大器的輸出端接選擇輸出電路後接音效卡的輸入端。傳聲器經電聲測試電路接至前置放大器的輸入端。單片機的串行收、發端經電平轉換電路後接微機的串行通訊口，單片機的輸出控制信號端接電聲測試電路的控制端。
本實用新型可通過計算機Windows編程實現對音效卡信號輸入輸出、信號控制器(含單片機)、串行通訊等測試過程的物理控制，使整體系統實現自動化電聲測試，並且把測試裝置簡化設計在3個部件之中計算機含音效卡、信號控制器、消音測試箱，替代一整套電聲測試儀器，聲壓和阻抗等的測量不用更換儀器和接線，由系統內部自動切換完成。該裝置在電聲測試方面採用音效卡進行信號處理。採用微機、音效卡、單片機、串行通訊、Windows編程等技術，突破了一系列關鍵技術問題(1)系統設計方案採用16位A/D轉換功能，通過在標準規定範圍內適當提高聲信號功率、減小測試距離，使傳聲器實際測得的信號增強以提高信噪比，整體信號上移，利用上部動態空間，避免小信號被噪聲淹沒，再換算為1米1瓦的結果，反過來使測量下限降低，避開了噪聲影響，從而有效地利用16位A/D精度及其動態範圍，顯著地克服了音效卡在系統主機中的本底噪聲影響；(2)採用國外較成熟的消音測試箱技術和本系統軟體的數據運算加工和數據補償處理，解決了測量環境的聲場要求；(3)利用微機及音效卡、單片機軟硬體技術在掃頻信號幅度控制上實現了信號平坦度控制；(4)可通過C++Windows編程實現控制器軟硬體、數據通訊、音效卡控制、大型視窗模塊編程等問題。具有傳統電聲測試設備的主要功能，能測試幅頻曲線、阻抗曲線、諧振頻率、交流阻抗、品質因素、特性靈敏度、有效頻率範圍、聲壓等主要電聲特性參數，其測試頻率範圍為20Hz～20KHz，整體系統平坦度為±2dB，符合電聲測試技術要求。本裝置與大消聲室中的丹麥BK電聲測試系統和德國DAAS電聲測試系統對同一Eas10p揚聲器的測試結果均值比較，特性靈敏度級、諧振頻率、交流阻抗等主要技術指標的測試結果誤差分別在±2.0dB、±1％±1Hz、±0.2Ω範圍內，測試的結果十分一致(見表1)，並在GB/T9396-1996規定允許測量誤差範圍及通常允許的測量誤差範圍之內。還具有已有電聲測試設備不可比擬的其它優點和功能，如Windows通用界面，操作簡單，自動化程度高，測試電壓、測試距離可以調節，測試過程不用更換儀器接線，各種測試可在1分鐘內完成；用戶計算機只要5MB即可安裝，能自動產生中/英文測試結果數據，不必手工抄寫，測試結果為壓縮數據文件，一個樣品的數據文件只有10K左右，文本和曲線的各種圖片可用電子文檔的形式粘貼到其它報告中，具有計量校準曲線可視化輸入功能；可重複測試曲線，同時顯示，次數無限；也可作為純音功率信號源，輸出純音正弦波、掃頻正弦波，周期、幅度均可調；還具有環境噪聲的定性測量、存儲示波器、波形分析、圖片編輯等許多功能；硬體組成部件少而簡單，尤其是僅使用1m3測試箱，佔地空間小，對環境要求不苛刻，整個系統造價僅在萬元之內，可廣泛地適用於不同層次的電聲檢測用戶、各揚聲器生產企業尤其是生產線上質量監控等(見表2)。相比之下，傳統的模擬電聲測試系統環境要求苛刻的大消聲室(200-300m3)，整套臺數多，成本通常要高出本裝置的幾十倍，僅適用於少數經濟實力雄厚的大型專業化生產企業或科研單位應用，且大部分由手工操作完成，自動化程度低，功能少；其它非音效卡的數字測試系統利用自製模數轉換電路插卡或外置數字處理器，硬體電路較複雜，成本也較高，運行速度較慢，測試軟體一般在DOS下運行，操作不方便。
表1.同一樣品不同測試系統的結果比較表
表2.本裝置與其它電聲測試系統的比較
圖1為本實用新型的組成框圖與連接方法。
圖2為本實用新型的信號控制器的組成框圖。
圖3為本實用新型的信號控制器的電原理圖。
以下實施例將結合附圖對本實用新型作進一步的說明。
如圖1所示，本實用新型設有微機與音效卡1、信號控制器2和消音測試箱3，微機與信號控制器之間用串行雙向通訊電纜連接，音效卡輸出的音頻輸出端及線性雙聲道輸入端分別與信號控制器的信號輸入端及雙聲道檢測輸出端連接，信號控制器的測試輸出端與被測揚聲器或音箱連接，傳聲器與信號控制器的對應輸入端連接。傳聲器採用電容測試傳聲器，用+12V供電，不需極化電壓，被測揚聲器安裝在消音測試箱的相應位置，在自然環境或消聲室中測量時，揚聲器安裝在標準障板上，其接線與前述相同。消音測試箱可採用已有普及的測試箱尺寸製作。消音測試箱也可用大消聲室或空曠無障礙物場地代替。
信號控制器的原理框圖如圖2所示，電原理圖如圖3所示，微機在本裝置配套的測試軟體MMLWAVE3.0運行控制下，通過音效卡4輸出測試音頻信號，經過測試功放5(SP332)的功率放大，達到相應的測試功率。
信號送至電聲測試電路6後，分為2路，其一是經過電阻R15、R16和R14分壓取樣，繼電器REL2-2可以改變分壓比，以滿足不同電壓範圍的需要，經運放TL084C電壓跟隨後(輸入端高阻抗，輸出端低阻抗，可以隔離前後電路)，送至選擇輸出電路11的繼電器REL6-2的一端，此繼電器控制信號是否接入音效卡的輸入端10的左聲道，這路信號用來對另一路被測信號(右聲道)作幅度和相位的比較和參考之用；其二是經過繼電器REL3-2/4(REL3-2/4可以切換電聲測試電路為恆流測試方式或恆壓測試方式工作)，然後進入8個繼電器並聯的繼電器組REL9-1至RELG-1，此繼電器組由單片機9控制，8個選1個導通，以選擇不同阻值的電阻串聯接入電路工作，之後信號送給被測揚聲器7，同時經電阻R55和R56的取樣後，信號經過繼電器REL4-2接通至前置放大電路12，前置放大電路12由電容C24、運放TL084A和TL084B組成，然後送給音效卡的輸入端的右聲道，這路信號是阻抗測試的被測信號。繼電器REL2-2起取樣信號的不同分壓比的切換作用，繼電器REL4-2起不同測試信號的切換作用，繼電器REL7-1和REL8-1起放大倍數的調節作用，REL6-2起選擇輸出的作用，對測試信號輸入端的左聲道是選擇參考信號還是選擇被測信號起控制作用，繼電器REL5-1起阻抗匹配的作用。
傳聲器13(MIC)在插座PJ1處接入，其信號經過繼電器REL4-2接至前置放大電路12，即電容C24、運放TL084A和TL084B，然後送給音效卡的輸入端的右聲道，這路信號是聲壓測試的被測信號。運放TL084A和TL084.B，是前置放大的主要元件。
本信號控制器的核心部件CPU採用51系列單片機8751(或89C51)，它控制整個電路的工作過程，其串行收、發端RXD、TXD經MC1488、MC1489電平轉換後，與微機的RS232串口8連接，與微機之間進行命令和數據的傳送，實現與微機之間相互通訊，此CPU由微機控制工作。微機中運行的測試軟體MMLWAVE3.0是32位Windows下運行的，本軟體用C++編程實現，對音效卡的控制是通過mmsystem.h頭文件，採用低層調用和高層調用實現，串行通訊是在9600bps波特率下進行的。
單片機9除CPU外，還有地址解碼器74LS138、地址鎖存器74S373、外部RAM存儲器CXK58256、2個數據鎖存器74LS377，2個數據鎖存器的16個輸出端與對應16個三極體的基極連接，三極體的集電極與對應的繼電器吸合線圈的一端連接，控制繼電器閉合或斷開。由於數據線與信號線較多，沒有一一畫出，標有相同網絡標號的線是有電氣連接的。
本信號控制器使用隔離變壓器降壓，7812、7912、7805、7905三端穩壓器提供+12V、-12V、+5V、-5V的直流電源，供給對應的電路工作。
為了配合本裝置的使用，可通過編制具有較強功能的應用軟體，以下給出系統的軟體設計實例1、微機Windows軟體編程a、框架生成軟體開發使用Borland C++5.0 for Windows集成開發系統，利用對象Windows庫即OWL生成程序框架，使用類、低層調用代碼及大量API完成本系統軟體應用功能的編程。
b、軟體功能的實現對於測試掃描的具體程序，把相應消息宏加入消息相應表中，再編寫具體功能程序體。但OWL不包括多媒體的消息宏，應由程式設計師手工添加，多媒體才會工作。編寫多媒體控制程序時，必須採用多媒體低層調用法、雙緩衝技術等，用於處理打開音效卡設備、數據輸入滿、輸出數據空、關閉設備等的編程實現。
2、單片機軟體編程單片機對信號控制器的全部工作起控制作用，它與微機串行通訊，又由MMLWAVE程序控制。設計串行異步數據傳輸時，首先按要求設計好硬體電路，正確選擇晶體振蕩頻率，然後確定波特率因子，計算定時常數通過單片機彙編語言的編程來設置串行收、發的工作，與串行通訊有關的寄存器有TMOD、SCON、PCON、SBUF和P，發送和接收一個字節只要把A中的數據送給SBUF或由SBUF送給A。
3、數據處理及相關工具軟體在電聲測試中，有許多程序涉及數據處理，它對結果有很重要的影響。如工作目錄、數據目錄和文件存取的歸類，數據插值和數據平均，10倍頻程對數頻率計算，聲壓和聲壓級、特性靈敏度的對數計算，幅頻響應曲線、諧振頻率、阻抗和阻抗曲線計算，品質因素值的計算等，在本設計中，對各種變量必須使用的數據類型、精度要求、計算過程的精度損失等均予以了充分考慮。
對於頻響曲線，由於消音測試箱特性、測量傳聲器特性、電路信號通道特性等的綜合作用，測出的頻響曲線結果會出現某些失真(即便是再好的環境和儀器也不可能不失真)，對此，在本設計中，已根據其規律，採取了適當的補償措施，使結果儘量接近標準測量值。其測試結果、各掃描結果曲線均可顯示、存儲、列印。圖形曲線的保存採用壓縮數據而不用位圖文件格式保存，從而大大地節省了存儲空間。所有結果數據均可重新調出顯示、列印。還具有校準軟體，用以校準系統使用的一套參數。這套參數對測量的影響很大。通過該軟體，可將計量時得出的計量曲線可視化輸入，以文件形式保存，測量時自動調用該文件，用於結果測量和計算，使計量結果擬合至系統測量結果之中。此外，本裝置還可以當作掃頻信號(幅度、周期、起終點可調)、點頻信號(幅度、頻率可調)、存儲示波器、環路示波器、環路檢測、環境噪聲的定性測量、位圖編輯、波形分析等儀器和工具來使用。
權利要求1.微機音效卡電聲測試裝置，其特徵在於設有微機與音效卡、信號控制器，微機的串行通訊口與信號控制器的串行通訊口連接，音效卡的音頻輸出端及線性雙聲道輸入端分別與信號控制器的信號輸入端及雙聲道檢測輸出端連接，信號控制器的測試輸出端外接被測揚聲器或音箱，傳聲器與信號控制器的對應輸入端連接。
2.如權利要求1所述的微機音效卡電聲測試裝置，其特徵在於所說的信號控制器設有單片機、測試功率放大器、電聲測試電路、前置放大電路、選擇輸出電路，測試功率放大器的輸入端接音效卡的測試音頻信號輸出端，測試功率放大器的輸出端接電聲測試電路的測試信號輸入端後，一路經分壓取樣電路和電壓跟隨電路後接選擇輸出電路的一端；另一路經恆流或恆壓測試方式切換電路後接並聯繼電器組，再分別接至被測揚聲器和前置放大器輸入端，前置放大器的輸出端接選擇輸出電路後接音效卡的輸入端，傳聲器經電聲測試電路接至前置放大器的輸入端，單片機串行收、發端經電平轉換電路後接微機的串行通訊口，單片機的輸出控制信號端接電聲測試電路的控制端。
專利摘要涉及電聲測試設備,尤其採用微機音效卡的電聲測試裝置。設微機與音效卡、信號控制器,微機串行通訊口接信號控制器的信號輸入端,音效卡的信號輸出端及線性雙聲道輸入端分別與信號控制器的信號輸入端及雙聲道檢測輸出端連接,信號控制器的測試輸出端外接揚聲器,傳聲器接信號控制器對應輸入端。設計簡化且經濟,採用音效卡處理信號,Windows軟體直觀易掌握,能測幅頻曲線等主要電聲特性參數,智能化。
文檔編號H04R29/00GK2485911SQ0122764
公開日2002年4月10日 申請日期2001年6月12日 優先權日2001年6月12日
發明者鍾冠平, 李海根, 周少峰, 王曲波, 江皇君 申請人:中華人民共和國廈門出入境檢驗檢疫局