专利名称：微机声卡电声测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电声测试设备，尤其是采用微机声卡的电声测试装置。
现有的电声特性参数测量必须利用一整套电声测试仪器，如信号发生器、滤波器、功率放大器、电平表、测量传声器、测量放大器、示波器、电平记录仪等，并配备条件极为苛刻的大消声室(200～300m3)。如丹麦B&K公司产的电声测量系统由10余台仪器组成，价格几十万元，而且在测量过程中，应针对不同的参数选用不同的仪器，手工连接线路，操作复杂，其推广应用存在较大困难。除传统的模拟电声测试系统外，数字测试系统(非声卡)利用自制模数转换电路插卡或外置数字处理器，硬件电路配套也很复杂，成本仍较高，运行速度较慢，测试软件一般在DOS下运行，界面不直观，操作不易掌握，各种测试需更换仪器和接线。申请号为95116592.5的专利申请提出一种电声转换器件参数的测量方法及其测量系统，其方法是对器件输入间断的窄脉冲信号，测出其输出信号，对输出及输入信号进行数学变换及运算处理，得到所需参数；测量系统包括一标准传声器、一主机及其周边设备；在计算机控制系统操作程序控制下，一信号发生器给被测器件提供特定发射信号；一电子开关实时接收来自标准传声器或信号发生器的信号，经抗混淆滤波器、前置放大器、A/D转换器及采样保持器分别滤波、放大、转换及时采样后，输入到计算机控制系统进行变换及运算处理，处理结果由所述周边设备输出。南京大学(马青玉等，南京师大学报(自然科学版)，1992((2))1998年研制成功智能化电声器件电声参数测试仪。该仪器由微机、检测、打印、显示等部分组成，在微机的控制下，一台仪器可替代信号发生器、测量放大器、电平记录仪和滤波器等多台电声测试仪器，可在消声环境下工作，也可在线测量和控制，滤波特性为1/3倍频程滤波，测试传声器采用1/2英寸电容测试传声器，可测2次、3次谐波失真曲线，频响曲线可存储、显示，以进行电声器件频响比较，测试的各种参数可自动打印并显示。
本实用新型的目的在于解决传统电声测试仪器在推广应用上存在的较大困难，如大消声室、多而复杂的仪器、昂贵的价格、复杂的手工操作、软件DOS界面不易掌握，以及实现扬声器生产线上的质量监控和检验检疫系统现场检验的快速检测，尽量降低经济成本，提供一种采用计算机声卡的方法实现测量信号的输入、输出，实现电声测量的微机声卡电声测试装置。
本实用新型设有微机与声卡、信号控制器，微机的串行通讯口与信号控制器的串行通讯口连接，进行命令控制和数据传送，声卡的音频信号输出端及线性双声道输入端分别与信号控制器的信号输入端及双声道检测输出端连接，信号控制器的测试输出端外接被测扬声器或音箱，传声器与信号控制器的对应输入端连接。
所说的信号控制器设有单片机、测试功率放大器、电声测试电路、前置放大电路、选择输出电路，测试功率放大器的输入端接声卡的测试音频信号输出端，测试功率放大器的输出端接电声测试电路的测试信号输入端后，一路经分压取样电路和电压跟随电路后接选择输出电路的一端；另一路经恒流或恒压测试方式切换电路后接并联继电器组，再分别接至被测扬声器和前置放大器输入端。前置放大器的输出端接选择输出电路后接声卡的输入端。传声器经电声测试电路接至前置放大器的输入端。单片机的串行收、发端经电平转换电路后接微机的串行通讯口，单片机的输出控制信号端接电声测试电路的控制端。
本实用新型可通过计算机Windows编程实现对声卡信号输入输出、信号控制器(含单片机)、串行通讯等测试过程的物理控制，使整体系统实现自动化电声测试，并且把测试装置简化设计在3个部件之中计算机含声卡、信号控制器、消音测试箱，替代一整套电声测试仪器，声压和阻抗等的测量不用更换仪器和接线，由系统内部自动切换完成。该装置在电声测试方面采用声卡进行信号处理。采用微机、声卡、单片机、串行通讯、Windows编程等技术，突破了一系列关键技术问题(1)系统设计方案采用16位A/D转换功能，通过在标准规定范围内适当提高声信号功率、减小测试距离，使传声器实际测得的信号增强以提高信噪比，整体信号上移，利用上部动态空间，避免小信号被噪声淹没，再换算为1米1瓦的结果，反过来使测量下限降低，避开了噪声影响，从而有效地利用16位A/D精度及其动态范围，显著地克服了声卡在系统主机中的本底噪声影响；(2)采用国外较成熟的消音测试箱技术和本系统软件的数据运算加工和数据补偿处理，解决了测量环境的声场要求；(3)利用微机及声卡、单片机软硬件技术在扫频信号幅度控制上实现了信号平坦度控制；(4)可通过C++Windows编程实现控制器软硬件、数据通讯、声卡控制、大型视窗模块编程等问题。具有传统电声测试设备的主要功能，能测试幅频曲线、阻抗曲线、谐振频率、交流阻抗、品质因素、特性灵敏度、有效频率范围、声压等主要电声特性参数，其测试频率范围为20Hz～20KHz，整体系统平坦度为±2dB，符合电声测试技术要求。本装置与大消声室中的丹麦B&K电声测试系统和德国DAAS电声测试系统对同一Eas10p扬声器的测试结果均值比较，特性灵敏度级、谐振频率、交流阻抗等主要技术指标的测试结果误差分别在±2.0dB、±1％±1Hz、±0.2Ω范围内，测试的结果十分一致(见表1)，并在GB/T9396-1996规定允许测量误差范围及通常允许的测量误差范围之内。还具有已有电声测试设备不可比拟的其它优点和功能，如Windows通用界面，操作简单，自动化程度高，测试电压、测试距离可以调节，测试过程不用更换仪器接线，各种测试可在1分钟内完成；用户计算机只要5MB即可安装，能自动产生中/英文测试结果数据，不必手工抄写，测试结果为压缩数据文件，一个样品的数据文件只有10K左右，文本和曲线的各种图片可用电子文档的形式粘贴到其它报告中，具有计量校准曲线可视化输入功能；可重复测试曲线，同时显示，次数无限；也可作为纯音功率信号源，输出纯音正弦波、扫频正弦波，周期、幅度均可调；还具有环境噪声的定性测量、存储示波器、波形分析、图片编辑等许多功能；硬件组成部件少而简单，尤其是仅使用1m3测试箱，占地空间小，对环境要求不苛刻，整个系统造价仅在万元之内，可广泛地适用于不同层次的电声检测用户、各扬声器生产企业尤其是生产线上质量监控等(见表2)。相比之下，传统的模拟电声测试系统环境要求苛刻的大消声室(200-300m3)，整套台数多，成本通常要高出本装置的几十倍，仅适用于少数经济实力雄厚的大型专业化生产企业或科研单位应用，且大部分由手工操作完成，自动化程度低，功能少；其它非声卡的数字测试系统利用自制模数转换电路插卡或外置数字处理器，硬件电路较复杂，成本也较高，运行速度较慢，测试软件一般在DOS下运行，操作不方便。
表1.同一样品不同测试系统的结果比较表
表2.本装置与其它电声测试系统的比较
图1为本实用新型的组成框图与连接方法。
图2为本实用新型的信号控制器的组成框图。
图3为本实用新型的信号控制器的电原理图。
以下实施例将结合附图对本实用新型作进一步的说明。
如图1所示，本实用新型设有微机与声卡1、信号控制器2和消音测试箱3，微机与信号控制器之间用串行双向通讯电缆连接，声卡输出的音频输出端及线性双声道输入端分别与信号控制器的信号输入端及双声道检测输出端连接，信号控制器的测试输出端与被测扬声器或音箱连接，传声器与信号控制器的对应输入端连接。传声器采用电容测试传声器，用+12V供电，不需极化电压，被测扬声器安装在消音测试箱的相应位置，在自然环境或消声室中测量时，扬声器安装在标准障板上，其接线与前述相同。消音测试箱可采用已有普及的测试箱尺寸制作。消音测试箱也可用大消声室或空旷无障碍物场地代替。
信号控制器的原理框图如图2所示，电原理图如图3所示，微机在本装置配套的测试软件MMLWAVE3.0运行控制下，通过声卡4输出测试音频信号，经过测试功放5(SP332)的功率放大，达到相应的测试功率。
信号送至电声测试电路6后，分为2路，其一是经过电阻R15、R16和R14分压取样，继电器REL2-2可以改变分压比，以满足不同电压范围的需要，经运放TL084C电压跟随后(输入端高阻抗，输出端低阻抗，可以隔离前后电路)，送至选择输出电路11的继电器REL6-2的一端，此继电器控制信号是否接入声卡的输入端10的左声道，这路信号用来对另一路被测信号(右声道)作幅度和相位的比较和参考之用；其二是经过继电器REL3-2/4(REL3-2/4可以切换电声测试电路为恒流测试方式或恒压测试方式工作)，然后进入8个继电器并联的继电器组REL9-1至RELG-1，此继电器组由单片机9控制，8个选1个导通，以选择不同阻值的电阻串联接入电路工作，之后信号送给被测扬声器7，同时经电阻R55和R56的取样后，信号经过继电器REL4-2接通至前置放大电路12，前置放大电路12由电容C24、运放TL084A和TL084B组成，然后送给声卡的输入端的右声道，这路信号是阻抗测试的被测信号。继电器REL2-2起取样信号的不同分压比的切换作用，继电器REL4-2起不同测试信号的切换作用，继电器REL7-1和REL8-1起放大倍数的调节作用，REL6-2起选择输出的作用，对测试信号输入端的左声道是选择参考信号还是选择被测信号起控制作用，继电器REL5-1起阻抗匹配的作用。
传声器13(MIC)在插座PJ1处接入，其信号经过继电器REL4-2接至前置放大电路12，即电容C24、运放TL084A和TL084B，然后送给声卡的输入端的右声道，这路信号是声压测试的被测信号。运放TL084A和TL084.B，是前置放大的主要元件。
本信号控制器的核心部件CPU采用51系列单片机8751(或89C51)，它控制整个电路的工作过程，其串行收、发端RXD、TXD经MC1488、MC1489电平转换后，与微机的RS232串口8连接，与微机之间进行命令和数据的传送，实现与微机之间相互通讯，此CPU由微机控制工作。微机中运行的测试软件MMLWAVE3.0是32位Windows下运行的，本软件用C++编程实现，对声卡的控制是通过mmsystem.h头文件，采用低层调用和高层调用实现，串行通讯是在9600bps波特率下进行的。
单片机9除CPU外，还有地址译码器74LS138、地址锁存器74S373、外部RAM存储器CXK58256、2个数据锁存器74LS377，2个数据锁存器的16个输出端与对应16个三极管的基极连接，三极管的集电极与对应的继电器吸合线圈的一端连接，控制继电器闭合或断开。由于数据线与信号线较多，没有一一画出，标有相同网络标号的线是有电气连接的。
本信号控制器使用隔离变压器降压，7812、7912、7805、7905三端稳压器提供+12V、-12V、+5V、-5V的直流电源，供给对应的电路工作。
为了配合本装置的使用，可通过编制具有较强功能的应用软件，以下给出系统的软件设计实例1、微机Windows软件编程a、框架生成软件开发使用Borland C++5.0 for Windows集成开发系统，利用对象Windows库即OWL生成程序框架，使用类、低层调用代码及大量API完成本系统软件应用功能的编程。
b、软件功能的实现对于测试扫描的具体程序，把相应消息宏加入消息相应表中，再编写具体功能程序体。但OWL不包括多媒体的消息宏，应由程序员手工添加，多媒体才会工作。编写多媒体控制程序时，必须采用多媒体低层调用法、双缓冲技术等，用于处理打开声卡设备、数据输入满、输出数据空、关闭设备等的编程实现。
2、单片机软件编程单片机对信号控制器的全部工作起控制作用，它与微机串行通讯，又由MMLWAVE程序控制。设计串行异步数据传输时，首先按要求设计好硬件电路，正确选择晶体振荡频率，然后确定波特率因子，计算定时常数通过单片机汇编语言的编程来设置串行收、发的工作，与串行通讯有关的寄存器有TMOD、SCON、PCON、SBUF和P，发送和接收一个字节只要把A中的数据送给SBUF或由SBUF送给A。
3、数据处理及相关工具软件在电声测试中，有许多程序涉及数据处理，它对结果有很重要的影响。如工作目录、数据目录和文件存取的归类，数据插值和数据平均，10倍频程对数频率计算，声压和声压级、特性灵敏度的对数计算，幅频响应曲线、谐振频率、阻抗和阻抗曲线计算，品质因素值的计算等，在本设计中，对各种变量必须使用的数据类型、精度要求、计算过程的精度损失等均予以了充分考虑。
对于频响曲线，由于消音测试箱特性、测量传声器特性、电路信号通道特性等的综合作用，测出的频响曲线结果会出现某些失真(即便是再好的环境和仪器也不可能不失真)，对此，在本设计中，已根据其规律，采取了适当的补偿措施，使结果尽量接近标准测量值。其测试结果、各扫描结果曲线均可显示、存储、打印。图形曲线的保存采用压缩数据而不用位图文件格式保存，从而大大地节省了存储空间。所有结果数据均可重新调出显示、打印。还具有校准软件，用以校准系统使用的一套参数。这套参数对测量的影响很大。通过该软件，可将计量时得出的计量曲线可视化输入，以文件形式保存，测量时自动调用该文件，用于结果测量和计算，使计量结果拟合至系统测量结果之中。此外，本装置还可以当作扫频信号(幅度、周期、起终点可调)、点频信号(幅度、频率可调)、存储示波器、环路示波器、环路检测、环境噪声的定性测量、位图编辑、波形分析等仪器和工具来使用。
权利要求1.微机声卡电声测试装置，其特征在于设有微机与声卡、信号控制器，微机的串行通讯口与信号控制器的串行通讯口连接，声卡的音频输出端及线性双声道输入端分别与信号控制器的信号输入端及双声道检测输出端连接，信号控制器的测试输出端外接被测扬声器或音箱，传声器与信号控制器的对应输入端连接。
2.如权利要求1所述的微机声卡电声测试装置，其特征在于所说的信号控制器设有单片机、测试功率放大器、电声测试电路、前置放大电路、选择输出电路，测试功率放大器的输入端接声卡的测试音频信号输出端，测试功率放大器的输出端接电声测试电路的测试信号输入端后，一路经分压取样电路和电压跟随电路后接选择输出电路的一端；另一路经恒流或恒压测试方式切换电路后接并联继电器组，再分别接至被测扬声器和前置放大器输入端，前置放大器的输出端接选择输出电路后接声卡的输入端，传声器经电声测试电路接至前置放大器的输入端，单片机串行收、发端经电平转换电路后接微机的串行通讯口，单片机的输出控制信号端接电声测试电路的控制端。
专利摘要涉及电声测试设备,尤其采用微机声卡的电声测试装置。设微机与声卡、信号控制器,微机串行通讯口接信号控制器的信号输入端,声卡的信号输出端及线性双声道输入端分别与信号控制器的信号输入端及双声道检测输出端连接,信号控制器的测试输出端外接扬声器,传声器接信号控制器对应输入端。设计简化且经济,采用声卡处理信号,Windows软件直观易掌握,能测幅频曲线等主要电声特性参数,智能化。
文档编号H04R29/00GK2485911SQ0122764
公开日2002年4月10日 申请日期2001年6月12日 优先权日2001年6月12日
发明者钟冠平, 李海根, 周少峰, 王曲波, 江皇君 申请人:中华人民共和国厦门出入境检验检疫局