Generator funkcyjny z karty dźwiękowej

64 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 Notatnik konstruktora Podstawowe informacje: ? Zakres częstotliwości wyjściowej: 1  Hz...20  kHz (sinus). ? Rozdzielczość ustawiania częstotliwości: 0,1  Hz. ? Maksymalna amplituda napięcia wyjściowego: zależna od karty dźwiękowej. ? Generowanie przebiegów o  kształtach: sinusoidalnym, trójkątnym, prostokątnym. W opisanym generatorze wykorzystuje się przetworniki C/A  na karcie dźwiękowej z częstotliwością próbkowania 96  kHz lub 44,2 kHz na kartach starszego typu. Sygnał jest pobierany z  wyjść karty dźwiękowej, które są najczęściej typu jack. Oczywiście, jak widać z samej zasady działania, genera- tor taki ma gorsze parametry niż generator sprzętowy. Generatory pozwalają uzyskać częstotliwości sygnału wyjściowego powy- żej 1 MHz, a ten jedynie kilkadziesiąt kilo- herców i to tylko dla sinusoidy. Do badania urządzeń akustycznych to jednak w  zupeł- ności wystarczy, a  z  powodu niskiej ceny nasz generator może być konkurencyjny w stosunku do firmowych. Inną zaletą jest to, że przy niskich częstotliwościach możemy uzyskać bardzo małe zniekształcenia. Sygnał odwzorowany jest z rodzielczością 16 bitów, czyli 65536 poziomów napięć. Dodatkowym mankamentem kart dźwiękowych jest to, że na sygnał wyjściowy nakładają się zakłóce- nia elektromagnetyczne wytwarzane przez płytę główną komputera oraz to, że wyjście jest separowane kondensatorem sprzęgają- cym o niewielkiej pojemności, co ogranicza pasmo od dołu. Zasada działania Do bufora o odpowiedniej długości wpi- sywane są kolejne wartości chwilowe am- Generator funkcyjny z karty dźwiękowej Generator funkcji jest podstawowym narzędziem elektronika konstruktora. Jednak fabryczne generatory są drogie i  nie każdy może sobie pozwolić na taki luksus. Alternatywnym rozwiązaniem jest generator software?owy, czyli program komputerowy sterujący kartą dźwiękową. Koszt tego rozwiązania żaden, a  program może być w  wielu przypadkach użyteczny. plitudy sygnału generowanego. Następnie bufor jest cyklicznie odczytywany przez pro- gram obsługi urządzeń typu ?Wave?, a zapi- sane w nim wartości są kolejno podawane na wyjście przetwornika C/A karty dźwiękowej. Szybkość odczytu z bufora jest stała i równa maksymalnej częstotliwości próbkowania dla danej karty. Z  tego powodu o  częstot- liwości wytwarzanego przebiegu decyduje rozłożenie danych w buforze. Należy również zauważyć, że dane po- winny być tak rozłożone, aby mieściły na ca- łej długości bufora całkowitą liczbą okresów. Wynika to z faktu, że gdy licznik procedury odczytującej dojdzie do końca bufora, zostaje wyzerowany i  odczytywanie zaczyna się od początku. Gdybyśmy nie zachowali ciągłości sygnału, wystąpiłby silny impuls zakłócający przy przejściu licznika do początku bufora. Należy zauważyć pewną prawidłowość. Częstotliwość sygnału wyjściowego jest pro- porcjonalna do liczby okresów zawartych w buforze oraz zależy od czasu odczytu całe- go bufora. Można to wyrazić wzorem: gdzie: ? N: liczba okresów w całym buforze, ? Tbuf : czas odczytu całego bufora. W naszym przypadku chcemy, aby czę- stotliwość ustawiana była z rozdzielczością 0,1  Hz, więc długość bufora ustalamy tak, aby całkowity czas odczytu wynosił 10  s. Można to wyrazić za pomocą następującego wzoru: gdzie: ? fp : częstotliwość próbkowania. ? Tbuf : czas odczytu całego bufora. ? kanały: liczba kanałów. ? bajty: liczba bajtów na próbkę. W  naszym przypadku fp =96  kHz, Tbuf =10  s, kanały=2 (stereo), bajty=2 (16 bitów). Dane są zapisywane w posta- ci liczby całkowitej ze znakiem w notacji U2, czyli odpowiadają typowi short języ- ka C++. Opisane wyżej zależności pokazano gra- ficznie na rysunku 1 i rysunku 2. Interfejs użytkownika Interfejs użytkownika napisano w  po- staci okna dialogowego o  stałej wielkości. Można w  nim wydzielić dwie podstawo- we sekcje: ustawiania częstotliwości oraz ustawiania amplitudy. Parametry te można zmieniać za pomocą suwaków lub wpisując odpowiednie wartości w pola tekstowe. Do zmiany zakresów służą przyciski typu ?Ra- dio button? i odpowiednio dla częstotliwo- ści są to: Rysunek 1. Związek między rozmieszczeniem danych w buforze a częstotliwością 65ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 Generator funkcyjny z karty dźwiękowej nych oraz uruchomieniu odpowiedniej pro- cedury odtwarzającej. Ważniejsze fragmenty programu realizującego generator funkcyjny umieszczono na listingu 1, którego dokładne przestudiowanie pozwoli zrozumieć sposób działania programu. Dokładniejszy opis funkcji ?Wave Audio? można znaleźć na stronie: http://msdn.microsoft. com/en-us/library w  sekcji: ?Win32 and COM Development/Audio and Video/Windows Multi- media/Multimedia Audio/Waveform Audio. Program napisano jako zwykłą aplika- cję Win32, niewykorzystującą żadnych roz- szerzeń ani dodatkowych bibliotek. Projekt został skompilowany z  użyciem Microsoft- Visual C++ ver.6.0, ale można go zaimporto- wać do nowszych wersji. Tomasz Krogulski tomaszkro@op.pl Ponadto, przyciskami w  sekcji ustawia- nia kształtu możemy zmieniać kształt gene- rowanego sygnału. Do wyboru są opcje po- dobne jak w  typowym generatorze funkcji, czyli: sinus, trójkąt, prostokąt. W przypadku gdy w komputerze mamy więcej niż jedno urządzenie typu ?Wave Au- dio?, możemy je wybrać za pomocą kontrolki typu ?Combo box?. Po przyciśnięciu przycisku ?Parametry? wyświetlane są parametry bieżącej (wybra- nej) karty dźwiękowej, natomiast wybranie przycisku ?Informacja? powoduje wyświe- tlenie podstawowych informacji na temat programu. Procedura generująca dźwięk Działanie tej procedury w zasadzie pole- ga na odpowiednim wypełnieniu bufora da- ? 100  Hz: umożliwia uzyskanie częstotli- wości do 100 Hz, ? 1 kHz: umożliwia uzyskanie częstotliwo- ści do 1 kHz, ? 20  kHz: umożliwia uzyskanie częstotli- wości do 20 kHz. Dla amplitudy są to: ? 1:1: maksymalna amplituda równa mak- symalnemu napięciu wyjściowemu karty dźwiękowej, ? 1:10: maksymalna amplituda równa 10% maksymalnego napięcia wyjściowego karty dźwiękowej, ? 1:100 maksymalna amplituda równa 1% maksymalnego napięcia wyjściowego karty dźwiękowej. Przy wpisaniu do pola tekstowego odpo- wiedniej wartości położenia suwaków oraz przy- ciski zakresów są aktualizowane automatycznie. Rysunek 2. Rozmieszczenie danych w buforze Listing 1. Ważniejsze fragmenty programu generatora funkcyjnego //zmienne globalne: char FU_Buffer[96000*4*10]; bufor odtwarzanych danych; HWAVEOUT FU_Hw = NULL; handler urządzenia ?Wave Audio?; WAVEFORMATEX FU_Wf; struktura parametrów przetwarzania; WAVEHDR FU_Hdr; nagłówek bufora; /*parametry: freq - częstotliwość*10; amp - amplituda (0-100000); shape - kształt: 0 - sinus, 1 - trójkąt, 2 - prostokąt; idx - indeks urządzenia ; chn ? liczba kanałów; fsample - częstotliwość próbkowania; */ void StartWave(int freq, int amp, int shape, int idx, int chn, int fsample) { if(FU_Hw) // Zamknięcie urządzenia ?Wave Audio?, jeśli jest otwarte { waveOutReset(FU_Hw); waveOutUnprepareHeader(FU_Hw, &FU_Hdr, sizeof(FU_Hdr)); waveOutClose(FU_Hw); } FU_Wf.nChannels = chn; // wypełnienie struktury FU_Wf.nSamplesPerSec = fsample; // parametrów przetwarzania FU_Wf.wBitsPerSample = 16; // która jest następnie przekazana FU_Wf.nAvgBytesPerSec = fsample*4; // do funkcji ?waveOutOpen? FU_Wf.wFormatTag = WAVE_FORMAT_PCM; FU_Wf.nBlockAlign = 4; FU_Wf.cbSize = 0; // otwarcie urządzenia ?Wave Audio? MMRESULT re1 = waveOutOpen(&FU_Hw, idx, &FU_Wf, NULL, NULL, CALLBACK_NULL); // wypełninie struktury nagłówka w której zawarty jest sposób // odtwarzania dźwięku (sygnału) FU_Hdr.dwBufferLength = fsample*chn*2*10; // długość bufora FU_Hdr.lpData = FU_Buffer; // adres bufora 66 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 Notatnik konstruktora Listing 1. cd. FU_Hdr.dwLoops = 0xFFFFFFFF; // liczba powtórzeń odczytu (całego // bufora) wpisałem maksymalną wartość, co w praktyce oznacza // nieskończoną liczbę powtórzeń FU_Hdr.dwFlags = WHDR_BEGINLOOP|WHDR_ENDLOOP; // Nagłówek jest pierwszym i zarazem ostatnim w pętli odtwarzania. union { char *cpt; short *wpt; short (*lpt)[2]; } pt; int i; pt.cpt = FU_Buffer; for(i=0; i(0.5/freal) ? -32768 : 32767; } if(chn==1) // przepisanie wartości do bufora pt.wpt[i] = val; else { pt.lpt[i][0] = val; pt.lpt[i][1] = val; } } // aby odtworzyć zawartość bufora, należy najpierw utworzyć nagłówek // za pomocą // funkcji ?waveOutPrepareHeader? waveOutPrepareHeader(FU_Hw, &FU_Hdr, sizeof(FU_Hdr)); // ustawianie amplitudy za pomocą funkcji ?waveOutSetVolume? waveOutSetVolume(FU_Hw,(unsigned short)((double)amp/100000.0*65535.0)); // rozpoczęcie odczytu - czyli start generatora waveOutWrite(FU_Hw, &FU_Hdr, sizeof(FU_Hdr)); } // Opis funkcji interfejsu API Windowsów obsługi urządzeń ?Wave // AUDIO? wykorzystywanych w naszej procedurze: // Otwarcie danego urządzenia ?Wave AUDIO? MMRESULT waveOutOpen( LPHWAVEOUT phwo, // zwracany handler dla nowo otwartego urządzenia ?Wave AUDIO? UINT_PTR uDeviceID, // numer urządzenia LPWAVEFORMATEX pwfx, // struktura z parametrami odtwarzania DWORD_PTR dwCallback, // wskaźnik do procedury obsługi odtwarzania DWORD_PTR dwCallbackInstance, // dana przesyłana do procedury obsługi DWORD fdwOpen // flagi - w naszym przypadku 0 ); // Zamknięcie urządzenia ?Wave AUDIO? waveOutClose( LPHWAVEOUT phwo // handler urządzenia ); // Wyłączenie urządzenia (zatrzymanie odtwarzania) waveOutReset( LPHWAVEOUT phwo // handler urządzenia ); 67ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 Generator funkcyjny z karty dźwiękowej Listing 1. cd. // Przygotowanie nagłówka - trzeba wywołać przed wywołaniem // ?waveOutWrite? waveOutPrepareHeader( LPHWAVEOUT phwo // handler urządzenia LPWAVEHDR pwh, // przygotowywany nagłówek UINT cbwh // wielkość nagłówka ); // Zwolnienie nagłówka oraz związanego z nim bufora danych // trzeba ją wywołać przed zwolnieniem bufora danych waveOutUnprepareHeader( HWAVEOUT hwo, // handler urządzenia LPWAVEHDR pwh, // przygotowywany nagłówek UINT cbwh // wielkość nagłówka ); // Ustawia poziom głośności waveOutSetVolume( HWAVEOUT hwo, // handler urządzenia DWORD dwVolume // poziom głośności 0-65536 ); // Procedura rozpoczynająca odtwarzanie dźwięku (zapis do kraty // dźwiękowej) waveOutWrite( HWAVEOUT hwo, // handler urządzenia LPWAVEHDR pwh, // wskaźnik do nagłówka UINT cbwh // wielkość nagłówka ); // Opis struktur wykorzystywanych przez powyższe funkcje WAVEFORMATEX // struktura z parametrami odtwarzania Poszczególne pola: WORD wFormatTag; // typ format urządzenia WORD nChannels; // liczba kanałów DWORD nSamplesPerSec; // częstotliwość przetwarzania DWORD nAvgBytesPerSec; // średnia ilość bitów na sekundę = nBlockAlign*nSamplesPerSec WORD nBlockAlign; // liczba bajtów dla jednej próbki - w naszym przypadku 4 WORD wBitsPerSample; // liczba bitów jednej próbki WORD cbSize; // rozmiar dodatkowych danych - w naszym przypadku 0 WAVEHDR // nagłówek danych do odtwarzania Poszczególne pola: LPSTR lpData; // adres bufora DWORD dwBufferLength; // długość bufora DWORD dwBytesRecorded; // liczba odczytanych bajtów DWORD_PTR dwUser; // dane użytkownika DWORD dwFlags; // najważniejsze flagi to: WHDR_BEGINLOOP - pierwszy nagłówek w  // pętli, WHDR_ENDLOOP - ostatni nagłówek; DWORD dwLoops; // liczba powtórzeń pętli struct wavehdr_tag *lpNext; // wskaźnik do następnego nagłówka DWORD_PTR reserved; // zarezerwowane R E K L A M A