畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于LABVIEW和聲卡的虛擬示波器設(shè)計(jì)

1、分類號(hào) 密級(jí) u d c 編號(hào) 本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目 基于labview和聲卡的虛擬示波器設(shè)計(jì) 系 別 物理與電子信息學(xué)院 專 業(yè) 名 稱 電子信息科學(xué)與技術(shù) 年 級(jí) 2008級(jí) 學(xué) 生 姓 名 馬亞麗 學(xué) 號(hào) 0850720051 指 導(dǎo) 教 師 王懷興 二一二年五月聲 明本人所呈交的論文基于labview的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，是我在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)和查閱相關(guān)著作下獨(dú)立進(jìn)行分析研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他個(gè)人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中做了明確說明并表示謝意。 作者簽名： 日期：文獻(xiàn)綜述1 概述 示波器是

2、經(jīng)常使用的一種儀器設(shè)備，用于各類信號(hào)波形的測量和分析，但是目前這類儀器價(jià)格相對(duì)昂貴。 虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。它是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上,由用戶設(shè)計(jì)和定義其功能,具有虛擬面板. 虛擬儀器技術(shù)具有高效、易用、開放、靈活、更新快、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、用戶定義等諸多優(yōu)點(diǎn).它推動(dòng)著傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化，智能化，模塊化，網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。虛擬儀器技術(shù)就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)的分析

3、、處理、表達(dá)、傳遞、存儲(chǔ)等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。它不僅可以用于電子測量、測試、分析、計(jì)量等領(lǐng)域，而且還可以用于進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)控以及工業(yè)過程自動(dòng)化。虛擬儀器還可以廣泛用于電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等多個(gè)方面。用虛擬儀器技術(shù)只需配置必要的通用數(shù)據(jù)采集硬件，應(yīng)用圖形化編程語言labview的虛擬編程環(huán)境，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)虛擬示波器 虛擬示波器與傳統(tǒng)的示波器相比，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：價(jià)格便宜，軟件開發(fā)效率高，可操作性和可維護(hù)性好，而且具有很強(qiáng)的開放性，能夠通過升級(jí)采集卡來提高其性能。虛擬儀器已經(jīng)在現(xiàn)代測試領(lǐng)域中占據(jù)了重要的地位，并且具有廣

4、闊的發(fā)展前景。從某種意義上說，“軟件就是儀器”。所以虛擬儀器技術(shù)的研究是現(xiàn)代測試技術(shù)的一個(gè)重要課題。2 主題2.1 虛擬示波器的好處 第一，性能高。虛擬示波器技術(shù)是在pc技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全繼承了以現(xiàn)成即用的pc技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能卓越的處理器和文件i/o，使用戶在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)，就能實(shí)時(shí)進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢 第二，擴(kuò)展性強(qiáng)。得益于ni軟件的靈活性，只需更新計(jì)算機(jī)或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)用戶的整個(gè)系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候，用戶還可以把

5、它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加快產(chǎn)品上市時(shí)間。 第三，開發(fā)時(shí)間少。在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通信方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。ni設(shè)計(jì)這一軟件架構(gòu)的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使用戶輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。 第四，集成性好。虛擬示波器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。虛擬示波器軟件平臺(tái)為所有的i/o設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個(gè)測

6、量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。2.2 聲卡的介紹 聲卡一般有l(wèi)ine in和mic in兩個(gè)信號(hào)輸入插孔，聲音傳感器(本文采用通用的麥克風(fēng))信號(hào)可通過這兩個(gè)插孔連接到聲卡。若由mic in輸入，由于有前置放大器，容易引入噪聲且會(huì)導(dǎo)致信號(hào)過負(fù)荷，故推薦使用line in，其噪聲干擾小且動(dòng)態(tài)特性良好。聲卡測量信號(hào)的引入應(yīng)采用音頻電纜或屏蔽電纜以降低噪聲干擾。若輸入信號(hào)電平高于聲卡所規(guī)定的最大輸入電平，則應(yīng)在聲卡輸入插孔和被測信號(hào)之間配置一個(gè)衰減器，將被測信號(hào)衰減至不大于聲卡最大允許輸入電平。此外，將聲卡的line out端口接到耳機(jī)上還可以實(shí)時(shí)的監(jiān)聽聲音信號(hào)。在聲卡性能越來越好，成本越

7、來越低，普及率越來越高的情況下，這種方法值得在工程測量應(yīng)用及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)一步推廣和擴(kuò)充。例如，對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，采集語音信號(hào)并進(jìn)行分析和處理來實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別，還可以實(shí)現(xiàn)示波器、信號(hào)發(fā)生器及萬用表等設(shè)備在音頻信號(hào)范圍內(nèi)的基本功能。衡量聲卡的技術(shù)指標(biāo)包括復(fù)音數(shù)量、采樣頻率、采樣位數(shù)(即量化精度)、聲道數(shù)、信噪比(snr)和總諧波失真(thd)等，主要介紹如下： (1)復(fù)音數(shù)量 代表了聲卡能夠同時(shí)發(fā)出多少種聲音。復(fù)音數(shù)越大，音色就越好，播放聲音時(shí)可以聽到的聲部越多、越細(xì)膩。 (2)采樣頻率 每秒采集聲音樣本的數(shù)量。采樣頻率越高，記錄的聲音波形就越準(zhǔn)確，保真度就越高，但采樣數(shù)據(jù)量相應(yīng)變大，要求的

8、存儲(chǔ)空間也越多。 (3)采樣位數(shù) 將聲音從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)(bit)。位數(shù)越高，在定域內(nèi)能表示的聲波振幅的數(shù)目越多，記錄的音質(zhì)也就越高。例如，16位聲卡把音頻信號(hào)的大小分為216=65536個(gè)量化等級(jí)來實(shí)施上述轉(zhuǎn)換。 目前一般的聲卡最高采樣頻率可達(dá)96khz；采樣位數(shù)可達(dá)16位甚至32位；聲道數(shù)為2，即立體聲雙聲道，可同時(shí)采集兩路信號(hào)，需要時(shí)還可選用多路輸入的高檔聲卡或配置多塊聲卡；每路輸入信號(hào)的最高頻率可達(dá)22.05 khz，輸出16位的數(shù)字音頻信號(hào)，而16位數(shù)字系統(tǒng)的信噪比可達(dá)96db。3 總結(jié)虛擬示波器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)一般通用示波器的功能，而且充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能和l

9、abview 在儀器開發(fā)方面的靈活性，用戶可根據(jù)需要增加儀器的功能，根據(jù)自己的喜好設(shè)計(jì)示波器界面，同時(shí)可利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程測量，做到硬件資源和測試數(shù)據(jù)的共享。該系統(tǒng)具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，例如可在無人值守的基站，利用該虛擬示波器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過幾年的發(fā)展，使得虛擬儀器的內(nèi)涵不斷豐富，并且也走向了標(biāo)準(zhǔn)化和開放化，虛擬儀器技術(shù)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)以軟件設(shè)計(jì)為核心的自動(dòng)測試系統(tǒng)，使現(xiàn)代化測試向智能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。利用聲卡，在labview環(huán)境中構(gòu)成可以一個(gè)較高采樣精度，中等采樣頻率，而且具有靈活性的數(shù)采系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)性價(jià)比高，通用性強(qiáng)，界面友好，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便，性能穩(wěn)定可靠。在聲卡性能

10、越來越好、成本越來越低、普及率越來越高的情況下，這種辦法值得在工程測量應(yīng)用及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)一步推廣和擴(kuò)充。例如，對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，采集語音信號(hào)并進(jìn)行分析和處理來實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別，還可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器及萬用表等設(shè)備在音頻范圍內(nèi)的基本功能，其應(yīng)用前景較為廣闊。參考文獻(xiàn)1 張健，房曉溪，程學(xué)慶，韓薪莘.labview圖形化編程與實(shí)例應(yīng)用.北京：中國鐵道出版社，2005 2 戴鵬飛，王勝開，王格芳，馬欣.測試工程與labview應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2006 3 路林吉，等.虛擬儀器的應(yīng)用.電子技術(shù)，2006 4 張毅，龍風(fēng)樂等.測控系統(tǒng)中三種最新軟件的比較.計(jì)算機(jī)測量與控制，2000 5 n

11、ational instruments. labview測試與自動(dòng)化的專業(yè)軟件，2001 6 嚴(yán)奉蓮基于labview 虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集與通信設(shè)計(jì)j中國科技信息，2007 7 劉君華基于labview 的虛擬示波器設(shè)計(jì)北京：電子工業(yè)出版社，2003 8 陳敏,湯曉安,等.虛擬儀器軟件labveiw與數(shù)據(jù)采集.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2001 9 種蘭祥,張首軍,閻麗.基于計(jì)算機(jī)聲卡的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002 10 楊樂平,李海濤,宵相生,等.labview 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,2001:23924511robert h.bishop. lear

12、ning with labview 7 express m texas tech university, houston, 2006 12 管士亮.虛擬儀器總線技術(shù)的發(fā)展以及前景.中國現(xiàn)代教育設(shè)備，2005 13 嚴(yán)加法.虛擬儀器的發(fā)展前景.航空電子技術(shù)，2002 14 徐云峰, 張世慶. 基于聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì).機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006 15 計(jì)算機(jī)虛擬儀器圖形化編程labview實(shí)驗(yàn)教材.北京:中科泛華測控技術(shù)有限公司，2007 16 王美剛基于聲卡的虛擬示波器d太原理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006 17 楊樂平,李海濤,趙勇.labview 高級(jí)程序設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，2003

13、摘要：示波器是經(jīng)常使用的一種儀器設(shè)備，用于各類信號(hào)波形的測量和分析，但是目前這類儀器功能發(fā)展空間不大且價(jià)格相對(duì)昂貴；此外這類儀器也不便于攜帶和外出作業(yè)。虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和測量技術(shù)的結(jié)合，也是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。它推動(dòng)傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化，智能化，模塊化，網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。本文采用圖形化編程軟件labview設(shè)計(jì)了一種基于聲卡的虛擬示波器，它實(shí)現(xiàn)了采集聲音數(shù)據(jù)、波形顯示、參數(shù)顯示和頻譜分析的示波器的基本功能。 關(guān)鍵字： labview 虛擬儀器 示波器 虛擬示波器 abstract：oscilloscope is a often used instrument and e

14、quipment .it be used to measurement and analysis a various of signals. but this kind of instrument have the same function that dont have big space in development, and their price is very expensive; in addition this kind of instrument cant carry out to work in field. the virtual instrument is combine

15、d the computer technology with measuring technology, it is also an important technology in computer aided testing field, it pushes the development of traditional instruments toward digital, intelligent, modular, network. in this article, i use the graphical labview software design a virtual oscillog

16、raph based on sound card, it can realize the voice data collection, display the waveform, display the parameter and analysis the spectral that all are the basic functions of the oscilloscope. key words: labview virtual instruments oscilloscope virtual oscilloscope目 錄1 緒論11.1 本文的選題依據(jù)11.2 選題的背景和意義11.3

17、 虛擬示波器的發(fā)展現(xiàn)狀與前景21.4 本文的研究內(nèi)容22 基于聲卡的虛擬示波器的設(shè)計(jì)原理32.1 虛擬示波器的原理32.2 虛擬示波器的功能圖32.3 虛擬示波器的聲卡采集原理42.4 聲卡的作用和主要參數(shù)53 虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì)73.1 程序流程圖和結(jié)構(gòu)圖73.2 虛擬示波器的程序設(shè)計(jì)83.3 數(shù)據(jù)采集和處理模塊93.4 虛擬示波器的基本模塊123.5 程序的調(diào)試結(jié)果123.6 本章小結(jié)144 總結(jié)與展望154.1 總結(jié)154.2 展望15參考文獻(xiàn)17致 謝181 緒論1.1 本文的選題依據(jù) 與傳統(tǒng)示波器相比，虛擬示波器具有高效、易用、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性好等優(yōu)點(diǎn)。雖然傳統(tǒng)示波器可

18、以清晰的顯示出信號(hào)的時(shí)域特性，但是它的頻域特性一般示波器很難顯示，而虛擬示波器卻可以克服這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)頻域特性的顯示；傳統(tǒng)示波器一般不能存儲(chǔ)采集到的波形或者對(duì)存儲(chǔ)波形的長短有很嚴(yán)格的限制，即便可以保存下來，在復(fù)制到電腦里進(jìn)行分析的過程也是較為繁瑣的，而虛擬示波器卻可以很好的存儲(chǔ)采集到的波形并對(duì)其進(jìn)行分析；一般示波器是不能顯示多路通道信號(hào)相位上的關(guān)系一般只有2-4路輸入通道，而虛擬示波器卻可以向外擴(kuò)展多個(gè)輸入通道；傳統(tǒng)示波器的觸發(fā)類型是有限的，特別是對(duì)信號(hào)的觸發(fā)方式有一些特殊的要求，常用示波器是不能實(shí)現(xiàn)的，而虛擬示波器卻能克服這一限制；此外傳統(tǒng)示波器的顏色單一，而且不具備打印和遠(yuǎn)程控制功能等等，給測

19、試工作帶來了諸多不便，而虛擬儀器卻能很好的解決這一問題。1.2 選題的背景和意義示波器是電子測量、測試儀器中使用范圍非常廣泛的設(shè)備。傳統(tǒng)示波器包括帶寬示波器、取樣示波器和記憶示波器等，它們頻帶較寬，實(shí)時(shí)性較好，但是功能比較單一。采用虛擬示波器技術(shù)可以以低廉的成本解決這些弊端。虛擬示波器是虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，它使用數(shù)據(jù)采集卡采集現(xiàn)場信號(hào)，通過接口電路傳輸數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)，在憑借強(qiáng)大的監(jiān)控軟件模擬示波器的操作面板，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、分析、處理、存儲(chǔ)、再顯示、打印輸出等功能。虛擬示波器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，而且具有存儲(chǔ)、再現(xiàn)、分析、處理波形等特點(diǎn)，而且體積小，操作簡便。虛擬示波器使用功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來

20、完成信號(hào)的處理和波形的顯示，利用軟件技術(shù)在屏幕上設(shè)計(jì)出方便、逼真的儀器面板，進(jìn)行各種信號(hào)的處理、加工和分析，用各種不同的方式顯示測量結(jié)果，完成測試任務(wù)。181.3 虛擬示波器的發(fā)展現(xiàn)狀與前景 傳統(tǒng)示波器有復(fù)雜的工藝問題和知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題，發(fā)達(dá)國家的傳統(tǒng)示波器市場已具有相當(dāng)大的規(guī)模。而虛擬示波器是一個(gè)全新的領(lǐng)域，大力發(fā)展虛擬示波器技術(shù)可以避免傳統(tǒng)示波器的發(fā)展階段從而快速進(jìn)入虛擬示波器發(fā)展階段，與國外的公司處于同一起跑線形成跨越式發(fā)展。互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)使數(shù)據(jù)共享進(jìn)入了新的階段，加速了虛擬示波器的新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這些是傳統(tǒng)示波器所不可能實(shí)現(xiàn)的。國內(nèi)專家預(yù)測：未來幾年內(nèi)，我國將有50%的儀器為

21、虛擬儀器，隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬示波器將逐步取代傳統(tǒng)的測試示波器而成為測試示波器的主導(dǎo)。虛擬儀器技術(shù)的研究和發(fā)展，標(biāo)志著21世紀(jì)自動(dòng)測試和電子測試儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。虛擬示波器作為虛擬儀器的一種也高速發(fā)展著。隨著個(gè)人電腦的小型化，虛擬示波器也將朝著小型化、普及化方向發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)個(gè)人能隨身攜帶的分析儀器。復(fù)用是成熟工程領(lǐng)域的一個(gè)基本特征，使用經(jīng)過時(shí)間檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)零部件，可使常規(guī)的設(shè)計(jì)問題直接利用現(xiàn)成的解決法案來解決，變了項(xiàng)目開發(fā)時(shí)的重復(fù)設(shè)計(jì)，從而大幅度地降低開發(fā)成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。虛擬示波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也朝著這個(gè)方向發(fā)展。隨著自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化、大型化和智能化，虛擬示

22、波器軟件的設(shè)計(jì)可復(fù)用性、優(yōu)良的穩(wěn)定性、廣泛的應(yīng)用對(duì)象適應(yīng)性和用戶的可維護(hù)性，已經(jīng)使工業(yè)領(lǐng)域的重要研究方向。1.4 本文的研究內(nèi)容目前市場上的a/d采集卡和數(shù)據(jù)采集卡以及帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器等，價(jià)格昂貴，就畢業(yè)設(shè)計(jì)目的而言性價(jià)比以及實(shí)用程度不高。進(jìn)而使用計(jì)算機(jī)的聲卡，其本身就是一個(gè)a/d，d/a的轉(zhuǎn)化裝置，具有16位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率是44.1khz，完全可以滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，個(gè)別性能指標(biāo)還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中完全可以滿足要求。因此在本設(shè)計(jì)中，虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集裝置主要基于聲卡。利用聲卡實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，制作成一個(gè)簡易的示波器。示波器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、波形顯示、

23、參數(shù)測量和頻譜分析這四大功能。2 基于聲卡的虛擬示波器的設(shè)計(jì)原理2.1 虛擬示波器的原理 虛擬示波器主要由軟件完成信號(hào)的采集、處理和輸出。系統(tǒng)軟件部分包括前面板生成框圖的程序和圖標(biāo)連接端口。儀器的主要功能是：通道的選擇、時(shí)基幅值選擇、濾波器、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放等。在完成各個(gè)功能時(shí)其實(shí)示波器就是利用電子束的偏轉(zhuǎn)來顯示電信號(hào)的瞬時(shí)圖像的一種儀器。它能快速的把肉眼不能直接看見的電信號(hào)的時(shí)變用可見的形式和圖像顯示出來。 軟件通過pc機(jī)的pci總線接口控制模擬通道的阻抗匹配、放大器的增益選擇傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的內(nèi)存，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析處理、顯示、存儲(chǔ)和打印傳輸?shù)取Ｂ暱〝?shù)據(jù)采集流程如圖2-1所示：

24、圖 2-1 聲卡數(shù)據(jù)采集流程圖 本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器是基于labview軟件在pc機(jī)上將聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡的。利用labview軟件中的聲音處理函數(shù)和信號(hào)處理和分析函數(shù)，對(duì)聲卡中的輸入信號(hào)進(jìn)行采集、波形顯示、參數(shù)測量和頻譜分析，實(shí)現(xiàn)示波器的基本功能。2.2 虛擬示波器的功能圖本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器的功能首先是完成信號(hào)的采集，顯示出波形。完成波形顯示之后是對(duì)數(shù)據(jù)的參數(shù)測量。功能圖如圖2-2所示：圖2-2 虛擬示波器的功能圖2.3 虛擬示波器的聲卡采集原理模擬信號(hào)經(jīng)同軸電纜進(jìn)入采集卡的輸入通道，經(jīng)過前置濾波電路、衰減電路、可變?cè)鲆娣糯箅娐罚瑢⑿盘?hào)處理成a/d轉(zhuǎn)換器可以處理的標(biāo)準(zhǔn)電平，經(jīng)過a/d采樣量

25、化轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)并緩存到卡上的存儲(chǔ)器。通過pci總線接口控制模擬通道的阻抗匹配、放大器的增益選擇、啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換結(jié)束的識(shí)別，并將采集數(shù)據(jù)以dma的方式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析處理、顯示、分析、存儲(chǔ)和打印傳輸?shù)?。使用labview構(gòu)建基于聲卡的虛擬示波器的思路是很明確的。實(shí)際的數(shù)據(jù)采集流程是：（1）初始化：對(duì)聲卡中與數(shù)據(jù)采集有關(guān)的硬件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；（2）采集：聲卡開始采集數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)暫存在緩沖區(qū)；（3）數(shù)據(jù)集合：當(dāng)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存滿后，在得到緩沖區(qū)滿的信息后，通知聲卡暫停采集外部數(shù)據(jù)并清空緩存的數(shù)據(jù)；同時(shí)將數(shù)據(jù)讀取到用戶程序的數(shù)組中產(chǎn)生一個(gè)采集的數(shù)據(jù)集合并在

26、程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理。虛擬示波器是采用基于計(jì)算機(jī)的虛擬技術(shù)，用以模擬通用示波器的面板操作和處理功能，即使用個(gè)人計(jì)算機(jī)及接口電路來采集現(xiàn)場信號(hào)，并通過圖形用戶界面（gui）來模仿示波器的操作面板，完成信號(hào)的采集、調(diào)制、分析處理和顯示輸出等功能。本論文所設(shè)計(jì)的虛擬示波器，是在數(shù)據(jù)采集硬件的支持下，配備一定功能的軟件，完成波形的存儲(chǔ)、分析、顯示等功能。測試儀器都是由信號(hào)采集、信號(hào)處理和結(jié)果顯示構(gòu)成的，它們都是由硬件構(gòu)成的。虛擬示波器也是這三部分組成，但是信號(hào)處理和結(jié)果顯示這兩部分是由軟件實(shí)現(xiàn)的。本論文設(shè)計(jì)的虛擬示波器大體上包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測量、頻譜分析等幾個(gè)模塊，虛擬示波器的結(jié)構(gòu)圖如

27、2-3所示：圖2-3 示波器的結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖解釋：信號(hào)輸入是由計(jì)算機(jī)輸入一段音頻數(shù)據(jù)，然后聲卡采集數(shù)據(jù)，之后聲卡把采集到的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)；labview中的聲音函數(shù)讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，讀取到數(shù)據(jù)后運(yùn)行；虛擬示波器就可以顯示信號(hào)的波形、參數(shù)測量和頻譜分析。2.4 聲卡的作用和主要參數(shù)從數(shù)據(jù)采集的角度看，聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)的采集卡，計(jì)算機(jī)與外部的模擬量間聯(lián)系的重要途徑。labview提供了操作聲卡的函數(shù)，聲卡主要有錄制和播放、編輯與合成處理、midi借口三大功能。（1）錄制和播放：通過聲卡，用戶可把來自話筒、收錄機(jī)等外部音源的聲音錄入計(jì)算機(jī)，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字文件進(jìn)行存儲(chǔ)和編輯；用戶也可以將數(shù)字文

28、件還原成音頻信號(hào)，通過揚(yáng)聲器回放，如播放cd、vd、dvd等。在進(jìn)行錄制和回放時(shí)，在進(jìn)行a/d、d/a的轉(zhuǎn)換是同時(shí)還在進(jìn)行壓縮和解壓處理。（2）編輯與合成處理：通過對(duì)音頻文件進(jìn)行多種特效的效果處理，如加入回聲、倒放、往返放音和雙聲道交叉放音等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種聲源音量的控制和混合。（3）midi（musical instrument digital interface 樂器數(shù)字借口）：通過midi借口和波表合成，可以記錄和回放各種接近真實(shí)樂器原生的音樂。上述功能主要是數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理，很自然的被想到用來實(shí)現(xiàn)示波器、信號(hào)處理器、頻譜分析儀等虛擬儀器。在設(shè)計(jì)基于聲卡的虛擬示波器時(shí)，參數(shù)的設(shè)置是很重

29、要的。以下介紹聲卡的主要參數(shù)：（1）采樣位數(shù) 采樣位數(shù)就是聲卡處理聲音的解析度。這個(gè)數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音就越真實(shí)。聲卡的位數(shù)是指聲卡在采集和播放聲音時(shí)所使用的數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)，它客觀地反映出數(shù)字信號(hào)對(duì)輸入聲音信號(hào)描述的準(zhǔn)確度。（2）采樣頻率 目前，聲卡的最高采樣頻率為44.1khz，有的甚至達(dá)到48khz。一般聲卡將采樣頻率設(shè)為4檔，分別是44.1khz、22.05khz、11.025khz、8khz。其中22.05khz能達(dá)到fm廣播的聲音品質(zhì)；44.1khz為cd的音質(zhì)界限，48khz能更好。對(duì)20khz范圍內(nèi)的音頻信號(hào)，最高的采樣頻率為48khz，理論上沒有問題但

30、是余量不大。使用聲卡最大的局限在于不允許用戶任意地設(shè)定采樣頻率。這樣雖然成本低廉但是局限性大。用戶不能控制整周期采樣，只能通過信號(hào)處理的方法來解決非整周期采樣帶來的弊端。（3）緩沖區(qū)與一般數(shù)據(jù)采樣卡不同，聲卡面臨的d/a和a/d任務(wù)通常是連續(xù)狀態(tài)的。為了在一個(gè)簡易的結(jié)構(gòu)下較好的完成任務(wù)，聲卡緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)有其特別之處。為了節(jié)約cpu資源，計(jì)算機(jī)的cpu并不是每次聲卡a/d或d/a后都要有一次中斷，所以采用緩沖區(qū)的方式。在緩沖區(qū)，聲卡的a/d、d/a都對(duì)某一個(gè)緩沖區(qū)進(jìn)行操作。計(jì)算機(jī)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，讀取緩存區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)間短不會(huì)影響a/d變換的連續(xù)性。緩沖區(qū)的工作方式大大的降低了cpu響應(yīng)中斷頻

31、度節(jié)約系統(tǒng)資源，聲卡輸出聲音的d/a變換類似。（4）沒有基準(zhǔn)電壓聲卡沒有基準(zhǔn)電壓，在使用a/d和d/a時(shí)，都需要用戶自己標(biāo)定基準(zhǔn)電壓。3 虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì)3.1 程序流程圖和結(jié)構(gòu)圖程序流程圖如圖3-1所示：圖 3-1 虛擬示波器程序流程圖 流程圖說明：對(duì)設(shè)計(jì)中的模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，之后通過聲卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并將采集的信號(hào)傳輸?shù)絣abview模塊中；通過labview模塊的程序運(yùn)行將信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像的形式顯示出來。最后通過對(duì)波形的測試得到各種參數(shù)。 程序的結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示： 圖 3-2 程序的結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖說明：把函數(shù)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的特定的信號(hào)傳輸給聲卡的緩沖區(qū)，聲卡進(jìn)行參數(shù)的初始化設(shè)置；設(shè)

32、置好之后將緩存區(qū)的信號(hào)讀取出來傳輸給數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行波形顯示、參數(shù)顯示和頻譜分析。3.2 虛擬示波器的程序設(shè)計(jì)3.2.1前面板的設(shè)計(jì) 本論文設(shè)計(jì)的虛擬示波器的控制面板如圖3-3所示：圖 3-3 虛擬示波器的控制面板 控制前面板簡介： 本文的前面板的作用在于顯示信號(hào)的波形、幅頻特性、相頻特性。以數(shù)據(jù)的形式顯示包括周期均方根、周期平均值、峰峰值、幅度、頻率、相位值等參數(shù)值。3.2.2 程序的總設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)的總框圖結(jié)構(gòu)如圖3-4所示： 圖 3-4 程序設(shè)計(jì)的總框圖結(jié)構(gòu) 總設(shè)計(jì)框圖簡介：信號(hào)通過聲卡采集進(jìn)入虛擬儀器中，通過設(shè)置聲卡的一些基本參數(shù)（注意

33、：聲卡的采樣頻率不能過低，這樣將會(huì)導(dǎo)致在采集過程中不能連續(xù)采集致使示波器的輸出中斷）。聲卡采集完信號(hào)數(shù)據(jù)后開始讀取數(shù)據(jù)之后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為波形顯示出來；在顯示波形的過程中，虛擬示波器還通過對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析主要包括幅頻和相頻并將其幅頻和相頻特性顯示出來；之后把波形的頻率、幅頻、相頻的數(shù)據(jù)以數(shù)組的方式進(jìn)行分析和顯示。在讀取過程中，還能把波形的周期平均、峰峰值、最大峰、最小峰、周期均方根、直流和均方根的數(shù)值顯示出來。而聲卡的讀取過程是通過一個(gè)while循環(huán)連接起來的。在讀取的過程完后，經(jīng)過聲卡的清除進(jìn)行下一次的讀取過程。在聲卡的讀取過程中，如果聲卡出發(fā)出錯(cuò)就會(huì)停止讀取，聲卡直接停止，while循環(huán)也會(huì)

34、結(jié)束。3.3數(shù)據(jù)采集和處理模塊 數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬示波器軟件的硬件驅(qū)動(dòng)部分，本文主要是利用labview中的聲卡函數(shù)完成對(duì)聲卡硬件參數(shù)的設(shè)置、啟動(dòng)聲卡采集數(shù)據(jù)、等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息、通知聲卡停止采集等任務(wù)。數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖如圖3-5所示： 圖 3-5 數(shù)據(jù)采集模塊的程序流程圖數(shù)據(jù)采集流程說明：首先是對(duì)聲卡中與數(shù)據(jù)采集有關(guān)的硬件參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置；然后是聲卡開始采集數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)咱存在緩沖區(qū)；在緩沖區(qū)存滿數(shù)據(jù)之后，一方面將數(shù)據(jù)讀取到用戶程序的數(shù)組中產(chǎn)生一個(gè)采樣數(shù)據(jù)集合，并在程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；另一方面，在得到緩沖區(qū)滿地消息后，通知聲卡暫停采集外部數(shù)據(jù)，并清除緩存區(qū)里的數(shù)據(jù)。數(shù)

35、據(jù)采集和處理模塊如圖3-6所示： 圖 3-6 數(shù)據(jù)采集和處理模塊程序簡介：在labview軟件中，對(duì)于聲卡的聲道可以分為mono 8-bit（單聲道8位），mono 16-bit（單聲道16位），stereo 8-bit（立體聲8位）和stereo 16-bit（立體聲16位）。其中，16位聲道比8位聲道采樣信號(hào)的質(zhì)量好，立體聲（stereo）比單聲道（mono）采樣信號(hào)好，最好的采樣通道形式是stereo 16-bit，這樣采樣的波形穩(wěn)定而且干擾小。另外，用單聲道采樣時(shí)左右聲道信號(hào)都相同，而且每個(gè)聲道的幅值只有原信號(hào)幅值的1/2；采用立體聲采樣時(shí)左右聲道互不干擾，可以采兩路不同的信號(hào)，而且采

36、樣的信號(hào)幅值與原幅值相同。此外如果選擇mono（單聲道），si出來的數(shù)據(jù)是標(biāo)量不能組成數(shù)組，進(jìn)而不便于數(shù)據(jù)的各種處理。所以在本設(shè)計(jì)中采用stereo 16-bit進(jìn)行雙聲道采樣。聲卡的采樣頻率（rate）有4種選擇，即8000hz，11025hz，22050hz和44100hz，采樣頻率不同，采集的波形的質(zhì)量也不同，應(yīng)視具體情況選用合適的頻率；在本設(shè)計(jì)中，為了得到更好的效果，采用了44100hz的采樣頻率。而在采樣率的選擇方面，本文采用了一個(gè)case循環(huán)，目的是在采樣率為44100hz的條件下，在循環(huán)內(nèi)產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)。3.3.1 聲音輸入的設(shè)置、讀取和清除聲音輸入設(shè)置的前面板是對(duì)聲卡參數(shù)的設(shè)置，

37、這些設(shè)置都能滿足設(shè)計(jì)的需要。聲音輸入設(shè)置函數(shù)的主要功能是設(shè)置聲卡中與數(shù)據(jù)采集有關(guān)硬件的參數(shù)，如采樣率，數(shù)據(jù)格式，緩沖區(qū)長度等。聲卡的采樣率由內(nèi)部時(shí)鐘控制，只有3到4種固定頻率可選，一般將采樣頻率設(shè)置為44100hz，數(shù)據(jù)格式設(shè)置為16bit。緩沖區(qū)長度可選默認(rèn)值。聲音輸入的讀取函數(shù)用于等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息。當(dāng)產(chǎn)生這一消息時(shí)，它將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容讀取到用戶程序的數(shù)組中，產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)采樣集合。若計(jì)算機(jī)的速度不夠快，使得緩沖區(qū)內(nèi)容被覆蓋，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤信息。這時(shí)調(diào)節(jié)緩沖區(qū)的大小，在采樣時(shí)間和數(shù)據(jù)讀取之間找到一個(gè)理想的平衡點(diǎn)。 聲音輸入的清除函數(shù)用于完成最終的清理工作。例如關(guān)閉聲卡采樣通道，釋

38、放請(qǐng)求的一系列系統(tǒng)資源（包括mda，緩沖區(qū)內(nèi)存，聲卡端口等）。3.4 虛擬示波器的基本模塊 頻率測試用于測量信號(hào)波形的頻率。其中采用的函數(shù)為extract single tone information 函數(shù)。它是用來獲取一個(gè)信號(hào)的，求出音頻信號(hào)的最高幅度或者一個(gè)指定的頻率范圍，并返回一個(gè)單一的頻率、幅度、相位值。 頻譜分析的作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。實(shí)現(xiàn)一個(gè)fft運(yùn)算。主要利用了fft spectrum 函數(shù)。fft spectrum 函數(shù)的功能為計(jì)算一個(gè)時(shí)間信號(hào)的平均fft spectrum ，其結(jié)果是返回一個(gè)幅值或相位值。 參數(shù)顯示的作用是顯示信號(hào)的參數(shù)。參數(shù)中包括周期平均，峰峰值，正峰

39、值，負(fù)峰值，周期均方根，直流，均方根。參數(shù)顯示是以數(shù)字的方式顯示。3.5 程序的調(diào)試結(jié)果在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，接下來的任務(wù)即是檢驗(yàn)此虛擬示波器是否可以正常工作并正確的反映波形的特性。下面分別從波形顯示、幅頻特性、相頻特性三方面來測試系統(tǒng)的功能。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)由于受聲卡硬件條件的限制，頻率范圍比較窄，可以用來測量音頻范圍的信號(hào)（如聲音、脈搏、心電、腦電和電話等）。在最后的測試中，采用了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器作為外部模擬信號(hào)輸入，用設(shè)計(jì)的虛擬示波器分別顯示正弦波、三角波、方波的波形。打開程序后，labview聲卡函數(shù)的通道數(shù)設(shè)置為2，采樣數(shù)設(shè)置為5000，采樣頻率設(shè)置為22050hz，聲卡的位數(shù)設(shè)置為16，。

40、接入函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波，然后點(diǎn)擊窗口左上角的“連續(xù)運(yùn)行”按鈕。采集到的聲音信號(hào)的波形如圖3-7所示： 圖3-7 聲音信號(hào)的波形顯示對(duì)聲音信號(hào)波形的相頻和幅頻分析如圖3-8所示： 圖 3-8（a）相頻分析結(jié)果 圖 3-8 (b) 頻譜分析結(jié)果 圖 3-8 頻譜分析結(jié)果對(duì)聲音信號(hào)的參數(shù)測量的結(jié)果如圖3-9所示： 圖 3-9 參數(shù)測量結(jié)果 3.6本章小結(jié)本章是設(shè)計(jì)和調(diào)試的關(guān)鍵部分，主要介紹了虛擬示波器的各個(gè)功能模塊的具體設(shè)計(jì)，包括：數(shù)據(jù)采集和處理模塊、測量模塊、頻譜分析模塊、參數(shù)顯示模塊等。將這些模塊在主vi的框圖程序中按照一定的邏輯關(guān)系組合起來，就形成了一個(gè)完整的虛擬示波器。虛擬示波器的性

41、能指標(biāo)直接關(guān)系到該示波器到的性能好壞，包括該示波器能測量到的頻率范圍，顯示是否清晰；主要由采樣頻率和采樣精度決定的。下面分別介紹本設(shè)計(jì)中的采樣頻率和采樣精度考慮到聲卡本身采集質(zhì)量問題，實(shí)際測試的模擬信號(hào)的最高采樣頻率為2.5khz。設(shè)計(jì)中選用16位采樣的聲卡，采樣精度為，分辨率約為0.0015，其中實(shí)時(shí)帶寬為2khz。由調(diào)試結(jié)果可知，設(shè)計(jì)時(shí)使用的普通價(jià)格低廉的聲卡替代了數(shù)據(jù)采集卡，在labview圖形編程語言環(huán)境下設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了便捷、靈活性強(qiáng)的虛擬示波器，在一些應(yīng)用領(lǐng)域是一種很好的選擇。本文所設(shè)計(jì)的虛擬示波器能對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集并正確顯示，達(dá)到了虛擬示波器的設(shè)計(jì)要求。4 總結(jié)與展望4.1 總結(jié) 本文設(shè)

42、計(jì)的虛擬示波器不僅具有臺(tái)式數(shù)字示波器的功能，而且充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的功能和軟件設(shè)計(jì)的靈活性。設(shè)計(jì)出的示波器不僅具有波形顯示功能，而且還具有頻譜分析和參數(shù)顯示功能。經(jīng)過測試，本文設(shè)計(jì)的示波器能對(duì)波形和參數(shù)正確的顯示，達(dá)到了虛擬示波器的設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)的研究工作和主要研究結(jié)果總結(jié)如下：（1）本文用圖形化編程語言labview對(duì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用硬件聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由于聲卡的電壓要求為1v左右，所以對(duì)小信號(hào)要進(jìn)行放大，大于1v的電壓信號(hào)要加入衰減電路。（2）充分利用了計(jì)算機(jī)的外設(shè)連接能力，聲卡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力，測試結(jié)果和波形顯示。（3）由于本文選用聲卡的最高采樣頻率為44.1khz，根據(jù)采樣定理，所能測試模擬信號(hào)的最高頻率為22khz。考慮到聲卡本身采集質(zhì)量問題，實(shí)際測試的模擬信號(hào)的最高頻率為2.5khz。（4）在相同的硬件條件下，本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器還可以通過修改和增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)回放模塊，來增加虛擬示波器的功能。4.2 展望 由于本人的水平有限和設(shè)計(jì)的條件有限，設(shè)計(jì)中尚存在許多未盡人意的地方。主要有以下幾個(gè)方面需要改進(jìn)和研究：（1）