基于聲卡的虛擬示波器設(shè)計(jì)

1、基于聲卡的虛擬示波器設(shè)計(jì)1引言：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器逐漸成為現(xiàn)代儀器的發(fā)展方向，其中大部分虛擬儀器都是基于各種數(shù)據(jù)采集卡的，如NI公司的PCI6221數(shù)據(jù)采集卡，研華公司PCL1800型數(shù)據(jù)采集卡，ISA型數(shù)據(jù)采集卡AC1820。在對(duì)采樣頻率要求不高的情況下，可以利用計(jì)算機(jī)的聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入和輸出。聲卡是一個(gè)非常優(yōu)秀的音頻信號(hào)采集系統(tǒng)，其數(shù)字信號(hào)處理包括模數(shù)變換器ADC（Analogue Digital Converter）和 數(shù)模變換器DAC（Digital Analogue Converter），ADC用于采集音頻信號(hào)，DAC則用于重現(xiàn)這些數(shù)字聲音。聲卡已成為多媒

2、體計(jì)算機(jī)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置，因此基于聲卡的虛擬儀器具有成本低，兼容性好，通用性和靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以不接受硬件限制，安裝在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上。本文利用LabVIEW8.2中的數(shù)字聲音記錄節(jié)點(diǎn)，編程實(shí)現(xiàn)了基于聲卡的虛擬雙蹤數(shù)字存儲(chǔ)示波器，采樣速率為44.1KHz，線路輸入端口最高電壓限制為1V，對(duì)高于1V的信號(hào)采用比例運(yùn)算放大電路衰減后輸入，能適合很多場(chǎng)合的需要。從數(shù)據(jù)采集的角度來看，聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，是計(jì)算機(jī)與外部的模擬量環(huán)境聯(lián)系的重要途徑。2認(rèn)識(shí)聲卡【1】聲卡的作作用聲卡的主要功能能包括錄制與與播放，編輯輯與合成處理理MIDI接接口3個(gè)部分分【2】聲卡的主主要技術(shù)參數(shù)數(shù)彩樣的位數(shù)采樣位

3、數(shù)可以理理解為聲卡處處理聲音的解解析度。這個(gè)個(gè)數(shù)值越大，解解析度就越高高，錄制和回回放的聲音就就越真實(shí)。聲聲卡的位是指指聲卡在采集集和播放聲音音文件時(shí)所使使用的數(shù)字聲聲音信號(hào)的二二進(jìn)制位數(shù)，它它客觀地反映映了數(shù)字聲音音信號(hào)對(duì)輸入入聲音信號(hào)的的描述的準(zhǔn)確確程度。采樣頻率目前，聲卡的最最高采樣率是是44.1KKHz，少數(shù)數(shù)達(dá)48KHHz。對(duì)于民民用聲卡，一一般將采樣頻頻率設(shè)為4檔檔，分別是444.1KHHz，22.05 KHz，111.0255 KHz和88 KHz。222.05 KHz只能達(dá)達(dá)到FM廣播播的音樂品質(zhì)質(zhì)；44.11 KHz是理理論上的CDD音質(zhì)界限，448 KHz則更更好一些。對(duì)對(duì)

4、20 KHz范圍圍內(nèi)的音頻信信號(hào)，最高的的采樣頻率才才48 KHz，雖雖然理論上沒沒問題，但似似乎余量不大大。使用聲卡卡比較大的局局限性在于，它它不允許用戶戶在最高采樣樣頻率之下隨隨意設(shè)定采樣樣頻率，而只只能分4檔設(shè)設(shè)定。這樣雖雖然可使制造造成本降低，但但卻不便于使使用。用戶基基本上不可能能控制整周期期采樣，只能能通過信號(hào)處處理的方法來來彌補(bǔ)非整周周期采樣帶來來的問題。緩沖區(qū)與一般的數(shù)據(jù)采采集卡不同，聲聲卡面臨的DD/A和A/D任務(wù)通常常都是連續(xù)狀狀態(tài)的。為了了節(jié)省CPUU資源，計(jì)算算機(jī)的CPUU并不是在每每次聲卡D/A或A/DD結(jié)束后都要要響應(yīng)一次中中斷，而是采采用了緩沖區(qū)區(qū)的工作方式式。在

5、這用工工作方式下，聲聲卡的D/AA，A/D都都對(duì)某一緩沖沖區(qū)進(jìn)行操作作。以輸入聲聲音的A/DD變換為例，每每次轉(zhuǎn)換完畢畢后，聲卡控控制芯片都將將數(shù)據(jù)存放在在緩沖區(qū)中，待待緩沖區(qū)滿時(shí)時(shí)，發(fā)出中斷斷給CPU，CCPU響應(yīng)中中斷后一次性性將緩沖區(qū)內(nèi)內(nèi)的數(shù)據(jù)全部部讀走。計(jì)算算機(jī)總線的數(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率率非常高，讀讀取緩沖區(qū)數(shù)數(shù)據(jù)所用的時(shí)時(shí)間極短，不不會(huì)影響A/D變換的連連續(xù)性。緩沖沖區(qū)的工作方方式大大降低低了CPU響響應(yīng)中斷的頻頻率，節(jié)省了了系統(tǒng)的資源源。一般聲卡使用的的緩沖區(qū)長(zhǎng)度度的默認(rèn)指是是8KB。這這是由于對(duì)處處理器來說，在在保護(hù)模式下下，內(nèi)存以88KB為單位位被分成很多多頁(yè)，對(duì)內(nèi)存存的任何訪問問都

6、是按頁(yè)進(jìn)進(jìn)行的，CPPU保證了在在讀寫8KBB長(zhǎng)度的內(nèi)存存緩沖區(qū)時(shí)，速速度足夠快，并并且一般不會(huì)會(huì)被其他外來來事件打斷。設(shè)設(shè)置81922字節(jié)或其整整倍數(shù)大小的的緩沖區(qū)，可可以較好地保保證聲卡與CCPU的協(xié)調(diào)調(diào)工作。3LabVIIEW軟件簡(jiǎn)簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEWW 軟件是使使用最早最廣廣的虛擬儀器器軟件開發(fā)平平臺(tái), 它繼承了了傳統(tǒng)的編程程語言中的結(jié)結(jié)構(gòu)化和模塊塊化特點(diǎn), 采用32 位編譯譯型圖形化編編程語言.能完成一般般的數(shù)學(xué)運(yùn)算算和輸入輸出出功能, 具有專門門用于數(shù)據(jù)采采集與儀器控控制的庫(kù)函數(shù)數(shù)和開發(fā)工具具, 尤其還帶帶有專業(yè)的工工具包. LLabVIEEW 軟件包包給用戶提供供設(shè)計(jì)虛擬儀儀器的工

7、作環(huán)環(huán)境, 包括前面面板和流程圖圖, 同時(shí)還提提供豐富的直直觀的調(diào)試工工具, 集開發(fā)、調(diào)調(diào)試與運(yùn)行于于一體. 這為不熟熟悉文本式語語言編程的設(shè)設(shè)計(jì)者在測(cè)控控領(lǐng)域建立計(jì)計(jì)算機(jī)儀器系系統(tǒng)提供了一一個(gè)極為便捷捷、輕松的圖圖形化設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)境. 在國(guó)際測(cè)測(cè)控領(lǐng)域LaabVIEWW 普及率已已超過了399%。（1）LabVVIEW中相相關(guān)聲卡操作作函數(shù)簡(jiǎn)介：SI Conffig節(jié)點(diǎn) 用于設(shè)置聲聲卡的參數(shù)和和數(shù)字聲音格格式，如緩存存區(qū)大小、采采樣速率、采采樣通道數(shù)（單單通道或雙通通道）、樣本本位數(shù)（8 bits 或16 biits）。本本文虛擬示波波器用雙通道道采集數(shù)據(jù)，緩緩存區(qū)大小為為327688bytes

8、s，樣本位數(shù)數(shù)為16biits。SI Starrt節(jié)點(diǎn) 驅(qū)驅(qū)動(dòng)聲卡開始始采集數(shù)據(jù)SI Readd節(jié)點(diǎn) 從緩緩沖區(qū)讀取數(shù)數(shù)據(jù)。根據(jù)不不同的數(shù)字聲聲音格式，讀讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)據(jù)格式的數(shù)組組。SI Stopp節(jié)點(diǎn) 停止止采集數(shù)據(jù)SI Cleaar節(jié)點(diǎn) 釋釋放聲卡占用用的計(jì)算機(jī)資資源從LabVIEEW8.0起起，LabVVIEW中增增加了許多EEXPRESSS的函數(shù)，省省去了過去我我們采用循環(huán)環(huán)結(jié)構(gòu)采集數(shù)數(shù)據(jù)的煩惱，其其中也有有關(guān)關(guān)聲卡采集數(shù)數(shù)據(jù)的函數(shù)，如如圖：直接雙擊它，就就可以在里面面配置各種采采集數(shù)據(jù)時(shí)的的相關(guān)參數(shù)了了，如圖：4系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）因?yàn)槁暱ㄝ斎氲碾妷簤翰荒艹^11V，故需要要外加電路將將

9、信號(hào)將比例例縮小，故采用比例運(yùn)運(yùn)算電路，在在同相和反相相兩種比例運(yùn)運(yùn)算電路中，同同相比例運(yùn)算算電路只能將將電壓信號(hào)放放大，而反相相比例運(yùn)算電電路可將電壓壓信號(hào)縮小，但但反相比例運(yùn)運(yùn)算電路的輸輸入阻抗較小小，不符合示示波器的基本本原則，而同同相比例運(yùn)算算電路又正好好具有高輸入入阻抗，故采采用兩種比例例運(yùn)算電路混混合的電路，電電路圖如下：由公式可得出，輸輸入信號(hào)都縮縮小為原來的的1/10進(jìn)進(jìn)入了聲卡的的采集，并且且信號(hào)反相，通通過程序中的的相應(yīng)模塊，可可將信號(hào)還原原，在LabbVIEW中中顯示出來。（2）程序設(shè)計(jì)計(jì)的前面板如如圖所示，相相應(yīng)的程序在在附件中提供供程序框圖的截圖圖：5總結(jié) 聲卡雖能較較好地實(shí)現(xiàn)示示波器的功能能，但在實(shí)際際應(yīng)用中，它它也存在不少少缺陷。因?yàn)闉橥饨恿讼鄳?yīng)應(yīng)的運(yùn)放電路路，所以在實(shí)實(shí)際的測(cè)量過過程中經(jīng)過了了從信號(hào)到電電路，從電路路再到聲卡的的過程，與普普通的示波器器，或是采集集卡的示波器器相比，中間間多了一個(gè)環(huán)環(huán)節(jié)，也就意意味著受到外外界干擾的機(jī)機(jī)會(huì)也就增大大了。我們?cè)谠趯?duì)上面的設(shè)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際際應(yīng)用的時(shí)候候也經(jīng)常出現(xiàn)現(xiàn)上一秒與下下一秒的波形形產(chǎn)生劇變的的情況。另外外由于聲卡自自身缺陷，對(duì)對(duì)能測(cè)量的信信號(hào)的范圍和和幅度的限制制都比較高。在在本設(shè)計(jì)中，比比例運(yùn)算放大大電路作為中中間級(jí)解決了了部分波形較較小的問題。但在信號(hào)源的頻率