labview虛擬示波器

1、labview虛擬示波器基于聲卡的虛擬示波器劉純潔20100533149基于聲卡的虛擬示波器劉純潔 2010053314一 虛擬示波器的工作原理1.1 聲卡采集數(shù)據(jù)的特點商用數(shù)據(jù)采集卡具有較大的通用性，但其價格比較昂貴，在具體的應用場合，有些功能可能并不實用。普通聲卡，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用范圍內數(shù)據(jù)采集的需要，個別性能指標還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡，而價格卻為商用數(shù)據(jù)采集卡的十幾分之一甚至幾十分之一。計算機中的聲卡本身就是一個a/d，d/a的轉化裝置，并且造價低廉，對于設計者而言，在pc上完成虛擬示波器的任務，成本幾乎為0；性能穩(wěn)定，在設計中完全可

2、以滿足要求。因此在本設計中，該虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集裝置主要基于聲卡。一般聲卡有4-5個對外接口。其中，輸出接口有2個，分別是ware out和spk out。ware out（或line out）給出的信號沒有經過放大，需要外接功率放大器，例如可以接到有源音箱；spk out給出的信號是通過功率放大的信號，可以直接接到喇叭上。這些接口可以用來作為雙通道信號發(fā)生器的輸出。圖1 聲卡的硬件結構示意圖輸入接口line in 和mic in的區(qū)別在于，后者可以接入較弱的信號，幅值大約為0.02-0.2v，顯然這個信號較易受干擾，因而常使用line in，它可以接入幅值約為不超過1.5v的信號。注意，這

3、兩個輸入端口都有隔直電容，這意味著直流信號不能被聲卡所接受。多數(shù)聲卡的輸入也是雙通道的，但接入插頭線往往將這兩個通道短接成一個通道。另外這兩個通道是共地的。聲卡的主要技術參數(shù)（1）采樣的位數(shù) 采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這個數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音也就越真實。聲卡的位是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用的數(shù)字聲音信號的二進制位數(shù)，它客觀的反映了數(shù)字聲音信號對輸入聲音信號描述的準確度。例如，8位代表；16位的代表。比較之下，一段相同的音樂信息，16位聲卡能把它分為64000個精度單位進行處理，而8位聲卡只能處理256個精度單位，最終采樣效果當然是無法相提并論的。（2）

4、采樣頻率 目前，聲卡的最高采樣頻率為44.1khz，少數(shù)達到48khz。對于民用聲卡，一般將采樣頻率設為4檔，分別是44.1khz、22.05khz、11.025khz、8khz。22.05khz只能達到fm廣播的聲音品質；44.1khz是理論上的cd音質界限，48khz則更好一些。對20khz范圍內的音頻信號，最高的采樣頻率才48khz，雖然理論上沒有問題，但似乎余量不大。使用聲卡比較大的局限在于，它不允許用戶在最高采樣頻率之下隨意設定采樣頻率，而只能分為4檔設定。這樣雖然可使制造成本降低，但卻不便于使用。用戶基本上不可能控制整周期采樣，只能通過信號處理的方法來彌補非整周期采樣帶來的問題。（

5、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任務通常是連續(xù)狀態(tài)的。為了在一個簡易的結構下較好的完成某個任務，聲卡緩沖區(qū)的設計有其獨到之處。 為了節(jié)省cpu資源，計算機的cpu并不是每次聲卡a/d或d/a結束后都要響應一次中斷，而是采用了緩沖區(qū)的工作方式。在這種工作方式下，聲卡的a/d、d/a都對某一緩沖區(qū)進行操作。以輸入聲音的a/d變換為例，每次轉換完畢后，聲卡控制芯片都將數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)，待緩沖區(qū)滿時，發(fā)出中斷給cpu，cpu響應中斷后一次性將緩沖區(qū)內的數(shù)據(jù)全部讀走。計算機總線的數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)所用時間極短，不會影響a/d變換的連續(xù)性。緩沖區(qū)的工作方式大大降低

6、了cpu響應中斷頻度，節(jié)省了系統(tǒng)資源。聲卡輸出聲音是的d/a變換也是類似的。 一般聲卡使用的緩沖區(qū)長度的默認值是8kb（8192字節(jié)）。這是由于對x86系列處理器來說，在保護模式（windows等系統(tǒng)使用的cpu工作方式）下，內存以8kb為單位被分成很多頁，對內存的任何訪問都是按頁進行，cpu保證了讀寫8kb長度的內存緩沖區(qū)時，速度足夠快，并且一般不會被其他外來事件打斷。設置8192字節(jié)或其整數(shù)倍（例如32768字節(jié)）大小的緩沖區(qū)，可以較好的保證聲卡與cpu的協(xié)調工作。（4）沒有基準電壓 聲卡不提供基準電壓，因此無論是d/a還是a/d在使用時，都需要用戶自己參照基準電壓進行標定。人耳對頻率的感

7、覺從20hz到20khz之間，而聲卡的頻率響應上限范圍在20khz。1.2 虛擬示波器工作過程使用labview構建基于聲卡的虛擬示波器的思路是很清晰的。實際的數(shù)據(jù)采集流程是：（1）初始化：對聲卡中與數(shù)據(jù)采集相關的一些硬件參數(shù)進行設置；（2）然后，聲卡開始采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)暫存在先進先出的緩沖區(qū)中；（3）當緩沖區(qū)存滿數(shù)據(jù)后，一方面將數(shù)據(jù)讀取到用戶程序的數(shù)組中，產生一個采集數(shù)據(jù)集合，并在程序中對數(shù)據(jù)進行各種處理；（4）另一方面，得到緩沖區(qū)滿的消息后，通知聲卡暫時停止采集外部數(shù)據(jù)，并進一步清空緩存里的內容。聲卡數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示，這個流程與一般數(shù)據(jù)采集卡并無多大差別，這也是本設計的最基

8、本的骨干。圖2 聲卡數(shù)據(jù)采集流程圖1.3 硬件連接硬件連接采用兩種連接線：1 一條一頭是3.5mm插孔，另一頭是鱷魚夾的連接線，2 是雙頭為3.5mm 插孔的音頻連接線（在市場上可以買的到）。為測試聲卡的頻響特性，可使用測試線2將聲卡的輸入端與輸出端連接起來，形成一個閉合的環(huán)路。連接時要注意區(qū)分mic in 口和spk out口，不要把它們當作line in 與line out接入。如果測試輸入信號，則使用測試線1把信號源連接到聲卡輸入端line in口；如果測試輸出信號，就把該測試線連接到聲卡輸出端line out口。二 labview環(huán)境下的示波器設計2.1 labview中有關聲卡的函數(shù)

9、介紹labview中提供了一系列使用windows底層函數(shù)編寫的與聲卡有關的函數(shù)。這些函數(shù)集中在圖3-3所示的為labview中graphics & sound 的函數(shù)中sound 函數(shù)中的input 函數(shù)。由于使用windows底層函數(shù)（不用更高級方便的mci函數(shù)以及directx接口）直接與聲卡驅動程序打交道，因而封裝程序低，速度快，而且可以訪問，采集緩沖區(qū)中任意位置的數(shù)據(jù)，具有很大靈活性，能夠滿足實時不間斷采集的需要。labview中的sound函數(shù)的input函數(shù)input函數(shù)簡介函數(shù)名稱功能說明configure該函數(shù)的主要功能是設置聲卡中與數(shù)據(jù)采集有關的一些硬件參數(shù)，如采樣率，數(shù)據(jù)

10、格式，緩沖區(qū)長度等。聲卡的采樣率由內部時鐘控制，只有3-4種固定頻率可選，一般將采樣頻率設置為44100hz，數(shù)據(jù)格式設置為16bit。緩沖區(qū)長度可選默認值。start該函數(shù)用于通知聲卡開始采集外部數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)會被暫存在緩沖區(qū)中，這一過程無需程序干預，由聲卡硬件使用mda直接完成，保證了采集過程的連續(xù)性。read該函數(shù)用于等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息。當產生這一消息時，它將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內容讀取到用戶程序的數(shù)組中，產生一個數(shù)據(jù)采樣集合。若計算機的速度不夠快，使得緩沖區(qū)內容被覆蓋，則會產生一個錯誤信息。這時應調節(jié)緩沖區(qū)的大小，在采樣時間和數(shù)據(jù)讀取之間找到一個理想的平衡點。stop該函數(shù)用于通知

11、聲卡停止采集外部數(shù)據(jù)。已采集而未被讀出的數(shù)據(jù)會留在緩沖區(qū)中，可以使用read函數(shù)一次讀完。clear該函數(shù)用于完成最終的清理工作。例如關閉聲卡采樣通道，釋放請求的一系列系統(tǒng)資源（包括mda，緩沖區(qū)內存，聲卡端口等）。2.2 程序結構功能設計聲卡數(shù)據(jù)采集頻譜分析參數(shù)顯示波形顯示函數(shù)信號發(fā)生器通過聲卡采集從函數(shù)信號發(fā)生器輸出的信號，然后通過程序分析和計算，能夠顯示波形已經測量頻率、幅值等參數(shù)，同時能進行頻譜分析。而該程序還可利用聲卡作為函數(shù)信號發(fā)生器使用，產生正弦波、三角波、方波等信號。2.3 初始化和數(shù)據(jù)采集程序簡要框圖如上圖所示，其中用到三個自程序，sound input configure.

12、vi，sound input read.vi，sound input clear.vi。由sound input read.vi輸出的波形數(shù)據(jù)raw date是之后進行分析和監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)。2.4 測量模塊通過對采集信號的測量，得出信號頻率、幅值、最大值、最小值、ac分量值、dc分量值等信息。使用了 統(tǒng)計.lvlib負責求取均方根和最值，而用提取單頻信息.vi測量信號頻率、幅度信息，用交流-直流分量估計.vi估算信號的交流和直流分量。2.5 波形x軸和y軸范圍控制通過對波形圖屬性節(jié)點中的x軸和y軸最大值的操作，改變顯示波形的范圍。2.6 雙通道顯示控制通過聲卡采集的數(shù)據(jù)是雙通道的，通過索引數(shù)組可以將兩路數(shù)據(jù)分別提取，在不同功能鍵按下時，條件結構對應不同的判斷值，則顯示ch1或ch2的波形。2.7 頻譜顯示模塊通過對時域信號做快速傅立葉變換得出相應的頻譜信號并且顯示出來2.8 信號發(fā)生器函數(shù)信號發(fā)生器可以產生正弦波，三角波，方波，鋸齒波信號，其頻率和幅度可調三 示波器性能分析使用標準示波器和函數(shù)信號發(fā)生器對虛擬示波器進行準確度測定結果如下虛擬函數(shù)信號發(fā)生器波形類型理論頻率(hz)實測頻率(hz)失真程度頻率上限正弦波5k5.002k無失真20k10k9.89k無