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(lái)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】聲卡的作用聲卡的主要功能包括錄制與播放，編輯與合成處理MIDI接口3個(gè)部分【2】聲卡的主要技術(shù)參數(shù)（1） 彩樣的位數(shù)采樣位數(shù)可以理解

3、為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)。聲卡的位是指聲卡在采集和播放聲音文件時(shí)所使用的數(shù)字聲音信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)，它客觀地反映了數(shù)字聲音信號(hào)對(duì)輸入聲音信號(hào)的描述的準(zhǔn)確程度。（2） 采樣頻率目前，聲卡的最高采樣率是44.1KHz，少數(shù)達(dá)48KHz。對(duì)于民用聲卡，一般將采樣頻率設(shè)為4檔，分別是44.1KHz，22.05 KHz，11.025 KHz和8 KHz。22.05 KHz只能達(dá)到FM廣播的音樂(lè)品質(zhì)；44.1 KHz是理論上的CD音質(zhì)界限，48 KHz則更好一些。對(duì)20 KHz范圍內(nèi)的音頻信號(hào)，最高的采樣頻率才48 KHz，雖然理論上沒(méi)問(wèn)題，但似乎余量不大

4、。使用聲卡比較大的局限性在于，它不允許用戶在最高采樣頻率之下隨意設(shè)定采樣頻率，而只能分4檔設(shè)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(guò)信號(hào)處理的方法來(lái)彌補(bǔ)非整周期采樣帶來(lái)的問(wèn)題。（3） 緩沖區(qū)與一般的數(shù)據(jù)采集卡不同，聲卡面臨的D/A和A/D任務(wù)通常都是連續(xù)狀態(tài)的。為了節(jié)省CPU資源，計(jì)算機(jī)的CPU并不是在每次聲卡D/A或A/D結(jié)束后都要響應(yīng)一次中斷，而是采用了緩沖區(qū)的工作方式。在這用工作方式下，聲卡的D/A，A/D都對(duì)某一緩沖區(qū)進(jìn)行操作。以輸入聲音的A/D變換為例，每次轉(zhuǎn)換完畢后，聲卡控制芯片都將數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)中，待緩沖區(qū)滿時(shí)，發(fā)出中斷給CPU，C

5、PU響應(yīng)中斷后一次性將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)全部讀走。計(jì)算機(jī)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)所用的時(shí)間極短，不會(huì)影響A/D變換的連續(xù)性。緩沖區(qū)的工作方式大大降低了CPU響應(yīng)中斷的頻率，節(jié)省了系統(tǒng)的資源。一般聲卡使用的緩沖區(qū)長(zhǎng)度的默認(rèn)指是8KB。這是由于對(duì)處理器來(lái)說(shuō)，在保護(hù)模式下，內(nèi)存以8KB為單位被分成很多頁(yè)，對(duì)內(nèi)存的任何訪問(wèn)都是按頁(yè)進(jìn)行的，CPU保證了在讀寫8KB長(zhǎng)度的內(nèi)存緩沖區(qū)時(shí)，速度足夠快，并且一般不會(huì)被其他外來(lái)事件打斷。設(shè)置8192字節(jié)或其整倍數(shù)大小的緩沖區(qū)，可以較好地保證聲卡與CPU的協(xié)調(diào)工作。3LabVIEW軟件簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW 軟件是使用最早最廣的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái), 它繼承

6、了傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)化和模塊化特點(diǎn), 采用32 位編譯型圖形化編程語(yǔ)言.能完成一般的數(shù)學(xué)運(yùn)算和輸入輸出功能, 具有專門用于數(shù)據(jù)采集與儀器控制的庫(kù)函數(shù)和開(kāi)發(fā)工具, 尤其還帶有專業(yè)的工具包. LabVIEW 軟件包給用戶提供設(shè)計(jì)虛擬儀器的工作環(huán)境, 包括前面板和流程圖, 同時(shí)還提供豐富的直觀的調(diào)試工具, 集開(kāi)發(fā)、調(diào)試與運(yùn)行于一體. 這為不熟悉文本式語(yǔ)言編程的設(shè)計(jì)者在測(cè)控領(lǐng)域建立計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)提供了一個(gè)極為便捷、輕松的圖形化設(shè)計(jì)環(huán)境. 在國(guó)際測(cè)控領(lǐng)域LabVIEW 普及率已超過(guò)了39%。（1）LabVIEW中相關(guān)聲卡操作函數(shù)簡(jiǎn)介：SI Config節(jié)點(diǎn) 用于設(shè)置聲卡的參數(shù)和數(shù)字聲音格式，如緩存區(qū)

7、大小、采樣速率、采樣通道數(shù)（單通道或雙通道）、樣本位數(shù)（8 bits 或16 bits）。本文虛擬示波器用雙通道采集數(shù)據(jù)，緩存區(qū)大小為32768bytes，樣本位數(shù)為16bits。SI Start節(jié)點(diǎn) 驅(qū)動(dòng)聲卡開(kāi)始采集數(shù)據(jù)SI Read節(jié)點(diǎn) 從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的數(shù)字聲音格式，讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)格式的數(shù)組。SI Stop節(jié)點(diǎn) 停止采集數(shù)據(jù)SI Clear節(jié)點(diǎn) 釋放聲卡占用的計(jì)算機(jī)資源從LabVIEW8.0起，LabVIEW中增加了許多EXPRESS的函數(shù)，省去了過(guò)去我們采用循環(huán)結(jié)構(gòu)采集數(shù)據(jù)的煩惱，其中也有有關(guān)聲卡采集數(shù)據(jù)的函數(shù)，如圖：直接雙擊它，就可以在里面配置各種采集數(shù)據(jù)時(shí)的相關(guān)參數(shù)了，如圖

8、：4系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）因?yàn)槁暱ㄝ斎氲碾妷翰荒艹^(guò)1V，故需要外加電路將信號(hào)將比例縮小，故采用比例運(yùn)算電路，在同相和反相兩種比例運(yùn)算電路中，同相比例運(yùn)算電路只能將電壓信號(hào)放大，而反相比例運(yùn)算電路可將電壓信號(hào)縮小，但反相比例運(yùn)算電路的輸入阻抗較小，不符合示波器的基本原則，而同相比例運(yùn)算電路又正好具有高輸入阻抗，故采用兩種比例運(yùn)算電路混合的電路，電路圖如下：由公式可得出，輸入信號(hào)都縮小為原來(lái)的1/10進(jìn)入了聲卡的采集，并且信號(hào)反相，通過(guò)程序中的相應(yīng)模塊，可將信號(hào)還原，在LabVIEW中顯示出來(lái)。（2）程序設(shè)計(jì)的前面板如圖所示，相應(yīng)的程序在附件中提供程序框圖的截圖：5總結(jié) 聲卡雖能較好地實(shí)現(xiàn)示波器的功能，但在實(shí)際應(yīng)用中，它也存在不少缺陷。因?yàn)橥饨恿讼鄳?yīng)的運(yùn)放電路，所以在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中經(jīng)過(guò)了從信號(hào)到電路，從電路再到聲卡的過(guò)程，與普通的示波器，或是采集卡的示波器相比，中間多了一個(gè)環(huán)節(jié)，也就意味著受到外界干擾的機(jī)會(huì)也就增大了。我們?cè)趯?duì)上面的設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候也經(jīng)常出現(xiàn)上一秒與下一秒的波形產(chǎn)生劇變的情況。另外由于聲卡自身缺陷，對(duì)能測(cè)量的信號(hào)的范圍和幅度的限制都比較高。在本設(shè)計(jì)中，比例運(yùn)算放大電路作為中間級(jí)解決了部分波形較小的問(wèn)題。但在信號(hào)源的頻率測(cè)量方面，對(duì)兆級(jí)的信號(hào)源