基于声卡的虚拟示波器设计

基于声卡的虚拟示波器设计1．引言：随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展，虚拟仪器逐渐成为现代仪器的发展方向，其中大部分虚拟仪器都是基于各种数据采集卡的，如NI公司的PCI－6221数据采集卡，研华公司PCL－1800型数据采集卡，ISA型数据采集卡AC1820。在对采样频率要求不高的情况下，可以利用计算机的声卡进行数据的输入和输出。声卡是一个非常优秀的音频信号采集系统，其数字信号处理包括模数变换器ADC（AnalogueDigitalConverter）和数模变换器DAC（DigitalAnalogueConverter），ADC用于采集音频信号，DAC则用于重现这些数字声音。声卡已成为多媒体计算机的一个标准配置，因此基于声卡的虚拟仪器具有成本低，兼容性好，通用性和灵活性强的优点，可以不接受硬件限制，安装在多台计算机上。本文利用LabVIEW8.2中的数字声音记录节点，编程实现了基于声卡的虚拟双踪数字存储示波器，采样速率为44.1KHz，线路输入端口最高电压限制为1V，对高于1V的信号采用比例运算放大电路衰减后输入，能适合很多场合的需要。从数据采集的角度来看，声卡是一种音频范围内的数据采集卡，是计算机与外部的模拟量环境联系的重要途径。2．认识声卡【1】声卡的作用声卡的主要功能包括录制与播放，编辑与合成处理MIDI接口3个部分【2】声卡的主要技术参数（1）彩样的位数采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度。这个数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音就越真实。声卡的位是指声卡在采集和播放声音文件时所使用的数字声音信号的二进制位数，它客观地反映了数字声音信号对输入声音信号的描述的准确程度。（2）采样频率目前，声卡的最高采样率是44.1KHz，少数达48KHz。对于民用声卡，一般将采样频率设为4档，分别是44.1KHz，22.05KHz，11.025KHz和8KHz。22.05KHz只能达到FM广播的音乐品质；44.1KHz是理论上的CD音质界限，48KHz则更好一些。对20KHz范围内的音频信号，最高的采样频率才48KHz，虽然理论上没问题，但似乎余量不大。使用声卡比较大的局限性在于，它不允许用户在最高采样频率之下随意设定采样频率，而只能分4档设定。这样虽然可使制造成本降低，但却不便于使用。用户基本上不可能控制整周期采样，只能通过信号处理的方法来弥补非整周期采样带来的问题。（3）缓冲区与一般的数据采集卡不同，声卡面临的D/A和A/D任务通常都是连续状态的。为了节省CPU资源，计算机的CPU并不是在每次声卡D/A或A/D结束后都要响应一次中断，而是采用了缓冲区的工作方式。在这用工作方式下，声卡的D/A，A/D都对某一缓冲区进行操作。以输入声音的A/D变换为例，每次转换完毕后，声卡控制芯片都将数据存放在缓冲区中，待缓冲区满时，发出中断给CPU，CPU响应中断后一次性将缓冲区内的数据全部读走。计算机总线的数据传输速率非常高，读取缓冲区数据所用的时间极短，不会影响A/D变换的连续性。缓冲区的工作方式大大降低了CPU响应中断的频率，节省了系统的资源。一般声卡使用的缓冲区长度的默认指是8KB。这是由于对处理器来说，在保护模式下，内存以8KB为单位被分成很多页，对内存的任何访问都是按页进行的，CPU保证了在读写8KB长度的内存缓冲区时，速度足够快，并且一般不会被其他外来事件打断。设置8192字节或其整倍数大小的缓冲区，可以较好地保证声卡与CPU的协调工作。3．LabVIEW软件简介LabVIEW软件是使用最早最广的虚拟仪器软件开发平台,它继承了传统的编程语言中的结构化和模块化特点,采用32位编译型图形化编程语言.能完成一般的数学运算和输入输出功能,具有专门用于数据采集与仪器控制的库函数和开发工具,尤其还带有专业的工具包.LabVIEW软件包给用户提供设计虚拟仪器的工作环境,包括前面板和流程图,同时还提供丰富的直观的调试工具,集开发、调试与运行于一体.这为不熟悉文本式语言编程的设计者在测控领域建立计算机仪器系统提供了一个极为便捷、轻松的图形化设计环境.在国际测控领域LabVIEW普及率已超过了39%。（1）LabVIEW中相关声卡操作函数简介：SIConfig节点用于设置声卡的参数和数字声音格式，如缓存区大小、采样速率、采样通道数（单通道或双通道）、样本位数（8bits或16bits）。本文虚拟示波器用双通道采集数据，缓存区大小为32768bytes，样本位数为16bits。SIStart节点驱动声卡开始采集数据SIRead节点从缓冲区读取数据。根据不同的数字声音格式，读取相应数据格式的数组。SIStop节点停止采集数据SIClear节点释放声卡占用的计算机资源从LabVIEW8.0起，LabVIEW中增加了许多EXPRESS的函数，省去了过去我们采用循环结构采集数据的烦恼，其中也有有关声卡采集数据的函数，如图：直接双击它，就可以在里面配置各种采集数据时的相关参数了，如图：4．系统设计（1）因为声卡输入的电压不能超过1V，故需要外加电路将信号将比例缩小，故采用比例运算电路，在同相和反相两种比例运算电路中，同相比例运算电路只能将电压信号放大，而反相比例运算电路可将电压信号缩小，但反相比例运算电路的输入阻抗较小，不符合示波器的基本原则，而同相比例运算电路又正好具有高输入阻抗，故采用两种比例运算电路混合的电路，电路图如下：111110010120KKKKUUU由公式可得出，输入信号都缩小为原来的1/10进入了声卡的采集，并且信号反相，通过程序中的相应模块，可将信号还原，在LabVIEW中显示出来。（2）程序设计的前面板如图所示，相应的程序在附件中提供程序框图的截图：5．总结声卡虽能较好地实现示波器的功能，但在实际应用中，它也存在不少缺陷。因为外接了相应的运放电路，所以在实际的测量过程中经过了从信号到电路，从电路再到声卡的过程，与普通的示波器，或是采集卡的示波器相比，中间多了一个环节，也就意味着受到外界干扰的机会也就增大了。我们在对上面的设计进行实际应用的时候也经常出现上一秒与下一秒的波形产生剧变的情况。另外由于声卡自身缺陷，对能测量的信号的范围和幅度的限制都比较高。在本设计中，比例运算放大电路作为中间级解决了部分波形较小的问题。但在信号源的频率测量方面，对兆级的信号源的频率测量时不可能得到正确的结果。当采样频率设为48KHz时，理论上能测量的信号的最高频率为24KHz。但声卡作为计算机的常用硬件，在被测信号的各项参数要求不高的时候仍然是一个不错的选择。附图一：在程序中运行时的波形附图二：用示波器测量的波形：附图三：比例运算放大电路实物图：