labview虚拟示波器

LabView虚拟示波器基于声卡的虚拟示波器刘纯洁20100533149基于声卡的虚拟示波器刘纯洁 2010053314一 虚拟示波器的工作原理1.1 声卡采集数据的特点商用数据采集卡具有较大的通用性，但其价格比较昂贵，在具体的应用场合，有些功能可能并不实用。普通声卡，具有16位的量化精度、数据采集频率是44.1kHz，完全可以满足特定应用范围内数据采集的需要，个别性能指标还优于商用数据采集卡，而价格却为商用数据采集卡的十几分之一甚至几十分之一。计算机中的声卡本身就是一个A/D，D/A的转化装置，并且造价低廉，对于设计者而言，在PC上完成虚拟示波器的任务，成本几乎为0；性能稳定，在设计中完全可以满足要求。因此在本设计中，该虚拟示波器的数据采集装置主要基于声卡。一般声卡有4-5个对外接口。其中，输出接口有2个，分别是Ware Out和SPK Out。Ware Out（或Line Out）给出的信号没有经过放大，需要外接功率放大器，例如可以接到有源音箱；SPK Out给出的信号是通过功率放大的信号，可以直接接到喇叭上。这些接口可以用来作为双通道信号发生器的输出。图1 声卡的硬件结构示意图输入接口Line In 和Mic In的区别在于，后者可以接入较弱的信号，幅值大约为0.02-0.2V，显然这个信号较易受干扰，因而常使用Line In，它可以接入幅值约为不超过1.5V的信号。注意，这两个输入端口都有隔直电容，这意味着直流信号不能被声卡所接受。多数声卡的输入也是双通道的，但接入插头线往往将这两个通道短接成一个通道。另外这两个通道是共地的。声卡的主要技术参数（1）采样的位数 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，录制和回放的声音也就越真实。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，它客观的反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确度。例如，8位代表；16位的代表。比较之下，一段相同的音乐信息，16位声卡能把它分为64000个精度单位进行处理，而8位声卡只能处理256个精度单位，最终采样效果当然是无法相提并论的。（2）采样频率 目前，声卡的最高采样频率为44.1kHz，少数达到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、8kHz。22.05kHz只能达到FM广播的声音品质；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，虽然理论上没有问题，但似乎余量不大。使用声卡比较大的局限在于，它不允许用户在最高采样频率之下随意设定采样频率，而只能分为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 与一般数据采样卡不同，声卡面临的D/A和A/D任务通常是连续状态的。为了在一个简易的结构下较好的完成某个任务，声卡缓冲区的设计有其独到之处。 为了节省CPU资源，计算机的CPU并不是每次声卡A/D或D/A结束后都要响应一次中断，而是采用了缓冲区的工作方式。在这种工作方式下，声卡的A/D、D/A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，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响应中断频度，节省了系统资源。声卡输出声音是的D/A变换也是类似的。 一般声卡使用的缓冲区长度的默认值是8KB（8192字节）。这是由于对x86系列处理器来说，在保护模式（Windows等系统使用的CPU工作方式）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，CPU保证了读写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字节或其整数倍（例如32768字节）大小的缓冲区，可以较好的保证声卡与CPU的协调工作。（4）没有基准电压 声卡不提供基准电压，因此无论是D/A还是A/D在使用时，都需要用户自己参照基准电压进行标定。人耳对频率的感觉从20Hz到20kHz之间，而声卡的频率响应上限范围在20kHz。1.2 虚拟示波器工作过程使用LABVIEW构建基于声卡的虚拟示波器的思路是很清晰的。实际的数据采集流程是：（1）初始化：对声卡中与数据采集相关的一些硬件参数进行设置；（2）然后，声卡开始采集数据，并将采集到的数据暂存在先进先出的缓冲区中；（3）当缓冲区存满数据后，一方面将数据读取到用户程序的数组中，产生一个采集数据集合，并在程序中对数据进行各种处理；（4）另一方面，得到缓冲区满的消息后，通知声卡暂时停止采集外部数据，并进一步清空缓存里的内容。声卡数据采集流程如图2所示，这个流程与一般数据采集卡并无多大差别，这也是本设计的最基本的骨干。图2 声卡数据采集流程图1.3 硬件连接硬件连接采用两种连接线：1 一条一头是3.5mm插孔，另一头是鳄鱼夹的连接线，2 是双头为3.5mm 插孔的音频连接线（在市场上可以买的到）。为测试声卡的频响特性，可使用测试线2将声卡的输入端与输出端连接起来，形成一个闭合的环路。连接时要注意区分Mic In 口和SPK Out口，不要把它们当作Line In 与Line Out接入。如果测试输入信号，则使用测试线1把信号源连接到声卡输入端Line In口；如果测试输出信号，就把该测试线连接到声卡输出端Line Out口。二 LabView环境下的示波器设计2.1 LabView中有关声卡的函数介绍LABVIEW中提供了一系列使用Windows底层函数编写的与声卡有关的函数。这些函数集中在图3-3所示的为LABVIEW中Graphics & Sound 的函数中Sound 函数中的Input 函数。由于使用Windows底层函数（不用更高级方便的MCI函数以及DirectX接口）直接与声卡驱动程序打交道，因而封装程序低，速度快，而且可以访问，采集缓冲区中任意位置的数据，具有很大灵活性，能够满足实时不间断采集的需要。LABVIEW中的sound函数的Input函数Input函数简介函数名称功能说明configure该函数的主要功能是设置声卡中与数据采集有关的一些硬件参数，如采样率，数据格式，缓冲区长度等。声卡的采样率由内部时钟控制，只有3-4种固定频率可选，一般将采样频率设置为44100HZ，数据格式设置为16bit。缓冲区长度可选默认值。start该函数用于通知声卡开始采集外部数据。采集到的数据会被暂存在缓冲区中，这一过程无需程序干预，由声卡硬件使用MDA直接完成，保证了采集过程的连续性。read该函数用于等待采样数据缓冲区满的消息。当产生这一消息时，它将数据缓冲区的内容读取到用户程序的数组中，产生一个数据采样集合。若计算机的速度不够快，使得缓冲区内容被覆盖，则会产生一个错误信息。这时应调节缓冲区的大小，在采样时间和数据读取之间找到一个理想的平衡点。stop该函数用于通知声卡停止采集外部数据。已采集而未被读出的数据会留在缓冲区中，可以使用read函数一次读完。clear该函数用于完成最终的清理工作。例如关闭声卡采样通道，释放请求的一系列系统资源（包括MDA，缓冲区内存，声卡端口等）。2.2 程序结构功能设计声卡数据采集频谱分析参数显示波形显示函数信号发生器通过声卡采集从函数信号发生器输出的信号，然后通过程序分析和计算，能够显示波形已经测量频率、幅值等参数，同时能进行频谱分析。而该程序还可利用声卡作为函数信号发生器使用，产生正弦波、三角波、方波等信号。2.3 初始化和数据采集程序简要框图如上图所示，其中用到三个自程序，sound input configure.vi，sound input read.vi，sound input clear.vi。由sound input read.vi输出的波形数据Raw Date是之后进行分析和监测的主要数据。2.4 测量模块通过对采集信号的测量，得出信号频率、幅值、最大值、最小值、AC分量值、DC分量值等信息。使用了 统计.lvlib负责求取均方根和最值，而用提取单频信息.vi测量信号频率、幅度信息，用交流-直流分量估计.vi估算信号的交流和直流分量。2.5 波形X轴和Y轴范围控制通过对波形图属性节点中的X轴和Y轴最大值的操作，改变显示波形的范围。2.6 双通道显示控制通过声卡采集的数据是双通道的，通过索引数组可以将两路数据分别提取，在不同功能键按下时，条件结构对应不同的判断值，则显示CH1或CH2的波形。2.7 频谱显示模块通过对时域信号做快速傅立叶变换得出相应的频谱信号并且显示出来2.8 信号发生器函数信号发生器可以产生正弦波，三角波，方波，锯齿波信号，其频率和幅度可调三 示波器性能分析使用标准示波器和函数信号发生器对虚拟示波器进行准确度测定结果如下虚拟函数信号发生器波形类型理论频率(Hz)实测频率(Hz)失真程度频率上限正弦波5k5.002k无失真20k10k9.89k无失真15k14.75k无失真20k19.1k有失真方波3k3.11k有失真3k2.5k2.60k基本无失真2k2.00k无失真三角波1k1.052k无失真5k2k2.007k无失真5k5.007k有失真锯齿波2k2.036k无失真3k3k3.057k有失真虚拟示波器信号源频率(Hz)5132.082k1k4.95k10.03k测量频率5132.081k1.003k4.947k9.983k四 程序面板