基于声卡的虚拟示波器设计实验案例.doc

案例设计信息表1. 实验课程名称：虚拟仪器课程实验2. 实验案例名称：基于声卡的虚拟示波器设计3. 实验学时安排（课内/课外）：4/84. 学生专业、年级：电子信息类、2年级5. 实验内容与任务（限500字）1） 以普通计算机声卡作为采集卡，以LabVIEW作为开发平台，设计一种方便的、灵活性强的单通道虚拟示波器，该系统能够正确采集声卡设计频率范围内的信号（普通声卡具有16位量化精度，44K采样频率），构建虚拟示波器前面板，通过调整其上的旋钮或按键，使波形便于观察；（基本）2） 双通道示波器设计，不仅具有通用双综示波器的功能，还可同时显示、记录、存储双通道输入的波形，对存储波形可通过“回放功能”显示在屏幕上；（提高）3） 设计信号调理电路，使虚拟示波器可测量声卡频率范围内的信号，如声音、脉搏、心电、脑电、电话等。（拓展应用）6. 实验过程及要求（限300字）1） 学习了解通用示波器基本结构和原理，深刻理解示波器性能指标参数，如采样速率和分辨率等；2） 学习虚拟仪器软件编程环境LabVIEW的使用，掌握虚拟仪器设计流程；3） 学习了解电脑声卡工作原理，思考声音是怎么转换为电信号，又经过那个单元由模拟信号转换为数字信号等知识；4） 构思虚拟示波器的结构、组成和实现的功能，思考在工程实践中怎么样根据需要灵活构建前面板； 5） 用LabVIEW进行软件设计，包括通道控制模块、时基控制模块、声卡设置模块、波形运算模块、数据存储与回放模块、触发控制模块、参数测量模块和滤波模块；6） 虚拟示波器信号输入通道设计，自制一个输入接头：如利用废弃的MIC接头和声卡输入端口连接起来。根据声卡参数确定虚拟示波器的分辨率、带宽、精度等技术参数指标，注意声卡制作虚拟仪器适用范围：a) 由于声卡输入端存在隔直电容，测量范围一般受限为10HZ-22KHZ；b) 最大输入电压1V；c) 声卡MIC输入端具有高增益放大器，会使信号产生较大失真，应选用LINE IN作为信号输入端口；d) 思考声卡即可输入又可输出信号，注意输出信号若作为信号源使用，可从LINE OUT取出，已获得较小的失真度，若从SPEAKER输出可获得数瓦的功率信号。7） 选用信号源对照测试，把采集的波形电压幅值、频率和信号源对比，如误差较大，分析原因，设计改进；8） 选择合适的传感器以获取声音、脉搏、心电、脑电、电话信号，并根据传感器类型选择放大器类型，设计放大电路,注意放大电路的输入阻抗和增益，实现虚拟示波器采集信号 ；9） 撰写设计总结报告，并通过分组答辩讲评，相互交流不同解决方案的特点和优点。7. 相关知识及背景（限150字）本案例是虚拟仪器技术的一个具体应用，它将软件和虚拟仪器硬件紧密结合在一起，在计算机上实现了示波器的各种功能，并可进行各种扩充。虚拟示波器三大部分除了数据采集部分由硬件实现之外，其它两部分信号处理和结果显示两部分都由软件实现。整个项目涉及到信号的调理、采集、处理和显示技术，是计算机软硬件相结合，综合应用的一种工程概念与方法，是一个较全面的现代测量综合工程技能训练案例。8. 教学目的（限100字）利用声卡来实现虚拟示波器的设计是为了帮助学生认识和掌握虚拟仪器这门实用的技术，消除学生对“虚拟仪器”的不解和疑惑，学生利用声卡不仅可以完成既定题目，还可以发挥自己的创意，编制出趣味性强且有工程实际意义的仪器，从而使学生学习的积极性得到提高。通过这一工程项目实现过程中引导学生了解掌握现代测量方法和工程实践中需要注意的一些问题；引导学生根据需要设计电路，构建测试环境，并通过测试与分析对项目作出技术评价。9. 实验教学与指导本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历计算机软硬件学习研究、系统方案论证、软硬件设计、实现调试、标准信号源测试完善、设计总结提高等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：1） 学习编程环境LabVIEW的基本编程方法，了解图形化编程环境，掌握虚拟仪器创建过程等知识。2） 学习了解声卡的知识，包括声卡的硬件结构、工作原理、主要技术参数。尤其要了解采样位数、采样频率等参数，因为这些参数决定了虚拟示波器的性能指标。另外特别要注意声卡不提供基准电压，因此无论是A/D还是D/A在使用时，都需要自己参照基准电压进行标定。3） 信号调理电路设计，由于声卡适用电压范围有限，过大或微弱的信号都要进行调理才能输入，那么信号的衰减和放大电路要专门设计，以扩大仪器测量范围。4） 在示波器设计调试完成后，必须要用标准信号源进行实际测定，标定所完成的技术指标误差；并尽可能的改进设计，减小误差。5） 在实验完成后，组织学生答辩、评讲，并进行项目交流，使学生相互了解各自项目的特点和创新点，拓宽思路。6） 项目设计中，要注意规范学生设计流程；如软件各模块构成，模块间的接口方式要求；在调试中，要注意系统工作的稳定性与可靠性；在调试分析中，要重在分析系统测量误差产生原因。10. 实验原理及方案1） 系统结构被测对象信号调理数据采集卡数据处理虚拟仪器面板被测对象信号调理数据采集卡数据处理虚拟仪器面板一般测试仪器由信号采集、信号处理和结果显示三部分组成，三部分均有硬件组成。虚拟示波器也是有这三部分组成，但除了信号采集由硬件完成之外，其它两部分均由软件实现。2） 实现方案a) 硬件方案输 入 信 号调 理 电 路声 卡P C 主 板虚拟示波器用声卡来采集交流音频信号，信号处理都是在计算机中用软件实现，所以硬件并不复杂。声卡输入电压不能太大，一般声卡是1V左右，所以如果要测量可能大于1V或微伏信号的设备，要外接信号调理电路，把信号衰减或放大到声卡量程范围内。如果信号在声卡量程范围内，可直接通过输入接头接入声卡。b) 软件方案触发控制通道控制时基控制波形运算参数测量相位测量滤波数 据 采 集数 据 处 理数 据 存 储虚拟示波器是基于计算机的虚拟技术，通过LabVIEW软件设计图形用户界面（GUI）来模仿示波器的操作面板，完成信号分析处理和显示输出等功能。 LabVIEW的程序是数据流驱动的，一个目标只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完全时才是有效的。这样，LabVIEW中被连接的方框图之间的数据流控制着程序的执行次序。从而，可以通过相互连接功能框图快速简洁地开发应用程序，甚至还可以有几个通道同步运行。该环境包括三个部分，程序前面板、框图程序和图标/连接端口。程序前面板用于设置输入数值和观察输入量，用于模拟真实仪表的前面板，在程序前面板上，输入量被称为控制，为虚拟仪器的框图程序提供数据；输出量被称为显示，显示虚拟仪器流程图中获得或产生的数据。控制和显示是以各种图标的形式出现在前面板上，如旋钮、按钮、开关、图表、图形等，要使前面板直观易懂。一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序由节点和数据连线构成，节点之间数据连线按照一定的逻辑关系相互连接，可定义框图程序内的数据流向。节点之间，节点与前面板对象之间使用数据端口和数据连线来传递数据。数据端口是数据在前面板对象和框图程序之间传输的通道，是数据在框图程序内节点之间传输的接口。LabVIEW中有两类数据接口：控制端口和指示端口以及节点端口。控制端口和指示端口用于前面板对象，当VI程序运行时，从控制输入的数据通过控制端传递到框图程序，供其中的程序使用，产生的输出数据在通过指示端口传输到前面板对应的指示中显示。虚拟示波器除了通用功能外，还可根据工程需要设计其它功能，非常灵活方便。如波形可存储为数据文件，永久保存，随时调用；通过用户编程模板，可任意组合用户的数据处理和分析功能11. 实验报告要求实验报告需要反映以下工作：1） 设计对象分析2） 整体方案论证3） 信号调理电路设计与参数选择4） 软件方案论证5） 软件流程图6） 测试标定方法7） 性能指标计算8） 误差分析总结9） 项目整体评价总结12. 考核要求与方法（限300字）1） 示波器功能验收：功能的完成程度（如电压测量、频率测量、数据存储回放等）；2） 示波器性能指标验收：用标准信号源输出信号，对比计算性能指标参数（如电压测量精度、频率测量精度等）；3） 自主创新：针对不同测量对象，仪器功能构思的巧妙性和设计的创新性；4） 实验数据：测试数据和测量误差。5） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。13. 项目特色或创新（限150字）本案例的特色在于：1) 教学实现性好。由于声卡是计算机标准配置，有成熟的驱动程序和操作系统配合，因此无需考虑软硬件兼容性问题，在跨操作系统平台时也不存在系统移植问题，项目易于实现；2) 工程综合性强。本案例实现了对音频信号实时和高保真的采集和处理，所用技术包括了PC技术、模拟电子电路技术和LabVIEW多线程等技术，既有硬件又有软件，全面锻炼学生综合知识应用能力和工程意识培养。3) 知识应用灵活。由于主要工作由软件实现，非常灵活方便，如可以把采集的数据进行存储，供以后分析使用；在PC足够快的条件下，可以实时处理数据，动态显示波形变化；如果在一台计算机上插多块声卡，可以组成多通道数据采集系统等。4) 系统性价比高。用声卡采集数据，整个系统性价比高，通用性