（计算机软件与理论专业论文）基于声卡的rlc电路稳态特性采集系统的研究.pdf

基于声卡的r l c 电路稳态特性采集系统的研究 专业：计算机软件与理论 硕士生：廖德驹 指导教师：汤庸教授 摘要 数据采集系统作为现代化测试设备具有巨大的优势，而该系统的开发设计在国内才 刚刚起步。本文分析了相关理论，包括音频基础知识，r c 、r l 和r l c 串联电路稳态特性 和采集系统的采集卡一声卡硬件结构，将计算机技术和电子测量技术相结合，设计了以 声卡作为采集卡的r l c 电路稳态特性数据采集系统，本系统以d e l p h i 作为开发平台， 将声卡作为音频信号采集卡，调用w i n d o w s 标准a p i 函数编程，是一个成本低、性能可 靠的采集系统方案。该方案主要包括五部分，分别为信号实时采集、波形实时显示、信 号分析处理、结果显示和采集数据保存，其中，在信号实时采集的同时进行数据的分析 处理，测量结果( 如：周期、频率和相位差) 实时显示；为了便于数据分析处理，提供 了数据回放，回放速度可由用户自行调节，便于观察和分析波形。另外，该采集系统还 具有计数器功能。本采集系统使用的声卡具有1 6 位转换精度和4 4 i k h z 的采样频率， 有2 个通道，可使系统达到2 0 k 左右的模拟带宽，适合低频2 0 h z 2 0 k h z 数据采集应用 场合。采样可连续进行。 本采集系统可通过修改或增加软件模块，形成新的仪器功能，可操作性和可维护性 好。声卡的价格是某些商用数据采集卡的十几分之一，甚至几十分之一，用声卡构成的 系统价格低廉。声卡有相应的软件以及编程接口，成熟的驱动程序和操作系统配合，软 硬件兼容好，易于编译出稳定的程序，移植性强。 关键词：数据采集系统；声卡：d e l p h i ；r l c 电路稳态特性 m t h er e s e a r c ho ft h e a c q u i s i t i o ns y s t e mf o rr l cc i r c u i ts t e a d ys t a t e c h a r a c t e r i s t i ct h r o u g hs o u n dc a r d m a j o r ：c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y n a m e ：l i a od e j u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rt a n gy o n a b s t r a c t a st h em o d e mm e 嬲u r i n ge q u i p m e n t , t h ea c q u i s i t i o ns y s t e mh a sa h u g ea d v a n t a g e i n t h i sp a p e r , t h er e l e v a n tt h e o r i e sw 饿d i s c u s s e d , i n c l u d i n ga u d i ob a s i ck n o w l e d g e ，r c r la n d r l cc i r c u i ts t e a d y s t a t ec h a r a c t e r i s t i ca n ds o u n dc a r d w h i c hi s t h eh a r d w a r eo ft h e a c q u i s i t i o ns y s t e m t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i cl e s t i n gt e c h n o l o g yw e r e c o m b i n e d t h ea c q u i s i t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e d ，w h i c ha c q u i r e ds i g n a lo fr l cc i r c u i ts t e a d y s t a t et h r o u g hs o u n dc a r d f o rt h i sa c q u i s i t i o ns y s t e m , d e l p h iw a sad e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h es o u n dc a r dw a sa na c q u i s i t i o nc a r d t h ep r o g r a mw a sd e s i g n e d t h r o u g hc a l l i n gw i n d o w s s t a n d a r da p if u n c t i o n t h es y s t e mi sr e l i a b l ea n dl o w - c o g t h es y s t e mw a sc o m p o s e do f f i v e p a r t s ：a c q u i r i n gt h es i g n z di nr e a l - t i m e ，d i s p h y i n gt h ew a v e f o r mi nr e a l - t i m e ，a n a l y z i n ga n d p r o c e s s i n gt h es i g n a l ，s h o w i n gt h er e s u l ta n ds a v i n gt h ec o l l e c t i o nd a t a t h es i g n a lw a s a c q u i r e di nr e a l - t i m e a tt h es a l l l et i m e , t h es i g n a lw a sa n a l y z e da n dp r o c e s s e d t h er e s u l t ( e g p e r i o d ，f r e q u e n c ya n dp h a s e ) w a ss h o w e di nr e a l - t i m e t h ed a t ap l a y b a c kw a sp r o v i d e da n d t h eu s 盯c o u l da d j u s tt h ep l a y b a c ks p e e d o nt h eo t h e rh a n d 。t h es y s t e mw a sa l s oac o u n t e r t h es o u n dc a r dh a d2 0 ka n a l o gb a n d w i d t hw i t h1 6 0 b i tp r e c i s i o n , 4 4 1 k h zs a m p l i n g f r e q u e n c ya n d t w o c h a n n e l s ，w h i c h i ss u i t a b l ef o rt h ed a t a a c q u i s i t i o n i nl o w f r e q u e n c y ( 2 0 2 0 k h z ) c o n t i n u o u ss a m p l i n gc o u l db ec o n d u c t e d s y s t e ms o r w a r e m o d u l e sc o u l db em o d i f i e do ra d d e d ，w i t hg o o do p e r a t i o na n d m a i n t e n a n c e t h ep r i c eo ft h es o u n dc a r dw a so n eo ft e n t ho fc e r t a i nc o m m e r c i a ld a t a a c q u i s i t i o nc a r d t h ep r i c eo ft h ea c q u i s i t i o ns y s t e mw a sl o w s o u n dc a r dh a dt h e c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e ，p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，d r i v e r sa n do p e r a t i n gs y s t e m t h e r ew e r e i v g o o ds o f i m a r e a n dh a r d w a r e c o m p a t i b i l i t y i t i s e a s y t ob u i l das t a b l ea n ds t r o n g t r a n s p l a n t a t i o np r o g r a m k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ；s o u n dc a r d ；d e l p l l i ； r l cc k c m ts t e a d ys t a t ec h a r a c t e r i s t i c v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：日期：趁a4 月筐日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他 方法保存学位论文。保密的学位论文在解密后使用本规定。 学位论文作者签名：壑丝煎导师签名级 日期：纽年址月碰日日期：趔年盟月理日 1 1 问题的提出 第1 章绪论 现代科学技术正以前所未有的强劲动力，推动着社会经济迅速发展。高等教育对社 会经济发展的参与和作用比以往任何时候都变得更为强烈和直接。我国高等教育改革的 根本目标是教育要面向现代化、面向世界、面向未来。传统意义上的人才培养模式、教 学内容、教学方法和手段面临严峻挑战。进行有系统、有组织的教学内容和课程体系改 革的计划己经启动实施。 物理学是整个自然科学的基础，实验教学是物理教学的有机组成部分。现行普通高 校传统的实验教学中，一般遵循的是“验证理论”、“仪器操作方法训练”的模式。教学 手段现代化在物理实验教学过程中体现不多，计算机的使用面不够宽和教学设备陈旧、 缺乏现代气息使得学生把精力过多地浪费在实验数据采集上，而不能对物理现象、物理 规律进行深入细致的研究。学校为实验室配微机主要是用于实验室的仪器、教学材料、 实验教学人员、学生成绩的管理等，直接参与实验教学利用率偏低。 1 - 2 国内外研究历史、现状及发展趋势 目前，计算机在物理方面应用更多是模拟物理现象、处理实验数据、课前课后辅导、 计算机仿真和虚拟实验比较多，虚拟实验当前更为流行。虚拟仪器技术开发平台主要有 美国国家仪器有限公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 简称n i 的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s p c v i 、 m e a s u r e m e n ts t u d i o 和a g il e n t ( 安捷伦) 的v e e 。 计算机采集在物理方面应用相对较少。在此方面比较典型的应用有北京大学和天津 市港东科技发展有限公司研制的w g d - 6 型光学多通道分析器“1 。它是集光学、精密机械、 电子学、计算机技术于一体的精密仪器，能够更为精确的进行光谱测量。通过对汞灯定 标和测量发光二极管的光谱，达到对光谱进行分析、从而理解光谱特性；掌握光谱测量 方法和实验数据的分析与处理。w g d 一6 型光学多通道分析器由光栅单色仪、c c d 接收单 元、扫描系统、电子放大器、a d 采集单元及计算机组成，它集光学、精密机械、电子 学、计算机技术于一体，可用于分析3 0 0 n m - - 9 0 0 n m 范围内的光谱。c c d 传感器是w g d 一6 型光学多通道分析器数据采集部分的核心，也是整个系统的关键所在，它的作用是将衍 射光谱转换成电信号。计算机处理部分是控制整个系统工作，利用c c d 软件控制睡眠处 理系统能实现文件打开，数据保存，打印曲线和打印数据，动态的实时采集数据并显示 谱线。数据处理菜单项中，有数据相加、相减、检峰、扩展和平滑。在实时采集时，仅 保存最后一次采集结果。w g d 一6 型光学多通道分析器的价格约为1 4 7 6 0 元嘲。 西北大学电子科学系研制的基于计算机声卡的多通道数据采集系统嗍是运用 l a b v l e w 开发系统，在配置有4 块声卡的计算机上，实现了同时进行4 个通道的并行数 据采集，解决了在同一时间坐标中显示多个具有独立时钟的波形问题，从而构成了一个 多通道数据采集系统。 浙江师范大学，信息光学研究所研制的基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的大学物理实验系 统州，它是利用计算机技术、传感技术和校园网，将现代教育技术引入大学普通物理实验 教学中，实现实验数据的自动采集，基于网络的实验预习和实验报告写作、递交、批改及 管理等功能。 美国k e i t h l e y 公司的2 7 0 0 数据采集系统旧，它的特点是：1 测量功能包括直流电 压与电流、交流电压与电流、温度、2 线与4 线电阻、导通、频率和周期等测量功能； 2 2 7 0 0 可以多达8 0 路差分输入；3 其分辨率为真六位半( 2 2 一b i t ) 测量精度；4 能在 单通道以最快每秒2 0 0 0 点的高速进行测量，最高扫描速度可达何秒1 8 0 个通道；5 具 有前面板和后面板两种输入；6 具有5 0 k 读数内存；7 具有各通道独立设定测量参数的 功能；8 具有g p i b ，r s 2 3 2 通信接口和数字i o 。 在原子定态能级( 夫兰克赫兹实验) 伽的观测实验中，采用到美国k e i t h l e y 公司的 2 7 0 0 数据采集系统，测量反射极电流与加速电压的关系。采用两通道，一采集反射极电 流i ，二是采集加速电压。运行k e i t h l e y 2 7 0 0 软件后，通过d a t am e m o 按钮把计算 机和k e i t h l e y 2 7 0 0 数据采集仪连接起来，然后设定有关参数：为扫描模式，通道数为2 ， 采集数据存放的地方，显示图形通道数，采集时间隔，采集数据的个数等。最后按s c a n 就正式采集数据。数据采集过程中，结束有两种方式，一是在达到采集数据个数时，则 结束；二是按动a b o r ts c a n ，则放弃采集而结束。两种结束方式都能自动把采集到的数 据保存在已设定的目录路径之处。存放数据的文件名的扩展名为d a t ，可以用o r i g i n 软件来进行处理，画出i v 疆关系曲线图。美国k e i t h l e y 公司的2 7 0 0 数据采集系统的 价格约为2 1 8 0 0 元”1 。 2 美国p a s c 0 公司生产的综合物理组合实验仪。”是基于7 5 0 数据接口和传感器的综合 物理实验系统“”。可完成多个基础物理实验项目。组成包括计算机、7 5 0 数据接口、传 感器、被测系统四大部分。其中计算机上已安装了名为d a t a s t u d i o 的控制软件，该软 件具有采集数据，控制实验设备，数据处理和结果输出等功能。7 5 0 数据接口后面板有 9 v 电源插孔、电源开关、u s b 接口；前面板有四个数字接口、三个模拟接口、两个函数 信号输出孔( 其中一个为接地端) 。传感器就连接至7 5 0 接口前面板的数字或模拟接口 中，通过7 5 0 接口实现与计算机的通信。各种传感器就作为被测实验系统的部分，用 于测量实验过程中的各种物理量。每个实验都至少使用一种传感器。其中有电压、电流、 电荷、声音、气压、拉力、光强、位移、转动传感器等。美国p a s c o 公司生产的综合物 理组合实验仪，型号c a 一7 6 0 - s p ，规格为7 5 0 接口，价格约为8 2 8 6 8 6 美元，约7 8 3 8 8 7 元人民币“”。 德国p h y w e 公司波尔摆实验仪“”是观察扭摆的阻尼振动，测定阻尼因数：研究在简 谐外力矩作用下扭摆的受迫振动，描绘扭摆在不同阻尼情况下的共振曲线；研究外加强 迫力矩与受迫振动之间的位相随频率变化的特性曲线。采用转动传感器( 运动记录仪) 和计算机自动采集和处理数据。将一条细线的一端粘在波尔摆黄色转盘的边缘上，另一 端绕过传感器的转轮绑一个2 9 的砝码，使得波尔摆转动时可以带动传感器转动，这样 就可以通过传感器获得波尔摆的转动角度、角速度、和周期等一系列参数。进行计算机 采集，先进行参数设定，包括选择角度和角速度。采集的同时会在同一个坐标里画出扭 摆的转动角度、角速度和周期的样图；在保存时，可以把样图和数据同时保存在m s r 扩展名的文件，也可以用数据导出的方法，把数据单独保存在t x t 文件中，把图单独保 存在b m p 文件中。在样图上可以对数据分析得到周期。借助o r i g i n 软件可以在同一坐 标上画出扭摆的转动角度和角速度的相图。是专用的实验仪。德国p h y w e 公司波尔摆实 验仪的价格约为2 0 6 7 5 7 1 元。 可知，大部分仪器的软、硬件很贵，有些是专业物理实验仪器，在具体的应用场合， 某些功能不实用。它们使用专用数据采集卡较多，用计算机已有资源一声卡( 低成本高 性能的数据采集器) 作为采集卡又是更少“”，用v i s u a lc + + 作为开发软件居多“”， 用v i s u a lb a s i c 也不少“田，而用d e l p h i 作为开发工具语言来实现“”，则又是更少，用 在r l c 电路稳态特性研究则又是更少中更少了。当然也可以用d e l p h i 编制物理实验c a i 软件嘲，用声卡在教学音频和模拟现代通信乜1 1 应用 前者是利用计算机和配合开发的软件制作完成，对物理实验的具体实物仪器、元 3 器件、线路板和连接线基本上是不涉及的，对学生的动手能力和对仪器的使用技能训练 则显得不足，部分地掩盖了实验的物理实质和物理实验教学意义。计算机采集系统则不 但注重传统物理实验的技能练训、物理现象分析，还充分利用计算机的数据处理和分析 能力，减小学生花在计算、画表和图等方面过多的体力方面的劳动。 以单片机为核心智能仪器。”1 ，及以计算机为核心计算机采集系统将是高等教育物 理实验仪器发展必然的趋势。利用某种检测技术将待测模拟量由传感器和转换装置转变 为数字信号收集到计算机中进行存储、计算和分析处理是大学生们必须掌握的技术。 1 3 本文研究的来源、目标及意义 1 来源 本课题是按基础物理实验室的要求，为配合学校物理实验教学手段现代化改革方案 的实施，并大力开展开放物理实验的教学，在现有设备的基础上，针对一些实验进行现代 化改造，充分发挥计算机在物理教学的作用，进行物理实验的计算机采集系统研制。 2 目标 向学生展示现代化技术在实际中的应用，使实验操作更方便直观、实验数据更精确， 提高实验质量。用普通声卡作为数据采集卡，自行研制开发有针对性的实验仪器，价格 低廉为学校节约资金成本，提高了现有仪器的利用率，同时提高教师综合业务水平和教 学水平。引导学生从事现代化科学技术的应用研究工作，激励学生自主创新精神。 3 意义 普通声卡有8 位、1 6 位量化精度、采样频率4 4 1 0 0 h z ，完全满足特定应用范围内数 据采集需求。个别性能指标还优于某些商用的数据采集卡，而价格却是它们的十几分之 一，甚至几十分之一。用它作为数据采集卡的计算机采集系统，具有示波器的某些功能， 而且有同时显示、记录、存储双通道输入的波形，对存储曲线可通过“回放功能”显示 在屏幕上，“回放”过程可改变显示的速度，更方便清楚地观察波形的变化，使用者可 以及时进行数据处理，观察和分析实验结果。 向学生展示现代化技术在r l c 电路稳态特性中的应用，调动学生学习积极性，提高 4 参与科研的主动性，更好地培养他们的科研能力和创新精神。使实验操作更方便直观、 实验数据更精确，从而提高实验质量。传统的手工数据处理方法会耽误许多课堂时间， 如果利用计算机处理实验数据，立即可以得到实验结果。如果发现实验数据错误，可以 立即补测。 用声卡作为虚拟仪器的采集卡在国内外都有渊，如基于声卡声音信号分析仪的设计 嘲，就是利用n i 公司的l a b v i e w 软件平台来实现声卡声音信号的采集、分析和回放；但 用作r l c 电路稳态特性这种对具体电子元器件的实物连接及测量却不多见；而且一般都 采用在v c + + 环境下利用w i n d o w s 低层音频服务函数进行采集；而在d e l p h i 环境下利用 w i n d o w s 低层音频服务函数进行采集则更少；物理实物元器件连接及测量对学生动手能 力的训练非常必要。所以，研究的课题是具有传统的设备元件的实物连接操作，同对采 用先进的计算机技术采集和处理数据啪，因此具有很高的价值。 当然，引入计算机采集并不是代替学生动手做实验，只是作为仪器工具加快和实现 采集、分析和处理数据。更注重培养学生懂得如何去研究物理问题和物理现象的本质， 从而揭示物理变化的规律，有利于培养学生科学分析、解决问题的能力和创新能力。会 对物理实验产生深远影响。 1 4 本文的主要工作及组织结构 随着计算机技术发展，物理实验测量手段和方法不断地得到加强和改进。物理实验 仪器设备的智能化，物理实验的多元化不断地变化和发展。虽然不同物理实验所测量的 物理量不同，采用的传感器有所不同，然而，经传感器输出的信号都转变为电信号，所 以用声卡作为数据采集卡的r l c 稳态特性研究的计算机采集系统可以方便地移植到其它 物理实验中，因此本系统具有一定的通性。本文重点阐述采集系统稳态特性的相频特性 部分。 软件设计，我们采用全新的可视化编程环境d e l p h i ，完整的面向对象程序语言 ( o b j e c t - o r i e n t e dl a n g u a g e ) 的高级设计语言o b j e c tp a s c a l ，在w i n d o w s 环境下设计了 具有界面友好、操作简便和功能齐全的数据采集软件。采用图形化界面，将采集到的电 压信号数据以图表的形式进行实时显示，同时把它们存入t x t 文件中，以便于数据处理、 打印等操作。 5 本文共分为6 章，具体安排如下： 第1 章绪论介绍了本研究课题的国内外研究历史、现状及发展趋势；它的来源、目 标及意义；最后给出了本文的主要工作及组织结构。 第2 章相关理论首先介绍了模拟音频和数字音频基础知识，包括采样、量化和编码 和数字音频的文件格式。然后介绍了r l c 电路的稳态特性，主要是有r l c 、r c 和r l 串 联电路相频特性，及r c 和r l 串联电路幅频特性。最后介绍采集系统中的硬件部分，主 要分析了声卡。包括声卡的分类；声卡工作原理、数字化声音处理；声卡采样率、量化 位数和声道数的概念及对采集的影响；声卡配置与属性设置操作；声卡硬件安装和连接。 最后是综述声卡可以代替工业用数据采集卡的原因。 第3 章采集系统的软件方案介绍w a v e 文件及格式，然后介绍用声卡作为数据采集 卡编程两个方案。一是在w i n d o w s 下直接对声卡的底层进行操作，编制底层控制软件： 二是在w i n d o w s 下高层音频编程，通过d e l p h i 自带的m e d i a p l a y e r 控件直接将声音录 制成w a v e 文件。 第4 章实现系统功能的软件模块是本文的重点。主要介绍了在d e l p h i 开发平台上 采集系统的软件部分。具体是采用面向对象的程序设计语言o b j e c tp a s c a l ，调用 w i n d o w s 标准a p i 函数编制应用程序。详细介绍了采集模块、数据处理模块、实时显示 模块、数据存储模块和数据回放模块，测量结果( 如：周期、频率和相位差) 实时显示 等，展示了软件系统的结构。 第5 章性能测试与分析给出了系统性能的具体指标。进行了系统r l c 、r c 和r l 相 频特性的测试，结果验证了系统的正确性、可靠性、实用性和优越性。 第6 章是对本文研究的内容作了总结，分析了系统的优点和存在的问题，给出了要 改进的方向，最后给出声卡作为数据采集卡应用的展望。 6 2 1 音频信号 第2 章相关理论 2 1 1 模拟音频和数字音频 1 模拟音频 声音是机械振动在弹性介质中传播的机械波。声音信号是连续信号，不仅在时间上 是连续，而且幅度上也是连续。把在时间和幅度上都是连续的信号称为模拟音频。 声音可近似地看成是一种周期性的函数。在物理上，声音可用一条连续的曲线表示。 这条连续的曲线无论多复杂，都可分解成一系列正弦波的线性叠加。规则音频是一种连 续变化的模拟信号，可用一条连续的曲线表示，称为声波。音频信号如图2 - i 所示。 图2 - i 音频信号波形 模拟音频信号有两个重要参数：频率和幅度。信号的频率体现音调的高低；信号的 幅度是从信号的基线到当前波峰的距离，它的大小体现声音的强弱。单一频率的声波可 用一条正弦波表示，基线是测量模拟信号的基准点。如下图2 - 2 所示。 一个声源每秒钟可产生成百上千个波，我们把每秒钟波峰所发生的数目称之为信号 的频率，单位用赫兹( h z ) 或千赫兹( k h z ) 表示。 频率小于2 0 h z 的信号称为亚音( s u b s o n i c ) ；频率范围为2 0 h z 2 0 k h z 的信号称为 音频( a u d i o ) ，频率高于2 0 k h z 的信号称为超音频( u l t r a s o n i c ) 。 与频率相关的另一个参数是信号的周期，它是指信号在两个峰点或谷底之间的相对 时间，采样周期用t 表示。周期和频率之间的关系是互为倒数。 7 h 0 硒i n 图2 _ 2 正弦波信号 2 数字音频 模拟音频是连续的，数字音频是离散的数字序列。数字音频是声音信号以一系列数 字的形式表示。数字化的声音易于用计算机软件处理，数字音频的特点：保真度好，动 态范围大。模拟信号的数字化过程就是指音频信号处理过程，如图2 - 3 。 图2 - 3 音频信号处理过程 2 1 2 数字音频的采样、量化和编码 1 采样( s a m p l i n g ) 模拟声音在时间上是连续的，或称连续时间函数x ( t ) 。用计算机处理这些信号时， 必须先把模拟音频信号波形进行分割，以转变成数字信号，这种方法称为采样 ( s a m p l i n g ) 。即按一定的时间间隔( t ) 在模拟声波的波形上截取一个振幅值( 通常为反映 某一瞬间声波幅度的电压值) ，得到离散信号x ( n t ) ( n 为整数) 。 每隔相等的一小段时间采样一次，则称为均匀采样( u n i f o r ms a m p l i n g ) ，相邻两个 采样点的时间间隔称为采样周期( t s ，s a m p l i n gp e r i o d ) ，其倒数为采样频率。 采样定理 8 早在4 0 年代，信息论的奠基者香农( s h a n n o n ) 指出：在一定条件下，用离散的序 列可以完全表示一个连续函数。即： 当连续信号x ( t ) 的频谱为x ( f ) ，以采样间隔t 采样得到离散信号x ( n t ) ，如果满足： 当l fj 妻f c 时，t 1 2 f c 或f c 1 2 t 则由采样离散信号x ( n t ) 能无失真地恢复到原来的连续信号，即完全确定连续信号 x ( t ) 。当采样频率等于 = 丁时，称厶为奈奎斯特频率。( 其中f c 信号的高端截 止频率。) 为了保证采样后数据质量，采样频率必须是样本声音最高频率的两倍。 2 量化( q u a n t i z a t i o n ) 采样得到的抽样信号波形在时间上是离散的，它又叫离散信号。幅值是无穷多个实 数值中的一个，因此幅度还是连续的，所以仍然是模拟信号。如果把信号的强度划分成 - - , j , 段- - , 1 , 段，在每一段中只取一个强度的等级值( 一般用二进制整数表示) ，从而把 信号幅度取值的数目加以限定，这种由有限个数值组成的信号就称为离散幅度信号，这 过程称为量化( q u a n t i z a t i o n ) 。如果幅度的划分是等间隔的，称为线性量化( l i n e a r q u a n t i z a t i o n ) ，否则称为非线性量化( n o n l i n e a rq u a n t i z a t i o n ) 。 将采样值量化成一个有限个幅度值的集合x ( n t ) 。用二进制数字表示量化后的采样 值。n 位二进制码表示掣个不同的量化电平。二进制的位数为量化位数，它反映出各采 样值的精度，如8 位能反映2 5 6 个等级，精度为音频信号最大振幅的二佰五拾六分之一。 存储数字音频信号的比特率表示为：i = n f s ( b s ) 其中f s 抽样率( 抽样秒) ；瞒个样值的比特数( 比特抽样) 如图2 - 4 连续音 频信号的采样和量化。 fl ik 、 l爪，l 、 一ii 、，i 、li爪 爪一1 、，l 、，i j，、i v wlf |l ， 一 1j l ， t vf y 、， 图2 - 4 连续音频信号的采样和量化 m m“倚仇仇m n 们m黜黜器嚣船船 量化位数也称“量化精度”，是描述每个采样点样值的二进制位数。 3 数字音频信号的编码 为了把采样得到的离散序列信号x ( n t ) 存入计算机，必须将采样值量化成有限个幅 度值的集合x ( n t ) ，按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示称为编码。音频 信号的压缩编码方式可分为波形编码、参数编码和混合编码三种。其中，波形编码的算 法简单，易于实现，可获得高质量的语音。脉冲编码调制( p c m ) ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 是常见的波形编码方法，它对波形按照固定周期频率采样，实际为直接对声音信号作a d 转换。本系统是采用此编码方法。 2 1 3 数字音频的文件格式 数字音频的文件有w a y 文件、v o c 文件、m p e g 音频文件、r e a l a u d i o 文件、m i d i 文 件和p c m 文件格式。本系统采用p c m 波形音频格式( p c 姗a v e f o r m a t ) 。w a v 文件是微软公 司( m i c r o s o f t ) 的音频文件格式。使用r i f f ( r e s o u r c ei n t e r c h a n g ef i l ef o r m a t 资 源交换文件) 的格式描述，是来源于对声音模拟波形的采样。该类文件占空间较大，多 用于存储简短的声音片断。其文件容量大小可用下式计算得到：s = 采样频率量化位数 8 声道数时间。 2 2r l c 稳态特性 2 2 1 概述 r l c 稳态特性是r c 、r l 、r l c 串联电路的幅频特性和相频特性简称。在r c 、r l 和 r l c 串联电路中，电流( 或某元件两端的电压) 值与加在电路两端正弦交流信号电压值 和正弦交流信号频率都有关。当加在电路两端的正弦交流信号电压保持不变时，当电路 中的电流和电压变化达到稳定状态时，电流( 或某元件两端的电压) 与频率之间关系的 特性称为幅频特性；电压、电流之间的位相差与频率之间的关系特性称为相频特性。下 面分三种串联电路来分析。 2 2 2r l c 串联电路的相频特性 r l c 申跃电跆如图l z - 5 ) 所不，共甲电源电地为u 、电阻电压降为u r 和电感电雎降 为吼和电容电压降为吼。可得到回路方程： d = 以+ 吼+ 吼= 款+ j - ，础+ j ，击= j ( r + _ ，越+ 击) ( 2 - 1 ) 2 ：了u ；r + ，础+ 士：r + 歹础一，上：r + ( c o l 一上) ， ( 2 2 ) 1l a x ：饼扔c 电源电压与电流之间的位相差为： 纸，：纯一仍：a r c t g 竺半 ( 2 3 ) 伊0 = 纯一仍= i 一 z 一踟 岛 。丫r a d ，电感性 ， 蠡 一一一，容性 图2 - 5r l c 串联电路图2 - 6r l c 串联电路相频特性 根据公式( 2 3 ) 可画出尹一厂相频特性曲线，如图2 - 6 所示。从此图知道，当= 0 ， 电源电压与电流的相位相同，电路呈电阻性，整个电路处于谐振状态，此时= 去( 或 五= 荔击) ，这个频率称为谐振圆频率 当c o l z c 时，矿 o ，电源电压的相位超前于电流，电路呈电感性，伊随国的增 大而增大，国趋于无穷大时，妒趋近于三。 当础 r ) 时，电源电压主要降落 巩 在电容上；当频率很高( 妥 砒) 时，电 13 源电压主要降落在电阻上i 当频率很高( 矗“c 0 1 ) 时， 电源电压主要降落在电感上。 注，在实际中，电感等价于电感、电容和电阻同 时存在，在低频时，不能忽略直流电阻。此时， u2 u r ur ul 2 i r + i r + l j c o l = ( i r + i r ) + r o l ) 0 2 3 采集系统的硬件 2 3 1 概述 图2 1 0r l 串联电路幅频特性 本文研究的系统涉及硬件包括：配有声卡的计算机、s s 7 8 0 2 示波器、g f g 8 2 1 9 a 型 功率函数信号发生器、双针交流毫伏表、标准电容箱、标准电感箱、电阻箱、接线板、 开关和连接导线等。因为本文是以声卡作为数据采集卡研究r l c 稳态特性，而其它硬件 是已固定且不可编程的，故主要讨论声卡汹一。 声卡是音频卡或声音卡的简称。第一块声卡诞生于1 9 8 4 年，由a d l i b 公司设计制 造。p c i 声卡的出现，代表声卡新时代的开始。 2 3 2 声卡的分类 根据数据采样量化位数( b i t ) ，声卡可以划分为8 位声卡、1 6 位声卡、3 2 位声卡 等。位数越多，音质越好。根据采用总线方式，划分为i s a 声卡、p c i 声卡等；根据与 计算机的连接方式，划分为独立声卡和集成声卡。从声卡所采用的技术上来看，划分为 是数字声音处理( d s p ) 技术为基础的声卡，声卡本身带有一个d s p 处理器。如c r e a t i v e 公司的s o u n db l a s t e r 声霸卡系列；二是全硬件声卡，这种声卡采用称为c o d e c 的芯片， 它的控制全部依赖于主机，如w i n d o w ss o u n d s y s t e m 等类。 本系统所用的声卡，如图2 1 1 声卡硬件结构图。就是c r e a t i v e 公司的s o u n d b l a s t e rp c i ，它能够完成8 1 6 位单声道立体声数字化声音的录音和回放，可以控制 l4 采样频率，采样频率达到4 4 i k z h 。这种声霸卡用d s p 芯片管理所有声音的输入输出和 m i d i 操作，d s p 芯片带有自己的r a m 和 e p r o m ，存放声音处理( i 0 ) ，a d p c m 编码译 码程序和中间运算结果。声卡的数字化声音 接口有两种传送方式：直接传送方式，即声 音数据由应用程序直接通过d s p 输入输出， 数据是8 位或1 6 位脉冲编码调制p c m 数据； 另一种是d m a 传送方式。目前，市场上的声 卡不管是独立的或是集成的都达到要求。 图2 1 1 声卡硬件结构 2 3 3 音频卡工作原理 音频卡主要由四个部分组成。功率放大器、混合信号处理器、声音合成与处理部分 和计算机总线接口和控制器。如图2 1 2 音频卡工作原理框图。 图2 1 2 音频卡工作原理框图 1 功率放大器 因为混合信号处理器输出的信号功率比较小，所以有一个功率放大器作为功率放 大，使得混合信号处理器输出的音频信号进一步放大，然后才推动扬声器或音箱。 l5 2 混合信号处理器 混音器声源可以是以下几种信号：调频( 陌) 合成音乐、话筒输入( m i c ) 、数字化声 音( d a c ) 、p c 扬声器输出( s p k ) 、线路输入( a l x ) 和c d a u d i o 音频( c d - r o m ) 等。可以选择 一个声源或几个不同的声源进行混合录音。 3 声音的合成与处理部分 这是音频卡的核心部分，它由数字信号处理器、调频( f r o ) 音乐合成器及乐音数字 接口( m i d i ) 控制器组成。声卡音频处理的主芯片承担着对声音信息处理、特殊音效过 滤与处理、语音识别、实时音频压缩、m i d i 合成等重要的任务。完成声波信号的模数 ( a d ) 和数模( d a ) 转换，利用调频技术控制声音的音调、音色和幅度等。 4 总线接口和控制器 总线接口和控制器是由数据总线双向驱动器、总线接口控制逻辑、总线中断逻辑及 直接存储器访问( d m a ) 控制逻辑组成。现在的音频卡一般是p c i 总线接口。p c i 总线的 最大传输率是1 3 3 m b s ，由于数据带宽得到扩展，完全可以满足音频数据传输的要求。声 卡硬件外接口示意图，如图2 一1 3 。音频信号的输人和输出端口主要有外接端口和内接端 口。 图2 1 3 声卡硬件外接口示意图 外接端口 1 “s p ko u t ”喇叭输出外接端口：s p ko u t 给出的信号是通过功率放大的信号，可以直 接接到喇叭上扬声器输出可以直接与探头相连。一般的声卡最大输出只有4 瓦左右。 2 “l i n eo u t ”线性输出外接端口：给出的信号没有经过放大，需要外接功率放大器。 3 “l i n ei n ”线路输入外接端口：用于外部音频信号的输人，信号在电路中没有进一步 放大。它可接入幅值约不超过3 1 5 v 的信号。输入端口内部都有隔直电容，需要对信号 16 的直流量进行采集，解决办法就是将这个隔直电容短接。 4 “m i c ”麦克风输人外接端口：用于外部音频信号的输人，可接人较弱的信号，幅值大 约为0 0 2 0 2 v ，输入到电路后会经过放大。显然这个信号较易受到干扰输入端口内 部都有隔直电容，需要对信号的直流量进行采集，将这个隔直电容短接就可以测量。 5 “m i d i ”外接端口是连接电子乐器以及连接游戏控制器。c d - r o m 接口是c d r o m 接口 提供了从c d r o m 的c d d a 的输出信号到声卡音源输入的通路。 2 3 4 数字化声音处理 当一个音源输入后，模拟信号经过前置放大器放大，由程控放大器p g a 进一步对输 人信号的幅度进行控制。通过抗混滤波器根据采样频率滤除可能引起混叠、噪声。经过 处理器芯片模数a d 转换，得到数字化声音数据，同时处理器芯片可以对数字化声音数 据进行压缩处理。通过与主机的接口和p c 总线，就可以把数字化声音数据存储在计算 机外存上。而声音的输出过程与输人过程相反。声卡数字化声音处理方框图如图2 1 4 。 图2 1 4 声卡数字化声音处理方框图 2 3 5 声卡采样率、量化位数和声道数 出 声卡对模拟音频信号进行采样量化编码后，得到数字音频。数字音频的质量取决于 采样频率、量化位数和声道数三个因素。 2 3 5 1 声卡采样率 17 采样率就是采样频率，采样频率是单位时间内的采样次数，是指声卡在一秒之中对 声音( 波形) 作记录的次数。目前，声卡最高采样频率是4 4 1 k h z ，少数达到9 6 k h z 。声 卡的标准采样频率所对应的上下频率如表2 - 1 所示。 表2 - 1 声卡采样频率 标准采样频率( h z ) 1 1 0 2 52 2 0 5 04 4 1 0 0 上限频率( h z ) 5 0 0 01 0 0 0 02 0 0 0 0 下限频率( h z ) 2 02 02 0 2 3 5 2 声卡采样位数 采样位数就是采样大小，是声卡处理声音的解析度，记录每次样本值大小的数值位 数，决定了采样的音波是否能保持原来的形状。这个数值