基于声卡的数字化示波器LabVIEW课程设计报告

专业方向实践课程设计说明书专 业：测控技术与仪器班 级：测控103班学 号：姓 名：指导老师：杨2012年05月31日目 录第一节：正 文 -2一、设计内容概述 -21、设计的目的及意义 -22、本人所做工作 -23、系统主要功能 -2二、示波器介绍 -21、示波器的原理 -32、示波器发展及应用 -3三、声卡介绍 -51、声卡工作原理 -52、声卡相关参数 -5四、基于声卡的数字示波器的介绍 -61、数字示波器功能 -62、数字示波器硬件连接 -7五、软件功能介绍 -71、VI程序功能介绍 -72、VI程序模块说明 -8第二节 课程设计总结 -13第三节 参考文献 -15第四节 附 录 -16第一节 正 文一、设计内容概述1、设计的目的及意义本专业方向实践课以基于LabVIEW的虚拟仪器设计为主。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%。本课程的总体目标是：通过设计基于声卡的数字化示波器，加深学生对LabVIEW虚拟仪器的理解、掌握和应用，并激发学生进一步的思考和发挥，培养学生的学习兴趣和创新思维。本次课程设计主要目标是运用LabVIEW软件平台及所学知识，自己搜集相关资料实现基于声卡的虚拟数字化示波器设计。2、本人所做工作查阅相关资料了解声卡、示波器、频谱分析仪等仪器的参数及各种有关标准等，学习labview的相关只知识，了解和掌握LabVIEW虚拟仪器开发的软、硬件平台；掌握LabVIEW形图化编程的设计方法；应用LabVIEW的进行基于声卡的数字化示波器设计开发。3、系统主要功能模拟信号发生器主要用来产生方波，三角波，正弦波、单次脉冲等波形，幅度、频率、相位、方波占空比可以实时调整。实现基于声卡的示波器的信号采集、显示、保存，打印以及远程数据交换等功能。频谱分析仪主要用于对各采集信号的各种滤波效果、频谱分析并实时显示参数变化和傅里叶变换的幅频图。二、示波器介绍示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量和观察的电子测量仪器，。它是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器，得到广泛应用，示波器由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源系统组成。其中示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏3个部分组成。1、示波器的原理示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。由示波管的原理可知，一个直流电压加到一对偏转板上时，将使光点在荧光屏上产生一个固定位移，该位移的大小与所加直流电压成正比。如果分别将两个直流电压同时加到垂直和水平两对偏转板上，则荧光屏上的光点位置就由两个方向的位移所共同决定。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。数字示波器：工作方式是通过模拟转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。数字示波器捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止，随后，数字示波器重构波形。分为数字存储示波器（DSO）、数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。模拟示波器：工作方式是直接测量信号电压，并且通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压显示电路包括示波管及其控制电路两个部分示波管是一种特殊的电子管，是示波器一个重要组成部分。通常无论是模拟示波器还是数字示波器,可以根据其通道数分为: 单通道/单踪示波器; 双通道/双踪示波器。2、示波器发展及应用初期主要为模拟示波器。20世纪40年代是电子示波器兴起的时代。泰克成功开发带宽10MHZ的同步示波器，这是近代示波器的基础。50年代，半导体和电子计算机的问世促进电子示波器的带宽达到100MHZ。60年代，美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献，出现带宽6GHZ的取样示波器、带宽4GHZ的行波示波管、1GHZ的存储示波管；便携式、插件式示波器称为系列产品。70年代，模拟是电子示波器达到高峰，行谱系列非常完整，带宽1GHZ的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器，模拟示波器从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器。英国和法国甚至退出示波器市场，技术以美国领先，中低档产品由日本生产。80年代数字示波器异军突起。模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进，而数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和预先触发能力。模拟示波器逐渐从前台退到后台，进入90年代，数字示波器除了提高带宽到1GHZ以上，它的全面性能超越模拟示波器。当今时代，示波器已经非常普及，国产的有好多品牌，如中国电子科技集团公司第四十一研究所、优利德等。我们做实验经常用到示波器，我们常用的是20MHZ的双踪模拟示波器。如图1所示为J2472双踪教学示波器，带宽为20MHZ，电子扫描编码开关为360度通转，设有触发输出端，具有触发电平锁定，自动同步功能，比我们通常所用的示波器功能多，具有Z轴输入，实行高电平消隐。另外，有ALT触发功能，可同时测量二路不相关信号，为波形的观察和测量带来极大方便。示波器是一种有效的学习工具，而且随着科技的进步，虚拟仪器越来越普及，示波器有很大的发展空间。图1 J2472双踪教学示波器三、声卡介绍声卡是一个非常优秀的音频信号采集系统。声卡也叫音频卡（港台称之为声效卡）：声卡是多媒体技术中最基本的组成部分，是实现声波/数字信号相互转换的一种硬件。声卡的基本功能是把来自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备，或通过音乐设备数字接口(MIDI)使乐器发出美妙的声音，概括即：录制与播放，编辑与合成处理MIDI接口3个部分。声卡由各种电子器件和连接器组成。电子器件用来完成各种特定的功能。连接器一般有插座和圆形插孔两种，用来连接输入输出信号。1、声卡工作原理 声卡的工作原理很简单，麦克风和喇叭所用的都是模拟信号，而电脑所能处理的都是数字信号，声卡的作用就是实现两者的转换。从结构上分，声卡可分为模数转换电路和数模转换电路两部分。模数转换电路负责将麦克风等声音输入设备采到的模拟声音信号转换为电脑能处理的数字信号；而数模转换电路负责将电脑使用的数字声音信号转换为喇叭等设备能使用的模拟信号。即模数变换器ADC（Analogue Digital Converter）和 数模变换器DAC（Digital Analogue Converter），ADC用于采集音频信号，DAC则用于重现这些数字声音。声卡主要有两种：内置独立声卡和内置集成在主板上的软声卡。2、声卡相关参数1）、采样的位数：即采样值或取样值，用来衡量声音波动变化的参数，是指声卡在采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进制位数。声卡的位客观地反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确程度。 声卡的主要的作用之一是对声音信息进行录制与回放，在这个过程中采样的位数和采样的频率决定了声音采集的质量。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。2）、采样频率采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数，采样频率越高，声音的还原就越真实越自然。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，22.05 KHz，11.025 KHz和8 KHz。22.05 KHz只能达到FM广播的音乐品质；44.1 KHz是理论上的CD音质界限，48 KHz则更好一些。对20 KHz范围内的音频信号，最高的采样频率才48 KHz，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）、声道数：声道(Sound Channel) 是指声音在录制或播放时在不同空间位置采集或回放的相互独立的音频信号，所以声道数也就是声音录制时的音源数量或回放时相应的扬声器数量。 声卡所支持的声道数是衡量声卡档次的重要指标之一。声道的发展经过了单声道Mono立体声Stereo准立体声Prospective stereo四声道环绕5.1声道7.1声道。4）、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。四、基于声卡的数字示波器的介绍1、数字示波器功能声卡已成为多媒体计算机的一个标准配置，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。因此本次设计的数字示波器除具有普通示波器的功能之外又有一些附加的功能，还有虚拟信号发生器，频谱分析等功能。2、数字示波器硬件连接在基于声卡的数字示波器设计中，声卡是硬件，虚拟仪器是软件。声卡在普通电脑中均可以找到。虚拟数字示波器系统功能的实现可以分为前面板和程序框图设计两部分。前面板的功能等效于传统测试仪器的外观，程序框图的功能等效于传统仪器与外壳相联系的硬件电路。前面板是程序的交互式图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量，应根据实际仪器面板以及该仪器所能实现的功能来设计前面板。虚拟示波器的程序框图和前面板是对应的，框图程序相当于传统程序的源代码，只有创建了程序框图以后程序才能真正地运行。在设置好声卡的参数后，就需编程。在LabVIEW中相关声卡操作函数如下，可以实现软件与声卡的连接。、SI Config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（8 bits 或16 bits）。、SI Start节点 驱动声卡开始采集数据。、SI Read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。、SI Stop节点 停止采集数据。、SI Clear节点 释放声卡占用的计算机资源。编程完成之后，运行程序，声卡开始工作，读取的数据经过程序框图中的声音采集模块后可以直接进入波形显示和测量模块，信号的波形和一些相关的特征参数可以在前面板指示和图表中显示出来。还可以根据需要对信号进行运算和频谱分析，然后将获得的数据经过信号存储程序后可以将信号储存，按前面板上的保存按钮就可以将所需数据保存至硬盘中，以便以后信号回放时使用。五、软件功能介绍1、VI程序功能介绍本人设计的基于声卡的数字化示波器主要分为三大功能模块：基于声卡的示波器、虚拟信号发生器、频谱分析仪。基于声卡的示波器用于实现声卡信号采集、信号显示、信号运算、信号储存。虚拟信号发生器用于产生正弦波、方波、三角波、锯齿波及单次脉冲信号和对所产生信号进行时域运算、存储。频谱分析仪用于对声卡信号和虚拟信号发生器产生的信号进行频域分析，如滤波、傅里叶变换、加窗等。另外还有读取文件功能。其中数字化示波器的详细功能图解如图2所示。图2 数字化示波器的详细功能图解2、VI程序模块说明如图3所示为数字化示波器的前面板图3 数字化示波器前面板由图可知，面板分为左右两大模块，右边通过选项卡控件来选择相应的仪器，程序框图中用条件结构实现此功能，左边对相应模块进行调节，从而实现相应的功能。总的停止按钮可用来执行程序停止运行命令，在程序框图中有While循环与之对应；X增益和Y增益按钮用来调节横轴和纵轴幅度，在程序框图中通过对波形图创建属性节点来实现，如图4所示。图4 程序图通过选项卡可以选择四大功能模块，各个功能模块分别介绍如下：1）、信号发生器虚拟信号发生器要实现的功能主要包括常用的基本波形输出(单脉冲、 正弦波、方波、锯齿波和三角波) 以及对每种波形进行幅值调节，频率显示，频率调节等。根据这些功能实现的需要构建出了前面板，这个面板模拟了传统信号发生器的实际操作面板，使用者可以通过操作该仪器前面板上的旋钮来实现对仪器各种功能的控制。 本程序在设计时运用了子程序嵌套，信号发生器的程序框图及子程序如图5所示：图5-1 信号发生器程序图5-2 虚拟信号发生器子程序前面板图5-1图5-3 虚拟信号发生器子程序程序框图由图5-1可看出：用“写入测量文件”函数实现文件保存。图5-2为虚拟信号发生器子程序前面板，用于调节信号类型及信号处理运算。图5-3为子程序程序框图，其中指示控件放入簇中，用“按名称解除捆绑”函数输入函数发生器和脉冲信号函数，输出的信号经过条件结构来选择信号处理类型，如信号单独输出、信号相加减输出、滤波输出等，波形图用于显示输出信号。2）、声音采集模块即示波器模块虚拟示波器的信号采集、处理和输出主要由软件来完成的。通过模块化的方法来实现的，采用了状态机用户界面事件响应的设计方法，主要包括七个模块，分别是数据采集模块、波形显示模块、触发控制模块、参数测量模块、数据存储其程序框图及子程序如图6所示：图6-1 声卡数据采集程序图6-2 声音采集模块子程序前面板图6-3 声音采集模块子程序框图由图6-1可知，打印按钮用与控制文件打印，当按钮被摁下时，报表函数用于将文件打印；最后的波形图放在一个条件结构中，当暂停按钮摁下时，图形暂停在某一状态，可用于仔细观察记录该段波形。图6-2为子程序的前面板，用于调节声卡采集信号的通道、采样率以及信号处理等。图6-3为程序框图，前四个函数为采集声音调节，各个函数功能即作用在前面已作介绍，不在赘述。信号经过双通道采集输出后进行拆分，单频测量函数用于测量信号的幅值、频率、相位，调节结构用于选择信号处理类型。3）、频谱分析仪介绍频谱分析仪用于对信号进行频谱分析，频谱分析仪的程序框图及子程序如图7所示：图7-1 频谱分析仪程序图7-2 频谱分析仪子程序前面板图7-3 频谱分析仪子程序的程序框图图7-1中，由于好多指示控件都是由前两模块控制，所以在此用了创建局部变量的方法，局部变量用于在VI内传递数据，可以使程序看着清晰有序。而且同样的道理，也添加了暂停按钮。图7-2为子程序的前面板，用下拉列表来选择需要进行频谱分析的信号，用单选按钮来选择频谱分析的类型傅里叶变换、加窗、功率谱、滤波。傅里叶变换是信号处理中最基本，最重要的变换之一，其本质是建立了信号的以时间为变量的时域分析与以频率为变量的频谱分析之间的映射关系。一些在时域中难以解决的问题在频域中可以一目了然的观察出来。另外还可以选择所加窗的类型，如三角窗、指数窗、Hanning窗、Blackman窗等，还可以选择滤波器的类型，调节滤波器截止频率等。图7-3为频谱分析子程序的程序框图，其中又有子程序声卡信号采集及虚拟仪器信号发生器，因为需要对信号进行选择，前一个条件结构用于选择信号类型，后一个条件结构用于选择频谱分析类型，其中有的分支又可以选择加窗的类型，波形图用于最后显示处理好的波形。4)、读取波形文件介绍：该部分用于读取波形文件，显示文件波形，并播放声音。其程序框图如图8所示：图8 读取波形文件程序框图第二节 课程设计总结收获与体会：通过本次专业方向课程设计内容更了解了labview编程的基本知识，巩固了课堂所学内容，加深了对labview的认识、掌握与应用。在这次课设中运用了以前作业没有用过的各种函数，如局部变量、属性节点、子程序的创建及调用、声音采集函数等，巩固了课堂所学好多内容。同时还学到好多新的知识，理解了模拟示波器、信号发生器和频谱分析仪等设备的基本功能，更加深刻的明白了示波器、信号发生器和频谱分析仪的工作原理与基本结构。通过与同学交流，增加了自己的见识，也认识到自己平时所学的不足。通过自己查资料，锻炼了自学能力、分析问题及解决问题的能力。通过本次课程设计很好的填充了以前学习中的空白，有利于以后更好的学习，认识到自己所学的只是皮毛而已，Labview软件真的是一种功能强大、有广大发展空间的软件，而且在以后的学习中应该多学科结合起来，刚接触频谱分析时我有点蒙，因为根本不明白频谱分析需要分析哪些内容。学习总是一个由无知到知之的过程，然后才能体会到学习的成就感与乐趣。我在以后的学习中需要更加努力。Labview软件是一种模块化极强的软件，在以后的学习中应该注意总结。经过这次课程设计练习让我明白了，看起来再难的