基于声卡的虚拟示波器设计

1、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PCI6221数据采集卡，研华公司PCL1800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（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。声卡已成为多媒

2、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】声卡的作作用声卡的主要功能能包括录制与与播放，编辑辑与合成处理理MIDI接接口3个部分分【2】声卡的主主要技术参数数彩样的位数采样位

3、数可以理理解为声卡处处理声音的解解析度。这个个数值越大，解解析度就越高高，录制和回回放的声音就就越真实。声声卡的位是指指声卡在采集集和播放声音音文件时所使使用的数字声声音信号的二二进制位数，它它客观地反映映了数字声音音信号对输入入声音信号的的描述的准确确程度。采样频率目前，声卡的最最高采样率是是44.1KKHz，少数数达48KHHz。对于民民用声卡，一一般将采样频频率设为4档档，分别是444.1KHHz，22.05 KHz，111.0255 KHz和88 KHz。222.05 KHz只能达达到FM广播播的音乐品质质；44.11 KHz是理理论上的CDD音质界限，448 KHz则更更好一些。对对

4、20 KHz范围围内的音频信信号，最高的的采样频率才才48 KHz，虽虽然理论上没没问题，但似似乎余量不大大。使用声卡卡比较大的局局限性在于，它它不允许用户户在最高采样样频率之下随随意设定采样样频率，而只只能分4档设设定。这样虽虽然可使制造造成本降低，但但却不便于使使用。用户基基本上不可能能控制整周期期采样，只能能通过信号处处理的方法来来弥补非整周周期采样带来来的问题。缓冲区与一般的数据采采集卡不同，声声卡面临的DD/A和A/D任务通常常都是连续状状态的。为了了节省CPUU资源，计算算机的CPUU并不是在每每次声卡D/A或A/DD结束后都要要响应一次中中断，而是采采用了缓冲区区的工作方式式。在

5、这用工工作方式下，声声卡的D/AA，A/D都都对某一缓冲冲区进行操作作。以输入声声音的A/DD变换为例，每每次转换完毕毕后，声卡控控制芯片都将将数据存放在在缓冲区中，待待缓冲区满时时，发出中断断给CPU，CCPU响应中中断后一次性性将缓冲区内内的数据全部部读走。计算算机总线的数数据传输速率率非常高，读读取缓冲区数数据所用的时时间极短，不不会影响A/D变换的连连续性。缓冲冲区的工作方方式大大降低低了CPU响响应中断的频频率，节省了了系统的资源源。一般声卡使用的的缓冲区长度度的默认指是是8KB。这这是由于对处处理器来说，在在保护模式下下，内存以88KB为单位位被分成很多多页，对内存存的任何访问问都

6、是按页进进行的，CPPU保证了在在读写8KBB长度的内存存缓冲区时，速速度足够快，并并且一般不会会被其他外来来事件打断。设设置81922字节或其整整倍数大小的的缓冲区，可可以较好地保保证声卡与CCPU的协调调工作。3LabVIIEW软件简简介LabVIEWW 软件是使使用最早最广广的虚拟仪器器软件开发平平台, 它继承了了传统的编程程语言中的结结构化和模块块化特点, 采用32 位编译译型图形化编编程语言.能完成一般般的数学运算算和输入输出出功能, 具有专门门用于数据采采集与仪器控控制的库函数数和开发工具具, 尤其还带带有专业的工工具包. LLabVIEEW 软件包包给用户提供供设计虚拟仪仪器的工

7、作环环境, 包括前面面板和流程图图, 同时还提提供丰富的直直观的调试工工具, 集开发、调调试与运行于于一体. 这为不熟熟悉文本式语语言编程的设设计者在测控控领域建立计计算机仪器系系统提供了一一个极为便捷捷、轻松的图图形化设计环环境. 在国际测测控领域LaabVIEWW 普及率已已超过了399%。（1）LabVVIEW中相相关声卡操作作函数简介：SI Conffig节点 用于设置声声卡的参数和和数字声音格格式，如缓存存区大小、采采样速率、采采样通道数（单单通道或双通通道）、样本本位数（8 bits 或16 biits）。本本文虚拟示波波器用双通道道采集数据，缓缓存区大小为为327688bytes

8、s，样本位数数为16biits。SI Starrt节点 驱驱动声卡开始始采集数据SI Readd节点 从缓缓冲区读取数数据。根据不不同的数字声声音格式，读读取相应数据据格式的数组组。SI Stopp节点 停止止采集数据SI Cleaar节点 释释放声卡占用用的计算机资资源从LabVIEEW8.0起起，LabVVIEW中增增加了许多EEXPRESSS的函数，省省去了过去我我们采用循环环结构采集数数据的烦恼，其其中也有有关关声卡采集数数据的函数，如如图：直接双击它，就就可以在里面面配置各种采采集数据时的的相关参数了了，如图：4系统设计（1）因为声卡卡输入的电压压不能超过11V，故需要要外加电路将将

9、信号将比例例缩小，故采用比例运运算电路，在在同相和反相相两种比例运运算电路中，同同相比例运算算电路只能将将电压信号放放大，而反相相比例运算电电路可将电压压信号缩小，但但反相比例运运算电路的输输入阻抗较小小，不符合示示波器的基本本原则，而同同相比例运算算电路又正好好具有高输入入阻抗，故采采用两种比例例运算电路混混合的电路，电电路图如下：由公式可得出，输输入信号都缩缩小为原来的的1/10进进入了声卡的的采集，并且且信号反相，通通过程序中的的相应模块，可可将信号还原原，在LabbVIEW中中显示出来。（2）程序设计计的前面板如如图所示，相相应的程序在在附件中提供供程序框图的截图图：5总结 声卡虽能较较好地实现示示波器的功能能，但在实际际应用中，它它也存在不少少缺陷。因为为外接了相应应的运放电路路，所以在实实际的测量过过程中经过了了从信号到电电路，从电路路再到声卡的的过程，与普普通的示波器器，或是采集集卡的示波器器相比，中间间多了一个环环节，也就意意味着受到外外界干扰的机机会也就增大大了。我们在在对上面的设设计进行实际际应用的时候候也经常出现现上一秒与下下一秒的波形形产生剧变的的情况。另外外由于声卡自自身缺陷，对对能测量的信信号的范围和和幅度的限制制都比较高。在在本设计中，比比例运算放大大电路作为中中间级解决了了部分波形较较小的问题。但在信号源的频率