虚拟仪器课程设计-基于声卡的音频采集分析仪与信号发生器设计

课程名称：虚拟仪器课程设计题目：基于声卡的音频采集分析仪与信号发生器设计目录5987摘要 319597第一章设计选题概述 36688第二章设计内容要求 428898基于计算机声卡完成以下功能 423069第三章设计思想及原理 54631第四章设计相关理论根底知识 56805声卡采集原理 53464 630295 7543 710905 712905 810550 89288第五章程序分析 8138435.1模拟通道信号发生VI的设计： 821337 912422 1213112 1228897 1426964总体设计 149123 158687加汉宁窗函数的波形设计 1658455.5.4频谱〔功率、幅度、相位〕分析的设计 16170115.5.5信号的幅值和电平测量、信号的统计分析、失真分析设计 1721401声卡信号采集主程序 182903 193609 2130346总结 2216412附录 23摘要要在LABVIEW环境中进行对声卡采集编程，就是运用常用周期信号及测试领域特殊信号的双通道模拟输出。由于专用数据采集卡本钱比拟昂贵、而且和计算机兼容性比拟差等缺点，这个论文就是应用性能良好、价格低廉的计算机声卡设计一套基于LabVIEW的信号采集分析系统。该系统具有双通道、高保真、22K甚至44KHz的采样率，实现了音频信号的实时采集、实时存储、回放、信号分析〔时域分析和频域分析〕等多种功能。实验结果说明：该设计方案具有设计简便、本钱低、通用性高、扩展性好、界面大方简洁等优点，可广泛应用于工程测量和科学实验室等环境。关键词：声卡；数据采集；虚拟仪器；LabVIEWAbstract:AstudywhichisbasedonthesoundcardcollectionofaudioanalyzerandadesignofsignalgeneratorProgrammingthesoundacquisitionintheenvironmentofLABVIEW,thatisthedualchannelanalogoutputwhichisusingthecommonlyusedperiodicsignalandthespecialsignaloftestfield.Asspecialacquisitioncardhasmanydisadvantages,suchasthecostofitisexpensiveandthecompatibilitywithcomputerisbad,andsoon.Thisarticleisusingthecomputersoundcard，whichhasgoodperformanceandischeaptodesignasignalcollectionandanalysissystemwhichisbasedonLABVIEW.Thesystemhasasamplingratewhichisequippedwithdualchannel,highfidelity,22HZandeven44KHZ,anditrealizesthereal-timecollectionofaudiosignalcollection,storagereal-timeplayback,signalanalysisandotherfunctions.Theexperimentalresultsshowthatthedesignschemehasmanyadvantagessuchassimple,lowcost,highversatility,goodextensibilityandgenerousconciseinterface,anditcanbewidelyusedinengineeringsurveyandsciencelaboratoryenvironment.Keyword:soundcard,datacollection，virtualinstrument,LABVIEW.第一章设计选题概述虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台。虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统,且功能灵活,很容易构建,所以应用面极为广泛。目前应用最广、开展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境是美国国家仪器公司的创新软件产品。它是将仪器装入计算机中,以通用的计算机硬件及操作系统为依托,可以实现各种仪器的功能。LabVIEW是一种图形化编程语言，广泛应用于工业界、学术界和研究实验室,主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域,适用于多种不同的操作系统平台。与传统C、C++等编程语言不同，LabView采用强大的图形化语言编程,面向测试工程师而非专业程序员，编程方便,人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点。数据采集是信号分析与处理的一个重要环节，在许多工业控制与生产状态监控中，都需要对各种物理量进行数据采集与分析。但是，专用数据采集卡的价格一般比拟昂贵，而我们PC机的声卡就是一个很好的双通道数据采集卡。实际测量中，在满足测量要求的前提下，可以充分利用计算机自身资源，完成数据采集任务，从而节省本钱。要在LABVIEW环境中进行对声卡采集编程，就是运用常用周期信号及测试领域特殊信号的双通道模拟输出。由于专用数据采集卡本钱比拟昂贵、而且和计算机兼容性比拟差等缺点，这个论文就是应用性能良好、价格低廉的计算机声卡设计一套基于LabVIEW的信号采集分析系统。该系统具有双通道、高保真、22KHz甚至44KHz的采样率，实现了音频信号的实时采集、实时存储、回放、信号分析〔时域分析和频域分析〕等多种功能。实验结果说明：该设计方案具有设计简便、本钱低、通用性高、扩展性好、界面大方简洁等优点，可广泛应用于工程测量和科学实验室等环境。第二章设计内容要求基于计算机声卡完成以下功能1、具备数字存储示波器、信号分析仪和信号发生器三个主要功能模块，其中数据存储示波器与分析仪整合在一个界面，信号发生器在另一个界面，共两个界面；两个组成局部可以分别独立完成；2、信号采集模式可以在单次和连续两种方式间进行切换，采集的数据可以进行存储，类型为TXT类型，数据存储要求使用子VI实现；3、对于信号发生器，应具备单次发生和连续发生两种形式，并且要求可以叠加各种噪声，信号类型和参数可调，具备双通道发生，同时两个通道信号能够叠加为一个复合信号；另外支持读取数据文件作为信号来源，数据文件类型为TXT，数据读取用子VI实现。4、时频分析仪应该能够完成大局部时域和频域分析，可实现对原始信号分析前的加窗，实现滤波器操作，频谱分析，原始数据和结果数据可进行保存，示波器的各个参数灵活可调并且可以将已存数据重新载入进行分析观察。分析结果的横纵坐标物理意义必须明确，并与实际情况相符。5、滤波器截止频率值要求用实际频率作为输入。分析仪的分析对象可以是采集的真实信号、模拟的仿真信号或数据文件中存储的信号。第三章设计思想及原理利用噪声信号子VI，可实现叠加各种噪声，通过调节前面板的显示器及控件来观察任意波形并改变参数；双通道数字存储示波器通过信号分析子VI动态实现局部概率与统计的分析功能，通过滤波、加窗、快速傅立叶变换对信号进行分析并在前面板上显示分析结果。第四章设计相关理论根底知识声卡采集原理声卡采集系统原理框图如下列图1所示。它主要由声源、信号调理模块、计算机声卡以及安装于计算机机上的LabVIEW软件等几局部组成。图1工作过程为：输入时，测试信号首先经过信号调理电路，利用PC机声卡的麦克风输入或线路输入作为信号的输入端口，将获取到的模拟音频信号经过左右两个通道和A/D转换后送入计算机，通过LabVIEW编写的采集程序进行各种处理和保存；输出时，经过采集系统处理的数据通过总线将数字化的信号以PCM方式送到D/A转换器，编程模拟的音频信号由线路输出端口通过耳机或音响转换为音波播放出来。信号调理电路：在信号进入声卡之前必须经过信号调理，主要包括信号的放大、滤波、隔离和线性化处理，以使其能够被声卡正确的识别。声卡的麦克风输入端具有高增益放大器，会使得信号产生较大失真，所以选择线路输入信号时，其输入电压应为-1～+1V。声卡：计算机的声卡作为数据采集卡，其A/D转换功能已经成熟，而且计算机无需添加额外配件便能完成所有音频信号的采集功能，具有价格低廉、采样精度高，与LabView结合编程简单等优点，因此，利用声卡可以构成一个较高采样精度、中等采样频率、灵活性好的信号采集系统。声卡主要技术指标有采样位数、采样频率、频率范围和频率响应、基准电压等。〔1〕采样位数：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，录制和回放的声音就越真实。如今市面上所有的主流产品都是16位的声卡，而一般的数据采集卡大多也才有12位，因此，声卡相较于常用的数据采集卡毫不逊色。〔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复原就越真实越自然。在当今的主流民用声卡上，采样频率一般共分为和四个等级，少数可以到达48KHz。对于20Hz～20KHz范围内的音频信号，如果采用48KHz采样频率，虽然理论上是可行的，但是效果已经不是最好。因而使用声卡的局限性就是不允许用户在最高采样率下随意设定采样频率。对于高于48KHz的采样频率人耳已无法区分出来了，因此没有实用价值。〔3〕频率范围和频率响应：前者是指音响系统能够回放的最低有效回放频率与最高有效回放频率之间的范围；后者是指将一个以恒电压输出的音频信号与系统相连接时，音箱产生的声压随频率的变化而发生增大或衰减、相位随频率而发生变化的现象。以声卡作为虚拟测试仪器的硬件设备必须对其频率特性有所了解。本系统所用计算机主板集成声卡是Reaktek的ALC880Codec，根据其性能指标，设置采样率为44.1KHz，采样位数为双通道，采样比特数为16位，以保证采样时的干扰较小、波形稳定。〔4〕基准电压：声卡没有基准电压，因此无论是A/D还是D/A转换器，都需要用户参照基准电压进行标定。4.2窗函数原理为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称为窗。信号截断以后产生的能量泄漏现象是必然的，因为窗函数w(t)是一个频带无限的函数，所以即使原信号x(t)是有限带宽信号，而在截断以后也必然成为无限带宽的函数，即信号在频域的能量与分布被扩展了。又从tm"采样定理可知，无论采样频率多高，只要信号一经截断，就不可防止地引起混叠，因此信号截断必然导致一些误差。对于窗函数的选择，应考虑被分析信号的性质与处理要求。如果仅要求精确读出主瓣频率，而不考虑幅值精度，那么可选用主瓣宽度比拟窄而便于分辨的矩形窗，例如测量物体的自振频率等；如果分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，那么应选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等；对于随时间按指数衰减的函数，可采用指数窗来提高信噪比。FFT〔FastFourierTransformation〕，即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改良获得的。它对傅氏变换的理论并没有新的发现，但是对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅立叶变换，可以说是进了一大步。本设计使用快速傅里叶实现对信号的相位、频率、幅度的分析。1、定义:但凡可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或系统都称之为滤波器，相当于频率“筛子〞。图32、分类:低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器定义：为了研究函数的变化规律，往往需要求出不在表上的函数值。因此，我们希望可以根据给定的函数表做一个既能反映函数f(x)的特性，又便于计算的简单函数P(x)。用P(x)近似f(X)。通常选一类简单的函数作为P(x)，并使P(xi)=f(xi)对i=1,2,……,n成立。这样确定下来的P(x)就是我们希望的插值函数，此即为插值法。2、线性插值是数学、计算机图形学等领域广泛使用的一种简单插值方法。假设我们坐标(x0,y0)与(x1,y1),要得到[x0,x1]区间内某一位置x在直线上的y值。图4根据图中所示，我们得到〔y-y0〕(x1-x0)=(y1-y0)(x-x0)，假设方程两边的值为α，那么这个值就是插值系数—从x0到x的距离与从x0到x1距离的比值。由于x值，所以可以从公式得到α的值α=(x-x0)/(x1-x0)同样，α=(y-y0)/(y1-y0)这样，在代数上就可以表示成为：y=(1-α)y0+αy1，或者，y=y0+α(y1-y0)这样通过α就可以直接得到y。实际上，即使x不在x0到x1之间并且α也不是介于0到1之间，这个公式也是成立的。在这种情况下，这种方法叫作线性外插—参见外插值。y求x的过程与以上过程相同，只是x与y要进行交换。所谓高斯白噪声中的高斯是指概率分布是正态函数，而白噪声是指它的二阶矩不相关，一阶矩为常数，是指先后信号在时间上的相关性。这是考查一个信号的两个不同方面的问题。高斯白噪声：如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，那么称它为高斯白噪声。热噪声和散粒噪声是高斯白噪声。第五章程序分析5.1模拟通道信号发生VI的设计：1〕模拟通道信号发生前面板设计：模拟通道由双通道Ａ、Ｂ组成，每一通道度能够发生一个标准的信号。参数包括了频率、幅度等信息，能够进行输入改变信号的特性。用图形显示空间显示图形。同时还有一个声音的格式来规定输入出的信号的格式。下面两图是A、B通道加高斯白噪声信号经低通滤波处理前、后的显示图形。波形特性为正弦。图52〕模拟通道信号发生框图程序设计：波形类型的选择、是否添加高斯白噪声、通道的选择均通过Case图61〕前面板设计：通过调用已有的子vi读取已经存在的一个文本数据文件，再调用另外一个子vi〔线性插值子程序〕对读取的文本文件数据信号进行频率的整合，使之符合声卡的规定频率。最后经过波形产生函数，通过波形显示空间显示。2〕文本数据读取子VI框图程序说明：1、翻开文件对话框来选择文件阅读，读取文件并显示字符串的指标。2、将标签分隔的字符串转换成字符串数组和带时间戳的信息。3、将带时间戳的字符串数组的数据加载到列表框。4、将二维字符串数组的数据转换为数值型数组并进入图标。使用列表框来选择指数放入数据图中。除非前面板有工程要进行，否那么要等待前面板的活动完成，目的是是把循环用于休眠和节省处理器时间。5、去除前面控件的当前数据。图8将采集到的模拟数据写入文本TextFile.txt中，并在波形图表中显示。1〕前面板设计：运行程序，结果如下，采集了10个数据框图程序设计：前面板设计、框图程序设计：利用for循环采集随机数，采集到的数据和采集时间在前面板显示。1〕前面板设计：输入数据至一维数组，设置采样率，选择波形类型，由插值开关选择是否插值。2〕框图程序设计：被插值的一系列数据处理由case循环，while循环及数组函数实现，插值函数为interpolate，case循环和插值开关选择是否插值。图101〕前面板设计：信号来源从通道获得，也可以从数据文件TXT中读取，当开关打向模拟通道时通道可以是A通道、B通道、A+B通道，该功能由枚举数据类型实现。信号类型有正弦、平方、三角形、矩形信号类型。信号类型、幅值、频率、是否叠加噪声可在通道参数簇中修改。由波形图实现信号读取。声音格式簇中采样速率最好默认设置为44100Hz，通道个数可修改，采样比特率为16位。图112〕信号发生器框图程序设计：Case循环的两个分支为True和False，循环外部：声音格式按名称解绑后再连接到循环结构中，分支选择端子为信号来源的枚举类型。False分支中信号从文本数据中读取，由线性插值子VI实现插值功能，得到的信号最终由波形图显示。True分支信号从通道中得到，由“通道选择〞个数，由模拟通道发生子VI实现信号发生，最后由波形图显示。图12总体设计1〕信号分析仪前面板的总体设计图142〕信号分析仪框图程序设计图151〕信号加低通滤波器的分析结果：设置低截止频率为100HZ，低通滤波后的信号由波形显示，下面两图分别是点亮和关闭低通滤波设置后的运行结果。图162〕信号加低通滤波的框图程序：使用Case结构，两个分支为加低通滤波设置和不加低通滤波设置，结果由波形图描述。图17加汉宁窗函数的波形设计对进行滤波后的信号加汉宁窗，可在一定程度抑制频谱泄露，加窗的波形由前面板波形显示控件显示。1〕前面板设计图182〕框图程序的设计图195.5.4频谱〔功率、幅度、相位〕分析的设计1〕前面板设计：频域分析是通过傅里叶变换将时域信号变换到频域，其主要是了解信号的频谱成分以及各种成分的强度。本设计主要实现了对采集信号的幅度谱、相位谱和功率谱分析等功能。其中，对信号加窗时，使用矩形窗将信号突然截断，在频域上造成很宽的、原信号中不存在的附加频率成分，即有限化带来的泄露问题。为了防止采集信号发生泄露，对所采集信号进行加窗处理，系统选择了汉宁窗。虚拟分析仪的界面如下图，该图显示为实际采集音频信号的FFT变换频谱。图20图212〕框图程序设计：选择汉宁窗，通过带有三个分支的Case结构加以快速傅里叶变换，本设计主要实现了对采集信号的幅度谱、相位谱和功率谱分析等功能。图225.5.5信号的幅值和电平测量、信号的统计分析、失真分析设计由失真测量函数实现对信号谐波失真、信纳比、指定谐波等参数的测量，并通过前面板数值显示控件显示；由幅值和测量函数实现对信号的正峰、反峰、均值、均方根、平均周期等参数的测量，并通过前面板数值显示控件显示；有统计分析函数实现对信号的时域波形统计特性参数中值、总采样数、算数平均、偏斜度、峰度、时间步长、初值、终值的测量，并通过前面板显示控件显示。图23前面板设计图24框图程序设计声卡信号采集主程序前面板设计：声音信号来源为模拟通道或数据文件由插值开关控制、采样模式〔连续采样、离散采样〕、通道选择、采样率、频率、音量、声卡设置、通道参数等都是输入控件，声音输出波形由波形图控件显示。选择模拟通道，程序运行后，可以听到较为清晰的鸣声，通过Volume可调节音量，假设叠加了高斯白噪声，听到兹兹的噪音。图25未叠加高斯白噪声图26参加高斯白噪声框图