基于LabVIEW軟件和計(jì)算機(jī)聲卡實(shí)現(xiàn)定量測試和時(shí)頻分析

在電子測量領(lǐng)域中，信號發(fā)生器和示波器器是最基本和使用最廣泛的電子測量設(shè)備之一。它們的作用分別是為電子測量提供符合一定技術(shù)要求的電信號源和圖形化顯示電信號參數(shù)。然而，作為測試計(jì)量的激勵(lì)源和顯示器，它們一方面體積笨重，使用不方便；另一方面，價(jià)格昂貴，一般電子愛好者和基層技術(shù)工作者不具備使用條件。擁有一臺(tái)屬于自己的性能良好、使用方便、價(jià)格便宜的信號發(fā)生器和示波器成為許多技術(shù)工作者的一大愿望。在此介紹一種使用方便，能滿足一般測試任務(wù)要求，基于LabVIEW軟件和計(jì)算機(jī)聲卡的音頻段虛擬信號發(fā)生器和雙通道數(shù)字示波器。

1、系統(tǒng)構(gòu)成

本裝置不需要增加額外投入，只要你的機(jī)子上裝有聲卡（最好是16位或更高，輸出信噪比較高的中高檔數(shù)字聲卡），再準(zhǔn)備兩個(gè)耳機(jī)插頭用于信號的輸入和輸出就行了。虛擬信號發(fā)生器的工作原理是：先由計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)生滿足測試計(jì)量要求的數(shù)字信號，再經(jīng)緩存器和聲卡轉(zhuǎn)換成模擬信號，最后由耳機(jī)插座輸出。虛擬數(shù)字示波器的工作原理是：先經(jīng)“線路輸入”插孔將信號接入，再由聲卡實(shí)現(xiàn)信號的A/D轉(zhuǎn)換，最后由計(jì)算機(jī)軟件完成信號的處理和顯示。

2、軟件實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)軟件是虛擬儀器的核心，儀器的主要功能都是通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)的——即“軟件就是儀器”，再配合少量的硬件設(shè)備，就可以完成設(shè)計(jì)需要的各項(xiàng)任務(wù)。美國NI公司的LabVIEW軟件為提供了圖形化編程語言（GraphICprogramlanguage）的開發(fā)環(huán)境，方便技術(shù)人員利用熟悉的術(shù)語、圖解和概念，使用圖形化的語言來描述程序。用戶可以根據(jù)任務(wù)需要和個(gè)人愛好，任意設(shè)置儀器前面板，并通過前面板各控件來調(diào)整和指示各種信號參數(shù)，如信號類型、頻率、幅值、初始相位、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、信號D/A轉(zhuǎn)換精度、A/D轉(zhuǎn)換精度等等；同時(shí)，可以通過面板上的示波器直觀顯示信號波形。

虛擬信號發(fā)生器的軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示。

在軟件編程中，信號格式設(shè)置為“mono．16bit“，要與輸出格式一致；采樣頻率視輸出信號頻率而定。多頻波產(chǎn)生器的“采樣參數(shù)格式”要求采樣頻率與采樣點(diǎn)數(shù)相等，否則可能導(dǎo)致沒有信號輸出?！霸O(shè)備代號”用來選擇聲卡設(shè)備，默認(rèn)值為“O”。SOSetNumBuffers．vi的“Numberofbuffers”參數(shù)用來控制輸出信號的連續(xù)性，當(dāng)其設(shè)置為“O”時(shí)，輸出信號不連續(xù)，當(dāng)其設(shè)置為“1”或以上值時(shí)，輸出信號連續(xù)，其代價(jià)是占用更多的緩存，信號從產(chǎn)生到輸出也有更多的延遲。

虛擬雙通道數(shù)字示波器的軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示。

在信號采集時(shí)，信號格式設(shè)置為“stereo．16bit”，從而實(shí)現(xiàn)16位轉(zhuǎn)換精度的雙通道輸入。采樣頻率視所要觀察的信號頻率而定；緩存器容量要設(shè)為2的倍數(shù)，以提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算效率，每通道采樣點(diǎn)數(shù)=緩存器容量／4。采樣所得信號為二維數(shù)組，要先將其轉(zhuǎn)換成一維數(shù)組，然后再分離成兩個(gè)通道的信號。信號數(shù)據(jù)經(jīng)精度轉(zhuǎn)換后，一方面用于數(shù)值顯示，另一方面生成波形，由示波器顯示。由于聲卡通道的差異，對采集信號的放大倍數(shù)不同，因此需要對兩通道數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理。

3、性能測試與分析

通過以上軟件編程，就可以讓計(jì)算機(jī)生成所希望的理想數(shù)字信號（如前面板示波器所示），然后再通過聲卡輸出供我們使用的模擬信號。而需要測量的信號由聲卡輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)換和處理后以數(shù)組和波形兩種方式同時(shí)顯示。

作為虛擬儀器的唯一硬件設(shè)備，聲卡的質(zhì)量完全決定了信號發(fā)生器和示波器的性能指標(biāo)。聲卡的輸入輸出形式（是否可以輸出數(shù)字信號）、量程、轉(zhuǎn)換精度（8bit，16bit或者更高）、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、抗干擾能力等都直接影響到輸出信號和采集信號的品質(zhì)。下面是以一款普通低檔聲卡（CreativeSBAudioPCICT4730）作為輸出設(shè)備，對虛擬信號發(fā)生器和數(shù)字示波器有關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行的測試分析。

測試校驗(yàn)設(shè)備為：數(shù)字萬用表（HP34401A，51/2位），數(shù)字示波器（TektronixTDS380），信號發(fā)生器（TektronixAFG380）和ADLINK采集卡PCI-9118。

虛擬信號發(fā)生器

（1）頻率范圍：1~10kHz

（2）頻率準(zhǔn)確度：優(yōu)于0.2%或小于1Hz

（3）．頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于0.1%

（4）、輸出電平：0～±Q6V（連續(xù)可調(diào)）

（5）．輸出電平精度：16bit

（6）．輸出電平準(zhǔn)確度：由于聲卡電路結(jié)構(gòu)的影響，輸出電平準(zhǔn)確度有一定偏差；但通過軟件參數(shù)調(diào)整，可以達(dá)到很高的準(zhǔn)確度（優(yōu)于0.1%）

（7）．輸出電平穩(wěn)定度：利用ADLINK采集卡PCI-9118和相關(guān)軟件對輸出電平進(jìn)行自動(dòng)測試，所測數(shù)據(jù)和測試程序見輸出電平測試數(shù)據(jù)表

（8）．信號頻譜純度：這部分是聲卡對輸出信號影響最大的部分，與聲卡電路原理設(shè)計(jì)、屏蔽措施以及聲卡的工作環(huán)境等都直接相關(guān)，可以說聲卡自身的信噪比決定了信號發(fā)生器的頻譜純度。

下圖為計(jì)算機(jī)生成的理想數(shù)字信號與聲卡輸出波形的比較。

虛擬雙通道數(shù)字示波器

虛擬示波器的數(shù)據(jù)處理和顯示部分依托計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和顯示功能完成，其性能指標(biāo)（如頻率響應(yīng)、時(shí)域響應(yīng)、掃描速度等）已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出聲卡的處理能力，因此這里實(shí)際上討論的是聲卡的性能指標(biāo)了。

（1）．頻率響應(yīng)：1～10kHz；

（2）．測量范圍：0～±0.2V。

信號是經(jīng)聲卡的“線路輸入”端口引入，因此測量范圍受到很大限制。為此，強(qiáng)力建議在被測信號和聲卡之間加入信號衰減電路，一方面擴(kuò)大測試量程，另一方面可以保護(hù)聲卡，以免因過載而損壞聲卡。最簡單的辦法就是在聲卡板上增加一組分壓電阻。下圖為一款包括衰減網(wǎng)絡(luò)和過壓抑制的衰減電路。

選擇“線路輸入”為輸入端口的步驟為：

①雙擊屏幕右下角的小喇叭標(biāo)志，打開播放控制面板；

②選擇“顯示”菜單下的“屬性”，然后在出現(xiàn)的對話框中選擇“錄音”，單擊確定后，原先的“播放控制”面板變?yōu)椤颁浺艨刂啤保?/p>

③選擇錄音設(shè)備為“線路輸入”，再根據(jù)提示進(jìn)行操作。如下圖所示。

（3）．采樣精度：16bit；

（4）．輸入阻抗：20k

（5）。信號失真度：受聲卡時(shí)域響應(yīng)速度和噪聲干擾的影響，給被觀察信號帶來一定的失真，其失真度因聲卡性能而異。下圖為在不經(jīng)衰減的情況下，對數(shù)字信號發(fā)生器輸出信號的測試結(jié)果。

基于LabVIEW和計(jì)算機(jī)聲卡的虛擬信號發(fā)生器和虛擬雙通道數(shù)字示波器，雖然受聲卡性能的約束較大，但因其幾乎為零的成本投入，方便的自我化設(shè)計(jì)，以及較高的轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)信號發(fā)生器和示波器的品質(zhì)帶來很大的改善。利用LabVIEW和計(jì)算機(jī)聲卡，還能在要求不高的條件下，對聲頻段信號進(jìn)行定量測試和時(shí)頻分析，有興趣的話不妨慢慢探索。

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