1、基于Labview和声卡的虚拟示波器设计毕业设计基于Labview和声卡的虚拟示波器设计The Design of Virtual Oscilloscope Based on Labview and Sound Card 作者声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注的地方外，没有任何剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范的行为，也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果及专利。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。毕业设计（论文）成果归武汉工程大学邮电
2、与信息工程学院所有。特此声明。 作者专业： 作者学号： 作者签名： _ _年_月_日毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要
3、求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做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后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文
4、作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及
5、格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的
6、内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研
7、室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（
8、设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日摘 要虚拟仪器技术的提出和发展标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。该技术是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能，使用者在操作这台计算机时就像在使用一台自己设计的专用的传统电子仪器。操作人员可通过友好的图形化用户界面和图形化编程语言来控制仪器的启动、运行和结束，完成对被测信号的数据采集、信号分析、谱图显示、波形图显示、故障诊断、数据存储以及控制输出等功能。
9、在虚拟仪器系统中,硬件解决信号的输入和输出,软件可以方便地修改、改变仪器系统的功能,以适应不同使用者的需要。其中信号的输入部分一般使用数据采集卡实现。商用的数据采集卡具有较大的通用性,但其价格昂贵,在具体的应用场合,有些功能可能并不实用。普通声卡,具有16位量化精度,数据采集频率为44 kHz,完全可以满足特定应用范围内数据采集的需要,个别性能指标还优于商用数据采集卡,而价格却为商用数据采集卡的十几分之一甚至几十分之一。论文利用普通声卡做采集卡,利用美国NI公司的虚拟仪器软件LabVIEW做开发平台,设计实现了一个虚拟示波器。该系统能够正确采集声卡设计频率范围内的信号,实现了基本示波器的测量功
10、能和频谱分析功能,可以用来测量音频范围的信号。关键词：虚拟仪器；声卡；labVIEW；虚拟示波器AbstractThe proposal and development of virtual instrument technology marks the direction of the automatic test and electronic measurement at 21st century. This technology defines in general computer platforms and designs the test function of instrumen
11、t, when users operating the computer like using a traditional electronic instrument. Operators can control to start, operate and end it through graphical user interface and graphical programming language, and then accomplish data acquisition, signal analysis and spectrum chart shows, waveform figure
12、 shows, faults diagnosis, data storage and output control, and other functions of the measured signal. In virtual instrument system, hardware solve the problem of input signal and output signal, the software can be easily modifiing, changing the function of instrument system, in order to adapt to th
13、e needs of different users. Part of the input signal is generally realizing by the data acquisition card. Commercial data acquisition card is more general, more expensive but some functions may be unpractical. Ordinary soundcard, with 16 quantitative precision, 44 kHz data acquisition frequency, can
14、 meet the need of data collection in specific application range, and the individual performance index is also better than commercial data acquisition card, but the prices of commercial data acquisition card is more expensive. This paper designes and realizes a virtual oscillograph with common audio
15、card and LabVIEW virtual instrument software. The system can correctly acquisite the singal and realize the functions of measurement and spectrum analysis as basic oscilloscope.Key Words：Virtual instrument; Sound card; LabVIEW; Virtual oscilloscope第1章 绪论1.1 虚拟仪器概述所谓的虚拟仪器，就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种
16、测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。虚拟仪器的“虚拟”二字主要包含以下两个方面的含义：第一， 虚拟仪器的面板是虚拟的。虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的：“通”、“断”；被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置；测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”、“触摸”、来进行操作的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相象的“图标”，每
17、个图标的“通”、“断”、“放大”等，对应着相应的软件程序。这些软件已经设计好，我们只需选用代表该种软件程序的图形“控件”即可。因此，设计虚拟仪器前面板,就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。第二,虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。以PC计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能的。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以，在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法1。与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、易用、功能强大、性价比高、可操作性好等优点，具体表现为：(1) 智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理
18、能力和智能化程度主要取决于仪器的软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。(2) 复用性强，系统费用低。采用虚拟仪器技术，可以用相同的基本硬件构建多种不同功能的测量系统。这样形成的测量系统更灵活、更高效、更开放、更便宜。(3) 可操作性强，灵活易用。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同的应用可以设计不同的操作界面。计算机强大的多媒体处理能力使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解。此外，测量完成后可以显示和打印所需的报表（或曲线），可以把测量数据存入数据库系统或通过网络进行数据共享2。1.2 虚拟
19、示波器研究的背景和意义传统台式示波器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，它有特定的输入/输出接口和仪器操作面板，具有波形显示、参数测量等功能。当要实现更多的测量功能时，就要配置更多的仪器，这给用户的使用带来诸多不便，并且传统示波器的测量精度比较低，无法满足高精度的测量要求。而且，传统示波器缺乏相应的计算机接口，配合数据采集及数据处理比较困难。此外，传统示波器体积相对庞大，制造成本比较高，这就增加了测量系统的开发成本。随着计算机技术和测量技术的发展，虚拟仪器技术得到飞快发展，虚拟示波器系统也就应运而生。虚拟示波器系统由用户定义仪器功能，桌面整洁，操作条理，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解
20、放出来，而且具有测量精度高、测量速度快、系统组建时间短、可扩展性强、技术更新快和仪器智能化等优点。此外，虚拟示波器系统开发成本低，结合网络技术可以实现远程数据自动测量、自动记录、自动数据处理。示波器、信号发生器、频谱分析仪是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备，而虚拟示波器系统集成了示波器、信号发生器和频谱分析模块，具有很大的应用价值，主要有：(1) 可以加强实验室技术基础建设。虚拟示波器系统是计算机技术和测量技术的完美结合，不仅提高实验仪器的技术含量，还符合实验室仪器仪表现代化的教学要求。(2) 缩短测量系统的开发时间。虚拟示波器系统提供良好的性能扩展能力，用户可以通过自定义模块
21、快速开发出一整套测量系统，提高系统的开发效率。(3) 远程数据测量。有的测量环境十分恶劣，用传统仪器测量数据可能会使测量人员的人身安全受到威胁，用虚拟示波器系统可以进行远程数据测量，使测量人员远离危险环境。(4) 仪器智能化。虚拟示波器系统是计算机技术与测量技术的完美结合，利用它可以实现24小时无人值守的参数测量、数据分析、数据存盘等功能，为数据的实时测量提供保障3。1.3 论文主要工作论文的目的是利用LabVIEW软件设计一虚拟示波器，通过声卡作为音频信号的采集硬件，利用虚拟示波器显示采集波形并完成波形分析等功能。具体设计要求如下：(1) 具有声卡采集参数设定功能；具有录音和重放功能；可以实
22、现声音数据的采集；能够完成功率谱信号的显示；(2) 声音采集数据能够储存并根据需要调用；(3) 具有声音信号滤波及处理功能；(4) 基于LABVIEW的声卡虚拟示波器应具有美观实用的用户界面。第2章 系统的信号采集2.1 声卡的配置与连接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
23、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4。(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。在当今的主流民用声卡上，采样频率一般共分为8 KHz 、11.025KHz、22.05KHz和44.1KHz四个等级，少数可以达到48 KHz 。对于20Hz20KHz范围内的音频信号，如果采用48 KHz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
24、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辨别出来了，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ALC880 Codec，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，
25、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5。声卡一般有Line In和Mic In两个信号输入插孔，声音传感器（本文采用通用的麦克风）信号可通过这两个插孔连接到声卡。若由Mic In输入，由于有前置放大器，容易引入噪声且会导致信号过负荷，故推荐使用Line In，其噪声干扰小且动态特性良好。声卡测量信号的引入应采用音频电缆或屏蔽电缆以降低噪声干扰。若输入信号电平高于声卡所规定的最大输入电平，则应在声卡输入插孔和被测信号之间配置一个衰减器，将被测信号衰减至不大于声卡最大允许输入电平。此外，将声卡的Line Out端口接到耳机上还可以实时的监听声音信号。LabVIEW对声音
26、采集的设置默认于其所处的操作系统，本文使用的是最普通的声卡，对于高级的声卡采集信号时，要注意关闭如混响之类的一些特效，避免影响测量结果的真实性。1. 声卡的配置一般声卡主要用于输出声音，输入部分可能没有处于正常的工作状态。建议说先使用耳机和MIC（麦克风）检查声卡的功能，特别是输入功能（录音功能）是否正常。如果不正常，需要检查声卡的设置。下面介绍对Line In和 Mic In 的检查和设置。打开音量控制对话框，如图2.1所示，在“选项”菜单下选“属性”，得到如图2.2所示的对话框，在此对话框上选择“录音”并配置列表中的选项即可。注意2.1图中的相关功能不在静音状态。图2.1 音量控制窗口图2
27、.2 声卡的配置2. 硬件的连接硬件连接采用两种方法：(1) 一条一端是3.5mm插孔，另外一端是鳄鱼夹的连接线；(2) 另一条是一条双端均为3.5mm插孔的音频连接线。为了测试声卡的频响特性，可以使用测试线将声卡的输入与输出端连接起来，形成一个闭合的环路。连接时要注意区分Mic In口与SPK Out口，不要把它们当作Line In与Line Out接入。如果测试输入信号，则使用测试线把信号源连接到声卡输入端Line In口；如果测试输入信号，就把该测试线连接到声卡输出端Line Out口。可以使用坏的立体声耳机做一个双通道的输入线，剪去耳机，保留线和插头即可。2.2 声卡信号采集方法声卡采
28、集系统原理框图如下图2.3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软件等几部分组成。图2.3 声卡采集系统原理框图工作过程为：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(mic in)或线路输入(line in)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(line out)端口通过耳机或音响转换为音波播放出来。在信号进入声卡之前必须
29、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(mic in)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(line in)输入信号时，其输入电压应为-1+1V6。2.2.1 声卡信号采集流程模拟信号经同轴电缆进入采集卡的输入通道，经过前置滤波电路、衰减电路、可变增益的放大电路，将信号处理成A/D转换器可以处理的标准电平，经过A/D采样量化转化成计算机可以处理的数字信号并缓存到卡上的存储器。其支持软件通过PC机的PCI总线接口控制模拟通道的阻抗匹配、放大器的增益选择、启动A/D转换及转换结束的识别，并将采集数据以DMA的方式传
30、输到计算机内存，同时对数据信号进行分析处理、显示、存储及打印传输等。声卡数据采集流程如图2.4所示。图2.4 声卡数据采集流程图2.2.2 声卡信号采集的实现LabVIEW软件是一种基于图形语言编程的可视化软件开发平台，与VC，VB等其他可视化编程语言相比，其函数库丰富、编程简单直观、调试方便，而且界面开发简单，界面风格与传统仪器相似。LabVIEW是一个外观和操作能模仿实际的仪器的程序开发环境，类似于C、BASIC等编程语言。但LabVIEW的特点在于，它使用图形化编程语言G在流程图中创建源程序，而非使用基于文本的语言来产生源程序代码。LabVIEW还整合了诸如满足GPIB、VXI、USB、
31、RS-232和RS-485以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能。内置了便于TCP/IP、Active X等软件标准的库函数。虽然LabVIEW是一个通用编程系统，但是它也包含了数据采集和仪器控制等特别设计的函数库和开发工具。由于LabVIEW所使用的术语、图标和概念都是技术人员、科学家、工程师所熟悉的，故而即使用户没有多少编程经验，同样也能利用LabVIEW来开发自己的应用程序7。以LabVIEW为基础的本声卡信号采集系统主要完成了信号采集、存储、回放和频域分析等功能。本设计对于信号采集如此多的功能采用了分模块显示设置，这样使得主程序前面板简单明了，且功能齐全，方便了用户的操作。第3章 系统功能设计及实现3.1 软件
