毕业设计论文基于LABVIEW和声卡的虚拟示波器设计

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1、分类号 密级 U D C 编号 本科毕业论文(设计)题目 基于LabVIEW和声卡的虚拟示波器设计 系 别 物理与电子信息学院 专 业 名 称 电子信息科学与技术 年 级 2008级 学 生 姓 名 马亚丽 学 号 0850720051 指 导 教 师 王怀兴 二一二年五月声 明本人所呈交的论文基于LabVIEW的信号发生器的设计与应用，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中做了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期：文献综述1 概述 示波器是

2、经常使用的一种仪器设备，用于各类信号波形的测量和分析，但是目前这类仪器价格相对昂贵。 虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它是在以计算机为核心的硬件平台上,由用户设计和定义其功能,具有虚拟面板. 虚拟仪器技术具有高效、易用、开放、灵活、更新快、功能强大、性价比高、用户定义等诸多优点.它推动着传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。虚拟仪器技术就是利用计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器的数据的分析

3、、处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。虚拟仪器还可以广泛用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。用虚拟仪器技术只需配置必要的通用数据采集硬件，应用图形化编程语言LabVIEW的虚拟编程环境，采用模块化设计方法，可以实现虚拟示波器 虚拟示波器与传统的示波器相比，其优点主要体现在：价格便宜，软件开发效率高，可操作性和可维护性好，而且具有很强的开放性，能够通过升级采集卡来提高其性能。虚拟仪器已经在现代测试领域中占据了重要的地位，并且具有广

4、阔的发展前景。从某种意义上说，“软件就是仪器”。所以虚拟仪器技术的研究是现代测试技术的一个重要课题。2 主题2.1 虚拟示波器的好处 第一，性能高。虚拟示波器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全继承了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能卓越的处理器和文件I/O，使用户在数据高速导入磁盘的同时，就能实时进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势 第二，扩展性强。得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进用户的整个系统。在利用最新科技的时候，用户还可以把

5、它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加快产品上市时间。 第三，开发时间少。在驱动和应用两个层面上，高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通信方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件架构的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。 第四，集成性好。虚拟示波器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟示波器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测

6、量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。2.2 声卡的介绍 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。在声卡性能越来越好，成本越

7、来越低，普及率越来越高的情况下，这种方法值得在工程测量应用及相关实验室中进一步推广和扩充。例如，对环境噪声进行实时监测，采集语音信号并进行分析和处理来实现语音识别，还可以实现示波器、信号发生器及万用表等设备在音频信号范围内的基本功能。衡量声卡的技术指标包括复音数量、采样频率、采样位数(即量化精度)、声道数、信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)等，主要介绍如下： (1)复音数量 代表了声卡能够同时发出多少种声音。复音数越大，音色就越好，播放声音时可以听到的声部越多、越细腻。 (2)采样频率 每秒采集声音样本的数量。采样频率越高，记录的声音波形就越准确，保真度就越高，但采样数据量相应变大，要求的

8、存储空间也越多。 (3)采样位数 将声音从模拟信号转化为数字信号的二进制位数(bit)。位数越高，在定域内能表示的声波振幅的数目越多，记录的音质也就越高。例如，16位声卡把音频信号的大小分为216=65536个量化等级来实施上述转换。 目前一般的声卡最高采样频率可达96KHz；采样位数可达16位甚至32位；声道数为2，即立体声双声道，可同时采集两路信号，需要时还可选用多路输入的高档声卡或配置多块声卡；每路输入信号的最高频率可达22.05 KHz，输出16位的数字音频信号，而16位数字系统的信噪比可达96dB。3 总结虚拟示波器不仅能够实现一般通用示波器的功能，而且充分发挥了计算机的强大功能和L

9、abVIEW 在仪器开发方面的灵活性，用户可根据需要增加仪器的功能，根据自己的喜好设计示波器界面，同时可利用网络进行远程测量，做到硬件资源和测试数据的共享。该系统具有实际的应用价值，例如可在无人值守的基站，利用该虚拟示波器进行远程监测。虚拟仪器技术经过几年的发展，使得虚拟仪器的内涵不断丰富，并且也走向了标准化和开放化，虚拟仪器技术结合网络技术，可实现以软件设计为核心的自动测试系统，使现代化测试向智能化、系统化和网络化发展。利用声卡，在LabVIEW环境中构成可以一个较高采样精度，中等采样频率，而且具有灵活性的数采系统。整个系统性价比高，通用性强，界面友好，数据存储方便，性能稳定可靠。在声卡性能

10、越来越好、成本越来越低、普及率越来越高的情况下，这种办法值得在工程测量应用及相关实验室中进一步推广和扩充。例如，对环境噪声进行实时监测，采集语音信号并进行分析和处理来实现语音识别，还可以实现信号发生器及万用表等设备在音频范围内的基本功能，其应用前景较为广阔。参考文献1 张健，房晓溪，程学庆，韩薪莘.LabVIEW图形化编程与实例应用.北京：中国铁道出版社，2005 2 戴鹏飞，王胜开，王格芳，马欣.测试工程与LabVIEW应用.北京：电子工业出版社，2006 3 路林吉，等.虚拟仪器的应用.电子技术，2006 4 张毅，龙风乐等.测控系统中三种最新软件的比较.计算机测量与控制，2000 5 N

11、ational Instruments. LabVIEW测试与自动化的专业软件，2001 6 严奉莲基于LabVIEW 虚拟示波器的数据采集与通信设计J中国科技信息，2007 7 刘君华基于LabVIEW 的虚拟示波器设计北京：电子工业出版社，2003 8 陈敏,汤晓安,等.虚拟仪器软件LABVEIW与数据采集.小型微型计算机系统,2001 9 种兰祥,张首军,阎丽.基于计算机声卡的多通道数据采集系统.西北大学学报(自然科学版)，2002 10 杨乐平,李海涛,宵相生,等.LabVIEW 程序设计与应用.北京:电子工业出版社,2001:23924511Robert H.Bishop. Lear

12、ning with LabVIEW 7 Express M Texas Tech University, Houston, 2006 12 管士亮.虚拟仪器总线技术的发展以及前景.中国现代教育设备，2005 13 严加法.虚拟仪器的发展前景.航空电子技术，2002 14 徐云峰, 张世庆. 基于声卡的数据采集系统设计.机械设计与制造，2006 15 计算机虚拟仪器图形化编程LabVIEW实验教材.北京:中科泛华测控技术有限公司，2007 16 王美刚基于声卡的虚拟示波器D太原理工大学硕士学位论文，2006 17 杨乐平,李海涛,赵勇.LabVIEW 高级程序设计.北京：电子工业出版社，2003

13、摘要：示波器是经常使用的一种仪器设备，用于各类信号波形的测量和分析，但是目前这类仪器功能发展空间不大且价格相对昂贵；此外这类仪器也不便于携带和外出作业。虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术的结合，也是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推动传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。本文采用图形化编程软件LabVIEW设计了一种基于声卡的虚拟示波器，它实现了采集声音数据、波形显示、参数显示和频谱分析的示波器的基本功能。 关键字： LabVIEW 虚拟仪器 示波器 虚拟示波器 Abstract：Oscilloscope is a often used instrument and e

14、quipment .It be used to measurement and analysis a various of signals. But this kind of instrument have the same function that dont have big space in development, and their price is very expensive; In addition this kind of instrument cant carry out to work in field. The virtual instrument is combine

15、d the computer technology with measuring technology, it is also an important technology in computer aided testing field, it pushes the development of traditional instruments toward digital, intelligent, modular, network. In this article, I use the graphical LabVIEW software design a virtual oscillog

16、raph based on sound card, it can realize the voice data collection, display the waveform, display the parameter and analysis the spectral that all are the basic functions of the oscilloscope. Key words: LabVIEW Virtual instruments Oscilloscope Virtual Oscilloscope目 录1 绪论11.1 本文的选题依据11.2 选题的背景和意义11.3

17、 虚拟示波器的发展现状与前景21.4 本文的研究内容22 基于声卡的虚拟示波器的设计原理32.1 虚拟示波器的原理32.2 虚拟示波器的功能图32.3 虚拟示波器的声卡采集原理42.4 声卡的作用和主要参数53 虚拟示波器的软件设计73.1 程序流程图和结构图73.2 虚拟示波器的程序设计83.3 数据采集和处理模块93.4 虚拟示波器的基本模块123.5 程序的调试结果123.6 本章小结144 总结与展望154.1 总结154.2 展望15参考文献17致 谢181 绪论1.1 本文的选题依据 与传统示波器相比，虚拟示波器具有高效、易用、功能强大、性价比高、可操作性好等优点。虽然传统示波器可

18、以清晰的显示出信号的时域特性，但是它的频域特性一般示波器很难显示，而虚拟示波器却可以克服这一点实现频域特性的显示；传统示波器一般不能存储采集到的波形或者对存储波形的长短有很严格的限制，即便可以保存下来，在复制到电脑里进行分析的过程也是较为繁琐的，而虚拟示波器却可以很好的存储采集到的波形并对其进行分析；一般示波器是不能显示多路通道信号相位上的关系一般只有2-4路输入通道，而虚拟示波器却可以向外扩展多个输入通道；传统示波器的触发类型是有限的，特别是对信号的触发方式有一些特殊的要求，常用示波器是不能实现的，而虚拟示波器却能克服这一限制；此外传统示波器的颜色单一，而且不具备打印和远程控制功能等等，给测

19、试工作带来了诸多不便，而虚拟仪器却能很好的解决这一问题。1.2 选题的背景和意义示波器是电子测量、测试仪器中使用范围非常广泛的设备。传统示波器包括带宽示波器、取样示波器和记忆示波器等，它们频带较宽，实时性较好，但是功能比较单一。采用虚拟示波器技术可以以低廉的成本解决这些弊端。虚拟示波器是虚拟仪器技术的应用，它使用数据采集卡采集现场信号，通过接口电路传输数据到计算机，在凭借强大的监控软件模拟示波器的操作面板，实现信号采集、分析、处理、存储、再显示、打印输出等功能。虚拟示波器不仅可以实现传统仪器的功能，而且具有存储、再现、分析、处理波形等特点，而且体积小，操作简便。虚拟示波器使用功能强大的计算机来

20、完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不同的方式显示测量结果，完成测试任务。181.3 虚拟示波器的发展现状与前景 传统示波器有复杂的工艺问题和知识产权问题，发达国家的传统示波器市场已具有相当大的规模。而虚拟示波器是一个全新的领域，大力发展虚拟示波器技术可以避免传统示波器的发展阶段从而快速进入虚拟示波器发展阶段，与国外的公司处于同一起跑线形成跨越式发展。互联网已经使数据共享进入了新的阶段，加速了虚拟示波器的新网络技术和远程计算机技术的发展，这些是传统示波器所不可能实现的。国内专家预测：未来几年内，我国将有50%的仪器为

21、虚拟仪器，随着微型计算机的发展，虚拟示波器将逐步取代传统的测试示波器而成为测试示波器的主导。虚拟仪器技术的研究和发展，标志着21世纪自动测试和电子测试仪器领域技术发展的一个重要方向。虚拟示波器作为虚拟仪器的一种也高速发展着。随着个人电脑的小型化，虚拟示波器也将朝着小型化、普及化方向发展，将会出现个人能随身携带的分析仪器。复用是成熟工程领域的一个基本特征，使用经过时间检验的标准零部件，可使常规的设计问题直接利用现成的解决法案来解决，变了项目开发时的重复设计，从而大幅度地降低开发成本，提高生产效率和产品质量。虚拟示波器系统的设计也朝着这个方向发展。随着自动化系统的设计复杂化、大型化和智能化，虚拟示

22、波器软件的设计可复用性、优良的稳定性、广泛的应用对象适应性和用户的可维护性，已经使工业领域的重要研究方向。1.4 本文的研究内容目前市场上的A/D采集卡和数据采集卡以及带标准总线接口的仪器等，价格昂贵，就毕业设计目的而言性价比以及实用程度不高。进而使用计算机的声卡，其本身就是一个A/D，D/A的转化装置，具有16位的量化精度、数据采集频率是44.1kHz，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在设计实验中完全可以满足要求。因此在本设计中，虚拟示波器的数据采集装置主要基于声卡。利用声卡实现对数据的采集，制作成一个简易的示波器。示波器可以实现数据采集、波形显示、

23、参数测量和频谱分析这四大功能。2 基于声卡的虚拟示波器的设计原理2.1 虚拟示波器的原理 虚拟示波器主要由软件完成信号的采集、处理和输出。系统软件部分包括前面板生成框图的程序和图标连接端口。仪器的主要功能是：通道的选择、时基幅值选择、滤波器、信号发生器、数据存储与回放等。在完成各个功能时其实示波器就是利用电子束的偏转来显示电信号的瞬时图像的一种仪器。它能快速的把肉眼不能直接看见的电信号的时变用可见的形式和图像显示出来。 软件通过PC机的PCI总线接口控制模拟通道的阻抗匹配、放大器的增益选择传输到计算机的内存，同时对数据信号进行分析处理、显示、存储和打印传输等。声卡数据采集流程如图2-1所示：

24、图 2-1 声卡数据采集流程图 本文设计的虚拟示波器是基于LabVIEW软件在PC机上将声卡作为数据采集卡的。利用LabVIEW软件中的声音处理函数和信号处理和分析函数，对声卡中的输入信号进行采集、波形显示、参数测量和频谱分析，实现示波器的基本功能。2.2 虚拟示波器的功能图本文设计的虚拟示波器的功能首先是完成信号的采集，显示出波形。完成波形显示之后是对数据的参数测量。功能图如图2-2所示：图2-2 虚拟示波器的功能图2.3 虚拟示波器的声卡采集原理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

25、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。通过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的方式传输到计算机内存，同时对数据信号进行分析处理、显示、分析、存储和打印传输等。使用LabVIEW构建基于声卡的虚拟示波器的思路是很明确的。实际的数据采集流程是：（1）初始化：对声卡中与数据采集有关的硬件参数进行设置；（2）采集：声卡开始采集数据，并把数据暂存在缓冲区；（3）数据集合：当缓冲区的数据存满后，在得到缓冲区满的信息后，通知声卡暂停采集外部数据并清空缓存的数据；同时将数据读取到用户程序的数组中产生一个采集的数据集合并在

26、程序中对数据进行各种处理。虚拟示波器是采用基于计算机的虚拟技术，用以模拟通用示波器的面板操作和处理功能，即使用个人计算机及接口电路来采集现场信号，并通过图形用户界面（GUI）来模仿示波器的操作面板，完成信号的采集、调制、分析处理和显示输出等功能。本论文所设计的虚拟示波器，是在数据采集硬件的支持下，配备一定功能的软件，完成波形的存储、分析、显示等功能。测试仪器都是由信号采集、信号处理和结果显示构成的，它们都是由硬件构成的。虚拟示波器也是这三部分组成，但是信号处理和结果显示这两部分是由软件实现的。本论文设计的虚拟示波器大体上包括数据采集、波形显示、参数测量、频谱分析等几个模块，虚拟示波器的结构图如

27、2-3所示：图2-3 示波器的结构图结构图解释：信号输入是由计算机输入一段音频数据，然后声卡采集数据，之后声卡把采集到的数据存入缓冲区；LabVIEW中的声音函数读取缓冲区中的数据，读取到数据后运行；虚拟示波器就可以显示信号的波形、参数测量和频谱分析。2.4 声卡的作用和主要参数从数据采集的角度看，声卡是一种音频范围内的数据的采集卡，计算机与外部的模拟量间联系的重要途径。LabVIEW提供了操作声卡的函数，声卡主要有录制和播放、编辑与合成处理、MIDI借口三大功能。（1）录制和播放：通过声卡，用户可把来自话筒、收录机等外部音源的声音录入计算机，并转换成数字文件进行存储和编辑；用户也可以将数字文

28、件还原成音频信号，通过扬声器回放，如播放CD、VD、DVD等。在进行录制和回放时，在进行A/D、D/A的转换是同时还在进行压缩和解压处理。（2）编辑与合成处理：通过对音频文件进行多种特效的效果处理，如加入回声、倒放、往返放音和双声道交叉放音等，可以实现对各种声源音量的控制和混合。（3）MIDI（Musical Instrument Digital Interface 乐器数字借口）：通过MIDI借口和波表合成，可以记录和回放各种接近真实乐器原生的音乐。上述功能主要是数据采集和信号处理，很自然的被想到用来实现示波器、信号处理器、频谱分析仪等虚拟仪器。在设计基于声卡的虚拟示波器时，参数的设置是很重

29、要的。以下介绍声卡的主要参数：（1）采样位数 采样位数就是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。声卡的位数是指声卡在采集和播放声音时所使用的数字信号的二进制位数，它客观地反映出数字信号对输入声音信号描述的准确度。（2）采样频率 目前，声卡的最高采样频率为44.1kHz，有的甚至达到48kHz。一般声卡将采样频率设为4档，分别是44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz、8kHz。其中22.05kHz能达到FM广播的声音品质；44.1kHz为CD的音质界限，48kHz能更好。对20kHz范围内的音频信号，最高的采样频率为48kHz，理论上没有问题但

30、是余量不大。使用声卡最大的局限在于不允许用户任意地设定采样频率。这样虽然成本低廉但是局限性大。用户不能控制整周期采样，只能通过信号处理的方法来解决非整周期采样带来的弊端。（3）缓冲区与一般数据采样卡不同，声卡面临的D/A和A/D任务通常是连续状态的。为了在一个简易的结构下较好的完成任务，声卡缓冲区的设计有其特别之处。为了节约CPU资源，计算机的CPU并不是每次声卡A/D或D/A后都要有一次中断，所以采用缓冲区的方式。在缓冲区，声卡的A/D、D/A都对某一个缓冲区进行操作。计算机总线的数据传输速率非常高，读取缓存区数据时间短不会影响A/D变换的连续性。缓冲区的工作方式大大的降低了CPU响应中断频

31、度节约系统资源，声卡输出声音的D/A变换类似。（4）没有基准电压声卡没有基准电压，在使用A/D和D/A时，都需要用户自己标定基准电压。3 虚拟示波器的软件设计3.1 程序流程图和结构图程序流程图如图3-1所示：图 3-1 虚拟示波器程序流程图 流程图说明：对设计中的模块进行初始化设置，之后通过声卡对数据进行采集并将采集的信号传输到LabVIEW模块中；通过LabVIEW模块的程序运行将信号转换成图像的形式显示出来。最后通过对波形的测试得到各种参数。 程序的结构图如图3-2所示： 图 3-2 程序的结构图结构图说明：把函数信号发生器发出的特定的信号传输给声卡的缓冲区，声卡进行参数的初始化设置；设

32、置好之后将缓存区的信号读取出来传输给数据采集卡进行A/D转化为计算机可以识别的数字信号，然后对信号进行波形显示、参数显示和频谱分析。3.2 虚拟示波器的程序设计3.2.1前面板的设计 本论文设计的虚拟示波器的控制面板如图3-3所示：图 3-3 虚拟示波器的控制面板 控制前面板简介： 本文的前面板的作用在于显示信号的波形、幅频特性、相频特性。以数据的形式显示包括周期均方根、周期平均值、峰峰值、幅度、频率、相位值等参数值。3.2.2 程序的总设计 程序设计的总框图结构如图3-4所示： 图 3-4 程序设计的总框图结构 总设计框图简介：信号通过声卡采集进入虚拟仪器中，通过设置声卡的一些基本参数（注意

33、：声卡的采样频率不能过低，这样将会导致在采集过程中不能连续采集致使示波器的输出中断）。声卡采集完信号数据后开始读取数据之后将数据转化为波形显示出来；在显示波形的过程中，虚拟示波器还通过对波形进行频谱分析主要包括幅频和相频并将其幅频和相频特性显示出来；之后把波形的频率、幅频、相频的数据以数组的方式进行分析和显示。在读取过程中，还能把波形的周期平均、峰峰值、最大峰、最小峰、周期均方根、直流和均方根的数值显示出来。而声卡的读取过程是通过一个while循环连接起来的。在读取的过程完后，经过声卡的清除进行下一次的读取过程。在声卡的读取过程中，如果声卡出发出错就会停止读取，声卡直接停止，while循环也会

34、结束。3.3数据采集和处理模块 数据采集模块是虚拟示波器软件的硬件驱动部分，本文主要是利用LabVIEW中的声卡函数完成对声卡硬件参数的设置、启动声卡采集数据、等待采样数据缓冲区满的消息、通知声卡停止采集等任务。数据采集模块程序流程图如图3-5所示： 图 3-5 数据采集模块的程序流程图数据采集流程说明：首先是对声卡中与数据采集有关的硬件参数进行初始化设置；然后是声卡开始采集数据并将采集到的数据咱存在缓冲区；在缓冲区存满数据之后，一方面将数据读取到用户程序的数组中产生一个采样数据集合，并在程序中对数据进行处理；另一方面，在得到缓冲区满地消息后，通知声卡暂停采集外部数据，并清除缓存区里的数据。数

35、据采集和处理模块如图3-6所示： 图 3-6 数据采集和处理模块程序简介：在LabVIEW软件中，对于声卡的声道可以分为mono 8-bit（单声道8位），mono 16-bit（单声道16位），stereo 8-bit（立体声8位）和stereo 16-bit（立体声16位）。其中，16位声道比8位声道采样信号的质量好，立体声（stereo）比单声道（mono）采样信号好，最好的采样通道形式是stereo 16-bit，这样采样的波形稳定而且干扰小。另外，用单声道采样时左右声道信号都相同，而且每个声道的幅值只有原信号幅值的1/2；采用立体声采样时左右声道互不干扰，可以采两路不同的信号，而且采

36、样的信号幅值与原幅值相同。此外如果选择mono（单声道），SI出来的数据是标量不能组成数组，进而不便于数据的各种处理。所以在本设计中采用stereo 16-bit进行双声道采样。声卡的采样频率（rate）有4种选择，即8000Hz，11025Hz，22050Hz和44100Hz，采样频率不同，采集的波形的质量也不同，应视具体情况选用合适的频率；在本设计中，为了得到更好的效果，采用了44100Hz的采样频率。而在采样率的选择方面，本文采用了一个case循环，目的是在采样率为44100Hz的条件下，在循环内产生波形数据。3.3.1 声音输入的设置、读取和清除声音输入设置的前面板是对声卡参数的设置，

37、这些设置都能满足设计的需要。声音输入设置函数的主要功能是设置声卡中与数据采集有关硬件的参数，如采样率，数据格式，缓冲区长度等。声卡的采样率由内部时钟控制，只有3到4种固定频率可选，一般将采样频率设置为44100HZ，数据格式设置为16bit。缓冲区长度可选默认值。声音输入的读取函数用于等待采样数据缓冲区满的消息。当产生这一消息时，它将数据缓冲区的内容读取到用户程序的数组中，产生一个数据采样集合。若计算机的速度不够快，使得缓冲区内容被覆盖，则会产生一个错误信息。这时调节缓冲区的大小，在采样时间和数据读取之间找到一个理想的平衡点。 声音输入的清除函数用于完成最终的清理工作。例如关闭声卡采样通道，释

38、放请求的一系列系统资源（包括MDA，缓冲区内存，声卡端口等）。3.4 虚拟示波器的基本模块 频率测试用于测量信号波形的频率。其中采用的函数为Extract Single Tone Information 函数。它是用来获取一个信号的，求出音频信号的最高幅度或者一个指定的频率范围，并返回一个单一的频率、幅度、相位值。 频谱分析的作用是对信号进行频谱分析。实现一个FFT运算。主要利用了FFT Spectrum 函数。FFT Spectrum 函数的功能为计算一个时间信号的平均FFT Spectrum ，其结果是返回一个幅值或相位值。 参数显示的作用是显示信号的参数。参数中包括周期平均，峰峰值，正峰

39、值，负峰值，周期均方根，直流，均方根。参数显示是以数字的方式显示。3.5 程序的调试结果在系统设计完成之后，接下来的任务即是检验此虚拟示波器是否可以正常工作并正确的反映波形的特性。下面分别从波形显示、幅频特性、相频特性三方面来测试系统的功能。 本设计系统由于受声卡硬件条件的限制，频率范围比较窄，可以用来测量音频范围的信号（如声音、脉搏、心电、脑电和电话等）。在最后的测试中，采用了函数信号发生器作为外部模拟信号输入，用设计的虚拟示波器分别显示正弦波、三角波、方波的波形。打开程序后，LabVIEW声卡函数的通道数设置为2，采样数设置为5000，采样频率设置为22050Hz，声卡的位数设置为16，。

40、接入函数信号发生器产生的正弦波，然后点击窗口左上角的“连续运行”按钮。采集到的声音信号的波形如图3-7所示： 图3-7 声音信号的波形显示对声音信号波形的相频和幅频分析如图3-8所示： 图 3-8（a）相频分析结果 图 3-8 (b) 频谱分析结果 图 3-8 频谱分析结果对声音信号的参数测量的结果如图3-9所示： 图 3-9 参数测量结果 3.6本章小结本章是设计和调试的关键部分，主要介绍了虚拟示波器的各个功能模块的具体设计，包括：数据采集和处理模块、测量模块、频谱分析模块、参数显示模块等。将这些模块在主VI的框图程序中按照一定的逻辑关系组合起来，就形成了一个完整的虚拟示波器。虚拟示波器的性

41、能指标直接关系到该示波器到的性能好坏，包括该示波器能测量到的频率范围，显示是否清晰；主要由采样频率和采样精度决定的。下面分别介绍本设计中的采样频率和采样精度考虑到声卡本身采集质量问题，实际测试的模拟信号的最高采样频率为2.5KHz。设计中选用16位采样的声卡，采样精度为，分辨率约为0.0015，其中实时带宽为2KHz。由调试结果可知，设计时使用的普通价格低廉的声卡替代了数据采集卡，在LabVIEW图形编程语言环境下设计实现了便捷、灵活性强的虚拟示波器，在一些应用领域是一种很好的选择。本文所设计的虚拟示波器能对信号进行采集并正确显示，达到了虚拟示波器的设计要求。4 总结与展望4.1 总结 本文设

42、计的虚拟示波器不仅具有台式数字示波器的功能，而且充分发挥了计算机强大的功能和软件设计的灵活性。设计出的示波器不仅具有波形显示功能，而且还具有频谱分析和参数显示功能。经过测试，本文设计的示波器能对波形和参数正确的显示，达到了虚拟示波器的设计要求。设计的研究工作和主要研究结果总结如下：（1）本文用图形化编程语言LabVIEW对程序进行设计。采用硬件声卡进行数据转换。由于声卡的电压要求为1V左右，所以对小信号要进行放大，大于1V的电压信号要加入衰减电路。（2）充分利用了计算机的外设连接能力，声卡的数据转换能力，测试结果和波形显示。（3）由于本文选用声卡的最高采样频率为44.1KHz，根据采样定理，所

43、能测试模拟信号的最高频率为22KHz。考虑到声卡本身采集质量问题，实际测试的模拟信号的最高频率为2.5KHz。（4）在相同的硬件条件下，本文设计的虚拟示波器还可以通过修改和增加数据存储和数据回放模块，来增加虚拟示波器的功能。4.2 展望 由于本人的水平有限和设计的条件有限，设计中尚存在许多未尽人意的地方。主要有以下几个方面需要改进和研究：（1）影响示波器系统各个性能的因素很多，而数据采集卡的采样速率、分辨率影响着示波器的分辨率和显示的波形。设计中选用的声卡的采样速率较低，带宽较窄。因此需要选用各方面性能都较高的采集卡，这才能充分发挥虚拟示波器的优点。（2）本文所设计的虚拟示波器不具有网络功能。

44、网络的潮流将资源共享带入一个新的阶段，加速了虚拟仪器与网络技术相结合以及远程监控技术的发展。PC技术与嵌入式系统融合发展，使虚拟仪器的功能得到进一步的发展，例如更多的嵌入式和实时功能。随着PC技术和相关技术的发展，虚拟仪器技术已成为一项前沿学科，代表着仪器发展的最新方向之一，不断的被推向各个新的领域，在新的世纪将大行其道。虚拟仪器设计已经成为测试与仪器技术发展的一个重要方向。随着高速A/D芯片和电路的进一步集成化，可以设想在不远的将来，一台有安装虚拟仪器软件的标准微机成为一个多功能的测量仪器站，从根本上改变目前专用仪器的研制和生产方式，具有广阔的应用前景和巨大的潜在经济效益。计算机虚拟示波器的

45、成本低，功能全，可扩充性强，较适合应用于工业测试和工业自动化及汽车、轮船、水力和医疗等领域。随着计算机技术的进一步发展，虚拟示波器的开发和研究将会获得更大的推动。参考文献1 张健，房晓溪，程学庆，韩薪莘.LabVIEW图形化编程与实例应用.北京：中国铁道出版社，2005 2 戴鹏飞，王胜开，王格芳，马欣.测试工程与LABVEIW应用.北京：电子工业出版社，2006 3 路林吉，等.虚拟仪器的应用.电子技术，2006 4 张毅，龙风乐等.测控系统中三种最新软件的比较.计算机测量与控制，2000 5 National Instruments. LabVIEW测试与自动化的专业软件，2001 6 严

46、奉莲基于LabVlEW 虚拟示波器的数据采集与通信设计J中国科技信息，2007 7 刘君华基于LabVIEW 的虚拟示波器设计北京：电子工业出版社，2003 8 陈敏,汤晓安,等.虚拟仪器软件LABVEIW与数据采集.小型微型计算机系统,2001 9 种兰祥,张首军,阎丽.基于计算机声卡的多通道数据采集系统.西北大学学报(自然科学版)，2002 10 杨乐平,李海涛,宵相生,等.LabVIEW 程序设计与应用.北京:电子工业出版社,2001:23924511Robert H.Bishop. Learning with LabVIEW 7 Express M Texas Tech Univers

47、ity, Houston, 2006 12 管士亮.虚拟仪器总线技术的发展以及前景.中国现代教育设备，2005 13 严加法.虚拟仪器的发展前景.航空电子技术，2002 14 徐云峰, 张世庆. 基于声卡的数据采集系统设计.机械设计与制造，2006 15 计算机虚拟仪器图形化编程LabVIEW实验教材.北京:中科泛华测控技术有限公司，2007 16 王美刚基于声卡的虚拟示波器D太原理工大学硕士学位论文，2006 17 杨乐平,李海涛,赵勇.LabVIEW 高级程序设计.北京：电子工业出版社，2003致 谢本次毕业设计是在导师王怀兴亲切关怀和悉心指导下完成的，老师工作认真，给我留下了深刻的印象，也更加激励我必须把毕业设计做好。在我毕业设计期间，宿舍的舍友冯小燕在我们互相探讨中也给了我很大的启发和鼓励，并提出了许多宝贵的建议。藉此完成之际，谨向尊敬的老师和同学致以最诚挚的感谢!