摘要：為了在對采樣頻率要求不高的情況下進行信號的生成和分析，采用聲卡取代價格昂貴的數據采集卡進行采樣和輸出，利用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW，分別設計和實現(xiàn)了基于聲卡的虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器。信號發(fā)生器可以產生方波、三角波等常用波形和自定義波形，示波器具有波形顯示、圖像暫停和截取以及頻譜分析功能，所設計的虛擬儀器具有友好的人機界面，只需兩臺計算機即可進行完整的自測試。

在電子與通信行業(yè)以及試驗測試中，信號發(fā)生器和示波器是應用最廣泛的電子測量儀器。傳統(tǒng)儀器的技術和性能都已經比較成熟，但存在體積較大、不易攜帶、功能固定、并且價格昂貴等缺點。虛擬儀器是計算機技術與儀器技術深層次結合產生的產物，代表了當前測試儀器的發(fā)展方向之一。虛擬儀器系統(tǒng)的必備組件包括功能強大的編程工具、靈活易用的數據采集硬件及個人電腦。在實際測量中，需根據需求選擇相應的數據采集卡，但這些卡的價格均比較昂貴，而同樣具備A/D功能的聲卡是一個非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統(tǒng)，具有16位量化精度，數據采集頻率可達到44.1 kHz且已成為大多數計算機的標準配置，當所研究信號的頻率范圍在音頻范圍內(20 Hz～20 kHz)時，利用聲卡進行數據采集便是一個更好的選擇。

文中基于虛擬儀器的設計概念，利用方便廉價的計算機聲卡分別設計和實現(xiàn)了虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器，特別適合于實驗室環(huán)境下低頻信號的產生與分析。本文使用聲卡進行A/D、D/A轉換以及信號的采集和播放，使用LabVIEW軟件設計了虛擬儀器的前面板并實現(xiàn)相關信號的運算、分析和處理。所設計的虛擬信號發(fā)生器和示波器具有傳統(tǒng)儀器的功能，相比于傳統(tǒng)儀器，具有成本低廉、使用方便、擴展性強等優(yōu)點。

1 虛擬儀器技術和聲卡工作原理

1. 1 虛擬儀器的特點

虛擬儀器首先是由美國國家儀器公司于20世紀80年代中期提出來的，實現(xiàn)“軟件即儀器”的概念。隨著計算機技術和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，虛擬儀器技術也得到了很大的發(fā)展。虛擬儀器的實質是將傳統(tǒng)儀器硬件和計算機軟件技術結合起來，以實現(xiàn)并擴展儀器的功能。計算機軟件是虛擬儀器的核心，硬件只是為了解決信號的輸入輸出，虛擬儀器集成了儀器的所有采集、控制、數據分析、結果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的部分硬件甚至整個儀器都被計算機軟件代替。

虛擬儀器實現(xiàn)了儀器的智能化、模塊化和多樣化，體現(xiàn)出多功能、低成本等操作優(yōu)點。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有更廣的應用領域，因此它成為儀器行業(yè)發(fā)展的一個重要方向，并受到許多國家儀器行業(yè)的重視。

虛擬儀器開發(fā)平臺目前主要有兩類：一類是基于傳統(tǒng)語言的Turbo C，Microsoft公司的Visual Basic與Visual C++等，這類語言需要開發(fā)人員有較多的編程經驗和較強的調試能力;另一類是專業(yè)圖形化編程軟件，如HP公司的VEE，NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI等。

1. 2 LabVIEW開發(fā)平臺

LabVIEW是一個很好的圖形化開發(fā)環(huán)境，專為數據采集和儀器控制而設計，它將信號采集、測量分析和數據顯示功能集中在同一個開放式的開發(fā)環(huán)境中。LabVIEW具有豐富的庫函數供用戶調用，圖形化的編程語言簡單直觀、開發(fā)速度快，在編寫程序的同時可以自動生成圖形化用戶界面，可充分利用計算機強大的計算和顯示功能，被廣泛應用與自動控制和測試領域中。

1. 3 聲卡工作原理

聲音的本質是一種波，表現(xiàn)為振幅、頻率和相位等物理量的連續(xù)變化。聲卡是計算機進行聲音處理的適配器，它有3個基本功能：一是音樂合成發(fā)音功能;二是混音器(Mixer)功能和數字信號處理(DSP)功能;三是模擬聲音信號的輸入和輸出功能。聲卡是一個非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統(tǒng)，其數字信號處理包括模數變換器ADC(Analogue Digital Converter)和數模變換器DAC(Digital Analogue Converter)，ADC用于采集音頻信號，DAC則用于重現(xiàn)這些數字聲音。

聲卡的技術指標包括采樣頻率、采樣位數(量化精度)、聲道數、復音數量、信噪比(SNR)和總諧波失真(THD)等，其中采樣頻率、采樣位數是主要指標。現(xiàn)在的聲卡一般采用PCI接口，具有16位采樣精度，支持雙通道，最高采樣頻率達44.1kHz。

聲卡已成為多媒體計算機的一個標準配置，因此基于聲卡的虛擬儀器具有成本低，兼容性好，通用性和靈活性強的優(yōu)點，驅動程序升級方便，可以不受硬件限制，安裝在多臺計算機上，具有很好的可行性。

2 虛擬信號發(fā)生器設計

文中在LabVIEW開發(fā)平臺下設計并實現(xiàn)了雙通道虛擬信號發(fā)生器，設計中主要利用了LabVIEW提供的聲卡驅動函數，所設計的雙通道虛擬信號發(fā)生器能夠產生常用的基本波形，并且實現(xiàn)了頻率顯示，頻率調節(jié)，幅值調節(jié)，直流偏置調節(jié)和頻率掃描等功能。整個程序結構設計采用在LabVIEW狀態(tài)機的基礎上引入事件結構的方法，提高了程序的運行效率。

2.1 LabVIEW中有關聲卡信號輸出的主要函數

在虛擬信號發(fā)生器的設計中，用到了LabVIEW軟件“聲音輸出”模塊部分的函數，如圖1所示。下面對設計過程中用到的主要函數及其功能作簡單介紹：

1)“配置聲音輸出”函數。該函數的作用是配置一個生成數據的聲音輸出設備，初始化聲卡的配置，包括采樣頻率，采樣模式，聲卡參數等。

2)“設置聲音輸出音量”函數。該函數用來設置聲音輸出設備的播放音量。

3)“寫入聲音輸出”函數。該函數將準備好的數據寫入聲卡驅動程序進行播放輸出。

4)“聲音輸出清零”函數。該函數使設備停止播放音頻，清空緩存，將任務返回至默認的未配置的狀態(tài)，并清空與任務相關的資源，將任務變?yōu)闊o效。

2.2 虛擬信號發(fā)生器的前面板設計

前面板為用戶提供了友好的操作界面，本文根據傳統(tǒng)儀器的操作面板和本儀器所能實現(xiàn)的功能設計了虛擬信號發(fā)生器的前面板，如圖2所示。前面板主要由四個部分組成，包括波形顯示部分、公共參數設置部分、CH1通道和CH2通道設置部分。波形顯示部分用于顯示兩個通道的輸出波形，公共參數設置部分用于設置聲卡的采樣率、通道數、采樣位數、緩沖區(qū)大小和音量，CH1和CH2通道進行設置每個通道生成的波形參數，包括波形類型、頻率、偏移量、幅度、方波占空比、噪聲等，并可以利用公式輸出自定義波形。

2.3 虛擬信號發(fā)生器的程序框圖設計

程序框圖是圖形化的源代碼，前面板中的每個控件在程序框圖中都有相應的接線端與之對應，通過數據連線和不同的程序結構即可控制整個程序的流程和數據傳遞。虛擬信號發(fā)生器的程序框圖主要包括3個模塊：聲卡配置模塊、波形設置模塊和波形輸出模塊，如圖3所示。

聲卡配置模塊首先設置“配置聲音輸出”函數，本設計將聲卡設置為連續(xù)采樣，每通道緩沖數和聲音格式都可以在前面板進行設置。然后將采樣信息傳輸到“波形設置模塊”，選擇所要產生波形的類型。

波形設置模塊使用條件結構選擇不同類型的波形，可以分別選擇正弦波、方波、鋸齒波、三角波、高斯白噪聲、疊加正弦波以及自定義波形。該模塊還可以設置相應的波形參數，包括頻率、幅度、偏移量和方波占空比。

數據輸出模塊調用“寫入聲音輸出”函數，通過聲音輸出設備輸出聲音信號。最后由“聲音輸出清零”清空緩沖區(qū)，結束任務。

3 虛擬示波器設計

本文利用LabVIEW中的數字聲音記錄節(jié)點，設計并實現(xiàn)了基于聲卡的虛擬雙蹤數字存儲示波器，采樣頻率為44.1 kHz，線路輸入端口最高電壓限制為1 V，對高于1 V的信號采用比例運算放大電路衰減后輸入，能適合很多場合的需要。

設計的虛擬示波器的技術指標如下：

1)輸入頻率范圍：10～20 000 Hz;

2)通道數：2;

3)采樣頻率：44.1 kHz;

4)ADC分辨率：16位。

虛擬示波器的兩個重要指標分別是分辨力(指能辨別一個物體不同部分的能力)和精度。其中分辨力包括水平分辨力和垂直分辨力，精度也包括水平和垂直兩種精度。虛擬示波器的水平分辨力是由時鐘信號采樣點的時間間隔決定的。采樣頻率越高，水平分辨力就越高。虛擬示波器的垂直分辨力是由模數轉換器的位數決定的，n位的轉換器有2-n的分辨力。因為所采用的聲卡是16位的，其在垂直方向上可以分辨出65536個數據點，分辨力為1/65536。虛擬示波器的垂直精度受模數轉換器精度的限制，一般要比分辨力低。

3.1 LabVIEW中有關聲卡信號采集的主要函數

在LabVIEW的函數選板下有“聲音”選項，在該選項下，LabVIEW提供了一系列使用Windows底層函數編寫的與聲卡有關的函數，這些函數主要分為兩大模塊：聲音輸入和聲音輸出。在虛擬示波器程序設計中主要用到的是“聲音輸入”模塊，如圖4所示。

1)“配置聲音輸入”函數。該函數的作用是配置聲音輸入設備，采集數據，并把數據存放到緩沖區(qū)，后面使用“讀取聲音輸入”VI將數據從緩沖區(qū)讀入。

2)“讀取聲音輸入”函數。該函數的作用是將數據從緩沖區(qū)讀入。在使用該VI之前，必須使用“配置聲音輸入”VI來配置設備。

3)“聲音輸入清零”函數。一般聲音輸出設備不可共享，若在某個程序運行之前，設備已經被其他程序占用，則此應用程序不能再使用該設備，所以，在程序中一旦對聲卡使用完畢，應該立即釋放。該函數的主要作用是使設備停止聲音數據采集，清空緩存，從任務返回至默認的未配置的狀態(tài)，并清空與任務相關的資源，任務變?yōu)闊o效。

3.2 虛擬示波器的前面板設計

前面板用來提供用戶與虛擬示波器的接口，通過一個友好的圖形界面，模擬傳統(tǒng)儀器操作，實現(xiàn)對虛擬示波器的控制，并且顯示數據處理結果。

本文設計的虛擬示波器的前面板如圖5所示，按照功能來分，顯示屏可以分別顯示原信號波形圖和信號的頻譜圖，波形圖開關、頻譜圖開關可以暫停畫面便于保存截圖，保存圖像按鈕可以將截圖保存為bmp圖像，通道選擇部分可以選擇單通道或是雙通道一起顯示，觸發(fā)部分可以調控信號的觸發(fā)源、觸發(fā)極性以及觸發(fā)電位，標定比率便于標定電壓，采樣數用于確定采樣精度，定位部分可以分別調節(jié)顯示精度、幅度和偏移，信息按鈕可以顯示相關制作信息。

3.3 虛擬示波器的程序框圖設計

3.3.1 總體設計

虛擬示波器的程序框圖主要包括數據采集模塊，波形顯示模塊，頻譜分析模塊，XY軸設置模塊，觸發(fā)設置模塊，圖像暫停與截圖模塊和信息顯示模塊7大部分，如圖6所示。下面結合虛擬示波器的相關功能模塊來分別介紹對應的程序框圖。

3.3.2 數據采集模塊

數據采集模塊利用聲卡數據采集函數完成聲卡采集時一些必要參數的設置，如聲卡采樣模式、采樣數、設備ID等，并將聲卡采集到的信號(已由模擬信號轉換為數字信號)傳送給波形顯示模塊。其工作流程如下：

1)使用配置聲音輸入函數確定聲卡的參數和數字聲音格式，如緩沖區(qū)大小、采樣速率、采樣模式(固定點數采樣或連續(xù)采樣)、采樣通道數、樣本位數(16 bit或8 bit)，本設計的虛擬示波器采用雙通道連續(xù)采樣，采樣頻率為44100，樣本位數為16，每通道采樣數可以在前面板上設置。

2)使用讀取聲音輸入函數從緩沖區(qū)中讀取采樣數據，從采集到的波形數組中選擇一個波形送到波形顯示模塊，使用while循環(huán)使采樣連續(xù)進行。

3)使用聲音輸入清零函數停止數據采集，清空緩存，從任務返回至默認的未配置的狀態(tài)，并清空與任務相關的資源，使任務變?yōu)闊o效。

3.3.3 波形顯示和頻譜分析模塊

信號從數據采集模塊輸出后乘以標定比率，然后分成兩路，一路直接進入波形圖控件在前面板顯示信號的時域波形，另一路進行FFT分析后再輸入波形圖控件在前面板顯示信號的頻譜圖。

3.3.4 XY軸設置模塊

波形顯示模塊負責顯示波形，并且可以通過旋鈕來控制X軸和Y軸量程和偏移，同時根據通道的選擇(通道A或者通道B)顯示相應的波形。

X軸控制是時間軸調節(jié)。“X軸精度”調節(jié)每刻度顯示的時間長度。在該控件中設置6個檔位，檔位越小顯示的越精確。“X軸精度”中0.5ms/div檔表示時間軸是從0～0.003 s，增量為0.5 ms，起始時刻為0。由于屏幕大小限制，還需要“X軸偏移”來調節(jié)屏幕標尺來顯示其他部分的波形，在該控件中設置了14個檔位，檔位每增加一位屏幕顯示向右移動一格。

Y軸控制是幅度調節(jié)。“Volts/Div”調節(jié)每刻度顯示的電壓值，在該控件中設置5個檔位，檔位越高每格顯示的電壓越大精確度越低。“Y軸偏移”控制信號在Y軸方向上下移動，該控件與信號相加可以使信號整體向上或者向下移動。設標定比率為N，則Y軸偏移的范圍為-N～+N。

3.3.5 觸發(fā)控制模塊

示波器的觸發(fā)功能可以穩(wěn)定重復的波形，捕獲單次波形，這對清楚地檢定信號至關重要。虛擬示波器觸發(fā)控制模塊通過子VI來實現(xiàn)，如圖7所示。的輸入端有波形數據輸入(通道A、通道B)、觸發(fā)極性(Slope)輸入(上升沿、下降沿)、觸發(fā)電平(Ievel)輸入、觸發(fā)源(Source)輸入(內觸發(fā)、外觸發(fā))。

程序運行后，首先判斷用戶觸發(fā)源的選擇，當觸發(fā)源選擇“外觸發(fā)”時，直接將輸出的波形數據輸出;當觸發(fā)源選擇“內觸發(fā)”時，執(zhí)行邊沿子VI。

邊沿子VI由一個波形數組索引實現(xiàn)，該子程序實現(xiàn)選擇觸發(fā)源、根據觸發(fā)電平的大小和觸發(fā)極性進行觸發(fā)的功能。其原理如圖8所示，首先判斷用戶設置的觸發(fā)電平大小是否在波峰和波谷范圍內，在此范圍內則進行觸發(fā)。對輸入電壓信號的第i點和i+1點的值進行比較，正極性觸發(fā)時，若第i點的值等于或小于觸發(fā)電平，同時第i+1點的值大于觸發(fā)電平，則第i點為觸發(fā)點，將此值送入觸發(fā)子VI數組子集函數的“ind ex”端口，每次采集數據后，都從觸發(fā)點開始提取子數組，送入前面板，實現(xiàn)波形的同步顯示。負極性觸發(fā)時與之相反。

3.3.6 圖像暫停與截圖模塊

圖像暫停模塊通過條件結構來選擇相應的程序，當前面板的開關撥到“工作”時，執(zhí)行“真”條件分支，前面板正常顯示波形，當開關撥到“暫停”，執(zhí)行“假”條件分支，數據不再輸入給波形圖控件，前面板顯示的波形靜止。

截圖保存模塊通過波形圖的屬性節(jié)點Get Image來實現(xiàn)，可以將當前顯示的波形截圖并保存為bmp格式圖片。需要截圖時先用暫停功能將波形靜止，再保存截圖。

4 結論

文中基于聲卡和LabVIEW圖形化編程軟件開發(fā)了虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器，特別適合于實驗室環(huán)境下低頻信號的產生與分析。所設計的虛擬信號發(fā)生器和示波器具備傳統(tǒng)儀器的功能，相比于傳統(tǒng)儀器，具有成本低廉、靈活性好、擴展性強等優(yōu)點。但在實際應用中，它也存在一些缺陷，例如聲卡對輸入信號的電壓要求不能超過1 V，即有幅度限制;根據奈奎斯特采樣定理，當采樣頻率為44 kHz時，理論上能測量的信號最高頻率為22 kHz，但實際上所能準確測量的信號頻率達不到該理論值，即頻率限制。后續(xù)工作中需要設計外圍的放大和衰減電路以增大可測信號的動態(tài)范圍，并對儀器的功能進行完善。