基于声卡的虚拟示波器设计

中北大学

毕业设计开题报告学生姓名：刘贺秋学号：0906024236

学院、系：电子与计算机科学技术学院电子科学与技术系

专业：微电子学

设计题目：基于声卡的虚拟示波器设计指导教师:张晓明

2012 年11月 30 日

毕业设计开题报告

1．结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：

文献综述

1.1课题研究背景及意义

虚拟仪器技术是以各专业学科知识为应用背景，以计算机软、硬件技术为核心，把传感器技术、自动控制技术、现代网络技术、现代信号处理技术、数值分析技术有效整合在一起的现代测试技术,是目前自动测试与电子测量仪器技术发展的重要方向[1,2]。它基于个人电脑的测控设备或系统，通常由计算机、测控电路模块和专门应用软件组成，通过人机交互来完成对信号的采集、分析、处理和显示。虚拟仪器具有性能高、功能强、操作方便、自动化程度高、开发周期短以及易于实现软硬件的系统集成和构建多用途的测控系统等优点[3]。其主要任务是通过软件将计算机硬件与仪器硬件有机结合一起，将以前需硬件实现的相关技术通过软件来实现，完成对被测信号的采集、分析、处理、判断及显示等一系列功能。虚拟示波器拥有了灵活、迅速和低成本等优点，使得它逐渐代替了传统的台式仪器[4]。

20世纪70年代，由于个人电脑技术的出现，人们开始考虑用电脑来处理传统仪器测试的数据；20世纪80年代，随着计算机技术的进一步发展，计算机主板上有了多个扩展槽，并出现了插在计算机里的数据采集卡，这样的系统已经可以进行一些简单的数据采集工作，将采集到的数据直接由计算机软件进行处理，这就是虚拟仪器技术的雏形[5]。凭借电脑强大的运算及分析能力，配合相关的硬件及软件，组合成自己所需的各种仪器，对一些信号(如周期信号)进行处理，这正是虚拟仪器的兴起[6]。虚拟示波器是虚拟仪器技术的应用，它使用下位机采集现场信号，通过接口电路传输数据到计算机，再借助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、显示、打印输出等功能[7,9]。

世界上第一块声卡——魔音卡，是由创新公司董事长沈望傅先生发明的。这只声卡在当时引起了一场轰动。有的人认为，这是一个很好的开端，因为PC终于可以“说话”了，并联想到将来多媒体PC的模样；但另有一些人却认为，这只是一场闹剧(因为当时的声卡根本不能够发出很真实的声音)。但是，10年过后，正如前者所预料的，多媒体

PC成了现今的标准，每个人都能利用自己的PC来听CD、玩有声游戏、通过Iphone等网络电话来交谈，几乎每一样事情都和PC音频发生关系。现在看起来，PC如果没有了声卡，也就没有了缤纷多彩的多媒体世界[10]。声卡是计算机与外部的模拟量环境联系的重要途径，作为数据采集卡来使用，声卡可以采集音频范围内的信号。麦克风输入的信号和喇叭输出的信号都是模拟信号，而计算机所能识别和处理的信号都是数字信号，声卡的作用之一就是实现模拟信号和数字信号之间的转换[11]。声卡的组成部分主要包括：声音控制/处理芯片，声音输入输出端口和功放芯片等，其中集成了采样保持、音效处理、A/D转换、D/A转换等电路的声音控制/处理芯片是声卡的核心，它对声卡的性能和档次起到了决定的作用，具有声波采样处理MIDI指令和回放控制等基本功能，有些声音控制/处理芯片还加进了合声、混响、音场调整等功能[12]。

目前，在多数院校的电子学实验教学中，常用的仍然是功能固定的台式示波器。对于一所高等院校而言，台式示波器成本很高，而且对于刚接触的学生来讲，既难以调试，又容易损坏，使用起来极其不方便,而虚拟示波器是利用计算机强大的资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度的降低系统成本，同时提高系统的灵活性[13]。虚拟示波器具有如下优点：(1)由于虚拟示波器的内容丰富，人机界面好，可以减轻教师的教学负担，加深学生对知识的理解。(2)提高实验效率，降低教学成本，参数输入简便，结果显示明确。(3)借助虚拟示波器把仪器与计算机相连接，可以充分利用实验资源[14]。示波器是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备，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。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[15]。

1.2 国内外研究状况

测试仪器已经有很久的历史，早些时候的一起都是完全的测试设备，比如EEG(electroencephalo- graph脑电图描记器)记录系统和示波器，它们包括电源，传感器，数字转换和演示，需要人工的参数设置[16]。然而随着虚拟仪器技术的发展，采用“虚拟仪器”来取代传统仪器的新的测控方法正在取代传统的测控系统，即利用数据采集卡、信号调理卡或其他计算机外围硬件进行信号的采集与检测。然后由计算机来实现对信号的处理、计算和分析以及测试结果的显示[17]。LabWindows/CVI是基于标准C语言的集成软件开发环境，其开发虚拟仪器的步骤主要是先确定程序的基本框架，创建用户界面，然后完成程序代码的编写，最后创建工程文件，将程序文件、头文件、用户界面文件加

入工程中，编译调试生成可执行文件。虚拟仪器在性能上更具有灵活性用户可根据自身需要定制仪器的功能充分体现了它的优越性彻底打破了传统仪器由厂家定义用户无法改变的模式[18,19]。

1986年，美国国家仪器公司(National Instruments Crop.)提出“软件就是仪器”的概念。将虚拟仪器应用于教学和科研，已成为当今的发展趋势。在采样频率不是很高的情况下，基于计算机声卡的虚拟示波器将更加便宜和灵活，可以利用声卡进行采样和输出,可以实现自动测量，这一点在LabVIEW(包括LabWindows)上已经实现[20]。基于计算机的虚拟设备已经得到很大发展，在某些程度可以代替传统的仪器仪表测试。设备的各个部分既可以分开工作，又可以协作，具有很大的灵活性。基于声卡的虚拟示波器V0.94巧妙地利用电脑声卡的AD/DA转换电路，把电脑变成一台集信号发生器、数字存储示波器、频率计、万用表等多种功能于一体的仪器。在音频范围内完全可以替代上述各种测量仪器，甚至功能更强大[21,22]。

虚拟仪器产业在国内的现状和发展态势不容乐观。我国高档台式仪器如数字示波器主要依靠进口，一方面这些仪器加工工艺复杂、制造水平要求高，生产突破有困难；另一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器的设计，提供传统台式仪器所不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计[23]。而且我国的计算机技术通信电子等产业的起步比较晚，相对滞后与欧美国家，因此我国对虚拟仪器的研究起步也比较晚，发展比较缓慢。一些高等院校和附属高科技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进消化NI公司、HP公司的产品等方面做了一系列有益工作，取得了一批瞩目的成果，部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，上海复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等[24]。近一、两年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。四川联合大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了航空电台二线综合测试仪将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。此外，国内己有几家企业在研制PC虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一，它的产品已达到一定的批量。其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录仪系列[25,26]。

参考文献

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毕 业 设 计 开 题 报 告 ２.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

2.1 本课题研究问题

利用计算机的声卡，将带测量电压信号转换为数字量信号，并在LabWindows 设计的可视化操作界面实时显示采集到的信号及经频谱分析后的曲线。

计算机的声卡可以进行A/D 转换，利用LabWindows/CVI 软件编写上位机程序，将通过声卡的待测量电压转换为数字量信号，实时显示并存储。

2.2 基本技术原理和设计思路

本次毕业设计拟设计一种双通道数字存储示波器，该示波器主要功能包括触发控制、通道控制、波形显示控制、参数测量、频谱分析、波形暂停显示和波形存储、波形回放等，用户可以及时进行数据处理，观察和分析实验结果。为了实现以上功能，本次毕业设计可以分成两部分：控制界面设计；实现功能模块设计(如图1所示)。

信号采集模块

波形显示模块频谱分析模块波形调节模块

信号存储模块模块化设计

主 机 总 线A/D D/A MIC

LINE IN

LINE OUT

扬声器功放波形显示面板

声卡

图1 功能程序的模块化设计 1 控制界面设计

前面板用来提供用户与虚拟示波器的接口，通过一个友好的图形界面，模拟传统仪器操作，实现对虚拟仪器的控制并显示处理结果。在前面板中，声卡中设置采样频率、通道数、采样位数；示波器设置电源指示灯、电源开关、通道1输入端(用于垂直方向输入，在X-Y 方式时输入端的信号成为X 轴信号)、通道2输入端(在X-Y 方式时输入端的信号成为Y 轴信号)、信号源、耦合、触发控制、游标等，程序中提供了关闭采集、回放和分析按钮的功能，便于采集信号的同时对采集的信号进行观察、频谱分析和数据波形回放图。

2 实现功能模块设计

本次毕设拟采用创新SBLIVE 5.1 SB0060数字声卡，采样位数是32 bit，声道系统是5.1声道。声音输入/输出端口是用来采集信号和输出信号的端口，包括内接端口和外接端口。内接端口是内部输入/输出端口，通过3-4针音频线连接。它主要作为CD音频信号的输入/输出接口。外接输入端口包括线性输入端口“Line In”和麦克风输入端口“MIC In”。外接输出端口包括喇叭输出端口“SPK Out”和线性输出端口“Wave Out”(或Line Out)，外接端口还包括用于连接电子乐器和游戏控制器的MIDI端口等。用于外部音频信号的输入的端口包括MIC接口和Line In接口，前者因为具有声音放大电路，因此可以接入较弱的信号。因为话筒输入端口Mic In用于连接麦克风（话筒），可以将自己的歌声录下来，而线型输入接口Line In端口将品质较好的声音、音乐信号输入，通过计算机的控制将该信号录制成一个文件，所以本次输入信号采用Line In端口。图2是声卡的工作框图，模拟声信号经过声卡前置处理及A/D转换后变成数字信号，送入输入缓冲区，然后通过各种数字信号处理的方法对波形输入缓冲区的数据进行处理，完成声音消噪、音效处理、声音合成等功能，最后把处理好的数据把保存到存储设备，这就是声音信号的录制过程。

模拟信号输入波形前置处理

(A/D)

输入数据缓冲区

处理

显示图2声卡的工作框图

(1) 信号采集模块

信号采集模块主要完成数据采集时一些必要的参数配置，包括声卡参数的初始化、通道配置声卡输入配置节点用于确定声卡的参数和数字声音格式，如缓存区大小、采样速率、采样模式(固定点数采样或连续采样)、采样通道数(单通道或双通道)、样本位数，因为耳机有两根线，所以理论上可以实现双路信号的输入输出，采集数据时采集到的数据存储在两个一维数组中以便进行分析运算，读取声音数据的数组，由两个函数分别提取左声道和右声道数据，作为示波器显示何信号测量的数据。

(2) 波形显示模块

波形显示控制模块负责显示波形，并且可以通过名为幅值控制和时间轴控制的旋转按钮分别来动态控制Y轴量程和X轴量程大小以及测量游标显示的位置，同时根据通道的选择(通道A或通道B)相应显示对应的波形。波形显示控件底边以不同的颜色动态的显示两个通道波形数据的频率、均方值、峰峰值，设计方法主要是通过设计对应的按

钮控件来实现。设计采用LabWindows/CVI提供的stripchart来显示波形，对于采集到的数据，存放在一个大小可调节的动态数组中，对该数据进行时域分析并画图显示，波形显示模块还包括AB通道波形的叠加、相减等基本运算。为了方便用户更准确的测量信号某点的峰峰值，测量游标按钮打开时(C1、C2)，用户可以任意拖动两个游标，在波形显示控件底边动态显示游标所指向的波形的某个数据点的大小和两个游标之间的时间差．这样用户不但可以准确的获得波形某点的数据，同时能够准确观察某两个点之间的时间差?t。其实现方法就是利用程序实现对数据元素的四则运算。波形显示控制模块负责显示波形，并且可以通过名为幅值控制和时间轴控制的旋转按钮分别来动态控制Y轴量程和X轴量程大小以及测量游标显示的位置，同时根据通道的选择(通道A或通道B)相应显示对应的波形。此外当回读按钮被按下时，程序询问要回读文件，然后回读数据，把数据显示在波形控件上，用户调整X轴、Y轴量程，观察分析数据。

(3) 频谱分析模块

频谱分析模块采用快速FFT(快速傅里叶变换)算法，完成频域信号分析，来了解信号的频率、幅值、相位等信息。信号经过频谱分析可以分别得到幅度谱和相位谱。而且通过调节转换控件(原信号或频谱信号)的选择，使前面板调节按钮(幅值调节按钮、时间调节按钮等)可以动态调节频谱图的显示，用户可以获得信号频谱的更多信息可以设置“增益”旋钮改变信号波形的幅度，实现对波形幅度的调节。利用信号发生器产生正弦波、三角波、矩形波，并通过声卡采集，然后利用虚拟示波器进行测量，从而验证所涉及示波器能否实现频谱分析功能。

(4) 波形调节模块

波形调节模块主要设计完成信号的垂直增益、垂直位移、水平增益、水平位移和幅值分度调节。幅值分度功能可以调节示波器显示窗口的分度大进行调节，根据不同的输入波形大小，调节示波器的分度大小，从而能够显示完整的输入信号的波形。用户通过这些功能可以实现波形在显示屏上合适的输出，达到与传统示波器同样的效果。设计的具体实现也是通过C语言对数组的操作实现的。

(5) 信号存储模块

输入信号经声卡转换成数字信号后，依次存入由软件开辟两块缓存区，当一块缓存区存满之后将数据存储到另一块缓存区中，并且将存满的缓存区中的数据读出，写成二进制文件，存储在计算机硬盘中，然后清空缓存继续存储数据，两块缓存区轮流存储数

据，以防止数据的丢失。传统示波器由于存储硬件的限制，存储的数据量小，而在在虚拟的数字存储示波器中，利用硬盘等存储介质，可以任意存取无限多个数据，而且存储更加安全。具体实现方法是：存储对被测信号取样，然后转换成数组，再将数组保存到文件中，读取时恰好相反，其工作流程如图3。而且传统的示波器存储的数据一般是易失性的存储器，但这样保存的数据容易丢失，而该虚拟示波器使用的存储工具是硬盘，数据不易丢失且携带方便，实现了数据的保存和读取，对波形的事后分析有很大的意义。按键“存储”控制是否进行数据存储，按键“读取文件”控制是否从数据文件中读取数据。从硬盘上读取的数据同实时采集的数据一样，能够进行自动参数测量、显示波形。此外，还可以实现将任意时刻的波形存储到图片文件中。

信号取样数

组

转

换文件存储

信号恢复文件读取存储介质

信号

图3 存储模块流程图

2.3 选用LabWindows/CVI作为编程软件原因

LabWindows/CVI是National Instruments公司推出的一套面向测控领域的软件开发平台。它以ANSI C为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地接和起来，这对于利用声卡进行采集信号提供了很大的方便。它的集成化开发平台，交互式编程方法，丰富的控件和库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统、自动测量环境、数据采集系统、过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境，有了一定C语言的基础，具有功能强大的函数库，用来创建数据采集和仪器控制的应用程序；充分利用完备的软件工具进行数据采集、分析和显示，在LabWindows/CVI 开发环境中可以利用其提供的库函数来实现程序设计、编辑、编译、链接和标准C 语言程序调试。此外，LabWindows/CVI为GUI 面板的设计，准备了许多专业控件，如：曲线图控件、带状图控件、表头、旋钮和指示灯等，以适应虚拟示波器的开发需求，利用这些控件可以设计出专业的测控程序界面。

2.4 系统标定和测试

系统标定参数主要包括灵敏度和零点。系统的标定方法主要通过对输入信号和系统输出进行数据拟合。数据拟合的结果得到系统的灵敏度和零点。线性拟合的方法很多，

本次毕业设计采用最小二乘法，采用这一方法可以精确的拟合出数据的线性度，提高设计的精度。对于系统测试，包括零点漂移的测试和线性度的测试，通过拟合得到的残差主要用于线性度的判断。动态标定时，输入一个给定频率及幅值的正弦波形，通过虚拟示波器读出的频率、幅值与给定频率及幅值进行对比，实现对系统的动态标定。

毕业设计开题报告

指导教师意见：

刘贺秋同学在对设计的题目进行了认真分析的基础上，查阅了与声卡工作原理及虚拟示波器设计相关的文献，对课题有了初步的认识和理解，对题目的应用背景及意义做了相应的阐述。根据题目要求设计了实现方案，使用虚拟仪器编程软件LabWindows编写上位机控制界面，通过声卡对信号进行采集、量化，通过计算机进行计算分析，并且显示在虚拟示波器的窗口上，实现通过计算机及声卡组成虚拟示波器的方案。

本设计方案工作量、难度适中，符合开题报告要求，同意开题。

指导教师：

年月日

所在系审查意见：

系主任：

年月日