1、 課程設計報告課程名稱： 虛擬儀器課程設計 題 目：基于聲卡的音頻采集分析儀與信號發生器設計 學 院：環化學院 系：過程裝備與測控工程專 業： 測控技術與儀器 班 級： 測儀103班 學 號： 5801210114 學生姓名： 汪 超 起訖日期： 17 18 周 指導教師： 鄧懿波 涂文峰 職稱： 中級 系分管主任： 楊大勇 審核日期： 2014-1-10 17摘要本課程設計基于計算機中的聲卡，利用虛擬儀器并借助LabVIEW進行音頻采集分析儀設計，內容包括音頻的采集和存儲、音頻的時頻分析等內容。時頻分析儀能夠完成大部分時域和頻域分析，可實現對原始信號分析前的加窗，實現濾波器操作，頻譜分析，原

2、始數據和結果數據可進行保存，示波器的各個參數靈活可調并且可以將已存數據重新載入進行分析觀察。信號發生器具備單次發生和連續發生兩種形式，并可以疊加各種噪聲，信號類型和參數可調，具備雙通道發生，同時兩個通道信號能夠疊加為一個復合信號；另外支持讀取數據文件作為信號來源。關鍵詞：聲卡；音頻采集；時頻分析；虛擬儀器；LabVIEW；信號發生器；目錄一、課程設計簡介11.1 課程設計概述11.2 課程設計內容及要求1二 虛擬儀器簡介22.1 虛擬儀器概念22.2 LabVIEW簡介3三、聲卡的簡介42.1 聲卡的結構42.2 聲卡的工作原理4四、總體設計64.1 硬件設計64.2 軟件設計84.2.1 軟

3、件設計流程圖84.2.2 聲卡設置模塊84.2.3信號采集存儲模塊94.2.4 TXT文本讀取模塊104.2.5 信號插值模塊114.2.6 波形聲卡輸出模塊134.2.7 信號發生模塊與信號合成模塊134.2.8 信號分析儀模塊15五、總結17參考文獻：17使用說明181 信號采集182 信號發生183 時頻域分析191一、課程設計簡介1.1 課程設計概述虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術相結合的產物，它融合了測試理論、儀器原理和技術、計算機接口技術、高速總線技術以及圖形化軟件編程技術于一身，實現了測量測試儀器的集成化、智能化、多樣化及可編程化，本課程設計的任務是幫助學生學習和了解虛擬儀器的

4、原理及開發技術，掌握虛擬儀器軟件平臺LabVIEW的主要編程方法及調試技術，并結合計算機聲卡來完成一個信號發生器與時頻分析儀的設計。1.2 課程設計內容及要求具體內容與要求：應用計算機聲卡完成以下功能（1）具備數字存儲示波器、信號分析儀和信號發生器三個主要功能模塊，其中示波器與分析儀整合在一個界面，信號發生器在另一個界面，共兩個界面；兩個組成部分可以分別獨立完成；（2）信號采集模式可以在單次和連續兩種方式間進行切換，采集的數據可以進行存儲，類型為TXT類型，數據存儲要求用子VI實現；（3）對于信號發生器，應具備單次發生和連續發生兩種形式，并且要求可以疊加各種噪聲，信號類型和參數可調，具備雙通道

5、發生，同時兩個通道信號能夠疊加為一個復合信號；另外支持讀取數據文件作為信號來源，數據文件類型為TXT，數據讀取用子VI實現。（4）時頻分析儀應該能夠完成大部分時域和頻域分析，可實現對原始信號分析前的加窗，實現濾波器操作，頻譜分析，原始數據和結果數據可進行保存，示波器的各個參數靈活可調并且可以將已存數據重新載入進行分析觀察。分析結果的橫縱坐標物理意義必須明確，并與實際情況相符。（5）濾波器截止頻率值要求用實際頻率作為輸入。分析儀的分析對象可以是采集的真實信號、模擬的仿真信號或數據文件中存儲的信號。二 虛擬儀器簡介2.1 虛擬儀器概念虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成

6、各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟件能幫助您創建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。這也正是NI近30年來始終引領測試測量行業發展趨勢的原因所在。只有同時擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發揮虛擬儀器技術性能高、擴展性強、開發時間少，以及出色的集成這四大優勢。虛擬儀器是基于計算機的儀器計算機和儀器的密切結合是目前儀器發展的一個重要方向。這種結合有兩種方式。一種方式是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器

7、的功能也越來越強大，目前已經出現含有嵌入式系統的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機，以通用的計算機硬件及操作系統為依托，實現各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。與傳統儀器相比，虛擬儀器的主要特點有：（1）虛擬儀器的軟件和硬件具有開放性、模塊化、互換性以及可重復使用等特點。例如，為了提高儀器的性能，可加入一個通用的儀器模塊，或者更換一個儀器模塊，而不必重新購買整個儀器。（2）在通用硬件平臺搭建后，由軟件來實現儀器的具體功能，即軟件在虛擬儀器中具有重要的作用。（3）虛擬儀器的功能是由用戶根據實際需要通過軟件來定義的，而不是事先由儀器廠商定義的。（4）虛擬儀器研制的周期較傳統儀器大為縮短。（5）

8、虛擬儀器的性價比較高。（6）由于虛擬儀器技術是建立在計算機技術和數據采集技術基礎上的，因而技術更新較快、成本較低、測試自動化程度較高，而且可與網絡及其他設備互聯。（7）虛擬儀器具有友好、靈活的人機界面。虛擬儀器技術指在包含數據采集設備的通用計算機平臺上，根據需求可以高效率地構建形形色色的測量系統。對大多數用戶而言，主要的工作變成了軟件設計。虛擬儀器技術突破了傳統儀器的局限，可以將許多信號處理的方法方便地應用于軍事、航空、航天、等領域和科研院所，現在已經越來越多地出現在工廠及其他的民用場合。2.2 LabVIEW簡介LabVIEW是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言。傳統文本編程語

9、言根據語句和指令的先后順序決定程序執行順序，而 LabVIEW則采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了VI及函數的執行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW的程序模塊。該環境包含包括三個部分:程序前面板、框圖程序和圖標/連接端口。程序前面板用于設置輸入數值和觀察輸出量，用于模擬真實儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制，為虛擬儀器的框圖程序提供數據:輸出量被稱為顯示，顯示虛擬儀器流程圖中獲得或產生的數據。控制和顯示是以各種圖標形式出現在前面板上，如旋鈕、開關、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。LabVIEW中有兩種類型的數據端口:控制端口和指示端口以及節點端口

10、。控制端口和指示端口用于前面板對象，當VI程序運行時，從控制輸入的數據通過控制端傳遞到框圖程序，供其中的程序使用，產生的輸出數據在通過指示端口傳輸到前面板對應的指示中顯示。每個節點端口都有一個或數個數據端口用于輸入或輸出.LabVIEW采用的一種獲得專利的數據流編程模式，這不同于一些基于文本的編程語言的線性結構，不同于執行一個傳統的控制流方法。控制流執行的是指令驅動，而數據流執行的是數據流驅動。但一個虛擬儀器的圖標被放置在另一個虛擬儀器的流程圖中時，它就是一個子儀器(Sub VI)。 圖標/連接端口可以把VI變成一個Sub VI，然后像子程序一樣在其他程序中調用。圖標是Sub VI的直觀標記，

11、是Sub VI在其他程序框圖中被調用的節點表現形式;而連接端口則表示該Sub VI與調用它的VI之間進行數據交換的輸入/輸出口，就像傳統編程語言子程序的參數。三、聲卡的簡介2.1 聲卡的結構從數據采集的角度看，聲卡是一種音頻范圍內的數據采集卡，是計算機與外部模擬量環境聯系的重要途徑。一般聲卡都由以下幾個部分組成：聲音控制/處理芯片，功放芯片，聲音輸入/輸出端口等。聲音控制/處理芯片是聲卡的核心，集成了采樣保持、A/D 轉換、D/A 轉換、音效處理等電路，它決定了聲卡的性能和檔次，基本功能包括對聲波采樣和回放的控制、處理MIDI 指令等，有的廠家還加進了混響、合聲、音揚調整等功能；功放芯片完成信

12、號的功率放大以推動喇叭發聲工作;聲音輸入/輸出端口是音頻信號的輸入和輸出，它主要有外接端口和內接端口。外接端口有“SPK Out”喇叭輸出端口，“Wave Out”（或“Line Out”）線性輸出端口，“Line In”線性輸入端口，“MIC”麥克風輸入端口，還有MIDI 端口，連接電子樂器以及游戲控制器。內接端口是內置的輸入/輸出端口，是CD音頻接口。Line InMic InLine OutSPK OutMIDI InA/DDSPD/A波表MIDI 合成器圖2-1聲卡的硬件結構2.2 聲卡的工作原理音的本質是一種波，表現為振幅、頻率、相位等物理量的連續性變化。聲卡作為語音信號與計算機的通

13、用接口，其主要功能就是將所獲取的模擬音頻信號轉換為數字信號，經過DSP音效芯片的處理，將該數字信號轉換為模擬信號輸出。聲卡采集系統主要由聲源、信號調理模塊、計算機聲卡以及安裝于計算機機上的LabVIEW軟件等幾部分組成，系統原理框圖如下圖3所示。模擬聲音信號輸入信號輸出信號前置處理A/D 轉換波形重建D/A 轉換數據輸入緩沖區處理數據輸出緩沖區處理數字信號處理 波形重建聲音控制處理圖2-2 聲卡的工作原理其基本工作過程為：模擬信號經過聲卡前置處理及A/D 轉換后變成數字信號，送入輸入緩沖區，然后通過各種數字信號處理的方法對波形輸入緩沖區的數據進行處理，完成聲音消噪、音效處理、聲音合成等功能，最

14、后把處理好的數據保存到存儲設備，這就是聲音信號的錄制過程。相應的聲音信號回放過程為：把處理好的數據送到輸出緩沖區，再由聲卡的D/A 轉換，將數字音頻信號轉換為模擬信號，經過功率放大，送到喇叭。如果將工程中所需采集的信號仿照聲音信號輸入，即可實現對信號的采集和存儲。信號調理電路：在信號進入聲卡之前必須經過信號調理，主要包括信號的放大、濾波、隔離和線性化處理，以使其能夠被聲卡正確的識別。聲卡的麥克風（mic in）輸入端具有高增益放大器，會使得信號產生較大失真，所以選擇線路（line in）輸入信號時，其輸入電壓應為-1+1V。放大電路：經實際測量，聲卡輸出信號的最大峰-峰值約為3.5V，這樣的幅

15、值還不能滿足一般的實驗要求，本系統利用放大電路，使輸出信號的峰-峰值放大到10V，實驗中調制聲卡的音量即可控制輸出信號的幅值大小。四、總體設計4.1 硬件設計數據采集系統是指將特定的物理信號真實的記錄,以供人們進行進一步分析的電子系統。一般基于計算機的數據采集系統包括傳感器(對于非電量)、信號調理器、數據采集卡和控制軟件等。其中數據采集卡是核心部件,它的采樣率、采樣精度和通道數直接影響著采集數據的質量和數量。一般商用的12bit采樣精度、采集頻率為200kHz的數據采集卡能夠滿足多種應用,但是其價格昂貴。在某些應用場合,它的有些功能可能并不需要。然而,我們只要觀察現今任何一臺多媒體電腦,就會發

16、現,16bit精度,4411kHz采樣頻率的聲卡本身就是一塊性價比非常高的數據采集轉換卡。根據采樣定理,聲卡處理信號的上限頻率,理論上僅能達到22kHz左右,但對于低頻電路的分析測試,已基本滿足要求,個別性能指標還優于商用數據采集卡,而它的價格只有商用數據采集卡的十幾分之一。衡量聲卡的技術指標包括采樣頻率、采樣位數（即量化精度）、緩沖區等,主要介紹如下：（1）采樣頻率目前，聲卡的最高采樣頻率是44.1KHz，少數達48KHz，對于民用聲卡，一般將采樣頻率設為4擋，分別是44.1KHz、22.05KHz和8KHz。22.05KHz只能FM廣播的聲音品質；44.1KHz是理論上的CD音質界限，48

17、KHz則更好一些。對20KHz范圍內的音頻信號，最高采樣頻率才48KHz，雖然理論上沒有問題，但似乎余量不大。使用聲卡比較大的局限性在于，它不允許用戶在最高采樣頻率之下隨意設定采樣頻率，而只能分4擋設定。這樣雖然可以使制造成本降低，但不便于使用。用戶基本上不可能控制整周期采樣，只能通過信號處理的方法來彌補非整周期采樣帶來的問題。（2）采樣位數采樣位數可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這個數值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音就越真實。聲卡的位是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用的數字聲音信號的二進制位數，它客觀地反映了數字聲音信號對輸入聲音信號描述的準確程度。位數越高，在定域內能表示的聲波振幅

18、的數目越多，記錄的音質也就越高。例如，8位代表28=256；16位則代表216=64×103。比較一下，一段相同的音樂信息，16位聲卡能把它分為16×103個精度單位進行處理，而8位聲卡只能處理256個精度單位，最終的采樣效果自然是無法相提并論的。(3)緩沖區與一般數據采集卡不同，聲卡面臨的D/A和A/D任務通常都是連續狀態的。為了在一個簡易的結構下較好地完成某個任務，聲卡緩沖區的設計有其獨到之處。為了節省CPU資源，計算機的CPU并不是在每次聲卡D/A或A/D結束后都要響應一次中斷，而是采用了緩沖區的工作方式。在這種方式下，聲卡的A/D、D/A都對某一緩沖區進行操作。以輸

19、入聲音的A/D變換為例，每次轉換完畢后，聲卡控制芯片都將數據存放在緩沖區中，待緩沖區滿時，發出中斷給CPU，CPU響應中斷后一次性將緩沖區內的數據全部讀走。計算機總線的數據傳輸速率非常高，讀取緩沖區數據所用的時間極短，不會影響A/D變換的連續性。緩沖區的工作方式大大降低了CPU響應中斷的頻度，節省了系統資源。聲卡輸出聲音時的D/A變換也是類似的。LabVIEW數據采集庫包含了許多有關采樣和生成數據的函數，它們與NI的插卡式或遠程數據采集產品協同工作。數據采集卡是進行高速直接控制以及低速控制的理想設備。由于數據采集卡價格低廉、操作攜帶方便，因此大大的降低了每個通道的成本。商用的數據采集卡雖具有較

20、大的通用性，但其價格昂貴，在具體的應用場合，有些功能可能并不實用。普通聲卡，具有16位的量化精度、數據采集頻率是44 kHz完全可以滿足特定應用范圍內數據采集的需要，個別性能指標還優于普通商用數據采集卡，而價格卻為商用數據采集卡的十幾分之一甚至幾十分之一，本設計選用普通聲卡作采集卡大大降低了成本。圖4-1聲卡虛擬儀器硬件圖4.2 軟件設計4.2.1 軟件設計流程圖圖4-2聲卡數據采集流程圖聲卡數據采集虛擬示波器是采用基于計算機的虛擬技術，用以模擬通用示波器的面板操作和處理功能，也就是使用個人計算機及其接口電路來采集現場或實驗室信號，并通過圖形用戶界面(GUI)來模仿示波器的操作面板，完成信號采

21、集、調理、分析處理和顯示輸出等功能。本設計的虛擬示波器，是在數據采集硬件的支持下，配備一定功能的軟件，完成波形的存儲、分析、顯示等功能。一般測試儀器由信號采集、信號處理和結果顯示三大部分組成，這三部分均由硬件構成。虛擬示波器也是由這三大部分組成，但是除了信號采集部分是由硬樣實現之外，其它兩部分都是由軟件實現。4.2.2 聲卡設置模塊 LabVIEW具有強大的信號處理能力。其中音頻輸入的相關節點從功能模版中調用，路徑為：函數/圖形與聲音/聲音/輸入。處理聲卡的步驟如下：在使用聲卡之前，必須先對其進行初始化。一般聲音輸入設備是不可共享的，若在某個程序運行之前，設備已經被其他應用程序所占用，則此應用

22、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，應立即釋放它。函數“配置聲音輸入”用于配置聲卡；“啟動聲音輸入采集”用于開啟聲卡；“讀取聲音輸入”用于讀取聲音；“停止聲音輸入采集”用于停止采集；“聲音輸入清零”用于清楚緩沖區，釋放聲卡。在編程過程中，使用LabVIEW中與聲卡相關的一些函數進行編程。對于聲卡的聲道可以分為單聲道8位、單聲道16位、立體聲8位和立體聲16位。其中，16位聲道比8位聲道采樣的信號質量好，立體聲比單聲道采樣的信號質量好。所以本系統將采樣比特數設為16。按照目前市面上的聲卡，LabVIEW設置的聲卡采樣頻率設置的范圍可以從8000Hz到44100Hz不等，采樣頻

23、率不同，采集波形的質量也不相同，本系統中，所采樣的信號均為低頻信號，所以將進行采樣頻率設置為22050Hz較為合理。由于系統對信號采樣的要求為不間斷采樣，因而采樣模式選擇“連續采樣”。4.2.3信號采集存儲模塊該信號采集模式的設計實現了在單次和連續兩種方式間進行切換，采集的數據可以進行存儲，類型可以在WAV、TXT和BIN三種類型進行切換，數據存儲用子VI實現；開始存儲和停止存儲在前面板控制等功能。本設計采用TXT類型。TXT文件格式采集存儲的程序框圖如下圖所示圖4-4TXT文件連續采集程序框圖圖4-5TXT文件單次采集程序框圖圖4-6數據采集前面板4.2.4 TXT文本讀取模塊該信號發生器可

24、實現波形自發生以及讀取TXT文本實現波形輸出，TXT文件讀取程序框圖如下圖所示：圖4-4TXT文件讀取程序框圖圖4-5TXT文件讀取前面板4.2.5 信號插值模塊在離散數據的基礎上補插連續函數，使得這條連續曲線通過全部給定的離散數據點。插值是離散函數逼近的重要方法，利用它可通過函數在有限個點處的取值狀況，估算出函數在其他點處的近似值。對數據采集可采用插值的方法對信號進行逼近。圖4-6信號插值模塊程序框圖圖4-7信號插值模塊前面板圖4.2.6 波形聲卡輸出模塊波形通過聲卡輸出子vi程序框圖如下圖所示：圖4-8波形聲卡輸出模塊程序框圖圖4-9波形聲卡輸出模塊前面板4.2.7 信號發生模塊與信號合成

25、模塊信號發生器與信號合成程序框圖和前面板圖形如下：圖4-10信號發生模塊程序框圖圖4-11信號發生模塊前面板圖4-12波形合成程序框圖（模擬信號）圖4-13波形合成程序框圖（讀取TXT文本信號）圖4-14波形合成前面板由圖4-12信號發生器前面板可知，該信號發生器的設計可以疊加各種噪聲，信號類型和參數可調，具備雙通道發生，同時兩個通道信號能夠疊加為一個復合信號；另外支持讀取數據文件作為信號來源，數據文件類型可以是TXT、BIN或WAV。數據讀取用子VI實現。對發生的信號可進行實時顯示，顯示的樣本數可調。4.2.8 信號分析儀模塊圖4-15信號分析儀程序框圖圖4-16信號分析儀前面板信號分析儀輸

26、入來自信號發生器的信號，并對信號進行分析，由圖中可知信號分析后和分析前存在有偏差，這屬于系統誤差。另外波形是否加窗處理有很大的區別，加窗可以頻譜的泄漏。同時，在LabVIEW中有各種數字濾波器，他們的主要功能是把輸入序列通過一定得運算變成輸出序列，同時起到濾波作用。這些數字濾波器可以直接調用，而不考慮其內部結構。五、總結本次課程設計共歷時兩周，通過實際動手操作，自己的各方面的知識得到強化，通過在實際操作中不斷解決遇到的問題，讓自己對虛擬儀器有了更深入的認識。這次設計的課題是基于聲卡的音頻采集分析儀與信號發生器設計 ，是根據這學期所開設的虛擬儀器這門課的內容。這次課設進一步加深了我對LabVIEW軟件的理解和運用，同時也深化了自己對聲卡的認識。在課程設計中共使用兩個版本的LabVIEW，分別是LabVIEW 2012、La