基于声卡的虚拟示波器设计实验案例

案例设计信息表
1.实验课程名称：虚拟仪器课程实验
2.实验案例名称：基于声卡的虚拟示波器设计
3.实验学时安排（课内/课外）：4/8
4.学生专业、年级：电子信息类、2年级
5.实验内容与任务（限500字）
1）以一般运算机声卡作为搜集卡，以LabVIEW作为开发平台，设计一种方便的、灵活性强的单通道虚拟示波器，该系统能够正确搜集声卡设计频率范围内的信号（一般声卡具有16位量化精度，44K采样频率），构建虚拟示波器前面板，通过调整其上的旋钮或按键，使波形便于观看；（大体）
2）双通道示波器设计，不仅具有通用双综示波器的功能，还可同时显示、记录、存储双通道输入的波形，对存储波形可通过“回放功能”显示在屏幕上；（提高）
3）设计信号调理电路，使虚拟示波器可测量声卡频率范围内的信号，如声音、脉搏、心电、脑电、等。

（拓展应用）
6.实验进程及要求（限300字）
1）学习了解通用示波器大体结构和原理，深刻明白得示波器性能指标参数，如采样速度和分辨率等；
2）学习虚拟仪器软件编程环境LabVIEW的利用，把握虚拟仪器设计流程；
3）学习了解电脑声卡工作原理，试探声音是怎么转换为电信号，又通过那个单元由模拟信号转换为数字信号等知识；
4）构思虚拟示波器的结构、组成和实现的功能，试探在工程实践中怎么样依照需要灵活构建前面板；
5）用LabVIEW进行软件设计，包括通道操纵模块、时基操纵模块、声卡设置模块、波形运算模块、数据存储与回放模块、触发操纵模块、参数测量模块和滤波模块；
6）虚拟示波器信号输入通道设计，自制一个输入接头：如利用废弃的MIC接头和声卡输入端口连接起来。

依照声卡参数确信虚拟示波器的分辨率、带宽、精度等技术参数指标，注意声卡制作虚拟仪器适用范围：
a)由于声卡输入端存在隔直电容，测量范围一样受限为10HZ-22KHZ；
b)最大输入电压1V；
c)声卡MIC输入端具有高增益放大器，会使信号产生较大失真，应选用LINE IN作为信号输入端口；
d)试探声卡即可输入又可输出信号，注意输出信号假设作为信号源利用，可从LINE OUT掏出，已取得
较小的失真度，假设从SPEAKER输出可取得数瓦的功率信号。

7）选用信号源对照测试，把搜集的波形电压幅值、频率和信号源对照，如误差较大，分析缘故，设计改良；
8）选择适合的传感器以获取声音、脉搏、心电、脑电、信号，并依照传感器类型选择放大器类型，设计放大电路,注意放大电路的输入阻抗和增益，实现虚拟示波器搜集信号；
9）撰写设计总结报告，并通过度组答辩讲评，彼此交流不同解决方案的特点和优势。

7.相关知识及背景（限150字）
本案例是虚拟仪器技术的一个具体应用，它将软件和虚拟仪器硬件紧密结合在一路，在运算机上实现了示波器的各类功能，并可进行各类扩充。

虚拟示波器三大部份除数据搜集部份由硬件实现之外，其它两部份信号处置和结果显示两部份都由软件实现。

整个项目涉及到信号的调理、搜集、处置和显示技术，是运算机软硬件相结合，综合应用的一种工程概念与方式，是一个较全面的现代测量综合工程技术训练案例。

8.教学目的（限100字）
利用声卡来实现虚拟示波器的设计是为了帮忙学生熟悉和把握虚拟仪器这门有效的技术，排除学生对“虚拟仪器”的不解和疑惑，学生利用声卡不仅能够完成既定题目，还能够发挥自己的创意，编制出趣味性强且有工程实际意义的仪器，从而使学生学习的踊跃性取得提高。

通过这一工程项目实现进程中引导学生了解把握现代测量方式和工程实践中需要注意的一些问题；引导学生依照需要设计电路，构建测试环境，并通过测试与分析对项目作出技术评判。

9.实验教学与指导
本实验的进程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历运算机软硬件学习研究、系统方案论证、软硬件设
计、实现调试、标准信号源测试完善、设计总结提高等进程。

在实验教学中，应在以下几个方面增强对学生的引导：
1）学习编程环境LabVIEW的大体编程方式，了解图形化编程环境，把握虚拟仪器创建进程等知识。

2）学习了解声卡的知识，包括声卡的硬件结构、工作原理、要紧技术参数。

尤其要了解采样位数、采样频率等参数，因为这些参数决定了虚拟示波器的性能指标。

另外专门要注意声卡不提供基准电压，因此不管是A/D仍是D/A在利历时，都需要自己参照基准电压进行标定。

3）信号调理电路设计，由于声卡适用电压范围有限，过大或微弱的信号都要进行调理才能输入，那么信号的衰减和放大电路要专门设计，以扩大仪器测量范围。

4）在示波器设计调试完成后，必需要用标准信号源进行实际测定，标定所完成的技术指标误差；并尽可能的改良设计，减小误差。

5）在实验完成后，组织学生答辩、评讲，并进行项目交流，使学生彼此了解各自项目的特点和创新点，拓宽思路。

6）项目设计中，要注意标准学生设计流程；如软件各模块组成，模块间的接口方式要求；在调试中，要注意系统工作的稳固性与靠得住性；在调试分析中，要重在分析系统测量误差产生缘故。

10.实验原理及方案
1）系统结构
一样测试仪器由信号搜集、信号处置和结果显示三部份组成，三部份均有硬件组成。

虚拟示波器也是有这三部份组成，但除信号搜集由硬件完成之外，其它两部份均由软件实现。

2）实现方案
a)硬件方案
虚拟示波器用声卡来搜集交流音频信号，信号处置都是在运算机顶用软件实现，因此硬件并非复杂。

声卡输入电压不能太大，一样声卡是1V左右，因此若是要测量可能大于1V或微伏信号的设备，要外接信号调理电路，把信号衰减或放大到声卡量程范围内。

若是信号在声卡量程范围内，可直接通过输入接头接入声卡。

b)软件方案
虚拟示波器是基于运算机的虚拟技术，通过LabVIEW软件设计图形用户界面（GUI）来仿照示波器的操作面板，完成信号分析处置和显示输出等功能。

LabVIEW的程序是数据流驱动的，一个目标只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完全时才是有效的。

如此，LabVIEW中被连接的方框图之间的数据流操纵着程序的执行顺序。

从而，能够通过彼此连接功能框图快速简练地开发应用程序，乃至还能够有几个通道同步运行。

该环境包括三个部份，程序前面板、框图程序和图标/连接端口。

程序前面板用于设置输入数值和观看输入量，用于模拟真实仪表的前面板，在程序前面板上，输入量被称为操纵，为虚拟仪器的框图程序提供数据；输出量被称为显示，显示虚拟仪器流程图中取得或产生的数据。

操纵和显示是以各类图标的形式出此刻前面板上，如旋钮、按钮、开关、图表、图形等，要使前面板直观易懂。

一个程序前面板都对应着一段框图程序。

框图程序由节点和数据连线组成，节点之间数据连线依照必然的逻辑关系彼此连接，可概念框图程序内的数据流向。

节点之间，节点与前面板对象之间利用数据端口和数据连线来传递数据。

数据端口是数据在前面板对象和框图程序之间传输的通道，是数据在框图程序内节点之间传输的接口。

LabVIEW中有两类数据接口：操纵端口和指示端口和节点端口。

操纵端口和指示端口用于前面板对象，当VI 程序运行时，从操纵输入的数据通过操纵端传递到框图程序，供其中的程序利用，产生的输出数据在通过指示端口传输到前面板对应的指示中显示。

虚拟示波器除通用功能外，还可依照工程需要设计其它功能，超级灵活方便。

如波形可存储为数据文件，永久保留，随时挪用；通过用户编程模板，可任意组合用户的数据处置和分析功能
11.实验报告要求
实验报告需要反映以下工作：
1）设计对象分析
2）整体方案论证
3）信号调理电路设计与参数选择
4）软件方案论证
5）软件流程图
6）测试标定方式
7）性能指标计算
8）误差分析总结
9）项目整体评判总结
12.考核要求与方式（限300字）
1）示波器功能验收：功能的完成程度（如电压测量、频率测量、数据存储回放等）；
2）示波器性能指标验收：用标准信号源输出信号，对照计算性能指标参数（如电压测量精度、频率测量精度等）；
3）自主创新：针对不同测量对象，仪器功能构思的巧妙性和设计的创新性；
4）实验数据：测试数据和测量误差。

5）实验报告：实验报告的标准性与完整性。

13.项目特色或创新（限150字）
本案例的特色在于：
1)教学实现性好。

由于声卡是运算机标准配置，有成熟的驱动程序和操作系统配合，因此无需考虑软
硬件兼容性问题，在跨操作系统平台时也不存在系统移植问题，项目易于实现；
2)工程综合性强。

本案例实现了对音频信号实时和高保真的搜集和处置，所用技术包括了PC技术、模
拟电子电路技术和LabVIEW多线程等技术，既有硬件又有软件，全面锻炼学生综合知识应用能力和工程意识培育。

3)知识应用灵活。

由于要紧工作由软件实现，超级灵活方便，如能够把搜集的数据进行存储，供以后
分析利用；在PC足够快的条件下，能够实时处置数据，动态显示波形转变；若是在一台运算机上插多块声卡，能够组成多通道数据搜集系统等。

4)系统性价比高。

用声卡搜集数据，整个系统性价比高，通用性强，界面友好，数据存储方便，性能
稳固靠得住，其个别性能指标乃至优于专用数据搜集板卡，而价钱却不到后者十分之一，专门适合教学实践。

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