基于Labview和声卡的虚拟示波器设计毕业设计论文.docx

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基于Labview和声卡的虚拟示波器设计毕业设计论文

基于Labview和声卡的虚拟示波器设计

TheDesignofVirtualOscilloscopeBasedonLabviewandSoundCard

作者声明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注的地方外，没有任何剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范的行为，也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果及专利。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

如本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。

毕业设计（论文）成果归武汉工程大学邮电与信息工程学院所有。

特此声明。

作者专业：

作者学号：

作者签名：

__年__月__日

摘要

虚拟仪器技术的提出和发展标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。

该技术是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能，使用者在操作这台计算机时就像在使用一台自己设计的专用的传统电子仪器。

操作人员可通过友好的图形化用户界面和图形化编程语言来控制仪器的启动、运行和结束，完成对被测信号的数据采集、信号分析、谱图显示、波形图显示、故障诊断、数据存储以及控制输出等功能。

在虚拟仪器系统中,硬件解决信号的输入和输出,软件可以方便地修改、改变仪器系统的功能,以适应不同使用者的需要。

其中信号的输入部分一般使用数据采集卡实现。

商用的数据采集卡具有较大的通用性,但其价格昂贵,在具体的应用场合,有些功能可能并不实用。

普通声卡,具有16位量化精度,数据采集频率为44kHz,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,而价格却为商用数据采集卡的十几分之一甚至几十分之一。

论文利用普通声卡做采集卡,利用美国NI公司的虚拟仪器软件LabVIEW做开发平台,设计实现了一个虚拟示波器。

该系统能够正确采集声卡设计频率范围内的信号,实现了基本示波器的测量功能和频谱分析功能,可以用来测量音频范围的信号。

关键词：

虚拟仪器；声卡；labVIEW；虚拟示波器

Abstract

Theproposalanddevelopmentofvirtualinstrumenttechnologymarksthedirectionoftheautomatictestandelectronicmeasurementat21stcentury.Thistechnologydefinesingeneralcomputerplatformsanddesignsthetestfunctionofinstrument,whenusersoperatingthecomputerlikeusingatraditionalelectronicinstrument.Operatorscancontroltostart,operateandenditthroughgraphicaluserinterfaceandgraphicalprogramminglanguage,andthenaccomplishdataacquisition,signalanalysisandspectrumchartshows,waveformfigureshows,faultsdiagnosis,datastorageandoutputcontrol,andotherfunctionsofthemeasuredsignal.

Invirtualinstrumentsystem,hardwaresolvetheproblemofinputsignalandoutputsignal,thesoftwarecanbeeasilymodifiing,changingthefunctionofinstrumentsystem,inordertoadapttotheneedsofdifferentusers.Partoftheinputsignalisgenerallyrealizingbythedataacquisitioncard.Commercialdataacquisitioncardismoregeneral,moreexpensivebutsomefunctionsmaybeunpractical.Ordinarysoundcard,with16quantitativeprecision,44kHzdataacquisitionfrequency,canmeettheneedofdatacollectioninspecificapplicationrange,andtheindividualperformanceindexisalsobetterthancommercialdataacquisitioncard,butthepricesofcommercialdataacquisitioncardismoreexpensive.

ThispaperdesignesandrealizesavirtualoscillographwithcommonaudiocardandLabVIEWvirtualinstrumentsoftware.Thesystemcancorrectlyacquisitethesingalandrealizethefunctionsofmeasurementandspectrumanalysisasbasicoscilloscope.

KeyWords：

Virtualinstrument;Soundcard;LabVIEW;Virtualoscilloscope

第1章绪论

1.1虚拟仪器概述

所谓的虚拟仪器，就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。

灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。

虚拟仪器的“虚拟”二字主要包含以下两个方面的含义：

第一，虚拟仪器的面板是虚拟的。

虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。

如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的：

“通”、“断”；被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置；测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。

传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”、“触摸”、来进行操作的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相象的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放大”等，对应着相应的软件程序。

这些软件已经设计好，我们只需选用代表该种软件程序的图形“控件”即可。

因此，设计虚拟仪器前面板,就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。

第二,虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。

以PC计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能的。

因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以，在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法[1]。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、易用、功能强大、性价比高、可操作性好等优点，具体表现为：

（1）智能化程度高，处理能力强。

虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器的软件水平。

用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。

（2）复用性强，系统费用低。

采用虚拟仪器技术，可以用相同的基本硬件构建多种不同功能的测量系统。

这样形成的测量系统更灵活、更高效、更开放、更便宜。

（3）可操作性强，灵活易用。

虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同的应用可以设计不同的操作界面。

计算机强大的多媒体处理能力使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解。

此外，测量完成后可以显示和打印所需的报表（或曲线），可以把测量数据存入数据库系统或通过网络进行数据共享[2]。

1.2虚拟示波器研究的背景和意义

传统台式示波器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，它有特定的输入/输出接口和仪器操作面板，具有波形显示、参数测量等功能。

当要实现更多的测量功能时，就要配置更多的仪器，这给用户的使用带来诸多不便，并且传统示波器的测量精度比较低，无法满足高精度的测量要求。

而且，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。

此外，传统示波器体积相对庞大，制造成本比较高，这就增加了测量系统的开发成本。

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。

虚拟示波器系统由用户定义仪器功能，桌面整洁，操作条理，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且具有测量精度高、测量速度快、系统组建时间短、可扩展性强、技术更新快和仪器智能化等优点。

此外，虚拟示波器系统开发成本低，结合网络技术可以实现远程数据自动测量、自动记录、自动数据处理。

示波器、信号发生器、频谱分析仪是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备，而虚拟示波器系统集成了示波器、信号发生器和频谱分析模块，具有很大的应用价值，主要有：

（1）可以加强实验室技术基础建设。

虚拟示波器系统是计算机技术和测量技术的完美结合，不仅提高实验仪器的技术含量，还符合实验室仪器仪表现代化的教学要求。

（2）缩短测量系统的开发时间。

虚拟示波器系统提供良好的性能扩展能力，用户可以通过自定义模块快速开发出一整套测量系统，提高系统的开发效率。

（3）远程数据测量。

有的测量环境十分恶劣，用传统仪器测量数据可能会使测量人员的人身安全受到威胁，用虚拟示波器系统可以进行远程数据测量，使测量人员远离危险环境。

（4）仪器智能化。

虚拟示波器系统是计算机技术与测量技术的完美结合，利用它可以实现24小时无人值守的参数测量、数据分析、数据存盘等功能，为数据的实时测量提供保障[3]。

1.3论文主要工作

论文的目的是利用LabVIEW软件设计一虚拟示波器，通过声卡作为音频信号的采集硬件，利用虚拟示波器显示采集波形并完成波形分析等功能。

具体设计要求如下：

（1）具有声卡采集参数设定功能；具有录音和重放功能；可以实现声音数据的采集；能够完成功率谱信号的显示；

（2）声音采集数据能够储存并根据需要调用；

（3）具有声音信号滤波及处理功能；

（4）基于LABVIEW的声卡虚拟示波器应具有美观实用的用户界面。

第2章系统的信号采集

2.1声卡的配置与连接

计算机的声卡作为数据采集卡，其A/D转换功能已经成熟，而且计算机无需添加额外配件便能完成所有音频信号的采集功能，具有价格低廉、采样精度高，与LabVIEW结合编程简单等优点，因此，利用声卡可以构成一个较高采样精度、中等采样频率、灵活性好的信号采集系统。

声卡主要技术指标有采样位数、采样频率、频率范围和频率响应、基准电压等。

（1）采样位数。

采样位数可以理解为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。

如今市面上所有的主流产品都是16位的声卡，而一般的数据采集卡大多也才有12位，因此，声卡相较于常用的数据采集卡毫不逊色[4]。

（2）采样频率。

采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数