虛擬儀器課程設(shè)計(jì)-基于聲卡的音頻采集分析儀與信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-10-08 09:56 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 分析（時(shí)域分析和頻域分析）等多種功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)方案具有設(shè)計(jì)簡便、成本低、通用性高、擴(kuò)展性好、界面大方簡潔等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工程測量 和科學(xué)實(shí)驗(yàn)室等環(huán)境。 5 二、 設(shè)計(jì)內(nèi)容要求 基于計(jì)算機(jī)聲卡完成以下功能 具備數(shù)字存儲(chǔ)示波器、信號(hào)分析儀和信號(hào)發(fā)生器三個(gè)主要功能模塊，其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)示波器與分析儀整合在一個(gè)界面，信號(hào)發(fā)生器在另一個(gè)界面，共兩個(gè)界面；兩個(gè)組成部分可以分別獨(dú)立完成； 信號(hào)采集模式可以在單次和連續(xù)兩種方式間進(jìn)行切換，采集的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行存儲(chǔ)，類型為 TXT 類型，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求使用子 VI 實(shí)現(xiàn)； 對于信號(hào)發(fā)生器，應(yīng)具備單次發(fā)生和連續(xù)發(fā)生兩種形式，并且要求可以疊加各種噪聲，信號(hào)類型和參數(shù)可調(diào)，具備雙通道發(fā)生，同時(shí)兩個(gè)通道信號(hào)能夠疊加 為一個(gè)復(fù)合信號(hào)；另外支持讀取數(shù)據(jù)文件作為信號(hào)來源，數(shù)據(jù)文件類型為 TXT，數(shù)據(jù)讀取用子 VI 實(shí)現(xiàn)。 時(shí)頻分析儀應(yīng)該能夠完成大部分時(shí)域和頻域分析，可實(shí)現(xiàn)對原始信號(hào)分析前的加窗，實(shí)現(xiàn)濾波器操作，頻譜分析，原始數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)可進(jìn)行保存，示波器的各個(gè)參數(shù)靈活可調(diào)并且可以將已存數(shù)據(jù)重新載入進(jìn)行分析觀察。分析結(jié)果的橫縱坐標(biāo)物理意義必須明確，并與實(shí)際情況相符。 濾波器截止頻率值要求用實(shí)際頻率作為輸入。分析儀的分析對象可以是采集的真實(shí)信號(hào)、模擬的仿真信號(hào)或數(shù)據(jù)文件中存儲(chǔ)的信號(hào)。 6 三、 設(shè)計(jì)思想及原理 利用噪聲信號(hào)子 VI，可實(shí)現(xiàn)疊加各種噪聲，通過調(diào)節(jié)前面板的顯示器及控件來觀察任意波形并改變參數(shù)；雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器通過信號(hào)分析子 VI 動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)部分概率與統(tǒng)計(jì)的分析功能，通過濾波、加窗、快速傅立葉變換對信號(hào)進(jìn)行分析并在前面板上顯示分析結(jié)果 聲卡采集原理 聲卡采集系統(tǒng)原理框圖如下圖 1所示。它主要由聲源、信號(hào)調(diào)理模塊、計(jì)算機(jī)聲卡以及安裝于計(jì)算機(jī)機(jī)上的 LabVIEW 軟件等幾部分組成。 工作過程為：輸入時(shí)，測試信號(hào)首先經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，利用 PC機(jī)聲卡的麥克風(fēng)輸入或線路輸入作為信號(hào)的輸入端口，將獲取到的模擬音頻信號(hào)經(jīng)過左右兩個(gè) 通道和 A/D 轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)，通過 LabVIEW編寫的采集程序進(jìn)行各種處理和保存；輸出時(shí)，經(jīng)過采集系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)通過總線將數(shù)字化的信號(hào)以 PCM方式送到 D/A轉(zhuǎn)換器，編程模擬的音頻信號(hào)由線路輸出端口通過耳機(jī)或音響轉(zhuǎn)換為音波播放出來。 信號(hào)調(diào)理電路：在信號(hào)進(jìn)入聲卡之前必須經(jīng)過信號(hào)調(diào)理，主要包括信號(hào)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(shí)別。聲卡的麥克風(fēng)輸入端具 有高增益放大器，會(huì)使得信號(hào)產(chǎn)生較大失真，所以選擇線路輸入 其輸入電壓應(yīng)為 1～ +1V。 聲卡：計(jì)算機(jī)的聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，其 A/D 轉(zhuǎn)換功能已 經(jīng)成熟，而且計(jì)算機(jī)無需添加額外配件便能完成所有音頻信號(hào)的采集功能，具有價(jià)格低廉、采樣精度高，與 LabView結(jié)合編程簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此，利用聲卡可以構(gòu)成一個(gè)較高采樣精度、中等采樣頻率、靈活性好的信號(hào)采集系統(tǒng)。 聲卡主要技術(shù)指標(biāo)有采樣位數(shù)、采樣頻率、頻率范圍和頻率響應(yīng)、基準(zhǔn)電壓等。 （ 1） 采樣位數(shù)：采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這個(gè)數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音就越真實(shí)。如今市面上所有的主流產(chǎn)品都是 16 位的聲卡，而一般的數(shù)據(jù)采集卡大多也才有 12 位，因此，聲卡相較于常用的數(shù)據(jù)采集卡毫不遜色。 （ 2）采樣頻率：采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對聲音信號(hào)的采樣次數(shù)，采樣頻率越高聲音的還原就越真實(shí)越自然。在當(dāng)今的主流民用聲卡上，采樣頻率一般共分為 8 KHz、 和 ，少數(shù)可以達(dá)到 48 KHz 。對于 20Hz～ 20KHz 7 范圍內(nèi)的音頻信號(hào)，如果采用 48 KHz采樣頻率，雖然理論上是可行的，但是效果已經(jīng)不是最好。因而使用聲卡的局限性就是不允許用戶在最高采樣率下隨意設(shè)定采樣頻率。對于高于48KHz 的采樣頻率人耳已無法辨別出來了，因此沒有實(shí)用價(jià)值。 （ 3） 頻率范 圍和頻率響應(yīng)：前者是指音響系統(tǒng)能夠回放的最低有效回放頻率與最高有效回放頻率之間的范圍；后者是指將一個(gè)以恒電壓輸出的音頻信號(hào)與系統(tǒng)相連接時(shí)，音箱產(chǎn)生的聲壓隨頻率的變化而發(fā)生增大或衰減、相位隨頻率而發(fā)生變化的現(xiàn)象。以聲卡作為虛擬測試儀器的硬件設(shè)備必須對其頻率特性有所了解。本系統(tǒng)所用計(jì)算機(jī)主板集成聲卡是Reaktek 的 ALC880 Codec，根據(jù)其性能指標(biāo)，設(shè)置采樣率為 ，采樣位數(shù)為雙通道，采樣比特?cái)?shù)為 16 位，以保證采樣時(shí)的干擾較小、波形穩(wěn)定。 （ 4）基準(zhǔn)電壓：聲卡沒有基準(zhǔn)電壓，因此無論是 A/D 還是 D/A轉(zhuǎn)換器，都需要用戶參照基準(zhǔn)電壓進(jìn)行標(biāo)定。 窗函數(shù)原理 為了減少頻譜能量泄漏，可采用不同的截取函數(shù)對信號(hào)進(jìn)行截?cái)?，截?cái)嗪瘮?shù)稱為窗函數(shù)，簡稱為窗。信號(hào)截?cái)嘁院螽a(chǎn)生的能量泄漏現(xiàn)象是必然的，因?yàn)榇昂瘮?shù) w(t)是一個(gè)頻帶無限的函數(shù)，所以即使原信號(hào) x(t)是有限帶寬信號(hào)，而在截?cái)嘁院笠脖厝怀蔀闊o限帶寬的函數(shù)，即信號(hào)在頻域的能量與分布被擴(kuò)展了。又從 采樣定理 可知，無論 采樣頻率 多高，只要信號(hào)一經(jīng)截?cái)?，就不可避免地引起混疊，因此信號(hào)截?cái)啾厝粚?dǎo)致一些 誤差 。 對于窗函數(shù)的選擇，應(yīng)考慮被分析信號(hào)的性質(zhì)與處理要求。如果僅要求精確讀出主瓣 頻率 ，而不考慮 幅值 精度，則可選用 主瓣寬度 比較窄而便于分辨的矩形窗，例如測量物體的自振頻率等；如果分析窄帶信號(hào)，且有較強(qiáng)的干擾噪聲，則應(yīng)選用旁瓣幅度小的窗函數(shù)，如漢寧窗、三角窗等；對于隨時(shí)間按指數(shù)衰減的函數(shù)，可采用指數(shù)窗來提高 信噪比 。 快速傅里葉變換 FFT（ Fast Fourier Transformation）， 即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇 、偶、虛、實(shí)等特性，對離散傅立葉變
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