【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 聲卡的工作原理及性能指標(biāo)聲音的本質(zhì)是一種波，表現(xiàn)為振幅、頻率、相位等物理量的連續(xù)性變化。聲卡作為語(yǔ)音信號(hào)與計(jì)算機(jī)的通用接口，其主要功能就是將所獲取的模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)DSP音效芯片的處理，將該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。聲卡的基本工作流程為：輸入時(shí)，麥克風(fēng)或線路輸入(Line In)獲取的音頻信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行播放、錄音等各種處理；輸出時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)總線將數(shù)字化的聲音信號(hào)以PCM(脈沖編碼調(diào)制)方式送到D/A轉(zhuǎn)換器，變成模擬的音頻信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)功率放大器或線路輸出(Line Out)送到音箱等設(shè)備轉(zhuǎn)換為聲波，人耳偵測(cè)到環(huán)境空氣壓力的改變，大腦將其解釋為聲音。衡量聲卡的技術(shù)指標(biāo)包括復(fù)音數(shù)量、采樣頻率、采樣位數(shù)(即量化精度)、聲道數(shù)、信噪比(SNR)和總諧波失真(THD)等，主要介紹如下：(1)復(fù)音數(shù)量 代表了聲卡能夠同時(shí)發(fā)出多少種聲音。復(fù)音數(shù)越大，音色就越好，播放聲音時(shí)可以聽(tīng)到的聲部越多、越細(xì)膩。(2)采樣頻率 每秒采集聲音樣本的數(shù)量。采樣頻率越高，記錄的聲音波形就越準(zhǔn)確，保真度就越高，但采樣數(shù)據(jù)量相應(yīng)變大，要求的存儲(chǔ)空間也越多。(3)采樣位數(shù) 將聲音從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)(bit)。位數(shù)越高，在定域內(nèi)能表示的聲波振幅的數(shù)目越多，記錄的音質(zhì)也就越高。例如，16位聲卡把音頻信號(hào)的大小分為216=65536個(gè)量化等級(jí)來(lái)實(shí)施上述轉(zhuǎn)換。目前一般的聲卡最高采樣頻率可達(dá)96KHz；采樣位數(shù)可達(dá)16位甚至32位；聲道數(shù)為2，即立體聲雙聲道，可同時(shí)采集兩路信號(hào)，需要時(shí)還可選用多路輸入的高檔聲卡或配置多塊聲卡； KHz，輸出16位的數(shù)字音頻信號(hào)，而16位數(shù)字系統(tǒng)的信噪比可達(dá)96dB。LabVIEW把聲卡的聲道分為mono 8bit(單聲道8位)、mono 16bit(單聲道16位)、stereo 8bit(立體聲8位)和stereo 16bit(立體聲16位)。若用單聲道采樣，左右聲道信號(hào)都相同，而且幅值為原信號(hào)的1/2；用立體聲采樣，左右聲道互不干擾，可以采集兩路不同的信號(hào)，而且幅值與原信號(hào)相同。聲卡的采樣頻率分為8000Hz、11025Hz、22050Hz和44100Hz，應(yīng)根據(jù)具體情況采用合適的頻率。本文根據(jù)主流聲卡的性能指標(biāo)，采樣位數(shù)為16位，采樣方式為單聲道，這樣采樣的波形穩(wěn)定，而且干擾小。聲卡對(duì)外部信號(hào)的采樣在起始部分會(huì)有幾十個(gè)不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，所以無(wú)特殊要求時(shí)忽略了前100個(gè)數(shù)據(jù)。圖32聲卡性能指標(biāo)設(shè)置通過(guò)圖32的設(shè)置選項(xiàng)我們將更輕松的設(shè)置聲卡的性能指標(biāo),使其達(dá)到最加采集效果,將使以后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的結(jié)果更加準(zhǔn)確,使采集到的信號(hào)波形也更加清晰,逼真。我們還可以通過(guò)不同的設(shè)置對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，使設(shè)計(jì)的結(jié)果更加豐富。 采集系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)用戶設(shè)置的聲音格式從聲卡獲得數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)及其頻譜特性以直觀的圖形方式呈現(xiàn)于用戶面前。該模塊還提供保存所有或部分?jǐn)?shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)到信號(hào)分析模塊的功能。由于PCM波形音頻格式輸出的信號(hào)質(zhì)量最好，所以本文使用該格式對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理、存盤(pán)和重載。數(shù)據(jù)采集過(guò)程分為三步：(1)初始化/配置聲卡；(2)采樣；(3)釋放聲卡。圖33　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上圖表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?duì)采集板卡初始化，板卡上和內(nèi)存中的Buffer是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的中間環(huán)節(jié)。需要注意的兩個(gè)問(wèn)題是：是否使用Buffer？是否使用外觸發(fā)啟動(dòng)、停止 或同步一個(gè)操作。下圖為多通道模入波形采集AI Acquire 圖34波形采集子videvice——設(shè)備號(hào)。在NI 采集設(shè)置工具中設(shè)定。該參數(shù)告訴LabVIEW你使用什么卡，它可以使采集 VI自身獨(dú)立于卡的類型，也就是說(shuō)，如果你稍后使用了另一種卡，并且賦予它同樣的設(shè)備號(hào)，你的VI程序可正常工作而無(wú)須修改。channels——指定數(shù)據(jù)樣本的物理源。例如，一個(gè)卡有16個(gè)模擬輸入通道，你就可以同時(shí)采集16組數(shù)據(jù)點(diǎn)。在LabVIEW VI中，一個(gè)通道或一組通道都用一個(gè)字符串來(lái)指定。例如：表31 通道和通道串的對(duì)應(yīng)通道通道串通道55通道0到40：4通道1，8，以及10到131，8，10：13scan rate(1000 scans/sec)——是在多通道采樣時(shí)，分配給一個(gè)通道得到的樣本速率，缺省值是1000/秒。number of samples/ch——每通道要采集的樣本數(shù)，缺省值是1000。high limit——被測(cè)信號(hào)的最高電平，其缺省值是0。設(shè)為缺省值時(shí)系統(tǒng)將按照采集卡設(shè)置程序MAX中的設(shè)定處理。low limit——被測(cè)信號(hào)的最低電平，其缺省值是0。設(shè)為缺省值時(shí)系統(tǒng)將按照采集卡設(shè)置程序MAX中的設(shè)定處理。high limit 和 low limit的值將決定采集系統(tǒng)的增益。對(duì)大多數(shù)卡輸入信號(hào)變化的缺省值是10V到10V，如果你將其設(shè)為5到5V，則增益為2。如果你將其設(shè)為1到1V，則增益為10。如果你設(shè)置一個(gè)理論上的增益是得不到支持的，LabVIEW會(huì)自動(dòng)將其調(diào)整到最近的預(yù)置值。,1,2,5,10,20,50,100。waveforms——A/D轉(zhuǎn)換后的輸出，是一個(gè)二維的waveform數(shù)組，其每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸入通道，同時(shí)包含有反映時(shí)間信息的t0和Δt。下面是聲卡采集的5個(gè)組建：圖35聲卡采集子vi圖36開(kāi)始、停止、清空子vi圖37采樣效果子vi 本章小結(jié)如果在PC上配置多塊聲卡并行工作，完全可以構(gòu)成一個(gè)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要。如果采用筆記本電腦則無(wú)需添加任何硬件就可以構(gòu)成便攜式測(cè)量系統(tǒng)。在聲卡性能越來(lái)越好，成本越來(lái)越低，普及率越來(lái)越高的情況下，這種方法值得在工程測(cè)量應(yīng)用及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)一步推廣和擴(kuò)充。例如，對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集語(yǔ)音信號(hào)并進(jìn)行分析和處理來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別，還可以實(shí)現(xiàn)示波器、信號(hào)發(fā)生器及萬(wàn)用表等設(shè)備在音頻信號(hào)范圍內(nèi)的基本功能，其應(yīng)用前景較為廣闊。第4章 工頻測(cè)量原理 工頻特性參數(shù)(1)交流電壓有效值： 采集穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓瞬時(shí)值，采樣時(shí)間根據(jù)有關(guān)參數(shù)需要確定。按照式(41)分別計(jì)算出各相電壓的方均根值，即可得出交流電壓有效值。 (41)式中: ——電壓方均根值 ——采樣點(diǎn)數(shù)(m,) ——采樣點(diǎn)的電壓瞬時(shí)值(2)交流電流有效值:采集穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流瞬時(shí)值，采樣時(shí)間根據(jù)有關(guān)參數(shù)需要確定。按照式(42)分別計(jì)算出各相電壓的方均根值，即可得出交流電流有效值 (42)式中:　——電流方均根值 ——采樣點(diǎn)數(shù)(m,) ——采樣點(diǎn)的電流瞬時(shí)值(3) 電壓（電流）相位差：兩相電壓（電流）同時(shí)采樣，用線性擬合法求出兩相電壓（電流）基波的正向過(guò)零點(diǎn)，測(cè)量相鄰正向過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，按照式(43)計(jì)算兩相電壓（電流）基波之間的電角度之差: （43）式中： 電壓（電流）相位差 兩相電壓基波相鄰過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔 ——基準(zhǔn)相電壓（電流）基波波形相鄰正向過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔(周期)(4）功率因數(shù)：同相電壓與電流同時(shí)采樣，用線性擬合法求出電壓與電流基波的正向過(guò)零點(diǎn)，測(cè)量相鄰正向過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，按照式(44)計(jì)算功率因數(shù)： （44）式中： ——電壓與電流之間的電角度之差 ——電壓與電流相鄰正向過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔 ——基準(zhǔn)相電壓基波波形相鄰正向過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔(5)有(無(wú))功功率:用得到的電壓有效值,電流有效值以及功率因數(shù)根據(jù)式(45),(46)求得. (45) (46)式中:　 ——有功功率 ——無(wú)功功率 ——電壓有效值 ——電流有效值 ——電壓與電流之間的電角度之差(6)穩(wěn)態(tài)頻率:采集最接近Is期間內(nèi)的整數(shù)個(gè)(N個(gè))電壓周波數(shù)，計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的總時(shí)間，按照式(47)計(jì)算出穩(wěn)態(tài)頻率。 (47)式中:　——穩(wěn)態(tài)頻率?！罱咏麵s期間整數(shù)個(gè)電壓周波數(shù)?！獙?duì)應(yīng)N個(gè)電壓周波的總時(shí)間。 軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)為了是使程序能夠在運(yùn)行時(shí)可以反復(fù)運(yùn)行，使波形連續(xù)不斷的產(chǎn)生，我們要用到While循環(huán)結(jié)構(gòu)；為了使數(shù)據(jù)從一個(gè)循環(huán)周期傳遞到另外一個(gè)周期我們要用到移位寄存器；為了使某段程序執(zhí)行指定次數(shù)我們要用到For循環(huán)；同時(shí)還有Case結(jié)構(gòu)，它含有兩個(gè)或者更多的子程序(Case),執(zhí)行那一個(gè)取決于與選擇端子或者選擇對(duì)象的外部接口相連接的某個(gè)整數(shù)、布爾數(shù)、字符串或者標(biāo)識(shí)的值。下面我們將逐個(gè)介紹這些結(jié)構(gòu)。 While循環(huán)While 循環(huán)可以反復(fù)執(zhí)行循環(huán)體的程序，直至到達(dá)某個(gè)邊界條件。它類似于普通編程語(yǔ)言中的 Do 循環(huán)和 RepeatUntil 循環(huán)。While 循環(huán)的框圖是一個(gè)大小可變的方框，用于執(zhí)行框中的程序，直到條件端子接收到的布爾值為 FALSE。圖41　While 循環(huán)示意圖該循環(huán)有如下特點(diǎn)：(1)計(jì)數(shù)從0開(kāi)始（i=0）。(2)先執(zhí)行循環(huán)體，而后i+1，如果循環(huán)只執(zhí)行一次，那么循環(huán)輸出值i=0。(3)循環(huán)至少要運(yùn)行一次。 移位寄存器移位寄存器可以將數(shù)據(jù)從一個(gè)循環(huán)周期傳遞到另外一個(gè)周期。在程序設(shè)計(jì)中，經(jīng)常要用到它．創(chuàng)建一個(gè)移位寄存器的方法是，用鼠標(biāo)右鍵單擊循環(huán)的左邊或者右邊，在快捷菜單中選擇 Add Shift Register。如右圖所示。移位寄存器在流程圖上用在循環(huán)邊框上相應(yīng)的一對(duì)端子來(lái)表示。右邊的端子中存儲(chǔ)了一個(gè)周期完成后的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在這個(gè)周期完成之后將被轉(zhuǎn)移到左邊的端子，賦給下一個(gè)周期。移位寄存器可以轉(zhuǎn)移各種類型的數(shù)據(jù)－－數(shù)值、布爾數(shù)、數(shù)組、字符串等等。它會(huì)自動(dòng)適應(yīng)與它連接的第一個(gè)對(duì)象的數(shù)據(jù)類型。下圖表示了它的工作過(guò)程．圖42　Shift Register的工作過(guò)程可以令移位寄存器記憶前面的多個(gè)周期的數(shù)值。這個(gè)功能對(duì)于計(jì)算數(shù)據(jù)均值非常有用。還可以創(chuàng)建其他的端子訪問(wèn)先前的周期的數(shù)據(jù)，方法是用鼠標(biāo)右鍵單擊左邊或者右邊的端子，在快捷菜單中選擇Add Element。例如，如果某個(gè)移位寄存器左邊的端口含有三個(gè)元素，那么就可以訪問(wèn)前三個(gè)周期的數(shù)據(jù) For循環(huán)For循環(huán)用于將某段程序執(zhí)行指定次數(shù)。和While 循環(huán)一樣，它不會(huì)立刻出現(xiàn)在流程圖中，而是出現(xiàn)一個(gè)小的圖標(biāo)，而后您可以修改它的大小和位置。具體的方法是，先單擊所有端子的左上方，然后按下鼠標(biāo)，拖曳出一個(gè)包含所有端子的矩形。釋放鼠標(biāo)時(shí)就創(chuàng)建了一個(gè)指定大小和位置的For循環(huán)?！D43 For 循環(huán)示意圖For循環(huán)將把它的框圖中的程序執(zhí)行指定的次數(shù)，F(xiàn)or循環(huán)具有下面這兩個(gè)端子：N: 計(jì)數(shù)端子（輸入端子）——用于指定循環(huán)執(zhí)行的次數(shù)。I: 周期端子（輸出端子）——含有循環(huán)已經(jīng)執(zhí)行的次數(shù)。上圖顯示了一可以產(chǎn)生100個(gè)隨機(jī)數(shù)并將數(shù)據(jù)顯示在一個(gè)圖表上的For循環(huán)。在該例中，i 的初值是0，終值是99。 分支結(jié)構(gòu)CaseCase結(jié)構(gòu)含有兩個(gè)或者更多的子程序(Case),執(zhí)行那一個(gè)取決于與選擇端子或者選擇對(duì)象的外部接口相連接的某個(gè)整數(shù)、布爾數(shù)、字符串或者標(biāo)識(shí)的值。必須選擇一個(gè)默認(rèn)的Case以處理超出范圍的數(shù)值，或者直接列出所有可能的輸入數(shù)值。Case結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖，各個(gè)子程序占有各自的流程框，在其上沿中央有相應(yīng)的子程序標(biāo)識(shí)：Ture、False或3…。按鈕用來(lái)改變當(dāng)前顯示的子程序（各子程序是重疊放在屏幕同一位置上的）。圖44 Case結(jié)構(gòu)圖本課題中需要4個(gè)值進(jìn)行相互間的轉(zhuǎn)換，所以在本軟件中Case結(jié)構(gòu)的使用如下圖：圖45 課題中的Case結(jié)構(gòu)圖由上圖可知,因?yàn)橛辛朔种ЫY(jié)構(gòu)Case使的我們對(duì)采樣頻率的變換更加方便。 本章小結(jié)本章主要是給出了課題所要求的特性參數(shù)的求導(dǎo)方法，課題中主要是求出電壓有效值與電流有效值和相位差，得到這些我門(mén)就能進(jìn)一步得到功率因數(shù)，有功功率以及無(wú)功功率。循環(huán)和Case也是我們必須要用到的，了解循他們的作用可以使我們的工作更加順利。第5章 課題的實(shí)現(xiàn) 軟件流程圖本設(shè)計(jì)主要是由數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析，和結(jié)果顯示三部分組成的。其中數(shù)據(jù)采集是由聲卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)分析是由軟件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析我們將得到結(jié)果顯示，包括電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、有功功率和無(wú)功功率。其具體流程如下圖：開(kāi)始數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)分析電壓有效值相位差電流有效值頻率穩(wěn)態(tài)波形無(wú)功功率結(jié)束有功功率功率因數(shù)圖51工頻電量虛擬測(cè)試儀流程圖其中數(shù)據(jù)采集是使用聲卡實(shí)現(xiàn)的，聲卡的使用方法我們?cè)诘?章中介紹過(guò)了。數(shù)據(jù)分析的結(jié)果就是得到我們要求的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，由上圖可知我們要做的工作就是從采集到的信號(hào)中得到電壓有效值，電流有效值，相位差和頻率，就能進(jìn)一步得到功率因數(shù)，有功功率和無(wú)功功率，這也正好和第4章中介紹的參數(shù)求導(dǎo)關(guān)系吻合。 前面板的設(shè)計(jì)前面板就相當(dāng)于傳統(tǒng)測(cè)試儀器的控制、顯示部分，不過(guò)較傳統(tǒng)儀器而言，虛擬儀器的前面板的操作更加簡(jiǎn)單，顯示更加生動(dòng)逼真。 模塊介紹(1)控制模板該模板用來(lái)給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對(duì)象和輸入控制對(duì)象。每個(gè)圖標(biāo)代表一類子模板。如果控制模板不顯示，可以用Windows菜單的Show Controls Palette功能打開(kāi)它，也可以在前面板的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板。圖52 控制模板(左) 功能模板(右)控制模板如圖52(左)所示，它包括如下所示的一些子模板。子模板中包括的對(duì)象，我們?cè)诠δ苤杏梦淖趾?jiǎn)要介紹。表5