【導讀】助測試領域的一項重要技術。它推動著傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化，智能化，模塊化，網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。本文采用計算機聲卡來代替工業(yè)用的數(shù)據(jù)采集卡。所設計出的虛擬儀器成本。行采樣充分利用了價格低廉的聲卡進行數(shù)據(jù)采集。文章闡述了虛擬儀器的背景、對聲音信號進行顯示的虛擬示波器。次虛擬示波器的設計要求。

　　

【正文】 ： Functions → Graphics amp。 Sound → Sound → Input → Read 選擇 read 函數(shù)。 聲音輸入清除 聲音輸入清除 的前面板如圖 312 所示。 圖 312 聲音輸入清除 的前面板 聲音輸入清除 的后面板 如圖 313 所示。 圖 313 聲音輸入清除 的后面板 程序說明： 西安交通大學城市學院本科畢業(yè)設計（論文） 26 該函數(shù) 用于完成最終的清理工作。例如關閉聲卡采樣通道，釋放請求的一系列系統(tǒng)資源（包括 MDA，緩沖區(qū)內(nèi)存，聲卡端口等）。 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Graphics amp。 Sound → Sound → Input → Clea r 選擇 clear 函數(shù)。 測量模塊 采樣點數(shù)測量模塊如圖 314 所示。 圖 314 采樣點數(shù)測量模塊 程序說明： 采樣點數(shù)測量模塊主要用于獲得波形的采樣點數(shù)，其中采用的 Statistics 函數(shù)，它是用來確定波形運行時的采樣點數(shù)，取決于輸入的程序中設定的值。 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Mathematics → Prob amp。 Stat → Statistics 選擇 Statistics 函數(shù)。 頻率測量模塊 前面板 如圖 315 所示 。 3 虛擬示波器軟件設計 27 圖 315 頻率測量模塊 前面板 頻率測量模塊的后面板如圖 316 所示。 圖 316 頻率測量模塊的后面板 程序說明： 頻率測試模塊，主要用于測量信號波形的頻率。其中采用的函數(shù)為 Extract Single Tone Information 函數(shù)。它是用來獲取一個信號的，求出音頻信號的最高幅度或者一個指定的頻率范圍，并返回一個單一的頻率、幅度、相位值。 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Signal Processing → Wfm Measure → Extra ct Single Tone Information 選擇 Extract Single Tone Information 函數(shù)。 西安交通大學城市學院本科畢業(yè)設計（論文） 28 頻譜分析模塊 頻譜分析模塊的前面板是設置頻譜分析模塊的參數(shù)。 頻譜分析模塊 的前面板 如圖 317 所示。 317 頻譜分析模塊 的前面板 頻譜分析模塊的后面板如圖 318 所示。 圖 318 頻譜分析模塊的后面板 程序說明： 頻譜分析模塊，它的作用是對信號進行頻譜分析。實現(xiàn)一個 FFT 運算。主要利用了 FFT Spectrum 函數(shù)。 FFT Spectrum 函數(shù)的功能為 計 算一個時間信號的平均 FFT Spectrum 。其結果是返回一個幅值或相位值。 3 虛擬示波器軟件設計 29 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Signal Processing → Wfm Measure → FFT Spectrum 選擇 FFT Spectrum 函數(shù)。 參數(shù)顯示模塊 參數(shù)顯示模塊如圖 319 所示。 圖 319 參數(shù)顯示模塊 程序說明： 參數(shù)顯示模塊，它的作用是對信號的參數(shù)顯示出來。參數(shù)中包括周期平均，峰峰值，正峰值，負峰值，周期均方根，直流，均方根。 參數(shù)顯示是以數(shù) 字 的方式顯示。 本章 小結 本章是設計的關鍵部分，主要介紹了虛擬示波器的各個功能模塊具體設計和實現(xiàn)，包括：數(shù)據(jù)采集和處理模塊、測量模塊、頻譜分析模塊、 參數(shù)顯示模塊等 。將這些模塊在主 VI 的框圖 程序中按照一定的邏輯關系組合起來，就形成了一個完整的虛擬 示波器。西安交通大學城市學院本科畢業(yè)設計（論文） 30 4 程序的調試與測試 31 4 程序的調試與測試 虛擬示波器的性能指標 虛擬示波器的性能指標直接關系到該示波器到的性能好壞，包括該示波器能測量到的頻率范圍，顯示的是否清晰。主要由采樣頻率和采樣精度決定的。 下面分別介紹 本設計中的采樣頻率和采樣精度。 采樣頻率 系統(tǒng)能測試到的最高頻率與電路所選器件的性能有關，本論文選用聲卡的最高采樣頻率為 ，根據(jù)采樣定理，所能測試模擬信號的最高頻率為 22KHz?？紤]到聲卡本身采集質量問題，實際測試的模擬信號的最高頻率為 。 采樣精度 系統(tǒng)采樣精度與電路所選器件的位數(shù)有關，設計中選用 16 位采樣的聲卡，采樣精度為 ? ，分辨率約為 %。 其中 實時帶寬： 2KHz。 程序的調試結果 在系統(tǒng) 設計 完成之后 ， 接下來的任務即是檢驗此虛擬示波 器是否可以正常工作并正確的反映波形的特性 。 下面分別從波形顯示 、 幅頻特性 、 相頻特性 三 方面來測試系統(tǒng)的功能 。 波形顯示調試結果 本設計系統(tǒng)由于受聲卡硬件條件的限制，頻率范圍比較窄，可以用來測量音頻范圍的信號（如聲音、脈搏、心電、腦電和電話等）。 在最后的測試中 ，采用了函數(shù)信號發(fā)生器作為外部模擬信號輸入， 用設計的虛擬示波器 分別 顯示正弦波、三角波、方波的波形 。 打開程序后 ， LABVIEW 聲卡 函數(shù) 的通道數(shù) 設置為 2，采樣數(shù) 設置為 5000，采樣頻率設置為 22050Hz，聲卡的位數(shù)設置為 16， 。 接入函數(shù)信號發(fā)生器 產(chǎn)生的正弦波，然后 點擊窗口左上角的 “ 連續(xù)運行 ” 按鈕 。正弦波波形顯示如圖 41。 西安交通大學城市學院本科畢業(yè)設計（論文） 32 圖 41 正弦波的波形顯示 然后講函數(shù)信號發(fā)生器的輸入波形改為三角波，其余參數(shù)均不變，點擊 “ 連續(xù)運行 ” 按鈕 。 三角波的波形顯示如圖 42 所示。 圖 42 三角波的波形顯示 最后將函數(shù)信號發(fā)生器輸出波形改為方波， 點擊 “ 連續(xù)運行 ” 按鈕 。 方波的波形顯示如圖 43 所示。 4 程序的調試與測試 33 圖 43 方波的波形顯示 調試結果： 從圖 4 圖 4 圖 43 中可以看到本文所設計的虛擬示波器可以對信號正確的采集和顯示，達到了本次虛擬示波器的設計要求。 小結 由 調試結果可知，設計用普通低廉的聲卡代替 了數(shù)據(jù)采集卡，在 LABVIEW圖形編程語言環(huán)境下設計實現(xiàn)了一種方便、靈活性強的虛擬示波器，對一些應用領域是一種很好的選擇。 本文 所設計的虛擬示波器能對信號進行采集和正確顯示，達到了虛擬示波器的設計要 求。 西安交通大學城市學院本科畢業(yè)設計（論文） 34 5 總結與展望 35 5 總結 與展望 結論 本文 設計的虛擬示波器不僅具有臺式數(shù)字示波器的功能，而且充分發(fā)揮了計算機強大的功能和軟件設計的靈活性。 設計出的示波器不僅具有波形顯示功能，而且還具有頻譜分析和參數(shù)顯示功能。 經(jīng)過測試，本文設計的示波器能對波形和參數(shù)正確的顯示 ，達到了虛擬示波器的設計要求。 設計的研究工作和主要研究結果總結如下： （ 1） 本文 用圖形化編程語言 LABVIEW 對程序進行設計。采用硬件聲卡進行數(shù)據(jù)轉換。由于聲卡的電壓要求為 1V 左右，所以對小信號要進行放大，大于 1V的電壓信號要加入衰減電路。 （ 2）充分利用了計算機的外設連接能力， 聲卡的數(shù)據(jù)轉換能力， 測試結果和波形顯示。 （ 3）由于本文選用聲卡的最高采樣頻率為 ，根據(jù)采樣定理，所能測試模擬信號的最高頻率為 22KHz。考慮到聲卡本身采集質量問題，實際測試的模擬信號的最高頻率為 。 （ 4）在 相同的 硬件條件下， 本文設計的虛擬示波器還 可以通過修改和增加數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)回放模塊 ， 來增加虛擬示波器的功能 。 展望 由于本人的水平有限和設計的條件有限，設計中尚存在許多未盡人意的地方。主要有以下幾個方面需要改進和研究： （ 1）影響示波器系統(tǒng)各個性能的因素很多，而數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率、分辨率影響著示波器的分辨率和顯示的波形。設計中選用的聲卡的采樣速率較低，帶寬較窄。因此需要選用各方面性能都較高的采集卡，這才能充分發(fā)揮虛擬 示波 器的優(yōu)點。 （ 2） 本文 所 設計的虛擬示波器 不 具有網(wǎng)絡功能。 網(wǎng)絡的潮流將資源共享帶入一個新的階段，加速了虛擬儀器與網(wǎng)絡技術相結合以及遠程監(jiān)控技術的發(fā)展。 PC 技術與嵌入式系統(tǒng)融合發(fā)展， 使 虛擬儀器的功能得到進一步的發(fā)展，例如更多的嵌入式和實時功能。隨著 PC 技術和相關技術的發(fā)展，虛擬儀器技術已成為一項前沿學科，代表著儀器發(fā)展的最新方向之一，不斷的被推向各個新的領域，在新的世紀將大行其道。虛擬儀器設計已經(jīng)成為測試與儀器技術發(fā)展的一個重要方向。隨著高速 A/D 芯片和電路的進一步集成化，西安交通大學城市學院本科畢業(yè)設計（論文） 36 可以設想在不遠的將來，一臺有安裝虛擬儀器軟件的標準微機成為一個多功能的測量儀器站，從 根本上改變目前專用儀器的研制和生產(chǎn)方式，具有廣闊的應用前景和巨大的潛在經(jīng)濟效益。計算機虛擬示波器的成本低，功能全，可擴充性強，較適合應用于工業(yè)測試和工業(yè)自動化及汽車、輪船、水力和醫(yī)療等領域。隨著計算機技術的進一步發(fā)展，虛擬示波器的開發(fā)和研究將會獲得更大的推動。 5 總結與展望 37 致謝 美麗的古城西安，四年的大學生活就要結束了，回想起美好的大學時光不禁嘴角露出會心的微笑。學校的老師、同學、設施等等都是我人生最可寶貴的資源，我用了四年時間完成了整合。要畢業(yè)了，花園般的校園、尊敬的老師、可愛的同學都給我留下了最美好的回憶。在此祝 愿我的母校越辦越好，祝愿老師工作順利、身體健康，希望同學們學業(yè)、事業(yè)有成。 本次畢業(yè)設計是在導師謝檬親切關懷和悉心指導下完成的，老師工作認真，即使在有身孕的情況下依然堅持給我們指導，給我們這一組的同學都留下了深刻的印象，也更加激勵我們必須把畢業(yè)設計做好。在我畢業(yè)設計期間，宿舍的舍友林文在我們互相探討中也給了我很大的啟發(fā)和鼓勵，并提出了許多寶貴的建議。藉此完成之際，謹向尊敬的老師和同學致以最衷心的感謝 ! 感謝論文中參考的參考文獻的作者；對于提供 論文中隱含的上述提及的支持者以及研究思想和設想的支持者表示感謝。西安交通大學城市學院本科畢業(yè)設計（論文） 38 參考文獻 39 參考文獻 [1] 張健，韓薪莘，房曉溪，程學慶 .LABVIEW 圖形化編程與實例應用 .北京：中國鐵道出版社， 2020： 159— 160 [2] 戴鵬飛，王勝開，王格芳，馬欣 .測試工程與 LABVEIW 應用 .北京：電子工業(yè)出版社，2020： 64— 77 [3] 路林吉，等 .虛擬儀器的應用 .電子技術， 2020： 40— 46 [4] 張毅，龍風樂等 .測控系統(tǒng)中三種最新軟件的比較 .計算機測量與控制， 2020： 21— 24 [5] National Instruments. 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