【正文】 1 . 6 61 . 8 10 . 8 41 . 0 11 . 2 11 . 4 71 . 8 01 . 6 8差 值 誤 差 比0 . 0 10 . 0 00 . 0 20 . 0 10 . 0 10 . 0 10 . 0 10 . 0 22 . 8 5 %0 . 0 0 %2 . 4 4 %1 . 0 0 %0 . 8 3 %0 . 6 8 %0 . 5 5 %1 . 2 0 %中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 23 頁 共 38 頁 圖 傳統(tǒng)示波器檢測到峰峰值為 1V 的正弦波 圖 通過對(duì)比峰峰值檢測測試 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 24 頁 共 38 頁 根據(jù) 表格 記錄的數(shù)據(jù) ， 通過以下式子求平均值： (+++++++)247。 8=， 根據(jù)算式 得到的結(jié)果，可得 誤差值為%，也就是峰峰值檢測精度。 2)周期驗(yàn)證 因?yàn)橛?jì)算周期時(shí)是按照 橫坐標(biāo) 兩個(gè)點(diǎn) 之間的距離（時(shí)間差） ，而兩個(gè)點(diǎn)之間的距離是按照 1/22040= 計(jì)算的，這個(gè)過程只保留了小數(shù)點(diǎn)的后三位，所以必然存在精度問題。通過周期判斷偏差的程度 ： 如果 偏差過大，則多保留幾位；如果可以接受， 則驗(yàn)證了目前周期精度的正確性。 具體實(shí)現(xiàn)方法如圖 、 所示 。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果是 ()247。 10=，偏差非常的小，完全可以達(dá)到要求，所以不改變兩點(diǎn)之間距離的精度，繼續(xù)使用。 圖 傳統(tǒng)示波器檢測到周期為 10ms 的正弦波中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 25 頁 共 38 頁 圖 利用 10ms 周期的信號(hào)進(jìn)行測試 頻率 精度及 范圍驗(yàn)證 1)頻率驗(yàn)證 頻率是采樣信號(hào)非常重要的特征之一，但是本系統(tǒng)的 FFT 只能畫出頻譜分析后的大致波 形，卻不能直接得到頻率值，所以利用光標(biāo)測量的方法得到信號(hào)的頻率。同樣，采集多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)誤差，如表 所示，圖 、 將實(shí)際頻率和測量的頻率進(jìn)行對(duì)比。 表 頻率檢測判斷誤差傳 統(tǒng) 示 波 器實(shí) 際 頻 率 ( H z )虛 擬 示 波 器測 試 頻 率 ( H z )1 0 0 9 9 . 5 81 5 0 1 4 9 . 8 42 0 03 0 04 0 05 0 06 0 01 0 0 02 0 0 . 3 72 9 9 . 6 03 9 9 . 1 25 0 0 . 0 91 0 0 0 . 1 55 9 9 . 7 5差 值 誤 差 比0 . 4 20 . 1 60 . 3 70 . 4 00 . 8 80 . 0 90 . 1 50 . 2 50 . 4 2 %0 . 1 1 %0 . 1 6 %0 . 1 3 %0 . 2 2 %0 . 0 2 %0 . 0 2 %0 . 0 4 %中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 26 頁 共 38 頁 圖 傳統(tǒng)示波器檢測到頻率為 100Hz 的正弦波 圖 利用 100Hz 的頻率信號(hào)進(jìn)行測試 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 27 頁 共 38 頁 根據(jù) 表格 的數(shù)據(jù) ， 通過以下式子求平均值： (+++++++)247。 8=，根據(jù)算式得到的結(jié)果，可得誤差值為%，也就是頻率檢測精度。 信 號(hào) 源 ─ 正 弦 波取 4 個(gè) 點(diǎn) ， 畫 出 波 形取 1 1 個(gè) 點(diǎn) ， 畫 出 波 形 圖 理論分析信號(hào)頻率最大值 圖 傳統(tǒng)示波器檢測的波形 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 28 頁 共 38 頁 圖 虛擬示波器檢測的波形 圖 將密集波形放大后的結(jié)果 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 29 頁 共 38 頁 1)頻率范圍驗(yàn)證 由于受到硬件 自身 和軟件設(shè)計(jì)原理 的限制， 采樣頻率肯定要受到限制的 。本次設(shè)計(jì)的使用的是采樣頻率為 的聲卡，根據(jù)香濃采樣定理，采樣頻率必須是信號(hào)頻率的二倍以上才行，所以目前看來本系統(tǒng)的采樣頻率 不能高于 。 然而，這不僅僅是唯一的標(biāo)準(zhǔn)，也不是最準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)，比如： 一個(gè)正弦波 信號(hào) ，設(shè)置頻率為 1Hz， 如果僅僅以二倍為標(biāo)準(zhǔn)， 若設(shè)定采樣頻率為 4Hz，則在一個(gè)周期內(nèi)只能畫出 四 個(gè)點(diǎn)，這樣是根本不可能畫出一個(gè)周期內(nèi) 標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)的 。通過網(wǎng)上資料的了解，一般情況下，至少要描 10個(gè)以上的點(diǎn)才能看到完整的波形。 如圖 ， 從圖中可以看出： 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)正弦波，分別取 4個(gè)點(diǎn)和 11 個(gè)點(diǎn) （ 也就是 4 倍和 11 倍頻率 ） ，理論上來講，大于 10 的時(shí)候基本可以恢復(fù)原始波形 。 下面利用實(shí)驗(yàn)來證明 以上理論的正確性。 將信號(hào)頻率設(shè)置為采樣頻率的十分之一 ，也就是 ，可以通過 圖 看出。 由于頻率非常大，所以在 圖 顯示的波形非常的密集 ，為了能看清波形是否失真， 將波形放大了 16 倍，可以 在圖 中看出稍微有些失真的波形，由此證明了以上的結(jié)論。 圖 傳統(tǒng)示波器檢測到 正弦波信號(hào) 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 30 頁 共 38 頁 圖 虛擬示波器完整顯示一個(gè)正弦波 不僅 信號(hào) 最大頻率受到限制，最小頻率同樣受到限制，但是這并不是硬件影響的，而是因?yàn)?它是 本次設(shè)計(jì)的方案所不可避免的問題。 在虛擬示波器的顯示屏上設(shè)置了 1024 個(gè)點(diǎn)，而兩個(gè)相鄰點(diǎn) 的距離是 1/， 通過計(jì)算 1024 1247。 =，也就是屏幕所能顯示的最長時(shí)間值，超過這個(gè)數(shù)值，就不能完整地顯示一個(gè)周期的波形，信號(hào)測量也就缺乏了意義。 綜上所述，信號(hào)的最小頻率為 22050247。 1024=，這樣就可以在虛擬示波器的顯示屏上看到一個(gè)完整的波形 ，如圖 、 所示。 移動(dòng)功能驗(yàn)證 在實(shí)際使用時(shí)，很多情況下輸入的是標(biāo)準(zhǔn)的波形，比如正弦波、三角波、方波等，將這些波形移動(dòng)一個(gè)周期后，顯示屏上的波形又恢復(fù)了最開始的形狀。 在設(shè)計(jì)基于聲卡的虛擬示波器時(shí)已經(jīng)通過 MIC 聲音輸入 了不規(guī)則的聲音信號(hào)，可以將靜止的不規(guī)則信 號(hào)進(jìn)行移動(dòng)，現(xiàn)對(duì)由信號(hào)發(fā)生器輸入 ，利用 Line in 輸入端接入正 弦波信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如下 ： 利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波，如圖 。將正弦波形向右移動(dòng)了 50，相當(dāng)于移動(dòng)了 50=，見 圖 ；在此基礎(chǔ)上，又向上移動(dòng)了 ，見圖 。以上結(jié)果說明了移動(dòng)功能得以實(shí)現(xiàn)。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 31 頁 共 38 頁 圖 信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波 圖 向右移動(dòng) 50 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 32 頁 共 38 頁 圖 再向上移動(dòng) 縮放功能驗(yàn)證 雖然前面在設(shè)計(jì)時(shí)同樣進(jìn)行了放大，但同樣不是利用 Line in 輸入端接入的 ，而是通過 MIC 后的放大信號(hào) ，所以還要需要對(duì)信號(hào)的縮放進(jìn)行驗(yàn)證。 具體的驗(yàn)證情況如下： 利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波，如圖 。將正弦波形水平放大 2 倍，如圖 ；然后恢復(fù)初始波形，再將正弦波垂直放大 2 倍，見圖 。以上結(jié)果說明了移動(dòng)功能得以實(shí)現(xiàn)。 圖 信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 33 頁 共 38 頁 圖 將 初始 波形水平發(fā)大 2 倍 圖 將初始波形水平發(fā)大 2 倍 本章小結(jié) 本章通過一系列的實(shí)驗(yàn)，包括光標(biāo)測量、頻率范圍 驗(yàn)證 、移動(dòng)和縮放功能 ，并進(jìn)行了非常詳細(xì)的圖文解釋，說明了本系統(tǒng)達(dá)到了一般用戶的基本需求， 完全達(dá)到了畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書上的要求，而且又添加了一些其他 常用的 功能， 雖然同傳統(tǒng)示波器相比仍有許多的 缺中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 34 頁 共 38 頁 點(diǎn)和 不足，但是 幾乎 可以在學(xué)習(xí)和工作中代替?zhèn)鹘y(tǒng) 的 示波器使用，也證明了本系統(tǒng)具有很大的開發(fā)價(jià)值和市場價(jià)值。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 35 頁 共 38 頁 5 總結(jié) 本文的主題是基于聲卡的虛擬示波器設(shè)計(jì)。 首先介紹了傳統(tǒng)示波器 不足的地方，然后引出了開發(fā) 虛擬示波器的 必要性，再聯(lián)系到聲卡，介紹了聲卡的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟 ，因此利用聲卡采集信號(hào)；其次簡單介紹了開發(fā)虛擬儀器的工具 — LabWindows/CVI，利用其可視化的界面 ，設(shè)計(jì)基于聲卡的虛擬示波器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、處理、保存、查看等功能 ；最后使用傳統(tǒng)示波器對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，說明其合理性和正確性。 與傳統(tǒng)示波器相比，本系統(tǒng)的性能各方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及。但是 利用聲卡采集數(shù)據(jù)，極大地提高了性價(jià)比，通用性強(qiáng)，使用方法 更為 簡單 和 方便。 在開發(fā)工具 LabWindows/CVI 的圖形化編程環(huán)境下， 使得設(shè)計(jì)的效率更高、功能更強(qiáng)大，可以基本滿足學(xué)習(xí)和工作的需求，有廣闊的開發(fā)和使用前景。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 36 頁 共 38 頁 參 考 文 獻(xiàn) [1] 王維喜 . 基于聲卡的多功能虛擬示波器和虛擬函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì) . 碩士學(xué)位論文，山東青島：青島大學(xué)， 2021 [2] 陳東方，吳國紅 . 一個(gè)基于聲卡的 LabVIEW 虛擬示波器 . 傳感器與儀器儀表，2021,24(25):189~190 [3] 曾山，陸堯勝，王思華等 . 基于的 LabVIEW 信號(hào)發(fā)生器和虛擬示波器綜合測試儀的設(shè)計(jì)， 2021,21(11):10~11 [4] 馮爾理 . 基于聲卡的虛擬示波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) . 黑龍江科技信息 2021,33:40~41 [5] , . DAQ card based mixed signal virtual oscilloscope. ELSERVIER, Measurement, 2021,41:10321039 [6] 呂紅英，吳先球，劉朝輝等 . LabVIEW 環(huán)境下基于聲卡的虛擬示波器軟件設(shè)計(jì) . 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件， 2021,24(3):61~64 [7] , , . Virtual Oscilloscope of the DASPLab System. International Laboratory for DASP. Operating at the University of Westminster, UKand Institute of Electronics and Computer Science, 2021,29(8):21~30 [8] 吳騰奇，廖偉盛 . 虛擬儀器系統(tǒng)與 LabVIEW 平臺(tái) . 技術(shù)與應(yīng)用， 2021,1:30~32 [9] Ping Gong ， Wei Zhou. 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