【導(dǎo)讀】它以軟件為核心，把計。虛擬儀器開創(chuàng)了儀器使用者可以成為設(shè)計者的新時代，代表了儀器發(fā)。展的方向，它已成為21世紀(jì)測試技術(shù)和儀器技術(shù)發(fā)展的主要方向。在硬件上還提出以PC聲卡代替昂貴商用數(shù)據(jù)采集卡，大大降低。設(shè)計具有廣闊的開發(fā)價值和應(yīng)用前景。論文在簡要介紹了虛擬儀器概念、研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及編程軟件LabVIEW特點的基礎(chǔ)上，概述了音頻信號發(fā)生器的基本原理,分析了聲卡的功能及相關(guān)設(shè)置，并對構(gòu)成系統(tǒng)的各模塊做了詳細(xì)敘述。

　　

【正文】 式。 a. 將每條曲線的一個新數(shù)據(jù)點（數(shù)值類型）打包成簇，然后輸入到波形 Chart 中，這時波形 Chart 將所有曲線同時推進(jìn)一個點； b. 將每條曲線的一個數(shù)據(jù)點打包成簇，若干個這樣的簇作為 元素構(gòu)建數(shù) 組，再把數(shù)組傳送到波形 Chart 中。數(shù)組中的元素個數(shù)決定了繪制 Chart 每次數(shù)據(jù)的長度。在這種數(shù)據(jù)格式下，波形 Chart 將所有曲線推進(jìn)多個點。 (4) Waveform Chart 包含的 主要 組件和功能 有： a. 標(biāo)簽 (Label):對象的標(biāo)識，在程序中通過對象的標(biāo)簽實現(xiàn)對對象的訪問 ； b. 標(biāo)題 (Caption):對象的名稱，默認(rèn)情況下和對象的標(biāo)簽相同； c. 縱坐標(biāo) (Y Scale):默認(rèn)標(biāo)簽是 Amplitude，可用標(biāo)簽工具修改?？潭韧瑯涌? 用標(biāo)簽工具進(jìn)行修改。右擊 Waveform Chart，選擇 Y Scale → Formatting，可設(shè)置數(shù)據(jù)的格式和精度。例如設(shè)置是以浮點數(shù)還是以科學(xué)計數(shù)法顯示數(shù)據(jù)，小數(shù)點位數(shù)是幾位等 ,如圖 317。 選擇 Y Scale → Style， 可設(shè)置刻度數(shù)據(jù)的顯示格式， style 子菜單給出了 9 種刻度風(fēng)格，可以選擇是否顯示主刻度和副刻度數(shù)字及刻度線，如圖 318。Mapping 子菜單設(shè)定刻度的映射方式，有線性（ linear）關(guān)系和對數(shù)（ logarithmic）關(guān)系。 AutoScaleY 設(shè)置自動縮放； d. 橫坐標(biāo) X Scale, 默認(rèn)標(biāo)簽是 Time，設(shè)置方法和縱坐標(biāo)類似； e. 刻度圖例 Scale Legend ； f. 數(shù)字顯示 Digital Display,顯示波形數(shù)據(jù)最新的一個數(shù)據(jù)點的幅值 ； g. 繪圖圖例 Plot Legend,顯示繪圖區(qū)中每條曲線的樣式 ,單擊圖標(biāo)，出現(xiàn)快 捷菜單，可設(shè)置、修改曲線的線形、線寬、顏色、顯示方式 ,如圖 319； h. 繪圖區(qū) ,顯示波形的區(qū)域?？梢酝ㄟ^ Waveform Chart 的屬性對話框?qū)ζ鋵傩? 進(jìn)行 詳細(xì)的設(shè)置，如圖 320。 西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 23 圖 317 Waveform Chart 參數(shù)設(shè)置對話框 圖 318 Y 軸刻度顯示格式設(shè)置 圖 319 繪圖圖例設(shè)置 西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 24 圖 320 Waveform Chart 屬性對話框 Waveform Graph (1) Waveform Graph 一次性等時間間隔地顯示數(shù)據(jù)點，可以顯示以前的所有數(shù) 據(jù) ,每一時刻只有一個數(shù)據(jù)值，類似單值函數(shù)。 (2) 可繪制一條或多條曲線，數(shù)據(jù)組織格式不同。 當(dāng) 繪制單曲線時，可接受兩種數(shù)據(jù)格式 ： a. 連接一維數(shù)組 ； b. 連接簇數(shù)據(jù)類型 。 當(dāng)繪制多條曲線時，可接受如下數(shù)據(jù)格式： a. 連接二維數(shù)組 ； b. 連接一個簇 ； c. 把數(shù)組打包成簇，然后以簇作為元素組成簇數(shù)組 ； d. 在由數(shù)值類型元素 Xo， dX 以及以簇為元素的數(shù)組這 3 個元素組成的簇中 數(shù)組元素的每一個簇元素都由一個數(shù)組打包而成，每個數(shù)組都是一條曲線 ； e. 連接由簇作為元素的二維簇數(shù)組 。 Waveform Graph 包含的組件 的 大部分功能和 Chart 是相似 ,不同之處在于 Graph沒有提供數(shù)值顯示工具，卻提供了游標(biāo)圖例（ Cursor Legend）工具 ,利用游標(biāo)圖例工西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 25 具可以用來讀取 Waveform Graph 上某一點的確切坐標(biāo)值。游標(biāo)圖例元素 包括 游標(biāo)名稱 、 游標(biāo)橫坐標(biāo)、游標(biāo)縱坐標(biāo) 、移動控制按鈕、顯示控制按鈕、鎖定控制按鈕、游標(biāo)移動器 。 XY Graph XY Graph 不要求橫坐標(biāo)等間隔分布，而且允許繪制一對多的映射關(guān)系 ， 輸入數(shù)據(jù)需要包含兩個一維數(shù)組，包括數(shù)據(jù)點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)值 。 例 33： 分別用 XY Graph 和 Express XY Graph 輸出一個圓 ， 結(jié)果如 圖 321。 圖 321 前面板和后面板 比較三種圖形顯示方式后，本設(shè)計采用 Waveform Graph 控件顯示 圖形。 西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 26 4 音頻信號發(fā)生器系統(tǒng)的 設(shè)計與 結(jié)果顯示 音頻信號發(fā)生器 前面板的設(shè)計 (1) 五個輸入型數(shù)字控件，五個輸入型數(shù)字 控件提供使用者鍵入生成 四種 波的頻 率、幅值、相位、占空比。調(diào)用途徑 ControlsNumericDigital Control。 (2) 一個布爾型開關(guān)控件， 用作總開關(guān)，標(biāo)記為 “ power”。 調(diào)用途徑 ControlsClassic Controls Classic Boolean。 (3) 一個指示型數(shù)字旋鈕控件，用于選擇四種不同的波形。調(diào)用途徑 ControlsNumeric Controlsknob。 通過在控件快捷菜單中選擇 Properties， 打開控件的屬性對話窗口對控件進(jìn)行設(shè)置 ，如圖 41。 圖 41 波形選擇控件設(shè)置 (4) 一個輸出圖形顯示控件，用來顯示輸出的四種波形 如圖 42。本設(shè)計選用 Waveform Graph 顯示 ， 調(diào)用途徑 ControlsGraph indictorsWaveform Graph。 圖 42 圖形顯示 模塊 power 西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 27 (5) 上面只說明了音頻信號發(fā)生器單通 道前面板的設(shè)計，雙通道與其方法一致， 只是多了聲音通道選擇控件。選擇布爾開關(guān)控件表示，標(biāo)記為 “ ON”。 下面的圖 43， 44 分別為 單通道，雙通道 音頻信號發(fā)生器 的 前面板設(shè)計。 圖 43 單通道 音頻信號發(fā)生器前面板設(shè) 計 圖 44 雙通道 音頻信號發(fā)生器前面板設(shè)計 ON西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 28 音頻信號發(fā)生器流程圖設(shè)計 本程序的流程圖由電源及聲道控制、 聲音輸出 、 信號產(chǎn)生及顯示部分組成。 (1) 電 源及聲道控制 為使信號能夠連續(xù)產(chǎn)生，主程序采用 while 循環(huán)結(jié)構(gòu)，電源開關(guān)狀態(tài)做為循環(huán) 的控制條件 ，如圖 45。 圖 45 電源及聲道控制 (2) 聲 音 輸出 模塊 為了使音頻信號發(fā)生器有最大的頻率變化范圍，本設(shè)計采用聲卡采樣頻率 44100Hz， 可設(shè)置的最高頻率為 22050Hz， 超過此范圍，程序給出錯誤信息并自動中止 ，模塊的流程圖及有關(guān)控件的端口參數(shù)如圖 46。 圖 46 聲 音 輸出模塊及有關(guān)控件端口參數(shù) 西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 29 (3) 信號發(fā)生模塊 信號產(chǎn)生部分采用上面分析的 Express Ⅵ仿真信號發(fā)生器 Simulate Signal. vi，其中參數(shù)設(shè)置框中的采樣頻率應(yīng)設(shè)為 ,與聲卡保持一致。 波形選擇用 case 結(jié)構(gòu)，由數(shù)值型控件“波形選擇”作為控制條件，結(jié)構(gòu)里放置仿真 信號發(fā)生器子程序。 由于16 位為聲卡把音頻信號的大小分為 65536（ 216） 個等級，程序中為了當(dāng)幅值設(shè)置為1V 時 ,達(dá)到 16 位樣本最大值在幅值前乘以 32767（ 65536/21）。 為了前面板波形顯示的美觀，將的 Waveform Graph 橫軸統(tǒng)一限制為每次顯示四個周期的波形，用倒數(shù)器求出波形輸入?yún)?shù)頻率的倒數(shù)，得到周期后乘常數(shù) 4 作為 Waveform Graph 橫軸的最大值，如圖 47。 圖 47 信號發(fā)生模塊 及 case 結(jié)構(gòu)中對應(yīng) 的四種波形 西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 30 (4) 音頻信號發(fā)生器流程圖綜合設(shè)計 單通道音頻信號發(fā)生器聲卡設(shè)置為“ mono 16stero” 形式。對于雙通道音頻信 號發(fā)生器需要加一個 case 結(jié)構(gòu)選擇左右聲音通道，并分別用“ LEFT CHANNEL”和“ RIGHT CHANNEL” 對應(yīng)的布爾控件 作為 case 結(jié)構(gòu)的選擇條件 。 仿真信號發(fā)生器Simulate Signal. vi 輸出的是動態(tài)數(shù)據(jù)類型，故在雙通道發(fā)生器中應(yīng)利用 Build Array函數(shù)構(gòu)成數(shù)組，再經(jīng) Transpose 2D Array 函數(shù)轉(zhuǎn)置后輸入 SO Write 節(jié)點的“ stereo 16bits” 端口。當(dāng)程序選擇左聲道時 ，右聲道的聲道選擇 case 結(jié)構(gòu)處于“ FALSE” 狀態(tài)，同理，選擇右聲道，左聲道處于 “ FALSE” 狀態(tài)，當(dāng)然也可以左右聲道一起選擇運行。 圖 48， 49 分別為 雙通道，單通道 音頻信號發(fā)生器流程圖設(shè)計。 圖 48 雙通道音 頻信號 發(fā)生器 流程圖設(shè)計 西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 31 圖 49 單通道 音頻信號發(fā)生器流程圖設(shè)計 音頻信號發(fā)生器 運行結(jié)果 顯示 單聲道音頻信號發(fā)生器 運行結(jié)果 顯示 (1) 頻率 200Hz,振幅 1，相位 30，四種波形顯示（矩形波的占空比 50） ，如圖 410。 圖 410 單聲道音頻信號發(fā)生器四種波形顯示 (2) 不同 輸入 參數(shù)的波形運行結(jié)果顯示 按照表 41 中的所給的值設(shè)置發(fā)生器的各輸入?yún)?shù)，其結(jié)果顯示如圖 411。 表 41 音頻信號發(fā)生器的輸入?yún)?shù) 西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 32 波形 頻率 (Hz) 振幅（ V） 相位 正弦 100 2 5 三角 1000 2 5 方波 1000 20 5 鋸齒 1000 20 50 圖 411 輸入 不同 參數(shù)波形運行結(jié)果 雙通道音頻信號發(fā)生器 運行結(jié)果顯示 雙通道音頻信號發(fā)生器可以左右聲道一起運行，同時發(fā)出信號，同時發(fā)出 聲音如圖 412。也可以只 選擇 其中一個聲道發(fā)聲，如圖 413 顯示了只運行 左聲道 (LEFT CHANNEL)產(chǎn)生 信號 時的結(jié)果 ， 圖 414 顯示了只運行右聲道（ RIGHT CHANNEL）產(chǎn)生信號時的結(jié)果。 西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 33 圖 412 雙通道音頻信號發(fā)生器左右聲道一起運行 圖 413 只運行左聲道的雙通道音頻信號發(fā)生器 圖 414 只運行右聲道的雙通道音頻信號發(fā)生器 西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 34 5 音頻信號發(fā)生器系統(tǒng)的調(diào)試和結(jié)果分析 利用雙聲道音頻信號發(fā)生器可以 兩個聲道 同時產(chǎn)生信號并發(fā)聲的特 點，可以 為 波形 設(shè)置兩個不同的 頻率，幅值，相位 值使其分別在左右聲道運行，通過 對比 可以觀察出信號參數(shù)的變化對信號波形的影響。圖 6 1， 62， 63 展示了不同頻率，不同幅值，不同相位的信號波形圖，可以看到頻率改變對波形影響較大，頻率越大，波形越易失真。 這正好符合 奈奎斯特采樣定理：要從抽樣信號中無失真的恢復(fù)原信號，采樣頻率應(yīng)大于 2 倍信號最高頻率，即奈奎斯特采樣頻率為信號頻率的兩倍。工程上的采樣頻率一般為奈奎斯特采樣頻率的 2—3 倍。 由于本設(shè)計中聲卡采用的的采樣頻率為44100Hz， 所以 理論上 當(dāng) 發(fā)生的信號頻率高于 22100Hz 就會有失真，但是實際中不可能實現(xiàn)理想采樣，故引起波形失真的信號最小頻率會低于 22100Hz。當(dāng)輸入信號的頻率大于 22100 Hz（左、右聲道輸入頻率分別為 500 Hz、 22500 Hz）時，會出現(xiàn)如圖417 的錯誤提示框。 西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 35 圖 51 不同頻率的波形比較 圖 52 不同幅度的波形比較 西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 36 圖 53 不同 相位 的波形比較 圖 54 錯誤提示框 西安石油大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計 37 6 結(jié) 論 本文 探討了在 PC 機上結(jié)合聲卡實現(xiàn) 虛擬 音頻 信號發(fā)生器的 集成 系統(tǒng) ， 它利用圖形化軟件 LabVIEW 編程 ， 具有操作方便、 性價比高 、 性能穩(wěn)定等特點 。 PC 聲卡相對 一般 市售的 12 位 D/A 卡價格低廉很多，而且其 所具有的 16 位 D/A 轉(zhuǎn)換精度高 于后者 ， 當(dāng)然聲卡只 用于 設(shè)計對應(yīng)于音頻域的信號（即處于 20Hz~20KH