【導讀】虛擬儀器由通用儀器硬件平臺和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。主要完成對被測信號的進行調(diào)理和采集。儀器硬件可以是插入式數(shù)據(jù)采集卡及必要的外圍。總線接口的儀器，如GPIB、VXI、PXI、STD、PCI總線儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器等。目前市場上的A/D采集卡和數(shù)據(jù)采集卡以及帶標準總線接口的儀器等，其價格均不菲，以畢業(yè)設(shè)計的目的來說，性價比以及實用程度顯的不高。設(shè)計實驗中完全可以滿足要求。因此在本設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集裝置主要基于聲卡和labview模擬數(shù)據(jù)采集。波形顯示、進行低頻濾波四大功能。

　　

【正文】 s amp。 Sound → Sound → Input → Configure 選擇configure 函數(shù)。 聲音輸入讀取 虛擬儀器 Sound Input Read .VI 的前面板如圖 36所示。 Sound Input Read .VI 的前面板為聲卡采集時的參數(shù)設(shè)置。 25 圖 36 Sound Input Read .VI 的前面板 Sound Input Read .VI 的后面板如圖 37 所示 ： 26 圖 37 Sound Input Read .VI 的后面板 程序說明： 該函數(shù)用于等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息。當產(chǎn)生這一消息時，它將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容讀取到用戶程序的數(shù)組中，產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)采樣集合。若計算機的速度不夠快，使得緩沖區(qū)內(nèi)容被覆蓋，則會產(chǎn)生一個錯誤信息。這時應(yīng)調(diào)節(jié)緩沖區(qū)的大小，在采樣時間和數(shù)據(jù)讀取之間找到一個理想的平衡點。 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Graphics amp。 Sound → Sound → Input → Read 選擇 read 函數(shù)。 27 聲音輸入清除 虛擬儀器 Sound Input Clear .VI 的前面板如圖 38 所示 ： 圖 38 Sound Input Clear .VI 的前面板 Sound Input Clear .VI 的后面板 如圖 39 所示 ： 28 圖 39 Sound Input Clear .VI 的后面板 程序說明： 該函數(shù)用于完成最終的清理工作。例如關(guān)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 → Clear 選擇 clear 函數(shù)。 數(shù)據(jù)模擬模塊 數(shù)據(jù)模擬模塊是用 labview 自己模塊模擬發(fā)出波形模擬采集的數(shù)據(jù)波形，主要為分析波形等使用，模擬的波形主要分為兩個通道或?qū)蓚€通道的疊加成一個波形。發(fā)出的波形主要有：正弦波、方波、三角波、鋸齒波、 高斯 白噪聲 、 Gamma。 主要方法是在 labview 中用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個信號，實際上相當于通過軟件實現(xiàn)了一個信號發(fā)生器的功能。 29 正弦波 ： 公 式為 y=Asin(ωx+φ ） A為振幅， ω 周期， φ 相位。 方波 ： 公式為 y=flc1hs(sin(2*pi*f*t), eps)頻率為 f 的值為 0～ 1 的方波。 電流的波形為矩形的電流即為方波電流。不論 t 軸上下是不對稱的，只要是矩形就可叫方波，必要時，可加 “ 對稱 ” ， “ 不對稱 ” 加以說明。 方波不一定是交流波。主要看該方波有沒有正負交替，要一直是一個符號就是直流了，可以全是正的，也可以全是負的；如果有正有負就是交流了。 三角波： 三角波函數(shù)： 輸入 f[x_]:=x /。 0=x1 輸入 f[x_]:=2x /。 1=x2 輸入 f[x_]:=f[x2] /。 x=2 鋸齒波： 一般主要由搭建硬件電路來實現(xiàn)，效果如下圖： 30 波形方式對應(yīng)的 labview 控件如下：有正弦波 、方波 、三角波 、鋸齒波 、高斯白噪聲 。 程序的主要實現(xiàn)模塊，當選擇模擬波形時，有兩個通道可以選擇波形，可以調(diào)整幅值、頻率、相位?？梢詫蓚€不同的波形進行疊加，形成各種不同想要的波形。具體實現(xiàn)如圖 311，控制如圖 312 圖 311 模擬波形實現(xiàn)模塊后面 板 模擬波形實現(xiàn)模塊前面板 如圖 312 所示 ： 圖 312 模擬波形實現(xiàn)模塊前面板 程序說明： 兩個通道的波形疊加成一個需要的波形，進行分析等！當聲卡沒有采集數(shù)據(jù)的時候，可以用 labview 模擬的數(shù)據(jù)波形代替通過聲卡采 集到的波形。 31 低通濾波模塊 在信號傳輸過程中，由于外界的干擾，經(jīng)常會混入高頻噪聲。因此在測量信號時希望把高頻噪聲信號去掉。通常的做法都是采用低頻濾波器將高頻噪聲濾掉。 后面板實現(xiàn)模塊如圖： 前面板演示如圖 313，可以設(shè)定截止頻率： 圖 313 前面板演示圖 低頻濾波器配置方法 如圖 314所示 : 32 314 頻譜分析模塊 的前面板 波形 顯示模塊 波形 顯示模塊如圖 315 所示 ： 圖 315 波形 顯示模塊 程序說明： 波形顯示控件可以手動調(diào)整 X、 Y軸的最大值和最小值，這樣可以更準確 的分析波形。 33 小結(jié) 本章是設(shè)計的關(guān)鍵部分，主要介紹了各個功能模塊具體設(shè)計和實現(xiàn)，包括：數(shù)據(jù)采集和處理模塊、 數(shù)據(jù)模擬模塊 、 低通濾波模塊 、 波形顯示 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(guān)系組合起來，就形成了一個完整的 程序 。這將在下一章中具體介紹。 34 4 程序設(shè)計 顯示 程序的使用方法 程序的環(huán)境 本 程序是在 labview 環(huán)境下編寫的，用高版本可以查看此程序，低版本是打不開的。程序 打開后， 分后面板和前面板， 前面板位控制控件和顯示控件，后面板為程序框圖。最終使用的時候可以生成應(yīng)用程序，直接在別的電腦上安裝使用即可。 打開程序后，界面如圖 51，點擊左上角的小箭頭，程序開始運行。 35 圖 41 程序前面板 聲卡配置 1 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(guān)，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(zhì)量問題，實際測試的模擬信號的最高頻率為 。 2 采樣精度 系統(tǒng)采樣精度與電路所選器件的位數(shù)有關(guān)， 設(shè)計中選用 16 位采樣的聲卡，采樣精度為 ? ，分辨率約為 %。 3 實時帶寬： 2KHz。 程序的 總框 圖 程序的總框圖如圖 52所示 ： 圖 42 程序總框圖 總框圖說明： 信號通過聲卡采集進虛擬器中， 通過聲卡的基本設(shè)置，設(shè)置聲卡的一些基本參數(shù)，聲卡的采樣頻率不能太低，如果頻率太低，采集過程中，不能連續(xù)的采集。聲卡采集 36 完信號數(shù)據(jù)后，聲卡開始讀取數(shù)據(jù) 。 當信號切換的控件位真時 ，波 形 瀏覽器直接 把 聲卡讀出的 波形顯示出來； 當信號切換的控件為假時，波形瀏覽器顯示 模擬數(shù)據(jù) ； 然后經(jīng)過低通濾波送給波形瀏覽器顯示 。 主要用到了 while 循環(huán)、 case 選擇 等 模塊 。 程序的調(diào)試結(jié)果 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）。 聲卡采集 數(shù)據(jù)的結(jié)果 通過聲卡可以采集波形，采集方法可以直接在電腦聲卡接麥克，對著麥克說話，可以發(fā)現(xiàn)采集到的波形根據(jù)輸入的聲音變化而變化。 聲卡采集到的波形 如圖 43所示 ： 圖 43 聲卡采集到的 波形顯示 說明：波形分為直接聲卡采集到的波形和經(jīng)過低通濾波后的波形，同時可以通過右 側(cè)控件，改變波形的顏色和設(shè)置低通濾波的截止頻率。 37 模擬采集數(shù)據(jù)的結(jié)果 當點擊模擬采集數(shù)據(jù)控件，進入模擬數(shù)據(jù)采集模塊，模擬數(shù)據(jù)分兩個通道，兩個通道分別可以選擇不同的波形，可以調(diào)節(jié)波形的幅值、 頻率、相位 ，如圖 44，也可以通過疊加波形把兩個通道的波形疊加成一個波形，如圖 45。 圖 44 模擬波形 38 圖 45 疊加后的波形 小結(jié) 由 調(diào)試結(jié)果可知，設(shè)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(shè)計實現(xiàn)了一種方便、靈活性強的虛擬示波器，對一些應(yīng)用領(lǐng)域是一種很好的選擇。 39 5 設(shè)計中遇到的問題 40 ? 在制作的一開始，由于對 LABVIEW 軟件的各個模塊還不太熟悉，一些設(shè)計信號發(fā)生器要用到的 VI 未能找到，如 While 循環(huán) VI 等等。經(jīng)過長時間的反復(fù)熟悉之后，對這些 VI的點選路徑都熟悉了。 While 循環(huán) VI的存放路徑為：在函數(shù)模板中點選 編程子 模板，再點選 結(jié)構(gòu) 子模板中的 While 循環(huán) ，最后找到 While 循環(huán) VI。 如圖 51 圖 61 41 6 總結(jié)與展望 設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅具有聲卡采集的功能，而且充分發(fā)揮了計 算機強大的功能和軟件設(shè)計的靈活性，模擬采集數(shù)據(jù)。設(shè)計的研究工作和主要研究結(jié)果總結(jié)如下： （一）主要的優(yōu)點為： （ 1）用圖形化編程語言 LABVIEW 和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，軟件開發(fā)效率高，可操作性和維護性好。 （ 2）充分利用了計算機的外設(shè)連接能力，測試結(jié)果和波形顯示。 （ 3）在相同的硬件條件下，可以通過修改和增加軟件模塊，形成新的儀器功能。 （二）主要技術(shù)指標： 1 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(guān)，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(zhì)量問題，實際測試的模擬信號的最高頻率為 。 2 采樣精度 系統(tǒng)采樣精度與電路所選器件的位數(shù)有關(guān)，設(shè)計中選用 16 位采樣的聲卡，采樣精度為 ? ，分辨率約為 %。 3 實時帶寬： 2KHz。 4 低通濾波器的應(yīng)用 應(yīng)用低通濾波器的主要目的是去除外界干擾，去掉高頻噪聲信號。 42 參考文獻 [1].吳成東 ， 孫秋野 ， 盛科 .《 LabVIEW 虛擬儀器程序設(shè)計及應(yīng)用 》 .人民郵電出版社 . 2021 年 12月 ： 23~52 [2].江建軍 ， 劉繼光 .《 LabVIEW程序設(shè)計教程 》 .電子工業(yè)出版社 .2021年 3月 :75~80 [3].王磊， 陶梅 .《精通 》 .電子工業(yè)出版社 .2021年 5月 :43~50