【正文】 件 I/O 子模板 ： 用于打開和關(guān)閉文件，向文件寫入或讀出字符串、數(shù)值、數(shù)組或簇，創(chuàng)建指定文件的地址或文件的地址信息。 圖形與聲音子模板 ： 可顯示自定義圖象，輸入、輸出圖形文件的數(shù)據(jù)，也可播放聲音。 編制軟件時(shí)通過對(duì)控制和功能模 塊中子模塊的靈活調(diào)用，選取相應(yīng)的功能子模塊，分別置于前后面板內(nèi)，使用連線工具即可完成虛擬儀器設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)的 聲卡本身就是一個(gè)具有 A/D、 D/A的轉(zhuǎn)換裝置，本設(shè)計(jì)利用聲卡的 D/A功能，代替專用的數(shù)據(jù)采集卡在音頻范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和輸出，不需增加任何硬件就能使計(jì)算機(jī)成為信號(hào)發(fā)生器，具有成本低廉、兼容性好、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上分，聲卡可分為模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn) 12 換電路和數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換電路兩部分，模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將麥克風(fēng)等聲音輸入設(shè)備采集到的模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電腦能處理的數(shù)字信號(hào)；數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將電腦使用的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為揚(yáng)聲器等聲音輸出設(shè)備使用的模擬信號(hào)。 聲卡主要技術(shù)指標(biāo) (1) 采樣位數(shù)：采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。如今市面上所有的主流產(chǎn)品都是 16位的聲卡，而一般的數(shù)據(jù)采集卡大多也才有 12位，因此，聲卡相較于常用的數(shù)據(jù)采集卡毫不遜色 。在當(dāng)今的主流聲卡上，采樣頻率一般共分為8 KHz 、 、 ，少數(shù)可以達(dá)到 48 KHz 。 因而使用聲卡的局限性就是不允許用戶在最高采樣率下隨意設(shè)定 信號(hào) 頻率。 (4) 頻率范圍和頻率響應(yīng)：前者是指音響系統(tǒng)能 夠回放的最低有效回放頻率與最高有效回放頻率之間的范圍。 13 3 系統(tǒng)整體方案 和各組成部分方案設(shè) 計(jì) 系統(tǒng)整體方案設(shè) 計(jì) 虛擬音頻信號(hào)發(fā)生器的總流程如下圖所示，使用時(shí)先按下電源 power按鈕，運(yùn)行程序，然后 設(shè)置聲卡 以及通過波形選擇開關(guān)選擇波形，并設(shè)定 其幅度、頻率、相位、占空比 (方波 )，波形信號(hào)就可在顯示屏上顯示并通過聲卡發(fā)聲。 波形發(fā)生部分方案設(shè) 計(jì) 在 LabVIEW 中產(chǎn)生一個(gè)仿真信號(hào)，相當(dāng)于通過軟件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)信號(hào)發(fā)生器的功能。LabVIEW 中對(duì)應(yīng)的三種信號(hào) 器如圖 31,32,33。 圖 34 表示了信號(hào)類型和信號(hào)發(fā)生器 VI 對(duì)應(yīng)表。 它的參數(shù)設(shè)定對(duì)話框如圖 35。 然后設(shè)定信號(hào)的頻率、幅值、初始相角和 直流偏置，噪聲的均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差等。 時(shí)間戳的設(shè)置 ：主要調(diào)節(jié)輸出的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)類型的時(shí)間信息 ,時(shí)間戳有兩個(gè)選項(xiàng) ： a. 從測(cè)量始點(diǎn)計(jì)算的時(shí)間 (程序開始運(yùn)行的時(shí)間 )； 17 b. 絕對(duì)時(shí)間 (計(jì)算機(jī)時(shí)間 ),一般選擇默認(rèn)值 (起始時(shí)間 )。 它決定了該 VI 每次運(yùn)行的起點(diǎn)是從對(duì)話框的設(shè)定值開始，還是從該 VI 上一次運(yùn)行結(jié)束點(diǎn)的狀態(tài)開始。除了在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置參數(shù)，也允許通過傳統(tǒng)的端口方式設(shè)置參數(shù)，這給在前面板上放置控件提供了機(jī)會(huì)。 圖 38 仿真信號(hào)發(fā)生器 Simulate Signal . vi 端口圖 仿真信號(hào)發(fā)生器 Simulate Signal. vi 的使用還需要注意的是： a. 由于其本身只產(chǎn)生有限長(zhǎng)度的信號(hào) (數(shù)據(jù)量不大，持續(xù)時(shí)間很短 )，所以在應(yīng) 用中一 般都是將其放置在循環(huán)中來產(chǎn)生比較長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)； b. 用仿真信號(hào)發(fā)生器 Simulate Signal. vi 也可以產(chǎn)生單純的隨機(jī)噪聲。仿真信號(hào)發(fā)生Simulate Signal. vi 不能產(chǎn)生多個(gè)周期信號(hào)疊加的波形，如果要實(shí)現(xiàn)這一功能，需要在每個(gè)單一周期信號(hào)產(chǎn)生以后再進(jìn)行疊加運(yùn)算。各端口的含義、設(shè)置 如圖 39， 這 和仿真信號(hào)發(fā)生器 Simulate Signal. vi 基本類似，只是設(shè)置的途徑略有不同。 18 圖 39 Tones and Noise Waveform. vi 的端口含義及設(shè)置 例 31：用多諧信號(hào)附加噪聲的波形發(fā)生器 Tones and Noise Waveform. vi 產(chǎn)生表達(dá)下式 的信號(hào)。 其前面板和后面板如圖 310 和圖 311。 b. 經(jīng)過復(fù)雜運(yùn)算生成的信號(hào)，這樣可以避免繁瑣的圖標(biāo)擺放和連線。 Formula Waveform. vi 給出了 6個(gè)自變量，用于描述公式。 圖 312 Formula Waveform . vi 的自變量含義及其設(shè)定方法 20 例 32：利用 Formula Waveform． vi 產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)分析處理中常見的 sinc 函數(shù)， 其請(qǐng)按面板和后面板 如圖 313 和 314。 21 聲音輸出部分 方案設(shè)計(jì) (1) LabVIEW 有自帶的聲音輸出模塊， 它的調(diào)用路徑為 All Function/ Graphicsamp。 (2) 在使用聲卡之前，必須先對(duì)其進(jìn)行初始化。所以，在程序中一旦對(duì)聲卡使用完畢，應(yīng)立即釋放它。其中， SO Config. vi 可以設(shè)置設(shè)備 ID， 采樣率，通道數(shù) ，采樣數(shù)， 采樣比特率 ， 如圖 316。 聲卡播放數(shù)據(jù)的采樣速率有 8000Hz、 11025Hz、 22050Hz和 44100Hz,采樣 速率不同 輸出波形的質(zhì)量也不同，應(yīng)視具體情況選擇合適的速率。 圖 315 聲音輸出模塊 圖 316 參數(shù)設(shè)置對(duì)話框及聲音輸出子 VI 22 圖形 顯示部分 方案設(shè)計(jì) LabVIEW 的圖形子模塊提供完成各種圖形顯示功能的控件。 Waveform Chart (1) Waveform Chart 是逐點(diǎn)（或者一次多個(gè)點(diǎn)）顯示的實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖控件，它 有 一個(gè)緩沖區(qū) ，長(zhǎng)度可設(shè)置 ，有三種更新模式（ Strip Chart、 Scope Chart 、 Sweep Chart ）。 a. 當(dāng)輸 入標(biāo)量，每次推進(jìn)一個(gè)點(diǎn)； b. 當(dāng)輸入數(shù)組，每次推進(jìn)的點(diǎn)數(shù)等于數(shù)組長(zhǎng)度。 a. 將每條曲線的一個(gè)新數(shù)據(jù)點(diǎn)（數(shù)值類型）打包成簇，然后輸入到波 形 Chart 中，這時(shí)波形 Chart 將所有曲線同時(shí)推進(jìn)一個(gè)點(diǎn)； b. 將每條曲線的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)打包成簇，若干個(gè)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。在這種數(shù)據(jù)格式下，波形 Chart 將所有曲線推進(jìn)多個(gè)點(diǎn)?？潭韧瑯涌? 用標(biāo)簽工具進(jìn)行修改。例如設(shè)置是以浮點(diǎn)數(shù)還是以科學(xué)計(jì)數(shù)法顯示數(shù)據(jù)，小數(shù)點(diǎn)位數(shù)是幾位等 ,如圖 317。Mapping 子菜單設(shè)定刻度的映射方式，有線性（ linear）關(guān)系和對(duì)數(shù)（ logarithmic）關(guān)系?？梢酝ㄟ^ Waveform Chart 的屬性對(duì)話框?qū)ζ鋵傩? 進(jìn)行 詳細(xì)的設(shè)置，如圖 320。 (2) 可繪制一條或多條曲線，數(shù)據(jù)組織 格式不同。 當(dāng)繪制多條曲線時(shí)，可接受如下數(shù)據(jù)格式： a. 連接二維數(shù)組 ； b. 連接一個(gè)簇 ； c. 把數(shù)組打包成簇，然后以簇作為元素組成簇?cái)?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(gè)元素組成的簇中 數(shù)組元素的每一個(gè)簇元素都由一個(gè)數(shù)組打包而成，每個(gè)數(shù)組都是一條曲線 ； e. 連接由簇作為元素的二維簇?cái)?shù)組 。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(dòng)控制按鈕、顯示控制按鈕、鎖定控制按鈕、游標(biāo)移動(dòng)器 。 例 33： 分別用 XY Graph 和 Express XY Graph 輸出一個(gè)圓 ， 結(jié) 果如 圖 321。 26 4 音頻信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)與 結(jié)果顯示 音頻信號(hào)發(fā)生器 前面板的設(shè)計(jì) (1) 五個(gè)輸入型數(shù)字控件，五個(gè)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。 (2) 一個(gè)布爾型開關(guān)控件， 用作總開關(guān)，標(biāo)記為 “ power”。 (3) 一個(gè)指示型數(shù)字旋鈕控件，用于選擇四種不同的波形。 通過在控件快捷菜單中選擇 Properties， 打開控件的屬性對(duì)話窗口對(duì)控件進(jìn)行設(shè)置 ，如圖 41。本設(shè)計(jì)選用 Waveform Graph 顯示 ， 調(diào)用途徑 ControlsGraph indictorsWaveform Graph。選擇布爾開關(guān)控件表示，標(biāo)記為 “ ON”。 圖 43 單通道 音頻信號(hào)發(fā)生器前面板設(shè) 計(jì) 圖 44 雙通道 音頻信號(hào)發(fā)生器前面板設(shè)計(jì) ON 28 音頻信號(hào)發(fā)生器流程圖設(shè)計(jì) 本程序的流程圖由電源及聲道控制、 聲音輸出 、 信號(hào)產(chǎn)生及顯示部分組成。 圖 45 電源及聲道控制 (2) 聲 音 輸出 模塊 為了使音頻信號(hào)發(fā)生器有最大的頻率變化范圍，本設(shè)計(jì)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(cuò)誤信息并自動(dòng)中止 ，模塊的流程圖及有關(guān)控件的端口參數(shù)如圖 46。 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(hào)發(fā)生器子程序。 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(gè)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。對(duì)于雙通道音頻信 號(hào)發(fā)生器需要加一個(gè) case 結(jié)構(gòu)選擇左右聲音通道，并分別用“ LEFT CHANNEL”和“ RIGHT CHANNEL” 對(duì)應(yīng)的布爾控件 作為 case 結(jié)構(gòu)的選擇條件 。當(dāng)程序選擇左聲道時(shí) ，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(yùn)行。 圖 48 雙通道音 頻信號(hào) 發(fā)生器 流程圖設(shè)計(jì) 31 圖 49 單通道 音頻信號(hào)發(fā)生器流程圖設(shè)計(jì) 音頻信號(hào)發(fā)生器 運(yùn)行結(jié)果 顯示 單聲道 音頻信號(hào)發(fā)生器 運(yùn)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。 表 41 音頻信號(hào)發(fā)生器的輸入?yún)?shù) 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(yùn)行結(jié) 果 雙通道音頻信號(hào)發(fā)生器 運(yùn)行結(jié)果顯示 雙通道音頻信號(hào)發(fā)生器可以左右聲道一起運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出信號(hào)，同時(shí)發(fā)出聲音如圖 412。 33 圖 412 雙通道音頻信號(hào)發(fā)生器左右聲道一起運(yùn)行 圖 413 只運(yùn)行左聲道的雙通道音頻信號(hào)發(fā)生器 圖 414 只運(yùn)行右聲道的雙通道音 頻信號(hào)發(fā)生器 34 5 音頻信號(hào)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(hào)發(fā)生器可以 兩個(gè)聲道 同時(shí)產(chǎn)生信號(hào)并發(fā)聲的特點(diǎn)，可以 為 波形 設(shè)置兩個(gè)不同的 頻率，幅值，相位 值使其分別在左右聲道運(yùn)行，通過 對(duì)比 可以觀察出信號(hào)參數(shù)的變化對(duì)信號(hào)波形的影響。 這正好符合 奈奎斯特采樣定理：要從抽樣信號(hào)中無失真的恢復(fù)原信號(hào)，采樣頻率應(yīng)大于 2 倍信號(hào)最高頻率，即奈奎斯特采樣頻率為信號(hào)頻率的兩倍。 由于本設(shè)計(jì)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(hào)頻率高于 22100Hz 就會(huì)有失真，但是實(shí)際中不可能實(shí)現(xiàn)理想采樣，故引起波形失真的信號(hào)最小頻率會(huì)低于 22100Hz。 35 圖 51 不同頻率的波形比較 圖 52 不同幅度的波形比較 36 圖 53 不同 相位 的波形比較 圖 54 錯(cuò)誤提示框 37 6 結(jié) 論 本文 探討了在 PC 機(jī)上結(jié)合聲卡實(shí)現(xiàn) 虛擬 音頻 信號(hào)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(jià)比高 、 性能穩(wěn)定等特點(diǎn) 。 使用 LabVIEW作為該類設(shè)計(jì)的開發(fā)平臺(tái) , 不僅 使 我感到 它功能強(qiáng)大，函數(shù)庫(kù)豐富，提供了數(shù)百種功能模塊 ， 支持多種儀器和數(shù)采硬件的驅(qū)動(dòng) ，如本設(shè)計(jì)用到 的 PC聲卡 。 這完全不同于傳統(tǒng)的儀器開發(fā)過程 —— 各種龐大的硬件設(shè)備；搭建復(fù)雜的電路；由于受外界的干擾大 ，對(duì)開發(fā)環(huán)境要求很高，需要不斷進(jìn)行各種人工檢測(cè)等等。 38 參考文獻(xiàn)