聲卡虛擬儀器及其在《電子技術》演示實驗中的應用

【摘 要】虛擬儀器是電子測量技術與計算機技術相結合的新型電子儀器，本文介紹了基于聲卡的虛擬儀器的功能和使用方法，并舉例說明其在電子技術演示實驗中的應用。

【關鍵詞】聲卡；虛擬儀器；電子技術；演示；應用

現代教育技術的發展，已將日趨成熟的基于計算機的虛擬儀器（Virtual Instruments）技術引入學校課堂。如美國國家儀器公司（簡稱NI）的Lab VIEW和Lab Windows/CVI系統等。但是，這些虛擬儀器軟件價格昂貴，大大限制了虛擬儀器技術在教育領域中應用推廣。

筆者利用計算機自身配帶的聲卡作為數據采集卡，配合一款“基于聲卡的虛擬示波器[1]”軟件和4根自制的接口測試電纜線，做成了十分實用的聲卡虛擬儀器—聲卡示波器。其軟件在顯示器的屏幕上生成聲卡示波器面板，通過聲卡接口電路使計算機完成對被測信號的數據采集、處理、傳送、存儲、顯示等功能，成為既有普通示波器的基本功能，又有普通示波器所沒有的特殊功能的新型儀器。這種聲卡示波器操作簡單，性能良好，顯示屏幕大，特別適用于演示《電子技術》實驗，如果在配有投影機的多媒體教室應用，教學演示效果將有更為生動形象。

聲卡示波器軟件種類不少，可以用VC++語言[2]編寫，也可以用Lab VIEW[3]的圖形化語言編寫，而且也容易在網絡上找到成品軟件，其中有些是可以免費下載的。如“基于聲卡的虛擬示波器軟件”、虛擬示波器軟件V1.01等。下面以“基于聲卡的虛擬示波器”軟件為例，介紹聲卡虛擬儀器的功能、使用方法及其在《電子技術》教學演示實驗中的應用。

1.聲卡示波器軟件的功能

基于聲卡的虛擬示波器軟件是一款小型軟件，不需要安裝，下載后解壓縮即可運行。雙擊運行程序Show.exe，顯示器上便出現如圖1所示的聲卡示波器界面，聲音信號通過外接話筒（Mic）輸入，外部電信號可通過聲卡的輸入插孔（Line in）輸入，其產生的信號可通過喇叭插孔（Speaker）輸出，現在學校里的多媒體計算機的聲卡都有這些接口，在主機箱上都可以找到相應的插孔。

1.1示波器功能

聲卡虛擬示波器有4種工作模式：X1單蹤工作，顯示線路輸入中（Line in）左聲道輸入的信號波形；X1和X2雙蹤工作，同時分別顯示左、右聲道的輸入信號波形；X1+X2，顯示左右聲道信號疊加后的波形；X-Y，左右聲道信號分別作為X軸和Y軸， 顯示X、Y互相垂直的兩個方向的振動的疊加，這類似于通用示波器中用李薩如圖形（見圖1）測頻率的模式。

圖1 聲卡示波器面板

1.2頻譜分析儀功能

點擊“頻域”按鈕，便啟動“頻譜分析儀”功能，是對輸入信號進行FFT頻譜分析，顯示的是輸入信號的幅度頻譜圖像，指出信號中所包含各個不同頻率成分的幅度比例。

1.3記錄功能

點擊RECORD按鈕，把輸入信號保存為WAV文件，再次點擊停止記錄。

1.4暫停功能

點擊PAUSE可將屏幕顯示的動態圖形靜止下來，以便觀察，再次點擊結束暫停，暫停時仍然能夠調整示波器的各個參量。

1.5保存屏幕功能

在暫停狀態下，調整好圖形時，可以將顯示器屏幕上的圖象保存為位圖文件，便于以后做課件需要時調用。

1.6信號源功能

虛擬信號源能產生兩個聲道的音頻信號，3000Hz以下波形質量良好（滿足教學演示實驗的要求）。有“正弦”、“方波”、“三角波”三種波形可供選擇。觀察虛擬信號源的信號波形時，信號自動聯接到虛擬示波器顯示，其幅度通過0dB、-6dB、-12dB、-18dB和-24dB 五個衰減按鈕調節，并從Speaker插孔輸出信號，在計算機配接多媒體音響設備時，在觀察信號波形的同時，可以聽到該信號發出的聲音。

另外，本軟件還有虛擬數字頻率計和數字萬用表的功能。

2.使用方法

用鼠標左健單擊或拖動面板上對應的功能健或按鈕即可實現各種調節。例如示波器，調節增益按鈕和衰減按鈕改變波形幅度，調節時基按鈕改變掃描頻率，調節基準線改變波形的上下位置，和普通的通用示波器相似，很容易上手。其余的儀器使用也十分簡單，都是用鼠標實現各種調節。

在使用聲卡示波器之前應先做好4根測試電纜（一根輸入，一根輸出，它們實際上就是立體聲音頻線，制法是：將3.5mm的立體聲插頭旋開，即看到3個接線端，分別對應地線（與外金屬殼連通）、左聲道、右聲道，將芯線與其對應端接上，屏蔽層接地；用萬用表R×1kΩ檔檢測對應關系，確保不短路. 芯線的另一端接上測試表筆或小鱷魚夾，用于測量幅值小于1V的信號；另一根電纜是電壓測試電纜，其L、R兩個輸入端都串接了測試保護電路（如圖2），用于測試電壓；還有一根是電流、電壓測試電纜，在插頭和L聲道測試表筆之間串入電流測試保護電路（如圖3），插頭和R聲道之間串入電壓測試保護電路（圖2），用于同時測量電流、電壓。使用中，電纜線測試端的開關K位置應當先選好量程檔位再接入電路，有了測試保護電路，不會損壞聲卡。

圖2 電壓測試保護電路 圖3 電流測試保護電路

3.聲卡示波器演示《電子技術》教學實驗舉例

3.1演示整流電路波形

圖4 錄音控制面板

將電壓測試電纜的插頭插入計算機背后的聲卡技術輸入插口中，打開計算機錄音屬性控制窗口（程序—附件—娛樂—音量控制—屬性—選項—錄音—確定） 如圖4，把控制面板下面線路輸入Line In的靜音方框內的鉤去掉（點擊即可），有的老機型、老系統的錄音控制面板下面的是選擇方框，則應當在線路輸入Line In下面的選擇方框內打鉤（點擊）。然后用電壓測試電纜的L聲道輸入（測試端開關撥在10V位置）橋式整流電路的輸出電壓，點擊X1，調節L聲道增益，即顯示出很大的橋式整流波形。對于半波、倍壓整流電路的波形，只要將L聲道輸入端接入相應的整流輸出電壓即可演示。

3.2演示共發射極放大器工作原理

圖5 共射放大器vi 、vo的波形

電壓測試電纜的L聲道測試探頭（K撥在1V位置）接到放大器輸入端（共發射極放大器演示電路略），R聲道電壓測試探頭（K撥在10V位置）接放大器輸出端。鼠標點擊X1X2按鈕，使示波器工作于雙蹤狀態，調節信號源和示波器兩個通道的增益，使之輸出頻率約400Hz、幅度約30mV左右的正弦信號（藍色波形線）且輸出波形（黑色波形線）無失真。非常直觀地顯示出輸出電壓vo與輸入電壓vi反相，而且vo>>vi，形象地展示出共發射極放大器的放大原理，其波形如圖5所示。而后分別調整放大器的工作電流IC偏大和偏小，觀察輸出電壓的飽和失真（波形底部被削波）和截止失真（波形頂部被削波）；在此基礎上還可以繼續演示，只有設置合適的靜態工作點才能獲得最大不失真輸出電壓的道理。

可以用聲卡示波器進行演示的電子技術實驗很多，在重點難點內容的教學中用聲卡示波器進行演示實驗的方法，和學生一起實驗、觀察、分析，可取得讓學生普遍滿意的教學效果。

另外，利用聲卡示波器的X1X2雙蹤工作方式還可以演示電壓電流的相位差等電工基礎演示實驗以及一些物理演示實驗；利用聲卡的Mic輸入插口和虛擬示波器軟件內的頻率計，可方便地較準確地演示聲波的波形、頻率以及其它電信號的波形頻率； 利用其提供的萬用表功能可以演示測量電阻、電容、電感和交流電的有效值；利用其保存屏幕功能保存的各種波形的圖片，可以直接插到電子教案或教學課件中。

總之，聲卡虛擬儀器是是測試電纜（帶聲卡保護功能）接線、聲卡示波器軟件、多媒體計算機的良好結合，是《電子技術》等課程的演示實驗教學的得心應手的高級演示儀器，使用“聲卡虛擬儀器”進行課堂演示實驗也將成為演示實驗教學的新型高效的技術手段，必將不斷推廣與不斷完善，為不斷地提高《電子技術》課程的教學質量而發揮積極的作用。

【參考文獻】

[1]王美剛，牛昱光.基于聲卡的虛擬示波器[J].儀器儀表用戶，2006（2）：69-70.

[2]胡合松，胡榮強.基于VC++的虛擬聲卡示波器設計[J].武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2006（5）：58-61.

[3]張微.基于Lab VIEW的虛擬示波器設計[J].科技資訊，2006（12）：56-57.