一種基于聲卡的虛擬頻譜分析儀設計

管慶彬 李俊蘭 黃祺

【摘 ?要】示波器、信號發生器、頻譜分析儀是科研機關、企業研發實驗室、大專院所的必備測量設備。設計的聲卡虛擬頻譜分析儀具有數據采集、波形顯示、參數測量、數據分析、濾波、數據存儲與回放等多種功能。設計的虛擬頻譜分析儀不僅具有臺式數字示波器的功能，而且充分發揮了計算機強大的功能和軟件設計的靈活性。

【關鍵詞】虛擬儀器;LABView;頻譜分析儀;儀器設計

1、緒論

示波器、信號發生器、頻譜分析儀是科研機關、企業研發實驗室、大專院所的必備測量設備。傳統臺式示波器是由儀器廠家設計并定義好功能的一個封閉結構，它有特定的輸入/輸出接口和儀器操作面板，具有波形顯示、參數測量等功能。當要實現更多的測量功能時，就要配置更多的儀器，這給用戶的使用帶來諸多不便，并且傳統示波器的測量精度比較低，無法滿足高精度的測量要求。而且，傳統示波器缺乏相應的計算機接口，配合數據采集及數據處理比較困難。此外，傳統示波器體積相對龐大，制造成本比較高，這就增加了測量系統的開發成本。隨著計算機技術和測量技術的發展，虛擬儀器技術得到飛快發展，虛擬頻譜分析儀系統也就應運而生。

2、設計方案

虛擬頻譜分析儀是采用基于計算機的虛擬技術，用以模擬通用示波器的面板操作和處理功能，也就是使用個人計算機及接口電路來采集現場或實驗室信號，并通過圖形用戶界面（GUI）來模仿示波器的操作面板，完成信號采集、調理、分析處理和顯示輸出等功能。

虛擬頻譜分析儀總體上包括數據采集、波形顯示、參數測量、頻譜分析、等幾大模塊組成，虛擬頻譜分析儀的系統框圖如圖1所示。

設計過程大體分為以下五步：

（1）需求分析。需求分析是借用軟件工程中的概念，其含義包括創建開發原型（明確實質要解決的問題）、分析程序的可行性（包括成本、性能、風險和技術障礙）等。在創建開發原型的過程中，開發人員要與程序的最終使用人員進行充分的交流。在此基礎上，程序開發人員對所要解決的問題有了大致的了解，甚至可以畫出一個系統的框圖，之后還要進行程序的可行性分析，考慮選用器件的性價比、開發風險等。

（2）軟、硬件的選擇。程序開發人員不必擔心操作系統的問題，目前的LABVIEW是一個支持多個系統平臺的軟件，Windows、Power Macintosh、Sun SPARCA工作站、HP工作站、Linux上都可以運行。針對一些特殊的任務，LABVIEW還提供一些附加的工具包，非常方便。選擇適當的工具包將會達到事半功倍的效果。在LABVIEW的設備驅動程序庫中已經包含了上千個免費的驅動程序（這些驅動程序支持NI公司的硬件產品），還包括了世界上各大儀器廠商的大部分儀器的LABVIEW驅動程序。如果沒有現成的驅動程序，用戶也可以自己編寫。

（3）設計用戶界面。用戶界面也稱GUI，即graphical user interface。前面板必須簡潔、易懂、設計時應該滿足復雜工作要求。前面板上使用的顏色方案，要兼顧一致和鮮明。一致性包括：①一個VI程序的GUI之間要保持一致;②VI的GUI要與平時大家用的應用程序色調一致。鮮明就是說：需要強調的部分一定要用顏色加以突出，體現測控系統程序的特點，減少用戶操作過程中犯錯誤機會。

（4）程序設計。拿到一個設計任務后，首先要分解任務，把待設計任務分割成幾個大的模塊，然后把大的模塊再分解為一系列的功能，甚至可以分解到要用那些函數的程度;然后是尋求例程，參考例程可以避免重復前人做過的工作;接下來就是根據項目的特點選擇程序設計方法，自上而下或者自下而上。

（5）程序測試。測試過程是項目開發的重要組成部分。測試應該從底層的VI開始，然后再測試較大的模塊，最后進行整體測試。測試中還要特別關注全局變量對程序的影響。此外，局部變量和屬性節點也要引起注意。對于高級程序員來說，還要考慮程序的性能如何，能否滿足速度與響應的要求以及內存的使用情況。

3.系統實現

3.1硬件平臺設計

硬件平臺主要完成對被測信號的進行調理和采集。儀器硬件可以是插入式數據采集卡及必要的外圍電路（含信號調理電路、A/D轉換器、數字I/O、定時器、D/A轉換器等），或者是帶標準總線接口的儀器，如GPIB、VXI、PXI、STD、PCI總線儀器和網絡化儀器等。目前市場上的A/D采集卡和數據采集卡以及帶標準總線接口的儀器等，其價格均不菲，性價比以及實用程度顯得不高。進而考慮到計算機中的聲卡本身就是一個A/D，D/A的轉化裝置，具有16位的量化精度、數據采集頻率是44.1kHz，完成可以滿足特定應用范圍內數據采集的需要，個別性能指標還優于商用數據采集卡，而價格卻為商用數據采集卡的十分之一或者幾十分之一，在設計實驗中完全可以滿足要求。因此在本設計中，虛擬頻譜分析儀的數據采集裝置采用聲卡。

3.2軟件設計

LabVIEW的圖形化編程最大限度地減少了程序代碼的編寫，讓用戶有更多的時間和精力設計系統、完善系統功能;LabVIEW帶有圖形控制流結構的數據流模式使開發的測量系統不受操作系統、計算機等因素的影響，移植性好;LabVIEW的多線程技術允許進行多線程通信，程序運行開銷小、運行更流暢。基于客戶機/服務器方式的虛擬頻譜分析儀系統可以實現遠程數據傳輸，讓遠程測量成為了可能，這給在惡劣環境中測量數據提供了方便。因此，本設計中采用LabVIEW進行軟件編程，開發虛擬頻譜分析儀系統，如圖2所示。

4結論

設計的聲卡虛擬頻譜分析儀具有數據采集、波形顯示、參數測量、數據分析、濾波、數據存儲與回放等多種功能。

設計的示波器具有的主要技術指標：

① 采樣頻率：最高頻率為20kHz。

② 采樣精度：分辨率約為0.0015%。

③ 實時帶寬：2kHz。

設計的虛擬頻譜分析儀不僅具有臺式數字示波器的功能，而且充分發揮了計算機強大的功能和軟件設計的靈活性。設計的虛擬頻譜分析儀主要的優點如下：

（1）用圖形化編程語言LABVIEW和面向對象編程技術，軟件開發效率高，可操作性和維護性好。

（2）充分利用了計算機的外設連接能力，測試結果和波形顯示。

（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。

參考文獻：

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作者簡介：

管慶彬，西南石油大學測控技術與儀器2003級學生，主要從事測控技術與儀表方面的研究工作。