基于聲卡的虛擬示波器設計

趙業佳，文曉剛，應宇佳，李燕玲，葛西洋

（嘉興南湖學院，浙江嘉興，314001）

0 引言

示波器在教育教學、科研軍事、電子設備生產等電子電工領域是最基礎，最不可或缺的測量儀器。傳統的數字模擬示波器失真比較大，且采樣率種類有限，對復雜信號的處理能力較差，在使用過程中容易出現測量誤差[1,2]，因此出現了虛擬示波器。虛擬示波器主要是利用現有的標準硬件，并且與高效、通用的軟件相結合，從而進行各種各樣的測試、測量和自動化應用，進而實現對數據的采集，并對采集到的數據進行一系列的分析和處理。與此同時，如果將計算機軟件、標準化的I/O硬件以及用于集成的計算機軟件和硬件平臺這三個部分有效結合，那么虛擬儀器技術就能將高性能、可拓展性、低開發期限以及出色的集成等優點發揮的淋漓盡致[3]。

1 虛擬儀器及LabVIEW軟件簡介

1.1 虛擬儀器概述

虛擬儀器技術指的是利用先進的模塊化軟硬件，并結合高效靈活的應用軟件來實現各種測試、測量和自動化的應用。通過軟件可以實現相關界面的建立，利用硬件能夠完成系統的集成，標準的軟硬件平臺能滿足不同的需求[4]。

相較于傳統儀器，虛擬儀器具有較大的優勢。

表1 虛擬儀器與傳統儀器區別

對硬件需求較高 軟件為核心開發維護費用高周期長 開發維護便利系統封閉，可擴展性差 多種多樣的模塊構成儀器，多元化

1.2 LabVIEW概述及編程環境

LabVIEW是由NI公司自主開發的一個程序開發軟件，與C和BASIC開發環境相似。但LabVIEW和不同的計算機語言之間的區別是，不同的計算機語言使用基于文本的語言來獲得代碼，而LabVIEW則是利用G語言進行編寫，最終產生的程序是以圖形的方式呈現[5,6]。

LabVIEW 程序也稱之為 VI（Virtual Instrument，即虛擬儀器），它可以根據開發者的需要進行界面設計，最終得到和傳統實際儀器功能類似的產品。一般來說，VI由兩部分組成：前面板和程序圖[7]。前面板，即一個具象化的界面，用來設置輸入量和觀察輸出量，模擬真正的儀表面板[8]。前面板主要包括各種手動輸入控制控件，如旋鈕、按鈕、數值和顯示控制。程序框圖用G語言進行編寫，這相當于傳統程序中的源代碼文本文件，每一個前面板都與程序圖相匹配[9]。

2 虛擬示波器

2.1 虛擬示波器構成

本文設計的虛擬示波器主要是由硬件和軟件兩部分組成[10]。其中硬件是以計算機中的聲卡為基礎，軟件是由LabVIEW來實現設計。本文設計的虛擬示波器的程序結構示意圖如圖1所示。

圖1 程序結構示意圖

首先利用聲卡進行信號采集，然后通過軟件進行濾波操作，接下來可以對濾波后的信號進行頻譜分析、波形顯示、信號測量、數據保存以及界面打印等。

2.2 前面板設計

程序的前面板包括參數設置、信號測量、數據保存三部分區域。參數設置主要包括聲音采集參數設置、濾波參數設置以及控制按鈕的設置。聲音采集參數包括采樣率、通道數、每通道采樣數等設置；濾波參數主要設置濾波方式以及濾波截止頻率；控制按鈕包括暫停按鈕以及停止按鈕。暫停按鈕，用于暫停波形顯示。但此時數據仍在正常采集，再次點擊該按鈕即可恢復實時顯示。停止按鈕，用于終止整個程序。信號測量分為坐標軸調節、測量方式選擇、游標、倍率調節、以及結果顯示。坐標軸調節包括X、Y軸上下限三個旋鈕，用于設置波形圖的坐標軸范圍；測量方式有手動測量和自動測量兩種；游標調節包括游標選擇以及位置調整，主要是用于手動測量模式中調整游標的位置，同時可以觀察當前游標的位置，從而實現信號周期、頻率、幅值等參數的測量；倍率調節主要是用于調整游標的移動范圍，從而實現粗調和微調不同模式的切換；結果顯示包括數值以及波形兩種顯示方式。其中波形顯示分為原始波形圖以及濾波后波形圖，波形圖的橫坐標代表時間，縱坐標代表幅值。數值顯示主要包括游標的位置以及信號周期、頻率和幅值。數據保存用于設置保存的文件名和打印界面。具體框圖如圖2所示。

圖2 前面板

2.3 基本功能實現

2.3.1 聲音采集

LabVIEW軟件提供了一系列有關聲音采樣的函數，因此在聲音采集過程中，直接通過配置相應的函數進行聲音采集[11]。首先配置聲音輸入，然后讀取聲音，讀取結束之后進行聲音清零。具體程序設計如圖3所示。

圖3 聲音采集模塊

2.3.2 信號濾波

計算機采集到的信號包括三大類：目標信號、無用信號以及噪音。因此若想要得到目標信號，首先需要進行濾波處理。通過使用LabVIEW中自帶的濾波器模塊，可以將信號按用戶需求進行濾波。濾波方式包括低通濾波、高通濾波、帶通濾波以及帶阻濾波四種，同時也可以選擇不進行濾波。需要注意的是，在參數設置過程中低截止頻率必須要小于高截止頻率[12]。濾波后的波形通過“自功率譜”VI[13]可以顯示出信號頻譜，只需要輸入指定的時域信號和時域信號的采樣周期，便能返回單邊功率譜和功率譜的頻率間隔。具體模塊設計如圖4所示。

圖4 濾波及頻譜顯示模塊

2.3.3 信號測量

信號測量分為自動測量和手動測量兩種模式。自動測量最主要是通過系統自主分析，找到當前顯示波形的最大值及最小值并實現信號測量及標定。手動測量主要是通過手動調節旋鈕來控制游標的移動，從而實現信號測量及標定。

傳統示波器會有一個旋鈕來專門控制旋鈕靈敏度，而本設計的虛擬示波器也是設置了一個旋鈕來對應傳統示波器的功能。“調整倍率”旋鈕只有五個檔，即1至5檔，對應著0.005、0.002、0.001、0.0005、0.0001五個旋鈕精度。判斷“調節倍率”旋鈕的值，將對應的數值輸入給旋鈕“Pos.X”和“Pos.Y”的屬性中的增量參數。

對于自動測量只需利用前面板X軸和Y軸上下限設置調整波形圖表的顯示范圍，然后選擇自動測量即可實現。對于手動測量則需要選擇手動測量模式，通過倍率調整旋鈕設置游標的移動間隔，然后選擇需要調整的游標并利用對應的調整旋鈕進行調整，從而實現信號幅值以及頻率等參數的測量。具體程序框圖如圖5和圖6所示。

圖5 自動測量程序框圖

圖6 手動測量程序框圖

2.3.4 數據保存及界面打印

虛擬示波器作為以計算機為平臺的虛擬儀器，也同樣具備數據保存和界面打印的功能[14]。用戶只需在開始程序前在前面板中輸入想要保存的文件名稱，就能自動保存在當前VI的文件目錄下，程序如圖8。而在前面板上按下“保存圖像”按鈕，便能在當前VI的文件目錄下找到當前波形的PNG格式的圖片。

圖7 測量結果前面板

圖8 數據保存程序框圖

3 功能測試與驗證

3.1 濾波驗證

本設計的虛擬示波器濾波模塊包括低通濾波、高通濾波、帶通濾波以及帶阻濾波四種。通過疊加不同頻率的信號和噪聲，來驗證濾波是否成功，頻率如表2所示。

表2 不同頻率的信號和噪聲（單位：Hz）

使用MATLAB軟件編寫程序，使聲卡播放疊加特定頻率的信號和噪音后，啟動虛擬示波器VI進行測試。程序代碼如圖9，圖左為輸出信號頻率4000Hz和噪聲頻率2000Hz的混合信號，圖右輸出信號頻率2000Hz和噪聲頻率4000Hz的混合信號。

圖9 MATLAB代碼

低通濾波，低截止頻率為3000Hz，結果如圖10所示。

圖10 低通濾波后信號頻譜

高通濾波，高截止頻率為3000Hz，結果如圖11所示。

圖11 高通濾波后信號頻譜

帶通濾波，低截止頻率為3000Hz，高截止頻率為5000Hz，結果如圖12所示。

圖12 帶通濾波后信號頻譜

帶阻濾波，低截止頻率為1000Hz，高截止頻率為3000Hz，結果如圖13所示。

圖13 帶阻濾波后信號頻譜

最后不濾波情況如圖14所示。

圖14 不濾波后信號頻譜

3.2 信號驗證

由于環境中存在不同頻率的噪聲信號，因此在信號驗證過程中利用MATLAB軟件生成具有高斯白噪聲的信號，信號頻率依舊設為4000Hz。采用帶通濾波的方式對采集到的信號進行處理，其中低截止頻率設置為3500Hz，高截止頻率設置為4500Hz。測量濾波之后的信號頻率及幅度。MATLAB程序如圖15所示。

圖15 加入高斯白噪聲的代碼

虛擬示波器采集到的原始信號如圖16所示。

圖16 具有高斯白噪聲的原始信號

帶通濾波后信號如圖17所示。

圖17 濾波后信號

信號參數測量結果如圖19所示。

圖18 信號測量過程

圖19 測量結果

信號頻率理論值為4000Hz，測得值為4000Hz，表明該示波器能夠實現信號參數的測量。

4 結語

本文完成了基于聲卡的虛擬示波器設計，該示波器具有信號采集、數據濾波、頻譜分析、波形顯示、信號測量、數據保存以及界面打印等多種功能。該虛擬示波器面板清晰，易于上手，實用性強，且通過實驗驗證得出系統功能齊全，數據采集正常，測量準確，在實驗中可以替代傳統示波器。此外，該系統的數據采集部分也可以通過數據采集卡完成，這樣可以使虛擬示波器的應用更加廣泛。