基于LabVIEW软件和计算机声卡实现定量测试和时频分析

在电子测量领域中，信号发生器和示波器器是最基本和使用最广泛的电子测量设备之一。它们的作用分别是为电子测量提供符合一定技术要求的电信号源和图形化显示电信号参数。然而，作为测试计量的激励源和显示器，它们一方面体积笨重，使用不方便；另一方面，价格昂贵，一般电子爱好者和基层技术工作者不具备使用条件。拥有一台属于自己的性能良好、使用方便、价格便宜的信号发生器和示波器成为许多技术工作者的一大愿望。在此介绍一种使用方便，能满足一般测试任务要求，基于LabVIEW软件和计算机声卡的音频段虚拟信号发生器和双通道数字示波器。

1、系统构成

本装置不需要增加额外投入，只要你的机子上装有声卡（最好是16位或更高，输出信噪比较高的中高档数字声卡），再准备两个耳机插头用于信号的输入和输出就行了。虚拟信号发生器的工作原理是：先由计算机软件产生满足测试计量要求的数字信号，再经缓存器和声卡转换成模拟信号，最后由耳机插座输出。虚拟数字示波器的工作原理是：先经“线路输入”插孔将信号接入，再由声卡实现信号的A/D转换，最后由计算机软件完成信号的处理和显示。

2、软件实现

计算机软件是虚拟仪器的核心，仪器的主要功能都是通过软件编程来实现的——即“软件就是仪器”，再配合少量的硬件设备，就可以完成设计需要的各项任务。美国NI公司的LabVIEW软件为提供了图形化编程语言（GraphICprogramlanguage）的开发环境，方便技术人员利用熟悉的术语、图解和概念，使用图形化的语言来描述程序。用户可以根据任务需要和个人爱好，任意设置仪器前面板，并通过前面板各控件来调整和指示各种信号参数，如信号类型、频率、幅值、初始相位、采样频率、采样点数、信号D/A转换精度、A/D转换精度等等；同时，可以通过面板上的示波器直观显示信号波形。

虚拟信号发生器的软件结构如下图所示。

在软件编程中，信号格式设置为“mono．16bit“，要与输出格式一致；采样频率视输出信号频率而定。多频波产生器的“采样参数格式”要求采样频率与采样点数相等，否则可能导致没有信号输出。“设备代号”用来选择声卡设备，默认值为“O”。SOSetNumBuffers．vi的“Numberofbuffers”参数用来控制输出信号的连续性，当其设置为“O”时，输出信号不连续，当其设置为“1”或以上值时，输出信号连续，其代价是占用更多的缓存，信号从产生到输出也有更多的延迟。

虚拟双通道数字示波器的软件结构如下图所示。

在信号采集时，信号格式设置为“stereo．16bit”，从而实现16位转换精度的双通道输入。采样频率视所要观察的信号频率而定；缓存器容量要设为2的倍数，以提高计算机运算效率，每通道采样点数=缓存器容量／4。采样所得信号为二维数组，要先将其转换成一维数组，然后再分离成两个通道的信号。信号数据经精度转换后，一方面用于数值显示，另一方面生成波形，由示波器显示。由于声卡通道的差异，对采集信号的放大倍数不同，因此需要对两通道数据进行不同的处理。

3、性能测试与分析

通过以上软件编程，就可以让计算机生成所希望的理想数字信号（如前面板示波器所示），然后再通过声卡输出供我们使用的模拟信号。而需要测量的信号由声卡输入，经转换和处理后以数组和波形两种方式同时显示。

作为虚拟仪器的唯一硬件设备，声卡的质量完全决定了信号发生器和示波器的性能指标。声卡的输入输出形式（是否可以输出数字信号）、量程、转换精度（8bit，16bit或者更高）、动态响应能力、抗干扰能力等都直接影响到输出信号和采集信号的品质。下面是以一款普通低档声卡（CreativeSBAudioPCICT4730）作为输出设备，对虚拟信号发生器和数字示波器有关性能指标进行的测试分析。

测试校验设备为：数字万用表（HP34401A，51/2位），数字示波器（TektronixTDS380），信号发生器（TektronixAFG380）和ADLINK采集卡PCI-9118。

虚拟信号发生器

（1）频率范围：1~10kHz

（2）频率准确度：优于0.2%或小于1Hz

（3）．频率稳定度：优于0.1%

（4）、输出电平：0～±Q6V（连续可调）

（5）．输出电平精度：16bit

（6）．输出电平准确度：由于声卡电路结构的影响，输出电平准确度有一定偏差；但通过软件参数调整，可以达到很高的准确度（优于0.1%）

（7）．输出电平稳定度：利用ADLINK采集卡PCI-9118和相关软件对输出电平进行自动测试，所测数据和测试程序见输出电平测试数据表

（8）．信号频谱纯度：这部分是声卡对输出信号影响最大的部分，与声卡电路原理设计、屏蔽措施以及声卡的工作环境等都直接相关，可以说声卡自身的信噪比决定了信号发生器的频谱纯度。

下图为计算机生成的理想数字信号与声卡输出波形的比较。

虚拟双通道数字示波器

虚拟示波器的数据处理和显示部分依托计算机强大的数据处理和显示功能完成，其性能指标（如频率响应、时域响应、扫描速度等）已经远远超出声卡的处理能力，因此这里实际上讨论的是声卡的性能指标了。

（1）．频率响应：1～10kHz；

（2）．测量范围：0～±0.2V。

信号是经声卡的“线路输入”端口引入，因此测量范围受到很大限制。为此，强力建议在被测信号和声卡之间加入信号衰减电路，一方面扩大测试量程，另一方面可以保护声卡，以免因过载而损坏声卡。最简单的办法就是在声卡板上增加一组分压电阻。下图为一款包括衰减网络和过压抑制的衰减电路。

选择“线路输入”为输入端口的步骤为：

①双击屏幕右下角的小喇叭标志，打开播放控制面板；

②选择“显示”菜单下的“属性”，然后在出现的对话框中选择“录音”，单击确定后，原先的“播放控制”面板变为“录音控制”；

③选择录音设备为“线路输入”，再根据提示进行操作。如下图所示。

（3）．采样精度：16bit；

（4）．输入阻抗：20k

（5）。信号失真度：受声卡时域响应速度和噪声干扰的影响，给被观察信号带来一定的失真，其失真度因声卡性能而异。下图为在不经衰减的情况下，对数字信号发生器输出信号的测试结果。

基于LabVIEW和计算机声卡的虚拟信号发生器和虚拟双通道数字示波器，虽然受声卡性能的约束较大，但因其几乎为零的成本投入，方便的自我化设计，以及较高的转换精度和稳信号发生器和示波器的品质带来很大的改善。利用LabVIEW和计算机声卡，还能在要求不高的条件下，对声频段信号进行定量测试和时频分析，有兴趣的话不妨慢慢探索。