虚拟仪器课程设计-基于声卡的音频采集分析仪与信号发生器设计(编辑修改稿)

虚拟仪器课程设计-基于声卡的音频采集分析仪与信号发生器设计(编辑修改稿)内容摘要：

分析（时域分析和频域分析）等多种功能。 实验结果表明：该设计方案具有设计简便、成本低、通用性高、扩展性好、界面大方简洁等优点，可广泛应用于工程测量 和科学实验室等环境。 5 二、 设计内容要求 基于计算机声卡完成以下功能 具备数字存储示波器、信号分析仪和信号发生器三个主要功能模块，其中数据存储示波器与分析仪整合在一个界面，信号发生器在另一个界面，共两个界面；两个组成部分可以分别独立完成； 信号采集模式可以在单次和连续两种方式间进行切换，采集的数据可以进行存储，类型为 TXT 类型，数据存储要求使用子 VI 实现； 对于信号发生器，应具备单次发生和连续发生两种形式，并且要求可以叠加各种噪声，信号类型和参数可调，具备双通道发生，同时两个通道信号能够叠加 为一个复合信号；另外支持读取数据文件作为信号来源，数据文件类型为 TXT，数据读取用子 VI 实现。 时频分析仪应该能够完成大部分时域和频域分析，可实现对原始信号分析前的加窗，实现滤波器操作，频谱分析，原始数据和结果数据可进行保存，示波器的各个参数灵活可调并且可以将已存数据重新载入进行分析观察。 分析结果的横纵坐标物理意义必须明确，并与实际情况相符。 滤波器截止频率值要求用实际频率作为输入。 分析仪的分析对象可以是采集的真实信号、模拟的仿真信号或数据文件中存储的信号。 6 三、 设计思想及原理 利用噪声信号子 VI，可实现叠加各种噪声，通过调节前面板的显示器及控件来观察任意波形并改变参数；双通道数字存储示波器通过信号分析子 VI 动态实现部分概率与统计的分析功能，通过滤波、加窗、快速傅立叶变换对信号进行分析并在前面板上显示分析结果 声卡采集原理 声卡采集系统原理框图如下图 1所示。 它主要由声源、信号调理模块、计算机声卡以及安装于计算机机上的 LabVIEW 软件等几部分组成。 工作过程为：输入时，测试信号首先经过信号调理电路，利用 PC机声卡的麦克风输入或线路输入作为信号的输入端口，将获取到的模拟音频信号经过左右两个 通道和 A/D 转换后送入计算机，通过 LabVIEW编写的采集程序进行各种处理和保存；输出时，经过采集系统处理的数据通过总线将数字化的信号以 PCM方式送到 D/A转换器，编程模拟的音频信号由线路输出端口通过耳机或音响转换为音波播放出来。 信号调理电路：在信号进入声卡之前必须经过信号调理，主要包括信号的放大、滤波、 隔离和线性化处理，以使其能够被声卡正确的识别。 声卡的麦克风输入端具 有高增益放大器，会使得信号产生较大失真，所以选择线路输入 其输入电压应为 1～ +1V。 声卡：计算机的声卡作为数据采集卡，其 A/D 转换功能已 经成熟，而且计算机无需添加额外配件便能完成所有音频信号的采集功能，具有价格低廉、采样精度高，与 LabView结合编程简单等优点，因此，利用声卡可以构成一个较高采样精度、中等采样频率、灵活性好的信号采集系统。 声卡主要技术指标有采样位数、采样频率、频率范围和频率响应、基准电压等。 （ 1） 采样位数：采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度。 这个数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音就越真实。 如今市面上所有的主流产品都是 16 位的声卡，而一般的数据采集卡大多也才有 12 位，因此，声卡相较于常用的数据采集卡毫不逊色。 （ 2）采样频率：采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数，采样频率越高声音的还原就越真实越自然。 在当今的主流民用声卡上，采样频率一般共分为 8 KHz、 和 ，少数可以达到 48 KHz。 对于 20Hz～ 20KHz 7 范围内的音频信号，如果采用 48 KHz采样频率，虽然理论上是可行的，但是效果已经不是最好。 因而使用声卡的局限性就是不允许用户在最高采样率下随意设定采样频率。 对于高于48KHz 的采样频率人耳已无法辨别出来了，因此没有实用价值。 （ 3） 频率范 围和频率响应：前者是指音响系统能够回放的最低有效回放频率与最高有效回放频率之间的范围；后者是指将一个以恒电压输出的音频信号与系统相连接时，音箱产生的声压随频率的变化而发生增大或衰减、相位随频率而发生变化的现象。 以声卡作为虚拟测试仪器的硬件设备必须对其频率特性有所了解。 本系统所用计算机主板集成声卡是Reaktek 的 ALC880 Codec，根据其性能指标，设置采样率为 ，采样位数为双通道，采样比特数为 16 位，以保证采样时的干扰较小、波形稳定。 （ 4）基准电压：声卡没有基准电压，因此无论是 A/D 还是 D/A转换器，都需要用户参照基准电压进行标定。 窗函数原理 为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称为窗。 信号截断以后产生的能量泄漏现象是必然的，因为窗函数 w(t)是一个频带无限的函数，所以即使原信号 x(t)是有限带宽信号，而在截断以后也必然成为无限带宽的函数，即信号在频域的能量与分布被扩展了。 又从 采样定理 可知，无论 采样频率 多高，只要信号一经截断，就不可避免地引起混叠，因此信号截断必然导致一些 误差。 对于窗函数的选择，应考虑被分析信号的性质与处理要求。 如果仅要求精确读出主瓣 频率 ，而不考虑 幅值 精度，则可选用 主瓣宽度 比较窄而便于分辨的矩形窗，例如测量物体的自振频率等；如果分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，则应选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等；对于随时间按指数衰减的函数，可采用指数窗来提高 信噪比。 快速傅里叶变换 FFT（ Fast Fourier Transformation）， 即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇 、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变。