计算机声卡的虚拟实验仪器开发研究

1 从数据采集的角度看声卡
　　
　　从数据采集的角度来看，声卡是一种音频局限内的数据采集卡，是计算机与外部的模仿量情况联络的主要路子。
　　1.1 声卡的任务道理
　　声卡的任务道理其实很简略，其任务流程图如图1所示。我们晓得，麦克风和喇叭所用的都是模仿旌旗灯号，而电脑所能处置的都是数字旌旗灯号，声卡的效果就是完成两者的转换。从构造上分，声卡可分为模数转换电路和数模转换电路两局部,模数转换电路担任将麦克风等声响输入设备采到的模仿声响旌旗灯号转换为电脑能处置的数字旌旗灯号；而数模转换电路担任将电脑运用的数字声响旌旗灯号转换为喇叭等设备能运用的模仿旌旗灯号。
　　
　　2 声卡的首要技能参数
　　
　　（1）采样的位数。
　　采样位数可以了解为声卡处置声响的解析度。这个数值越大，解析度就越高，录制和回放的声响也就越真实。声卡的位是指声卡在采集和播放声响文件时所运用的数字声响旌旗灯号的二进制位数，它客观地反映了数字声响旌旗灯号对输入声响旌旗灯号描绘的精确度。例如，8位代表28=256；16位则代表216=64000。比拟一下一段一样的音乐信息，16位声卡能把它分为64000个精度单元进行处置，而8位声卡只能处置256个精度单元，最终采样结果天然是无法相提并论的。
　　（2）采样频率。
　　当前，声卡的最高采样频率是44.1kHz。少量到达48kHz。关于民用声卡，普通将采样频率设为4档，辨别是44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz和8kHz。22.05kHz只能到达FM播送的声响质量；44.1kHz是理论上的CD音质界线，48kHz则更好一些。对20kHz局限内的音频旌旗灯号，最高的采样频率才48kHz，固然理论上没问题，但似乎余量不大。运用声卡比拟大的局限在于它不答应用户在最高采样频率之下随意设定采样频率，而只能分为4档设定。如许固然可使制形成本降低，但却不方便于运用。用户根本上不成能节制整周期采样，只能经过旌旗灯号处置的办法来补偿非整周期采样带来的问题。
　　（3） 缓冲区。
　　与普通数据采集卡分歧，声卡面对的D/A和A/D义务凡间是延续形态的。为了在一个简练的构造下较好地完成某个义务，声卡缓冲区的设计有其独到之处。为了节流CPU资本，计算机的CPU并不是每次声卡A/D或D/A完毕后都要呼应一次中缀，而是采用了缓冲区的任务方法。在这种任务方法下，声卡的A/D、D/A都对某一缓冲区进行操作。以输入声响的A/D变换为例，每次转换终了后，声卡节制芯片都将数据寄存在缓冲区，待缓冲区满时，宣布中缀给CPU，CPU呼应中缀后一次性将缓冲区内的数据悉数读走。计算机总线的数据传输速度十分高，读取缓冲区数据所用工夫极短，不会影响A/D变换的延续性。缓冲区的任务方法大大降低了CPU呼应中缀的频度，节流了系统资本。声卡输作声音时的A/D变换也是相似的。

　　普通声卡运用的缓冲区长度的默许值是8KB（8192字节）。这是因为对X86系列处置器来说，在维护形式（Windows等系统运用的CPU任务方法下）下，内存以8KB为单元被分红良多页，对内存的任何拜访都是按页进行的，CPU包管了读写8KB长度的内存缓冲区时，速度足够快，而且普通不会被其他外来事情打断。设置8192字节或其整数倍（例如32768字节）巨细的缓冲区，可以较好地包管声卡与CPU的协调任务。
　　（4） 无基准电压。
　　声卡不供应基准电压，因而无论是A/D照样D/A在运用时，都需求用户本人参照基准电压进行标定。　　（5）声卡频率局限与频率呼应。
　　某声卡的频率呼应如图2所示，可以看出在200Hz~5kHz之间的曲线照样比拟平整的，其他局部旌旗灯号有较多衰减。在适宜的频率局限内，可以用声卡替代昂贵的数据采集卡进行任务。　　
　　2 应用G言语LabVIEW组建虚拟实行仪器　　
　　虚拟仪器是在美国国度仪器公司（National Instruments Corp.简称NI）于1986年提出的“软件就是仪器”这一标语的根底上发展起来的，其概念是用户在通用计算机平台上，在需要的数据采集硬件的支撑下，依据测试义务的需求，经过软件设计来完成和扩展传统仪器的功用。传统台式仪器是由厂家设计并界说好功用的一个封锁构造，有固定的输入/输出接口和仪器操作面板。每种仪器只能完成一类特定的测试功用，并以确定的方法供应给用户。虚拟仪器的呈现，打破了传统仪器由厂家界说、用户无法改动的形式，使得用户可以依据本人的要求，设计本人的仪器系统，并可经过修正软件来改动或增减仪器的功用，真正表现了“软件就是仪器”这一新概念。
（1）G言语LabVIEW关于声卡的模块引见。
　　LabVIEW中供应了一系列运用Windows底层函数编写的声卡有关的函数。这些函数集中在Sound VI下。因为运用Windows底层函数直接与声卡驱动顺序打交道，因此封装条理低，速度快，并且可以拜访，采集缓冲区中恣意地位的数据，具有很大的灵敏性，可以知足及时不连续采集的需求。
　　LabVIEW函数库中Sound Input子模版（Functions Palette→Graphics&Sound→Sound→Sound Input）供应了声卡函数，可以经过声卡采集外部模仿旌旗灯号。
　　（2）基于声卡的虚拟示波器的组建。
　　使用LabVIEW构建基于声卡的虚拟示波器，其全体思维就是在一个While轮回中，添加各输入节点，使其对采集到的声响波形进行显示，而在内部又添加了若干的属性节点来对各类附加功用进行完成。流程图如图3所示。
　　虚拟示波器的软件的设计是把整个软件辨别分红几个模块，然后组建成一个全体。辨别为数据采集，存储，显示，处置等。
　　数据采集模块是虚拟示波器软件的硬件驱动局部，在这里首要是应用LabVIEW里面的声卡函数完成声卡的硬件参数设置、启动声卡采集数据、等候采样数据缓冲区满的音讯、告诉声卡中止采集等义务。
　　波形显示模块运用了波形操作函数，首要用到Build Waveform函数。Build Waveform函数。树立或修正已有的波形。默许状况下函数只要waveform和t0输入端子，向下拖拽函数下边缘还可以添加dt、Y和attribuates输入端子。运用操作东西单击端子可以弹出元素选择快捷菜单。假如waveform端子没有接入，则Build Waveform依据输入参数树立新的波形数据，并在输出端子中返回。在本设计中，只用到t0,dt,Y三个输入端子。个中t0为波形的开始工夫，dt为波形数据点中心的工夫距离或继续工夫，Y为包括了波形的数据值。此处，设置开始工夫为0，但由于数据花样不匹配，添加了一个数据花样转换函数to time stamp，然后把一个数值转换成工夫值。dt值取自SI Config的花样中的采样倒数，倒数获得的办法应用了reciprocal函数。Y值来自SI Read的stereo 16-bit输出端子。
　　由于篇幅有限，不克不及对各个模块进行具体引见。下面是组建好的示波器。 
　　
　　3 虚拟示波器和传统示波器的比拟
　　
　　虚拟示波器的优势在于可由用户界说本人的专用仪器系统，且功用灵敏，很轻易构建，所以使用面极为普遍。尤其在科研、开拓、测量、检测、计量等范畴更是稀少难得的好东西。虚拟示波器技能进步前辈，非常契合国际上盛行的“硬件软件化”的发展趋向。它功用强壮，可完成传统示波器的悉数功用，并且还有传统示波器所不具有的功用，照实时存储波形、数据存盘以及长途数据采集等功用。它操作灵敏，完全图形化界面，作风精约，契合传统设备的运用习气，用户不经培训既可敏捷把握操作规程；它集成便利，可以和高速数据采集设备协同任务。
　　
　　4 结束语
　　
　　应用计算机声卡在音频局限内替代专用的数据采集卡进行数据采样和输出，在此根底上构建的虚拟仪器，具有本钱低、兼容性好、通用性和灵敏性强的长处。学生可将用户顺序装置在本人的计算机上，就能在不添加硬件投资的状况下，拥有本人的示波器等仪器。应用相同的道理，用户可以开拓频谱仪，旌旗灯号发作器等各类实行仪器。

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