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基于声卡的虚拟示波器 刘纯洁 2010053314基于声卡的虚拟示波器 刘纯洁 2010053314 虚拟示波器的工作原理 声卡采集数据的特点 商用数据采集卡具有较大的通用性，但其价格比较昂贵，在具体的应用场合，有些功能可能并不实用。普通声卡，具有16位的量化精度、数据采集频率是44.1kHz，完全可以满足特定应用范围内数据采集的需要，个别性能指标还优于商用数据采集卡，而价格却为商用数据采集卡的十几分之一甚至几十分之一。 计算机中的声卡本身就是一个A/D，D/A的转化装置，并且造价低廉，对于设计者而言，在PC上完成虚拟示波器的任务，成本几乎为0；性能稳定，在设计中完全可以满足要求。因此在本设计中，该虚拟示波器的数据采集装置主要基于声卡。 一般声卡有4-5个对外接口。其中，输出接口有2个，分别是Ware Out和SPK Out。Ware Out（或Line Out）给出的信号没有经过放大，需要外接功率放大器，例如可以接到有源音箱；SPK Out给出的信号是通过功率放大的信号，可以直接接到喇叭上。这些接口可以用来作为双通道信号发生器的输出。 图1 声卡的硬件结构示意图 输入接口Line In 和Mic In的区别在于，后者可以接入较弱的信号，幅值大约为0.02-0.2V，显然这个信号较易受干扰，因而常使用Line In，它可以接入幅值约为不超过1.5V的信号。注意，这两个输入端口都有隔直电容，这意味着直流信号不能被声卡所接受。多数声卡的输入也是双通道的，但接入插头线往往将这两个通道短接成一个通道。另外这两个通道是共地的。 声卡的主要技术参数 （1）采样的位数 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，录制和回放的声音也就越真实。声卡的位是指声卡在采集和播放声音文件时所使用的数字声音信号的二进制位数，它客观的反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确度。例如，8位代表；16位的代表。比较之下，一段相同的音乐信息，16位声卡能把它分为64000个精度单位进行处理，而8位声卡只能处理256个精度单位，最终采样效果当然是无法相提并论的。 （2）采样频率 目前，声卡的最高采样频率为44.1kHz，少数达到48kHz。对于民用声卡，一般将采样频率设为4档，分别是44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz、8kHz。22.05kHz只能达到FM广播的声音品质；44.1kHz是理论上的CD音质界限，48kHz则更好一些。对20kHz范围内的音频信号，最高的采样频率才48kHz，虽然理论上没有问题，但似乎余量不大。使用声卡比较大的局限在于，它不允许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。这样虽然可使制造成本降低，但却不便于使用。用户基本上不可能控制整周期采样，只能通过信号处理的方法来弥补非整周期采样带来的问题。 （3）缓冲区 与一般数据采样卡不同，声卡面临的D/A和A/D任务通常是连续状态的。为了在一个简易的结构下较好的完成某个任务，声卡缓冲区的设计有其独到之处。 为了节省CPU资源，计算机的CPU并不是每次声卡A/D或D/A结束后都要响应一次中断，而是采用了缓冲区的工作方式。在这种工作方式下，声卡的A/D、D/A都对某一缓冲区进行操作。以输入声音的A/D变换为例，每次转换完毕后，声卡控制芯片都将数据存放在缓冲区，待缓冲区满时，发出中断给CPU，CPU响应中断后一次性将缓冲区内的数据全部读走。计算机总线的数据传输速率非常高，读取缓冲区数据所用时间极短，不会影响A/D变换的连续性。缓冲区的工作方式大大降低了CPU响应中断频度，节省了系统资源。声卡输出声音是的D/A变换也是类似的。 一般声卡使用的缓冲区长度的默认值是8KB（8192字节）。这是由于对x86系列处理器来说，在保护模式（Windows等系统使用的CPU工作方式）下，内存以8KB为单位被分成很多页，对内存的任何访问都是按页进行，CPU保证了读写8KB长度的内存缓冲区时，速度足够快，并且一般不会被其他外来事件打断。设置8192字节或其整数倍（例如32768字节）大小的缓冲区，可以较好的保证声卡与CPU的协调工作。 （4）没有基准电压 声卡不提供基准电压，因此无论是D/A还是A/D在使用时，都需要用户自己参照基准电压进行标定。 人耳对频率的感觉从20Hz到20kHz之间，而声卡的频率响应上限范围在20kHz。 虚拟示波器工作过程 使用LABVIEW构建基于声卡的虚拟示波器的思路是很清晰的。实际的数据采集流程是：（1）初始化：对声卡中与数据采集相关的一些硬件参数进行设置；（2）然后，声卡开始采集数据，并将采集到的数据暂存在先进先出的缓冲区中；（3）当缓冲区存满数据后，一方面将数据读取到用户程序