課程設(shè)計說明書(專業(yè))

專業(yè)方向課程設(shè)計說明書專業(yè)：測控技術(shù)與儀器班級：學(xué)號：姓名：指導(dǎo)老師：2012年5月正文目錄有關(guān)課程設(shè)計的內(nèi)容概要示波器原理及有關(guān)內(nèi)容有關(guān)聲卡基于聲卡的數(shù)字示波器原理介紹軟件功能介紹課程設(shè)計總結(jié)三：正文1.課程設(shè)計的一些內(nèi)容：設(shè)計的目的和意義：本專業(yè)方向?qū)嵺`課以基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計為主。課程的總體目標(biāo)是：通過設(shè)計基于聲卡的數(shù)字化示波器，加深學(xué)生對LabVIEW虛擬儀器的理解、掌握和應(yīng)用，并激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步的思考和發(fā)揮，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維。本人所作工作：查閱相關(guān)資料了解聲卡、示波器、頻譜分析儀等儀器的參數(shù)及各種有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等，學(xué)習(xí)labview的相關(guān)只知識，了解和掌握LabVIEW虛擬儀器開發(fā)的軟、硬件平臺；掌握LabVIEW形圖化編程的設(shè)計方法；應(yīng)用LabVIEW的進(jìn)行基于聲卡的數(shù)字化示波器設(shè)計開發(fā)。系統(tǒng)主要功能：模擬信號發(fā)生器主要用來產(chǎn)生方波，三角波，正弦波等波形，幅度和頻率可以實時調(diào)整。實現(xiàn)基于聲卡的示波器的信號采集、顯示、保存，打印以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換等功能。頻譜分析儀主要用于對各采集信號的各種濾波效果、頻譜分析并實時顯示參數(shù)變化和傅里葉變換的幅頻圖和相頻圖。2.示波器原理：示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖象，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。數(shù)字示波器工作方式是通過模擬轉(zhuǎn)換器（ADC）把被測電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。數(shù)字示波器捕獲的是波形的一系列樣值，并對樣值進(jìn)行存儲，存儲限度是判斷累計的樣值是否能描繪出波形為止，隨后，數(shù)字示波器重構(gòu)波形。分為數(shù)字存儲示波器（DSO）、數(shù)字熒光示波器（DPO）和采樣示波器。模擬示波器：工作方式是直接測量信號電壓，并且通過從左到右穿過示波器屏幕的電子束在垂直方向描繪電壓顯示電路包括示波管及其控制電路兩個部分。示波管是一種特殊的電子管，是示波器一個重要組成部分。示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏3個部分組成。通常無論是模擬示波器還是數(shù)字示波器,可以根據(jù)其通道數(shù)分為:單通道/單蹤示波器;雙通道/雙蹤示波器。帶寬是根據(jù)示波器測試要求來定,5M/10M/20M/40M/60M/100M/1G......等分類選型。波形顯示基本原理：由示波管的原理可知，一個直流電壓加到一對偏轉(zhuǎn)板上時，將使光點在熒光屏上產(chǎn)生一個固定位移，該位移的大小與所加直流電壓成正比。如果分別將兩個直流電壓同時加到垂直和水平兩對偏轉(zhuǎn)板上，則熒光屏上的光點位置就由兩個方向的位移所共同決定。示波器的發(fā)展：初期主要為模擬示波器。20世紀(jì)40年代是電子示波器興起的時代。泰克成功開發(fā)帶寬10MHZ的同步示波器，這是近代示波器的基礎(chǔ)。50年代，半導(dǎo)體和電子計算機(jī)的問世促進(jìn)電子示波器的帶寬達(dá)到100MHZ。60年代，美國、日本、英國、法國在電子示波器開發(fā)方面各有不同的貢獻(xiàn)，出現(xiàn)帶寬6GHZ的取樣示波器、帶寬4GHZ的行波示波管、1GHZ的存儲示波管；便攜式、插件式示波器稱為系列產(chǎn)品。70年代，模擬是電子示波器達(dá)到高峰，行譜系列非常完整，帶寬1GHZ的多功能插件式示波器標(biāo)志著當(dāng)時科學(xué)技術(shù)的高水平，為測試數(shù)字電路又增添邏輯示波器和數(shù)字波形記錄器，模擬示波器從此沒有更大的進(jìn)展，開始讓位于數(shù)字示波器。英國和法國甚至退出示波器市場，技術(shù)以美國領(lǐng)先，中低檔產(chǎn)品由日本生產(chǎn)。模擬示波器要提高帶寬，需要示波管、垂直放大和水平掃描全面推進(jìn)。數(shù)字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能，對示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數(shù)字示波管能充分利用記憶、存儲和處理，以及多種觸發(fā)和預(yù)先觸發(fā)能力。80年代數(shù)字示波器異軍突起，模擬示波器逐漸從前臺退到后臺，進(jìn)入90年代，數(shù)字示波器除了提高帶寬到1GHZ以上，更重要的是它的全面性能超越模擬示波器。3.有關(guān)聲卡聲卡也叫音頻卡（港臺稱之為聲效卡）：聲卡是多媒體技術(shù)中最基本的組成部分，是實現(xiàn)聲波/數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換的一種硬件。聲卡的基本功能是把來自話筒、磁帶、光盤的原始聲音信號加以轉(zhuǎn)換，輸出到耳機(jī)、揚(yáng)聲器、擴(kuò)音機(jī)、錄音機(jī)等聲響設(shè)備，或通過音樂設(shè)備數(shù)字接口(MIDI)使樂器發(fā)出美妙的聲音。聲卡由各種電子器件和連接器組成。電子器件用來完成各種特定的功能。連接器一般有插座和圓形插孔兩種，用來連接輸入輸出信號。發(fā)展簡介：從1984年英國的ADLIBAUDIO公司研發(fā)的第一代音樂卡——ADLIB這款聲卡開始PC擁有了真正意義上的音樂回放能力。之后的SoundBlaster同時支持“音樂”和“音效”，SoundBlaster擁有了和現(xiàn)今聲卡一樣的基本功能并具有數(shù)字音頻處理能力，被稱為“聲霸卡”。聲霸卡確立了創(chuàng)新在個人電腦音頻領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，但其只有8位采樣/單聲道指標(biāo)。隨后1992年誕生的SoundBlasterPro開始能夠發(fā)出立體聲，并且其FM合成能力增強(qiáng)。之后產(chǎn)生的“CD音質(zhì)”是聲卡發(fā)展的一個驛站，催生出SoundBlaster16以及一大批相似規(guī)格的產(chǎn)品，由此聲卡進(jìn)入了一個戰(zhàn)國時代。隨后由于計算機(jī)的發(fā)展聲卡逐漸轉(zhuǎn)為軟聲卡方向發(fā)展AC’97是Intel、CreativeLabs、NS、AnalogDevice與YAMAHA共同制定的音頻電路系統(tǒng)規(guī)范，建議把模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換部分從主芯片中脫離出來，采用獨立的處理單元來進(jìn)行聲音的采樣和編碼。軟聲卡將聲卡的三個部分（Codec、I/O控制器、DSP——數(shù)位音源處理器）進(jìn)行了物理上的縮減——Codec不可或缺，I/O控制器集成于主板芯片（一般為南橋芯片），而成本最高的DSP則通過驅(qū)動交由處理器“虛擬”代勞。工作原理：聲卡從話筒中獲取聲音模擬信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，將聲波振幅信號采樣轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字信號，存儲到計算機(jī)中。重放時，這些數(shù)字信號送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，以同樣的采樣速度還原為模擬波形，放大后送到揚(yáng)聲器發(fā)聲，這一技術(shù)稱為脈沖編碼調(diào)制技術(shù)（PCM）。一片聲卡通常會有LineIn/LineOut，MIC/SpeakerOut兩組輸入輸出插孔及一個15-pin的MIDI接頭。相關(guān)參數(shù)：聲道，采樣位數(shù)，采樣頻率，解析度等。聲道：聲道(SoundChannel)是指聲音在錄制或播放時在不同空間位置采集或回放的相互獨立的音頻信號，所以聲道數(shù)也就是聲音錄制時的音源數(shù)量或回放時相應(yīng)的揚(yáng)聲器數(shù)量。聲卡所支持的聲道數(shù)是衡量聲卡檔次的重要指標(biāo)之一。聲道的發(fā)展經(jīng)過了單聲道Mono立體聲Stereo準(zhǔn)立體聲Prospectivestereo四聲道環(huán)繞5.1聲道7.1聲道采樣位數(shù)：即采樣值或取樣值，用來衡量聲音波動變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用數(shù)字聲音信號的二進(jìn)制位數(shù)。聲卡的位客觀地反映了數(shù)字聲音信號對輸入聲音信號描述的準(zhǔn)確程度。聲卡的主要的作用之一是對聲音信息進(jìn)行錄制與回放，在這個過程中采樣的位數(shù)和采樣的頻率決定了聲音采集的質(zhì)量。采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這個數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音就越真實。聲卡的位是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用數(shù)字聲音信號的二進(jìn)制位數(shù)。8位代表2的8次方——256，16位則代表2的16次方——64K。比較一下，一段相同的音樂信息，16位聲卡能把它分為64K個精度單位進(jìn)行處理，而8位聲卡只能處理256個精度單位，造成了較大的信號損失，最終的采樣效果自然是無法相提并論的。采樣頻率：采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對聲音信號的采樣次數(shù)，采樣頻率越高，聲音的還原就越真實越自然。在當(dāng)今的主流聲卡上，采樣頻率一般共分為22.05KHz、44.1KHz、48KHz三個等級，22.05只能達(dá)到FM廣播的聲音品質(zhì)，44.1KHz則是理論上的CD音質(zhì)界限，48KHz則更加精確一些。對于高于48KHz的采樣頻率人耳已無法辨別出來了，所以在電腦上沒有多少使用價值。采樣位數(shù)和采樣率對于音頻接口來說是最為重要的兩個指標(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個重要標(biāo)準(zhǔn)。無論采樣頻率如何，理論上來說采樣的位數(shù)決定了音頻數(shù)據(jù)最大的力度范圍。每增加一個采樣位數(shù)相當(dāng)于力度范圍增加了6dB。采樣位數(shù)越多則捕捉到的信號越精確。對于采樣率來說你可以想象它類似于一個照相機(jī)，44.1kHz意味著音頻流進(jìn)入計算機(jī)時計算機(jī)每秒會對其拍照達(dá)441000次。顯然采樣率越高，計算機(jī)攝取的圖片越多，對于原始音頻的還原也越加精確。位數(shù)在錄制時可提供更多的動態(tài)余量，所以一般而言在權(quán)衡位數(shù)和采樣率時人們會更偏向位數(shù)。此外追求更高的采樣率用戶就不得不在一定程度上放棄部分音軌數(shù)量。解析度：解析度又叫分辨頻率。音效合成裝置：在聲音信號未經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換之前都是數(shù)字式的，我們可以將幾個數(shù)字訊號音源加以組合出各種聲音而產(chǎn)生音效，即一般所稱的FM（FrequencyModulation，調(diào)頻）。立體聲：立體聲就是指具有立體感的聲音。自然界發(fā)出的聲音就是立體聲，但把這些立體聲經(jīng)記錄、放大等處理后而重放時，所有的聲音都從一個揚(yáng)聲器放出來，這種重放聲就不是立體的了，這種重放聲稱為單聲。如果從記錄到重放整個系統(tǒng)能夠在一定程度上恢復(fù)原發(fā)生的空間感（不可能完全恢復(fù)），那么，這種具有一定程度的方位層次等空間分布特性的重放聲，稱為音響技術(shù)中的立體聲。用聲卡做信號采集卡的優(yōu)點：便宜、方便，電腦本身就有聲卡，拿來用即可。用聲卡做信號采集卡的缺點：采樣率低，容易損壞。4.基于聲卡的數(shù)字示波器的原理介紹（功能，硬件連接等）虛擬示波器系統(tǒng)功能的實現(xiàn)可以分為前面板和程序框圖設(shè)計兩部分。前面板的功能等效于傳統(tǒng)測試儀器的前面板，程序框圖的功能等效于傳統(tǒng)儀器與前面板相聯(lián)系的硬件電路。前面板是程序的交互式圖形化用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，應(yīng)根據(jù)實際儀器面板以及該儀器所能實現(xiàn)的功能來設(shè)計前面板。虛擬示波器的程序框圖和前面板是對應(yīng)的?？驁D程序相當(dāng)于傳統(tǒng)程序的源代碼，只有創(chuàng)建了程序框圖以后程序才能真正地運行。設(shè)置好聲卡的參數(shù)后，程序啟動，聲卡開始工作，讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后可以直接進(jìn)入波形顯示和測量模塊，將獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過頻率分析模塊處理后實現(xiàn)頻譜的分析和信號的存儲，信號的波形和一些相關(guān)的特征參數(shù)可以在前面板指示和圖表中顯示出來.。如果需要對原始信號進(jìn)行保存，按前面板上的保存按鈕就可以將原始數(shù)據(jù)保存至硬盤中，以便以后信號回放時使用。5.軟件功能介紹（VI程序的功能介紹，前面板，及后面板關(guān)鍵模塊說明）虛擬信號發(fā)生器要實現(xiàn)的功能主要包括常用的基本波形輸出(正弦波、方波、鋸齒波和三角波)以及對每種波形進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)，頻率顯示，頻率調(diào)節(jié)等。根據(jù)這些功能實現(xiàn)的需要構(gòu)建出了前面板，這個面板模擬了傳統(tǒng)信號發(fā)生器的實際操作面板，使用者可以通過操作該儀器前面板上的旋鈕來實現(xiàn)對儀器各種功能的控制。虛擬示波器的信號采集、處理和輸出主要由軟件來完成的。通過模塊化的方法來實現(xiàn)的，采用了狀態(tài)機(jī)——用戶界面事件響應(yīng)的設(shè)計方法，主要包括七個模塊，分別是初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、波形顯示模塊、觸發(fā)控制模塊、參數(shù)測量模塊、數(shù)據(jù)存儲與回讀模塊和頻譜分析模塊。數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)用戶設(shè)置的聲音格式從聲卡獲得數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)及其頻譜特性以直觀的圖形方式呈現(xiàn)于用戶面前。該模塊還提供保存所有或部分?jǐn)?shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)到信號分析模塊的功能。信號分析模塊從采集模塊獲得數(shù)據(jù)后,對全部數(shù)據(jù)進(jìn)行時域和頻域分析并顯示相應(yīng)的時域圖和頻域圖，該系統(tǒng)主要使用了labview中whileloop結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)整個程序的信號采集功能,并且應(yīng)用了soundinput和signalprocessing模板中的節(jié)點完成信號采集、時域圖實時顯示、加窗和功率譜分析等操作。四、課程設(shè)計總結(jié)收獲及體會：通過本次專業(yè)方向課程設(shè)計內(nèi)容更了解了labview編程的基本知識，鞏固了所學(xué)內(nèi)容，加深了對labview的認(rèn)識，掌握與應(yīng)用。理解了模擬示波器、信號發(fā)生器和頻率計等設(shè)備的基本功能，更加深刻的明白了示波器、信號發(fā)生器和頻譜分析儀的工作原理與基本結(jié)構(gòu)，也認(rèn)識到自己平時所學(xué)的不足，通過本次課程設(shè)計很好的填充了以前學(xué)習(xí)中的空白，有利于以后更好的學(xué)習(xí)；也認(rèn)識到所學(xué)的只是皮毛而已，仍需要更加努力的學(xué)習(xí)。經(jīng)過這次課程設(shè)計練習(xí)讓我明白了，看起來再難的事情，只要規(guī)劃好，一步一步的來過，沒有什么是辦不成的。最初看到課程設(shè)計任務(wù)書時，第一眼就覺得好難，根本不會、也不知從哪下手，但是看到兩周的時間安排具體的內(nèi)容，并按照安排去做時覺得也并沒有特別困難，臨近第二周周末時也將近完成了任務(wù)。建議及意見：因為對于labview所學(xué)并不多，以至于好多東西都不會，而且以前對于聲卡、頻譜分析一類的幾乎沒什么了解再加上對于文獻(xiàn)檢索的不熟悉，因此這次