一种基于声卡的虚拟频谱分析仪设计

2019-09-10管庆彬李俊兰黄祺

科学导报·科学工程与电力 2019年23期

管庆彬李俊兰黄祺

【摘要】示波器、信号发生器、频谱分析仪是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。设计的声卡虚拟频谱分析仪具有数据采集、波形显示、参数测量、数据分析、滤波、数据存储与回放等多种功能。设计的虚拟频谱分析仪不仅具有台式数字示波器的功能，而且充分发挥了计算机强大的功能和软件设计的灵活性。

【关键词】虚拟仪器;LABView;频谱分析仪;仪器设计

1、绪论

示波器、信号发生器、频谱分析仪是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。传统台式示波器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，它有特定的输入/输出接口和仪器操作面板，具有波形显示、参数测量等功能。当要实现更多的测量功能时，就要配置更多的仪器，这给用户的使用带来诸多不便，并且传统示波器的测量精度比较低，无法满足高精度的测量要求。而且，传统示波器缺乏相应的计算机接口，配合数据采集及数据处理比较困难。此外，传统示波器体积相对庞大，制造成本比较高，这就增加了测量系统的开发成本。随着计算机技术和测量技术的发展，虚拟仪器技术得到飞快发展，虚拟频谱分析仪系统也就应运而生。

2、设计方案

虚拟频谱分析仪是采用基于计算机的虚拟技术，用以模拟通用示波器的面板操作和处理功能，也就是使用个人计算机及接口电路来采集现场或实验室信号，并通过图形用户界面（GUI）来模仿示波器的操作面板，完成信号采集、调理、分析处理和显示输出等功能。

虚拟频谱分析仪总体上包括数据采集、波形显示、参数测量、频谱分析、等几大模块组成，虚拟频谱分析仪的系统框图如图1所示。

设计过程大体分为以下五步：

（1）需求分析。需求分析是借用软件工程中的概念，其含义包括创建开发原型（明确实质要解决的问题）、分析程序的可行性（包括成本、性能、风险和技术障碍）等。在创建开发原型的过程中，开发人员要与程序的最终使用人员进行充分的交流。在此基础上，程序开发人员对所要解决的问题有了大致的了解，甚至可以画出一个系统的框图，之后还要进行程序的可行性分析，考虑选用器件的性价比、开发风险等。

（2）软、硬件的选择。程序开发人员不必担心操作系统的问题，目前的LABVIEW是一个支持多个系统平台的软件，Windows、Power Macintosh、Sun SPARCA工作站、HP工作站、Linux上都可以运行。针对一些特殊的任务，LABVIEW还提供一些附加的工具包，非常方便。选择适当的工具包将会达到事半功倍的效果。在LABVIEW的设备驱动程序库中已经包含了上千个免费的驱动程序（这些驱动程序支持NI公司的硬件产品），还包括了世界上各大仪器厂商的大部分仪器的LABVIEW驱动程序。如果没有现成的驱动程序，用户也可以自己编写。

（3）设计用户界面。用户界面也称GUI，即graphical user interface。前面板必须简洁、易懂、设计时应该满足复杂工作要求。前面板上使用的颜色方案，要兼顾一致和鲜明。一致性包括：①一个VI程序的GUI之间要保持一致;②VI的GUI要与平时大家用的应用程序色调一致。鲜明就是说：需要强调的部分一定要用颜色加以突出，体现测控系统程序的特点，减少用户操作过程中犯错误机会。

（4）程序设计。拿到一个设计任务后，首先要分解任务，把待设计任务分割成几个大的模块，然后把大的模块再分解为一系列的功能，甚至可以分解到要用那些函数的程度;然后是寻求例程，参考例程可以避免重复前人做过的工作;接下来就是根据项目的特点选择程序设计方法，自上而下或者自下而上。

（5）程序测试。测试过程是项目开发的重要组成部分。测试应该从底层的VI开始，然后再测试较大的模块，最后进行整体测试。测试中还要特别关注全局变量对程序的影响。此外，局部变量和属性节点也要引起注意。对于高级程序员来说，还要考虑程序的性能如何，能否满足速度与响应的要求以及内存的使用情况。

3.系统实现

3.1硬件平台设计

硬件平台主要完成对被测信号的进行调理和采集。仪器硬件可以是插入式数据采集卡及必要的外围电路（含信号调理电路、A/D转换器、数字I/O、定时器、D/A转换器等），或者是带标准总线接口的仪器，如GPIB、VXI、PXI、STD、PCI总线仪器和网络化仪器等。目前市场上的A/D采集卡和数据采集卡以及带标准总线接口的仪器等，其价格均不菲，性价比以及实用程度显得不高。进而考虑到计算机中的声卡本身就是一个A/D，D/A的转化装置，具有16位的量化精度、数据采集频率是44.1kHz，完成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分之一或者几十分之一，在设计实验中完全可以满足要求。因此在本设计中，虚拟频谱分析仪的数据采集装置采用声卡。

3.2软件设计

LabVIEW的图形化编程最大限度地减少了程序代码的编写，让用户有更多的时间和精力设计系统、完善系统功能;LabVIEW带有图形控制流结构的数据流模式使开发的测量系统不受操作系统、计算机等因素的影响，移植性好;LabVIEW的多线程技术允许进行多线程通信，程序运行开销小、运行更流畅。基于客户机/服务器方式的虛拟频谱分析仪系统可以实现远程数据传输，让远程测量成为了可能，这给在恶劣环境中测量数据提供了方便。因此，本设计中采用LabVIEW进行软件编程，开发虚拟频谱分析仪系统，如图2所示。

4结论

设计的声卡虚拟频谱分析仪具有数据采集、波形显示、参数测量、数据分析、滤波、数据存储与回放等多种功能。

设计的示波器具有的主要技术指标：

① 采样频率：最高频率为20kHz。

② 采样精度：分辨率约为0.0015%。

③ 实时带宽：2kHz。

设计的虚拟频谱分析仪不仅具有台式数字示波器的功能，而且充分发挥了计算机强大的功能和软件设计的灵活性。设计的虚拟频谱分析仪主要的优点如下：

（1）用图形化编程语言LABVIEW和面向对象编程技术，软件开发效率高，可操作性和维护性好。

（2）充分利用了计算机的外设连接能力，测试结果和波形显示。

（3）在相同的硬件条件下，可以通过修改和增加软件模块，形成新的仪器功能。

参考文献：

[1]张健，韩薪莘，房晓溪，程学庆.LABVIEW图形化编程与实例应用.北京：中国铁道出版社，2005：159—160