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一种基于声卡的虚拟频谱分析仪设计
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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、PowerMacintosh、SunSPARCA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graphicaluserinterface。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
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