基于声卡的模拟电路测试平台设计与实现.docx

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“基于声卡的电子线路实验综合测试平台”项目报告 3
1 项目描述 3
2方案设计与论证 3
2.1系统设计 3
2.2PC机声卡的结构 5
2.3示波器，交直流电压表的实现 5
2.4信号发生器的实现 6
2.5声卡数据采集函数 6
3 系统实现 8
3.1 硬件设计 8
3.2 软件设计 8
3.3调试数据及分析 13
4 总结 19

“基于声卡的电子线路实验综合测试平台”项目报告
1 项目描述
虚拟仪器的硬件平台包括计算机和I/O接口设备两部分。计算机是硬件平台的核心。I/O接口设备主要完成待测输入信号的采集、放大、和A/D转换等。这种接口设备就是数据采集卡。当前，数据采集卡大多都选用NI公司的数据采集卡，如我们学校的实验室采用的是PCI-6024E。这种数据采集卡的性能很好，但是，价格昂贵，大约在4000元左右。高昂的价格使得这种采集卡只能用于一些技术要求比较高的场合，而大学生科技制作时，需要一些价格低，便于携带的电子仪器。
2方案设计与论证
2.1系统设计
专门的数据采集卡，价格昂贵，但其性能较高。以6024E为例，其一般能够达到10bit；分辨率约为10mv（10v/1024=10mv）采样率能够达到250k sample/s。
笔记电脑的声卡具有相当不错的数据采集以及分析处理功能，。在测试要求精度不是非常高的情况下，其实用价值是非常高的。分辨率及采样率相对专门的数据采集卡要低的多，但其价格便宜，
2.2PC机声卡的结构

2.3示波器，交直流电压表的实现
2.4信号发生器的实现
2.5声卡数据采集函数
3 系统实现
3.1 硬件设计

3.2 软件设计
3.2.1主程序

3.2.2各子程序

(示波器的流程图)

交流、直流电压表的程序与示波器类似，只要在数据采集的基础上，增加测量函数，就可以实现直流电压平均值、交流有限值的测量。

（函数信号发生器前面板图）

（函数信号发生器流程图）
此信号发生器可以产生20~2000HZ的频率的波形。

3.3调试数据及分析
3.3.1示波器
与DAQ采集卡相比，PC声卡的性能相对较差。因此只能测试较弱的信号，并且测试结果有一定的误差，可以适用于精密度要求不是特别高的测量中。由于在低频与中频的电压标定参数不是一致的所以虚拟示波器将其频率范围分为两种情况。以下是示波器的几组数据比较：
1) 误差较小的情况

输入信号频率为300.8HZ 幅值为48mv，交流有效值为34.20mv。
测得信号频率为300.92HZ, 幅值为48.31mv，交流有效值为24.18mv。

输入信号频率为1.068KHZ, 幅值为39mv，交流有效值为27.42mv。
测得信号频率为1.07KHZ, 幅值为39.73mv，交流有效值为28.16mv。

输入信号频率为3.719KHZ, 幅值为43mv，交流有效值为30.02mv。
测得信号频率为3.72KHZ, 幅值为44.03mv，交流有效值为31.37mv。

输入信号频率为5.30KHZ, 幅值为33mv，交流有效值为23.29mv。
测得信号频率为5.31KHZ, 幅值为33.85mv，交流有效值为24.01mv。
2)误差较大的情况：

输入信号频率为201.3HZ, 幅值为47mv，交流有效值为34.42mv。
测得信号频率为201.41HZ, 幅值为35.63mv，交流有效值为25.35mv。

输入信号频率为177.9HZ, 幅值为49mv，交流有效值为35.82mv。
测得信号频率为177.91HZ, 幅值为25.23mv，交流有效值为17.98mv。

结论:该示波器主要用于弱信号的测量（本实验所得范围为幅值范围为0~0.15v,频率范围为0~7.95kHZ），频率所测得的结果精确度较高，但测试时必须将反映输入电压的大小参数进行标定，否则数据测试结果将不太准确。本实验为得到较为精确的实验数据结果，将输入频率范围分为两大部分，分别是低于1KHZ和1—4KHZ。所得结果如上图所示，误差比较小。但是由于声卡对输入信号采用了频率均衡器的缘故，当频率低于200HZ时，结果误差较大，实验时一定要注意此方面问题。总的来说基于其价格便宜，实用方便，对于小信号，精度要求不高的测量中，是很不错的选择。
3.3.2函数信号发生器
相对示波器的测试结果，函数发生器的结果令人较为满意，能够模拟输出比较正确的弱信号正弦波（高频信号声卡无法达到其要求）。本项目经实验所得，该函数信号发生器能够模拟输出0~500HZ，20~100mv清晰的正弦波形。
3.3.3交直流电压表
由于与示波器的原理大致相同，所得的结果也很相似，这里不做详细介绍。而由于声卡性能所致，本实验所得结果是输入的信号只能在
0~0.15之间，超过此范围无法测出结果，并且过大可能导致声卡烧坏。以下是几组数据测量结果：

函数信号发生器输入信号幅值为70mv，交流有效值为48.59mv。
用FLUK45表测得信号交流有效值为49.61mv。

函数信号发生器输入信号幅值为57mv，交流有效值为41.66mv。
用FLUK45表测得信号交流有效值为42.3mv。

函数信号发生器输入信号幅值为0.14mv，交流有效值为100.85mv。
测得信号交流有效值为100mv。

函数信号发生器输入信号幅值为0.17mv，交流有效值为123.58mv。
测得信号交流有效值为109mv。
由以上几组数据（特别是最后两组数据的对比）我们能清晰的得出当电压幅度不大时，测量结果还是比较理想的。幅值大于0.15v后，不能测得正确的电压值。
4 总结
利用电脑声卡能较好地实现示波器，函数发生器，交直流电压表等的功能，但在实际应用中，还有许多问题需要完善。因为在测较高信号时必须外接了相应的隔离放大电路，所以在实际的测量过程中经过了从信号到电路，从电路再到声卡的过程，与普通的示波器，或是采集卡的示波器相比，中间多了一个环节，也就意味着受到外界干扰的机会也就增大了。我们在对上面的设计进行实际应用的时候也经常出现上一秒与下一秒的波形产生剧变的情况。另外由于声卡自身缺陷，对能测量的信号的范围和幅度的限制都比较高。在本设计中，隔离放大电路作为中间级解决了部分波形较小的问题。但声卡作为计算机的常用硬件，在被测信号的各项参数要求不高的时候仍然是一个不错的选择。
此外在由于我们本学期刚开始接触Labview课程的学习，可以说基础非常薄弱，在设计过程中很多地方几乎都无从下手，这方面屈有安老师给了我们很大的帮助，从起初的设计思路，硬件软件的相关设计的指导，数据的调试纠正。帮助我们顺利的完成了设计，对此我们表示非常感谢。