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中 北 大 学

毕业设计开题报告

学 生 姓 名：

刘贺秋

学 号： 0906024236

电子与计算机科学技术学院

学 院、系： 专 业： 设计题目： 指导教师:

2012 年 11月 30 日

电子科学与技术系

微电子学

基于声卡的虚拟示波器设计

张晓明

毕 业 设 计 开 题 报 告

1．结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述： 文 献 综 述 1.1 课题研究背景及意义 虚拟仪器技术是以各专业学科知识为应用背景，以计算机软、硬件技术为核心，把传感器技术、自动控制技术、现代网络技术、现代信号处理技术、数值分析技术有效整合在一起的现代测试技术,是目前自动测试与电子测量仪器技术发展的重要方向[1,2]。它基于个人电脑的测控设备或系统，通常由计算机、测控电路模块和专门应用软件组成，通过人机交互来完成对信号的采集、分析、处理和显示。虚拟仪器具有性能高、功能强、操作方便、自动化程度高、开发周期短以及易于实现软硬件的系统集成和构建多用途的测控系统等优点[3]。其主要任务是通过软件将计算机硬件与仪器硬件有机结合一起，将以前需硬件实现的相关技术通过软件来实现，完成对被测信号的采集、分析、处理、判断及显示等一系列功能。虚拟示波器拥有了灵活、迅速和低成本等优点，使得它逐渐代替了传统的台式仪器。 20世纪70年代，由于个人电脑技术的出现，人们开始考虑用电脑来处理传统仪器测试的数据；20世纪80年代，随着计算机技术的进一步发展，计算机主板上有了多个扩展槽，并出现了插在计算机里的数据采集卡，这样的系统已经可以进行一些简单的数据采集工作，将采集到的数据直接由计算机软件进行处理，这就是虚拟仪器技术的雏形[5][4]

。凭借电脑强大的运算及分析能力，配合相关的硬件及软件，组合成自己所需的各种仪器，对一些信号(如周期信号)进行处理，这正是虚拟仪器的兴起[6]。虚拟示波器是虚拟仪器技术的应用，它使用下位机采集现场信号，通过接口电路传输数据到计算机，再借助强大的监控软件模拟示波器的操作面板，实现信号采集、分析、处理、存储、显示、打印输出等功能[7,9]。 世界上第一块声卡——魔音卡，是由创新公司董事长沈望傅先生发明的。这只声卡在当时引起了一场轰动。有的人认为，这是一个很好的开端，因为PC终于可以“说话”了，并联想到将来多媒体PC的模样；但另有一些人却认为，这只是一场闹剧(因为当时的声卡根本不能够发出很真实的声音)。但是，10年过后，正如前者所预料的，多媒体

PC成了现今的标准，每个人都能利用自己的PC来听CD、玩有声游戏、通过Iphone等网络电话来交谈，几乎每一样事情都和PC音频发生关系。现在看起来，PC如果没有了声卡，也就没有了缤纷多彩的多媒体世界[10]。声卡是计算机与外部的模拟量环境联系的重要途径，作为数据采集卡来使用，声卡可以采集音频范围内的信号。麦克风输入的信号和喇叭输出的信号都是模拟信号，而计算机所能识别和处理的信号都是数字信号，声卡的作用之一就是实现模拟信号和数字信号之间的转换[11]。声卡的组成部分主要包括：声音控制/处理芯片，声音输入输出端口和功放芯片等，其中集成了采样保持、音效处理、A/D转换、D/A转换等电路的声音控制/处理芯片是声卡的核心，它对声卡的性能和档次起到了决定的作用，具有声波采样处理MIDI指令和回放控制等基本功能，有些声音控制/处理芯片还加进了合声、混响、音场调整等功能[12]。 目前，在多数院校的电子学实验教学中，常用的仍然是功能固定的台式示波器。对于一所高等院校而言，台式示波器成本很高，而且对于刚接触的学生来讲，既难以调试，又容易损坏，使用起来极其不方便,而虚拟示波器是利用计算机强大的资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度的降低系统成本，同时提高系统的灵活性[13]。虚拟示波器具有如下优点：(1)由于虚拟示波器的内容丰富，人机界面好，可以减轻教师的教学负担，加深学生对知识的理解。(2)提高实验效率，降低教学成本，参数输入简便，结果显示明确。(3)借助虚拟示波器把仪器与计算机相连接，可以充分利用实验资源[14]。示波器是科研机关、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。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，虚拟示波器系统也就应运而生[15]。 1.2 国内外研究状况 测试仪器已经有很久的历史，早些时候的一起都是完全的测试设备，比如EEG(electroencephalo- graph 脑电图描记器)记录系统和示波器，它们包括电源，传感器，数字转换和演示，需要人工的参数设置[16]。然而随着虚拟仪器技术的发展，采用“虚拟仪器”来取代传统仪器的新的测控方法正在取代传统的测控系统，即利用数据采集卡、信号调理卡或其他计算机外围硬件进行信号的采集与检测。然后由计算机来实现对信号的处理、计算和分析以及测试结果的显示[17]。LabWindows/CVI是基于标准C语言的集成软件开发环境，其开发虚拟仪器的步骤主要是先确定程序的基本框架，创建用户界面，然后完成程序代码的编写，最后创建工程文件，将程序文件、头文件、用户界面文件加

入工程中，编译调试生成可执行文件。虚拟仪器在性能上更具有灵活性用户可根据自身需要定制仪器的功能充分体现了它的优越性彻底打破了传统仪器由厂家定义用户无法改变的模式[18,19]。 1986年，美国国家仪器公司(National Instruments Crop.)提出“软件就是仪器”的概念。将虚拟仪器应用于教学和科研，已成为当今的发展趋势。在采样频率不是很高的情况下，基于计算机声卡的虚拟示波器将更加便宜和灵活，可以利用声卡进行采样和输出,可以实现自动测量，这一点在LabVIEW(包括LabWindows)上已经实现[20]。基于计算机的虚拟设备已经得到很大发展，在某些程度可以代替传统的仪器仪表测试。设备的各个部分既可以分开工作，又可以协作，具有很大的灵活性。基于声卡的虚拟示波器V0.94巧妙地利用电脑声卡的AD/DA转换电路，把电脑变成一台集信号发生器、数字存储示波器、频率计、万用表等多种功能于一体的仪器。在音频范围内完全可以替代上述各种测量仪器，甚至功能更强大[21,22]。 虚拟仪器产业在国内的现状和发展态势不容乐观。我国高档台式仪器如数字示波器主要依靠进口，一方面这些仪器加工工艺复杂、制造水平要求高，生产突破有困难；另一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器的设计，提供传统台式仪器所不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计[23]。而且我国的计算机技术通信电子等产业的起步比较晚，相对滞后与欧美国家，因此我国对虚拟仪器的研究起步也比较晚，发展比较缓慢。一些高等院校和附属高科技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进消化NI公司、HP公司的产品等方面做了一系列有益工作，取得了一批瞩目的成果，部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，上海复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等[24]。近一、两年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。四川联合大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了航空电台二线综合测试仪将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。此外，国内己有几家企业在研制PC虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一，它的产品已达到一定的批量。其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录仪系列[25,26]。

参考文献 [1] 王维喜. 基于声卡的多功能虚拟示波器和虚拟函数发生器设计. 硕士学位论文，山东青岛：青岛大学，2009 [2] 陈东方，吴国红. 一个基于声卡的LabVIEW虚拟示波器. 传感器与仪器仪表，2008,24(25):189~190 [3] 曾山，陆尧胜，王思华等. 基于的LabVIEW信号发生器和虚拟示波器综合测试仪的设计，2006,21(11):10~11 [4] 冯尔理. 基于声卡的虚拟示波器设计与实现. 黑龙江科技信息2010,33:40~41 [5] K.P.S.Rana, S.H.Khan. DAQ card based mixed signal virtual oscilloscope. ELSERVIER, Measurement, 2008,41:1032-1039 [6] 吕红英，吴先球，刘朝辉等. LabVIEW环境下基于声卡的虚拟示波器软件设计. 计算机应用与软件，2007,24(3):61~64 [7] Y.Artyukh, I.Mednieks, V.Vedin. Virtual Oscilloscope of the DASP-Lab System. International Laboratory for DASP. Operating at the University of Westminster, UKand Institute of Electronics and Computer Science, 2010,29(8):21~30 [8] 吴腾奇，廖伟盛. 虚拟仪器系统与LabVIEW平台. 技术与应用，2002,1:30~32 [9] Z.JIM. Design and Implementation of Multifunctional Virtual Oscilloscope Using USB Data-Acquisition Card .ELSERVIER , Procedia Engineering 2012,29:3245~3249 [10] 梁秋明,田梦君. 基于LabVIEW的虚拟示波器的设计与实现. 可编程器件应用,2009,34(3):158~161 [11] 冯静亚,于强，吕朝晖等. 虚拟示波器的软件设计与应用. 计算机工程与设计，2007,28(1):211~213 [12] 任重.虚拟示波器的研究与设计. 中国科技论文在线，http://www.paper.edu.cn, 2008-08-16 [13] 陈晓明，师学明，刘迎. 基于LabVIEW的声卡虚拟仪器性能测试与实验. 实验室研究与探索，2002,29(1):25~28 [14] NESIMI ERTUGRUL. Towards Virtual Laboratories: a Survey of LabVIEW-based Teaching/Learning Tools and Future Trends, University of Adelaide. Department of Electrical and Electronic Engineering, 1999,22(7):6~10