聲卡虛擬儀器及其在《電子技術(shù)》演示實驗中的應(yīng)用

【摘 要】虛擬儀器是電子測量技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的新型電子儀器，本文介紹了基于聲卡的虛擬儀器的功能和使用方法，并舉例說明其在電子技術(shù)演示實驗中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】聲卡；虛擬儀器；電子技術(shù)；演示；應(yīng)用

現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，已將日趨成熟的基于計算機(jī)的虛擬儀器（Virtual Instruments）技術(shù)引入學(xué)校課堂。如美國國家儀器公司（簡稱NI）的Lab VIEW和Lab Windows/CVI系統(tǒng)等。但是，這些虛擬儀器軟件價格昂貴，大大限制了虛擬儀器技術(shù)在教育領(lǐng)域中應(yīng)用推廣。

筆者利用計算機(jī)自身配帶的聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，配合一款“基于聲卡的虛擬示波器[1]”軟件和4根自制的接口測試電纜線，做成了十分實用的聲卡虛擬儀器—聲卡示波器。其軟件在顯示器的屏幕上生成聲卡示波器面板，通過聲卡接口電路使計算機(jī)完成對被測信號的數(shù)據(jù)采集、處理、傳送、存儲、顯示等功能，成為既有普通示波器的基本功能，又有普通示波器所沒有的特殊功能的新型儀器。這種聲卡示波器操作簡單，性能良好，顯示屏幕大，特別適用于演示《電子技術(shù)》實驗，如果在配有投影機(jī)的多媒體教室應(yīng)用，教學(xué)演示效果將有更為生動形象。

聲卡示波器軟件種類不少，可以用VC++語言[2]編寫，也可以用Lab VIEW[3]的圖形化語言編寫，而且也容易在網(wǎng)絡(luò)上找到成品軟件，其中有些是可以免費(fèi)下載的。如“基于聲卡的虛擬示波器軟件”、虛擬示波器軟件V1.01等。下面以“基于聲卡的虛擬示波器”軟件為例，介紹聲卡虛擬儀器的功能、使用方法及其在《電子技術(shù)》教學(xué)演示實驗中的應(yīng)用。

1.聲卡示波器軟件的功能

基于聲卡的虛擬示波器軟件是一款小型軟件，不需要安裝，下載后解壓縮即可運(yùn)行。雙擊運(yùn)行程序Show.exe，顯示器上便出現(xiàn)如圖1所示的聲卡示波器界面，聲音信號通過外接話筒（Mic）輸入，外部電信號可通過聲卡的輸入插孔（Line in）輸入，其產(chǎn)生的信號可通過喇叭插孔（Speaker）輸出，現(xiàn)在學(xué)校里的多媒體計算機(jī)的聲卡都有這些接口，在主機(jī)箱上都可以找到相應(yīng)的插孔。

1.1示波器功能

聲卡虛擬示波器有4種工作模式：X1單蹤工作，顯示線路輸入中（Line in）左聲道輸入的信號波形；X1和X2雙蹤工作，同時分別顯示左、右聲道的輸入信號波形；X1+X2，顯示左右聲道信號疊加后的波形；X-Y，左右聲道信號分別作為X軸和Y軸， 顯示X、Y互相垂直的兩個方向的振動的疊加，這類似于通用示波器中用李薩如圖形（見圖1）測頻率的模式。

圖1 聲卡示波器面板

1.2頻譜分析儀功能

點擊“頻域”按鈕，便啟動“頻譜分析儀”功能，是對輸入信號進(jìn)行FFT頻譜分析，顯示的是輸入信號的幅度頻譜圖像，指出信號中所包含各個不同頻率成分的幅度比例。

1.3記錄功能

點擊RECORD按鈕，把輸入信號保存為WAV文件，再次點擊停止記錄。

1.4暫停功能

點擊PAUSE可將屏幕顯示的動態(tài)圖形靜止下來，以便觀察，再次點擊結(jié)束暫停，暫停時仍然能夠調(diào)整示波器的各個參量。

1.5保存屏幕功能

在暫停狀態(tài)下，調(diào)整好圖形時，可以將顯示器屏幕上的圖象保存為位圖文件，便于以后做課件需要時調(diào)用。

1.6信號源功能

虛擬信號源能產(chǎn)生兩個聲道的音頻信號，3000Hz以下波形質(zhì)量良好（滿足教學(xué)演示實驗的要求）。有“正弦”、“方波”、“三角波”三種波形可供選擇。觀察虛擬信號源的信號波形時，信號自動聯(lián)接到虛擬示波器顯示，其幅度通過0dB、-6dB、-12dB、-18dB和-24dB 五個衰減按鈕調(diào)節(jié)，并從Speaker插孔輸出信號，在計算機(jī)配接多媒體音響設(shè)備時，在觀察信號波形的同時，可以聽到該信號發(fā)出的聲音。

另外，本軟件還有虛擬數(shù)字頻率計和數(shù)字萬用表的功能。

2.使用方法

用鼠標(biāo)左健單擊或拖動面板上對應(yīng)的功能健或按鈕即可實現(xiàn)各種調(diào)節(jié)。例如示波器，調(diào)節(jié)增益按鈕和衰減按鈕改變波形幅度，調(diào)節(jié)時基按鈕改變掃描頻率，調(diào)節(jié)基準(zhǔn)線改變波形的上下位置，和普通的通用示波器相似，很容易上手。其余的儀器使用也十分簡單，都是用鼠標(biāo)實現(xiàn)各種調(diào)節(jié)。

在使用聲卡示波器之前應(yīng)先做好4根測試電纜（一根輸入，一根輸出，它們實際上就是立體聲音頻線，制法是：將3.5mm的立體聲插頭旋開，即看到3個接線端，分別對應(yīng)地線（與外金屬殼連通）、左聲道、右聲道，將芯線與其對應(yīng)端接上，屏蔽層接地；用萬用表R×1kΩ檔檢測對應(yīng)關(guān)系，確保不短路. 芯線的另一端接上測試表筆或小鱷魚夾，用于測量幅值小于1V的信號；另一根電纜是電壓測試電纜，其L、R兩個輸入端都串接了測試保護(hù)電路（如圖2），用于測試電壓；還有一根是電流、電壓測試電纜，在插頭和L聲道測試表筆之間串入電流測試保護(hù)電路（如圖3），插頭和R聲道之間串入電壓測試保護(hù)電路（圖2），用于同時測量電流、電壓。使用中，電纜線測試端的開關(guān)K位置應(yīng)當(dāng)先選好量程檔位再接入電路，有了測試保護(hù)電路，不會損壞聲卡。

圖2 電壓測試保護(hù)電路 圖3 電流測試保護(hù)電路

3.聲卡示波器演示《電子技術(shù)》教學(xué)實驗舉例

3.1演示整流電路波形

圖4 錄音控制面板

將電壓測試電纜的插頭插入計算機(jī)背后的聲卡技術(shù)輸入插口中，打開計算機(jī)錄音屬性控制窗口（程序—附件—娛樂—音量控制—屬性—選項—錄音—確定） 如圖4，把控制面板下面線路輸入Line In的靜音方框內(nèi)的鉤去掉（點擊即可），有的老機(jī)型、老系統(tǒng)的錄音控制面板下面的是選擇方框，則應(yīng)當(dāng)在線路輸入Line In下面的選擇方框內(nèi)打鉤（點擊）。然后用電壓測試電纜的L聲道輸入（測試端開關(guān)撥在10V位置）橋式整流電路的輸出電壓，點擊X1，調(diào)節(jié)L聲道增益，即顯示出很大的橋式整流波形。對于半波、倍壓整流電路的波形，只要將L聲道輸入端接入相應(yīng)的整流輸出電壓即可演示。

3.2演示共發(fā)射極放大器工作原理

圖5 共射放大器vi 、vo的波形

電壓測試電纜的L聲道測試探頭（K撥在1V位置）接到放大器輸入端（共發(fā)射極放大器演示電路略），R聲道電壓測試探頭（K撥在10V位置）接放大器輸出端。鼠標(biāo)點擊X1X2按鈕，使示波器工作于雙蹤狀態(tài)，調(diào)節(jié)信號源和示波器兩個通道的增益，使之輸出頻率約400Hz、幅度約30mV左右的正弦信號（藍(lán)色波形線）且輸出波形（黑色波形線）無失真。非常直觀地顯示出輸出電壓vo與輸入電壓vi反相，而且vo>>vi，形象地展示出共發(fā)射極放大器的放大原理，其波形如圖5所示。而后分別調(diào)整放大器的工作電流IC偏大和偏小，觀察輸出電壓的飽和失真（波形底部被削波）和截止失真（波形頂部被削波）；在此基礎(chǔ)上還可以繼續(xù)演示，只有設(shè)置合適的靜態(tài)工作點才能獲得最大不失真輸出電壓的道理。

可以用聲卡示波器進(jìn)行演示的電子技術(shù)實驗很多，在重點難點內(nèi)容的教學(xué)中用聲卡示波器進(jìn)行演示實驗的方法，和學(xué)生一起實驗、觀察、分析，可取得讓學(xué)生普遍滿意的教學(xué)效果。

另外，利用聲卡示波器的X1X2雙蹤工作方式還可以演示電壓電流的相位差等電工基礎(chǔ)演示實驗以及一些物理演示實驗；利用聲卡的Mic輸入插口和虛擬示波器軟件內(nèi)的頻率計，可方便地較準(zhǔn)確地演示聲波的波形、頻率以及其它電信號的波形頻率； 利用其提供的萬用表功能可以演示測量電阻、電容、電感和交流電的有效值；利用其保存屏幕功能保存的各種波形的圖片，可以直接插到電子教案或教學(xué)課件中。

總之，聲卡虛擬儀器是是測試電纜（帶聲卡保護(hù)功能）接線、聲卡示波器軟件、多媒體計算機(jī)的良好結(jié)合，是《電子技術(shù)》等課程的演示實驗教學(xué)的得心應(yīng)手的高級演示儀器，使用“聲卡虛擬儀器”進(jìn)行課堂演示實驗也將成為演示實驗教學(xué)的新型高效的技術(shù)手段，必將不斷推廣與不斷完善，為不斷地提高《電子技術(shù)》課程的教學(xué)質(zhì)量而發(fā)揮積極的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王美剛，牛昱光.基于聲卡的虛擬示波器[J].儀器儀表用戶，2006（2）：69-70.

[2]胡合松，胡榮強(qiáng).基于VC++的虛擬聲卡示波器設(shè)計[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報：信息與管理工程版，2006（5）：58-61.

[3]張微.基于Lab VIEW的虛擬示波器設(shè)計[J].科技資訊，2006（12）：56-57.