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目前市售的數據采集卡都包含了完整的數據采集電路和與計算機的接口電路，但其價格與性能基本成正比，一般比較昂貴。隨著DSP(數字信號處理)技術走向成熟，PC聲卡本身就成為一個優秀的數據采集系統，它同時具有A/D和D/A轉換功能，不僅價格低廉，而且兼容性好、性能穩定、靈活通用，軟件特別是驅動程序升級方便。ISA總線向PCI總線的過渡，解決了以往聲卡與系統交換數據的瓶頸題目，同時也充分發揮了DSP芯片的性能。而且聲卡用DMA(直接內存讀取)方式傳送數據，極大地降低了CPU占用率。一般聲卡16位的A/D轉換精度，比通常12位A/D卡的精度高，對于很多工程丈量和科學實驗來說都是足夠高的，其價格卻比后者便宜得多。

虛擬儀器（Virtua linstrument）是計算機結合高效靈活的軟硬件測試平臺來完成各種信號的采集、測試、測量和自動化控制的應用。虛擬儀器技術是由用戶自己定義的專用儀器測試系統，因此，具有功能靈活，構建簡單，應用廣泛等優勢。目前虛擬儀器領域發展最快、應用最廣，且功能強大的圖形化軟件集成開發環境是由美國國家儀器公司開發的創新軟件產品。此款軟件產品可將儀器虛擬后裝入到計算機軟件中，依托計算機的軟件操作系統和外圍硬件，從而實現各種儀器的功能。

LABVIEW是由美國NI公司開發的一款軟件，它具有革命性的圖形化開發環境，是虛擬儀器領域領先的軟件開發工具。LABVIEW是一種圖形化的語言編程工具，目前廣泛應用于工業制造、學術研究和實驗室中，它集開發、調試和運行為一體，極大的簡化了應用系統的開發進度。主要應用于儀器儀表的控制、數據信號的采集、分析和顯示等，此款軟件可適用于多種操作系統。與傳統C語言、VB等編程語言十分不同，LabView采用圖形化的語言編程，主要是面向工程師開發的編程環境無需專業的程序員，因此，具有編程方便，人機交互界面友好，控制能力強和數據可視化等特點。

數據采集卡是數據信號采集、分析和處理的一個關鍵環節，它包含了完整的數據采集電路和接口電路，并且具有模/數和數/模轉換功能。目前在工業生產和控制以及生產狀態的監控中，都離不開對各種數據的采集和分析。但由于專用的音頻數據采集卡價格昂貴，而計算機上的聲卡又可作為一個很好的音頻數據采集卡。在實際的數據測量中，在滿足技術要求的前提下，應充分利用PC機自身功能，從而完成對數據的采集，以節省應用系統的開發成本。

1 聲卡工作原理

聲音的實質上是一種波，可通過波的振幅、頻率和相位等物理量的連續性變化表現出來。聲卡作為PC機與聲音的接口橋梁，將接收到的音頻信號轉換為計算機能夠識別的數字信號，然后經過音頻芯片的處理，再將該數字信號轉化為電壓或電流信號進行輸出。圖1所示為聲卡的工作流程圖。

圖 1 聲卡的工作流程圖

2 聲卡信號采集系統總體設計方案

聲卡采集系統主要包括發聲源、信號調理模塊、聲卡和LabVIEW軟件等幾大部分組成。如圖2所示聲卡采集系統原理框圖。

圖 2 聲卡采集系統原理框圖

當聲源輸入時，信號經過信號采集電路，利用計算機的聲卡輸入作為信號的輸入端，將獲取的音頻信號經過模擬/數字量模塊轉換后送入PC機，然后通過LabVIEW軟件編寫的音頻信號采集程序進行處理和保存；當音頻輸出時，聲音經過信號采集系統轉換成數字信號經數據總線以PCM方式送入到數字/模擬量模塊轉換，音頻信號由輸出端口通過揚聲器播放出來。

信號調理模塊：信號需經過信號調理模塊才能進入聲卡，信號采集卡主要包含了信號放大、濾波、隔離和線性化處理等功能。聲卡的輸入端因具有放大器，會使得采集的信號產生失真，因此輸入端電壓應保持為-1～+1V之間。

聲卡：聲卡是音頻的數據采集卡，目前模擬/數字量轉換模塊已經很成熟，因此，無需在計算機端添加額外的配件，所以，此采集系統具有價格低廉、精度高，編程簡單等優點。利用計算機上的聲卡和Labview軟件就可構成一個中等采樣頻率、高精度、靈活性強的音頻采集系統。

衡量聲卡性能的主要性能指標包括采樣頻率、采樣位數、頻率特性和基準電壓等幾部分。

（1）采樣頻率：采樣頻率是指音頻設備對聲音信號在1S內的采樣次數，采樣頻率越高音頻的真實性就越自然。在目前通用的聲卡上，采樣頻率主要分四個等級8KHz、11.025KHz、22.05KHz和44.1KHz，極少數可達48KHz。雖然理論上可以采用48KHz采樣頻率采集20Hz～20KHz范圍內的音頻信號，但是效果不好。因此，聲卡具有不允許在高采樣率下設定低采樣頻率的局限性。

（2）采樣位數：采樣位數其實是聲卡處理音頻的解析度。數值越大，對音頻的解析度就越高，在進行音頻的播放和錄制時就越真實。目前普通產品大多都是16位的聲卡，而普通的音頻數據采集卡大多也采用12位，因此，計算機上的聲卡相較于普通的音頻數據采集卡一點不差。

（3）頻率特性：頻率特性主要包含兩個方面頻率范圍和頻率波動。頻率范圍指聲音系統可回放的最低頻率與最高頻率之間的變化范圍；頻率波動指一恒電壓輸出的音頻與操作系統相連接時，產生的聲壓和相位隨頻率變化的現象。本系統采用計算機聲卡ALC880Codec，設置音頻采樣位數為雙通道，采樣頻率為44.1KHz，采樣比特數為16位，從而保證波形穩定、干擾較小。

（4）基準電壓：因為音頻沒有標準的電壓，因此在進行數/模或模/數轉換時，需參照基準電壓進行標定。

3 音頻信號采集系統設計

LabVIEW軟件與VB，C等編程語言相比，其模塊庫豐富、編程直觀、方便調試，是一種簡單的圖形化語言編程軟件開發平臺，具有開發簡單的優勢。LabVIEW軟件是使用圖形化編程語言在流程圖中創建源程序，而非產生源程序代碼。LabVIEW軟化包含了USB、RS-485、GPIB、RS-232、VXI和信號數據采集卡等諸多硬件通訊的功能。軟件內置了標準的庫函數如：TCP/IP、ActiveX等。雖然LabVIEW軟件通用的編程系統，但它含有儀器控制和信號數據采集設計的開發工具和函數庫。由于LabVIEW采用的是圖形化編程語言所以被技術人員和工程師所熟悉的，無需太多編程經驗，就可利用LabVIEW進行應用程序開發。

以LabVIEW軟件為基礎的音頻信號采集系統主要具有信號采集和存儲、頻域分析和回放的功能。本文設計的信號采集系統采用分模塊顯示設置，簡化了主程序前面板，且功能齊全，操作方便。

3.1 虛擬示波器的設計

虛擬示波器的前面板根據儀器面板和功能進行的程序設計和操作界面設計，示波器界面可實時顯示聲卡采集到音頻的實時信號。同時，實時顯示曲線界面的示波器X軸和Y軸標尺為自動調整，可保證無論采集的音頻信號幅值如何變化，總可在示波器中完整、清晰的顯示出來，方便用戶的操作和觀察。根據選用PC機聲卡的性能特性，將聲卡的采用位數設置為雙通道、采樣頻率位44.1kHz、采樣比特數16位、采樣方式連續等。

Labview軟件的虛擬示波器用于對聲卡采集到的音頻信號時域進行實時的顯示，采集數據信號的實時顯示和存儲是靠程序中的while循環函數實現的。

3.2 音頻信號分析儀設計

音頻信號分析儀包含音頻信號回放、幅度相位、信號的參量和功率譜的記錄和測量。音頻信號回放主要是方便將存儲的信號重新調用出來進行分析；幅度相位和功率譜是從頻域上對回放的音頻信號幅度、相位和功率進行測量；信號的參量是對采樣的音頻信號測量其峰值、周期平均值、均值、周期均方值等參數。

對于已保存的音頻采樣信號，可通過回放歷史音頻的功能，重新將存儲的音頻信號由軟件顯示出來和處理；通過此功能可反復實驗過程、檢驗采集信號的功能和驗證用戶的設置；在Labview軟件模塊中，用戶可對采集到的音頻信號進行進一步處理和分析；音頻信號的數據回放功能可減少實驗成本、重現關鍵性的實驗數據。

音頻的頻域分析主要是分析信號的頻譜成分和強度，通過傅里葉變換將音頻的時域信號轉換為頻域信號。本文所設計的系統實現了對音頻信號的相位譜、幅度譜和功率譜分析和測量功能。其中，通過軟件中信號的加窗功能，可使用矩形窗將信號截斷。為防止在頻域上有限化帶來的采集信號泄露問題，本文設計的采用系統對所采集的信號進行加窗處理。

4 結論

由于高精度的音頻信號數據采集價格昂貴，因此本文PC機上的聲卡代替了音頻數據采集卡，虛擬儀器LabVIEW軟件作為開發工具，充分發揮PC機的信息處理能力，實現了對音頻信號的采集、存儲、顯示、回放和分析等功能。本文所設計的系統充分利用了計算機資源，節約了開發成本，且用戶界面友好，操作簡單，易實現，具有廣闊的應用前景。