在電子測量領域中，信號發生器和示波器器是最基本和使用最廣泛的電子測量設備之一。它們的作用分別是為電子測量提供符合一定技術要求的電信號源和圖形化顯示電信號參數。然而，作為測試計量的激勵源和顯示器，它們一方面體積笨重，使用不方便；另一方面，價格昂貴，一般電子愛好者和基層技術工作者不具備使用條件。擁有一臺屬于自己的性能良好、使用方便、價格便宜的信號發生器和示波器成為許多技術工作者的一大愿望。在此介紹一種使用方便，能滿足一般測試任務要求，基于LabVIEW軟件和計算機聲卡的音頻段虛擬信號發生器和雙通道數字示波器。

1、系統構成

本裝置不需要增加額外投入，只要你的機子上裝有聲卡（最好是16位或更高，輸出信噪比較高的中高檔數字聲卡），再準備兩個耳機插頭用于信號的輸入和輸出就行了。虛擬信號發生器的工作原理是：先由計算機軟件產生滿足測試計量要求的數字信號，再經緩存器和聲卡轉換成模擬信號，最后由耳機插座輸出。虛擬數字示波器的工作原理是：先經“線路輸入”插孔將信號接入，再由聲卡實現信號的A/D轉換，最后由計算機軟件完成信號的處理和顯示。

2、軟件實現

計算機軟件是虛擬儀器的核心，儀器的主要功能都是通過軟件編程來實現的——即“軟件就是儀器”，再配合少量的硬件設備，就可以完成設計需要的各項任務。美國NI公司的LabVIEW軟件為提供了圖形化編程語言（GraphICprogramlanguage）的開發環境，方便技術人員利用熟悉的術語、圖解和概念，使用圖形化的語言來描述程序。用戶可以根據任務需要和個人愛好，任意設置儀器前面板，并通過前面板各控件來調整和指示各種信號參數，如信號類型、頻率、幅值、初始相位、采樣頻率、采樣點數、信號D/A轉換精度、A/D轉換精度等等；同時，可以通過面板上的示波器直觀顯示信號波形。

虛擬信號發生器的軟件結構如下圖所示。

在軟件編程中，信號格式設置為“mono．16bit“，要與輸出格式一致；采樣頻率視輸出信號頻率而定。多頻波產生器的“采樣參數格式”要求采樣頻率與采樣點數相等，否則可能導致沒有信號輸出。“設備代號”用來選擇聲卡設備，默認值為“O”。SOSetNumBuffers．vi的“Numberofbuffers”參數用來控制輸出信號的連續性，當其設置為“O”時，輸出信號不連續，當其設置為“1”或以上值時，輸出信號連續，其代價是占用更多的緩存，信號從產生到輸出也有更多的延遲。

虛擬雙通道數字示波器的軟件結構如下圖所示。

在信號采集時，信號格式設置為“stereo．16bit”，從而實現16位轉換精度的雙通道輸入。采樣頻率視所要觀察的信號頻率而定；緩存器容量要設為2的倍數，以提高計算機運算效率，每通道采樣點數=緩存器容量／4。采樣所得信號為二維數組，要先將其轉換成一維數組，然后再分離成兩個通道的信號。信號數據經精度轉換后，一方面用于數值顯示，另一方面生成波形，由示波器顯示。由于聲卡通道的差異，對采集信號的放大倍數不同，因此需要對兩通道數據進行不同的處理。

3、性能測試與分析

通過以上軟件編程，就可以讓計算機生成所希望的理想數字信號（如前面板示波器所示），然后再通過聲卡輸出供我們使用的模擬信號。而需要測量的信號由聲卡輸入，經轉換和處理后以數組和波形兩種方式同時顯示。

作為虛擬儀器的唯一硬件設備，聲卡的質量完全決定了信號發生器和示波器的性能指標。聲卡的輸入輸出形式（是否可以輸出數字信號）、量程、轉換精度（8bit，16bit或者更高）、動態響應能力、抗干擾能力等都直接影響到輸出信號和采集信號的品質。下面是以一款普通低檔聲卡（CreativeSBAudioPCICT4730）作為輸出設備，對虛擬信號發生器和數字示波器有關性能指標進行的測試分析。

測試校驗設備為：數字萬用表（HP34401A，51/2位），數字示波器（TektronixTDS380），信號發生器（TektronixAFG380）和ADLINK采集卡PCI-9118。

虛擬信號發生器

（1）頻率范圍：1~10kHz

（2）頻率準確度：優于0.2%或小于1Hz

（3）．頻率穩定度：優于0.1%

（4）、輸出電平：0～±Q6V（連續可調）

（5）．輸出電平精度：16bit

（6）．輸出電平準確度：由于聲卡電路結構的影響，輸出電平準確度有一定偏差；但通過軟件參數調整，可以達到很高的準確度（優于0.1%）

（7）．輸出電平穩定度：利用ADLINK采集卡PCI-9118和相關軟件對輸出電平進行自動測試，所測數據和測試程序見輸出電平測試數據表

（8）．信號頻譜純度：這部分是聲卡對輸出信號影響最大的部分，與聲卡電路原理設計、屏蔽措施以及聲卡的工作環境等都直接相關，可以說聲卡自身的信噪比決定了信號發生器的頻譜純度。

下圖為計算機生成的理想數字信號與聲卡輸出波形的比較。

虛擬雙通道數字示波器

虛擬示波器的數據處理和顯示部分依托計算機強大的數據處理和顯示功能完成，其性能指標（如頻率響應、時域響應、掃描速度等）已經遠遠超出聲卡的處理能力，因此這里實際上討論的是聲卡的性能指標了。

（1）．頻率響應：1～10kHz；

（2）．測量范圍：0～±0.2V。

信號是經聲卡的“線路輸入”端口引入，因此測量范圍受到很大限制。為此，強力建議在被測信號和聲卡之間加入信號衰減電路，一方面擴大測試量程，另一方面可以保護聲卡，以免因過載而損壞聲卡。最簡單的辦法就是在聲卡板上增加一組分壓電阻。下圖為一款包括衰減網絡和過壓抑制的衰減電路。

選擇“線路輸入”為輸入端口的步驟為：

①雙擊屏幕右下角的小喇叭標志，打開播放控制面板；

②選擇“顯示”菜單下的“屬性”，然后在出現的對話框中選擇“錄音”，單擊確定后，原先的“播放控制”面板變為“錄音控制”；

③選擇錄音設備為“線路輸入”，再根據提示進行操作。如下圖所示。

（3）．采樣精度：16bit；

（4）．輸入阻抗：20k

（5）。信號失真度：受聲卡時域響應速度和噪聲干擾的影響，給被觀察信號帶來一定的失真，其失真度因聲卡性能而異。下圖為在不經衰減的情況下，對數字信號發生器輸出信號的測試結果。

基于LabVIEW和計算機聲卡的虛擬信號發生器和虛擬雙通道數字示波器，雖然受聲卡性能的約束較大，但因其幾乎為零的成本投入，方便的自我化設計，以及較高的轉換精度和穩信號發生器和示波器的品質帶來很大的改善。利用LabVIEW和計算機聲卡，還能在要求不高的條件下，對聲頻段信號進行定量測試和時頻分析，有興趣的話不妨慢慢探索。

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