目前市售的數(shù)據(jù)采集卡都包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路和與計(jì)算機(jī)的接口電路，但其價(jià)格與性能基本成正比，一般比較昂貴。隨著DSP(數(shù)字信號(hào)處理)技術(shù)走向成熟，PC聲卡本身就成為一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它同時(shí)具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，不僅價(jià)格低廉，而且兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活通用，軟件特別是驅(qū)動(dòng)程序升級(jí)方便。ISA總線向PCI總線的過渡，解決了以往聲卡與系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的瓶頸題目，同時(shí)也充分發(fā)揮了DSP芯片的性能。而且聲卡用DMA(直接內(nèi)存讀取)方式傳送數(shù)據(jù)，極大地降低了CPU占用率。一般聲卡16位的A/D轉(zhuǎn)換精度，比通常12位A/D卡的精度高，對(duì)于很多工程丈量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)來說都是足夠高的，其價(jià)格卻比后者便宜得多。

虛擬儀器（Virtua linstrument）是計(jì)算機(jī)結(jié)合高效靈活的軟硬件測(cè)試平臺(tái)來完成各種信號(hào)的采集、測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化控制的應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)是由用戶自己定義的專用儀器測(cè)試系統(tǒng)，因此，具有功能靈活，構(gòu)建簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛等優(yōu)勢(shì)。目前虛擬儀器領(lǐng)域發(fā)展最快、應(yīng)用最廣，且功能強(qiáng)大的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境是由美國國家儀器公司開發(fā)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品。此款軟件產(chǎn)品可將儀器虛擬后裝入到計(jì)算機(jī)軟件中，依托計(jì)算機(jī)的軟件操作系統(tǒng)和外圍硬件，從而實(shí)現(xiàn)各種儀器的功能。

LABVIEW是由美國NI公司開發(fā)的一款軟件，它具有革命性的圖形化開發(fā)環(huán)境，是虛擬儀器領(lǐng)域領(lǐng)先的軟件開發(fā)工具。LABVIEW是一種圖形化的語言編程工具，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、學(xué)術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)室中，它集開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行為一體，極大的簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度。主要應(yīng)用于儀器儀表的控制、數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、分析和顯示等，此款軟件可適用于多種操作系統(tǒng)。與傳統(tǒng)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(fā)的編程環(huán)境無需專業(yè)的程序員，因此，具有編程方便，人機(jī)交互界面友好，控制能力強(qiáng)和數(shù)據(jù)可視化等特點(diǎn)。

數(shù)據(jù)采集卡是數(shù)據(jù)信號(hào)采集、分析和處理的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路和接口電路，并且具有模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能。目前在工業(yè)生產(chǎn)和控制以及生產(chǎn)狀態(tài)的監(jiān)控中，都離不開對(duì)各種數(shù)據(jù)的采集和分析。但由于專用的音頻數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格昂貴，而計(jì)算機(jī)上的聲卡又可作為一個(gè)很好的音頻數(shù)據(jù)采集卡。在實(shí)際的數(shù)據(jù)測(cè)量中，在滿足技術(shù)要求的前提下，應(yīng)充分利用PC機(jī)自身功能，從而完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集，以節(jié)省應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)成本。

1 聲卡工作原理

聲音的實(shí)質(zhì)上是一種波，可通過波的振幅、頻率和相位等物理量的連續(xù)性變化表現(xiàn)出來。聲卡作為PC機(jī)與聲音的接口橋梁，將接收到的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過音頻芯片的處理，再將該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號(hào)進(jìn)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(hào)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

聲卡采集系統(tǒng)主要包括發(fā)聲源、信號(hào)調(diào)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(tǒng)原理框圖。

圖 2 聲卡采集系統(tǒng)原理框圖

當(dāng)聲源輸入時(shí)，信號(hào)經(jīng)過信號(hào)采集電路，利用計(jì)算機(jī)的聲卡輸入作為信號(hào)的輸入端，將獲取的音頻信號(hào)經(jīng)過模擬/數(shù)字量模塊轉(zhuǎn)換后送入PC機(jī)，然后通過LabVIEW軟件編寫的音頻信號(hào)采集程序進(jìn)行處理和保存；當(dāng)音頻輸出時(shí)，聲音經(jīng)過信號(hào)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)總線以PCM方式送入到數(shù)字/模擬量模塊轉(zhuǎn)換，音頻信號(hào)由輸出端口通過揚(yáng)聲器播放出來。

信號(hào)調(diào)理模塊：信號(hào)需經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊才能進(jìn)入聲卡，信號(hào)采集卡主要包含了信號(hào)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(huì)使得采集的信號(hào)產(chǎn)生失真，因此輸入端電壓應(yīng)保持為-1～+1V之間。

聲卡：聲卡是音頻的數(shù)據(jù)采集卡，目前模擬/數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊已經(jīng)很成熟，因此，無需在計(jì)算機(jī)端添加額外的配件，所以，此采集系統(tǒng)具有價(jià)格低廉、精度高，編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。利用計(jì)算機(jī)上的聲卡和Labview軟件就可構(gòu)成一個(gè)中等采樣頻率、高精度、靈活性強(qiáng)的音頻采集系統(tǒng)。

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

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

（2）采樣位數(shù)：采樣位數(shù)其實(shí)是聲卡處理音頻的解析度。數(shù)值越大，對(duì)音頻的解析度就越高，在進(jìn)行音頻的播放和錄制時(shí)就越真實(shí)。目前普通產(chǎn)品大多都是16位的聲卡，而普通的音頻數(shù)據(jù)采集卡大多也采用12位，因此，計(jì)算機(jī)上的聲卡相較于普通的音頻數(shù)據(jù)采集卡一點(diǎn)不差。

（3）頻率特性：頻率特性主要包含兩個(gè)方面頻率范圍和頻率波動(dòng)。頻率范圍指聲音系統(tǒng)可回放的最低頻率與最高頻率之間的變化范圍；頻率波動(dòng)指一恒電壓輸出的音頻與操作系統(tǒng)相連接時(shí)，產(chǎn)生的聲壓和相位隨頻率變化的現(xiàn)象。本系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)聲卡ALC880Codec，設(shè)置音頻采樣位數(shù)為雙通道，采樣頻率為44.1KHz，采樣比特?cái)?shù)為16位，從而保證波形穩(wěn)定、干擾較小。

（4）基準(zhǔn)電壓：因?yàn)橐纛l沒有標(biāo)準(zhǔn)的電壓，因此在進(jìn)行數(shù)/?；蚰?數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，需參照基準(zhǔn)電壓進(jìn)行標(biāo)定。

3 音頻信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(diào)試，是一種簡(jiǎn)單的圖形化語言編程軟件開發(fā)平臺(tái)，具有開發(fā)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。LabVIEW軟件是使用圖形化編程語言在流程圖中創(chuàng)建源程序，而非產(chǎn)生源程序代碼。LabVIEW軟化包含了USB、RS-485、GPIB、RS-232、VXI和信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡等諸多硬件通訊的功能。軟件內(nèi)置了標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)如：TCP/IP、ActiveX等。雖然LabVIEW軟件通用的編程系統(tǒng)，但它含有儀器控制和信號(hào)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)的開發(fā)工具和函數(shù)庫。由于LabVIEW采用的是圖形化編程語言所以被技術(shù)人員和工程師所熟悉的，無需太多編程經(jīng)驗(yàn)，就可利用LabVIEW進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。

以LabVIEW軟件為基礎(chǔ)的音頻信號(hào)采集系統(tǒng)主要具有信號(hào)采集和存儲(chǔ)、頻域分析和回放的功能。本文設(shè)計(jì)的信號(hào)采集系統(tǒng)采用分模塊顯示設(shè)置，簡(jiǎn)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(shè)計(jì)

虛擬示波器的前面板根據(jù)儀器面板和功能進(jìn)行的程序設(shè)計(jì)和操作界面設(shè)計(jì)，示波器界面可實(shí)時(shí)顯示聲卡采集到音頻的實(shí)時(shí)信號(hào)。同時(shí)，實(shí)時(shí)顯示曲線界面的示波器X軸和Y軸標(biāo)尺為自動(dòng)調(diào)整，可保證無論采集的音頻信號(hào)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(jù)選用PC機(jī)聲卡的性能特性，將聲卡的采用位數(shù)設(shè)置為雙通道、采樣頻率位44.1kHz、采樣比特?cái)?shù)16位、采樣方式連續(xù)等。

Labview軟件的虛擬示波器用于對(duì)聲卡采集到的音頻信號(hào)時(shí)域進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，采集數(shù)據(jù)信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)是靠程序中的while循環(huán)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

3.2 音頻信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)

音頻信號(hào)分析儀包含音頻信號(hào)回放、幅度相位、信號(hào)的參量和功率譜的記錄和測(cè)量。音頻信號(hào)回放主要是方便將存儲(chǔ)的信號(hào)重新調(diào)用出來進(jìn)行分析；幅度相位和功率譜是從頻域上對(duì)回放的音頻信號(hào)幅度、相位和功率進(jìn)行測(cè)量；信號(hào)的參量是對(duì)采樣的音頻信號(hào)測(cè)量其峰值、周期平均值、均值、周期均方值等參數(shù)。

對(duì)于已保存的音頻采樣信號(hào)，可通過回放歷史音頻的功能，重新將存儲(chǔ)的音頻信號(hào)由軟件顯示出來和處理；通過此功能可反復(fù)實(shí)驗(yàn)過程、檢驗(yàn)采集信號(hào)的功能和驗(yàn)證用戶的設(shè)置；在Labview軟件模塊中，用戶可對(duì)采集到的音頻信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析；音頻信號(hào)的數(shù)據(jù)回放功能可減少實(shí)驗(yàn)成本、重現(xiàn)關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

音頻的頻域分析主要是分析信號(hào)的頻譜成分和強(qiáng)度，通過傅里葉變換將音頻的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)音頻信號(hào)的相位譜、幅度譜和功率譜分析和測(cè)量功能。其中，通過軟件中信號(hào)的加窗功能，可使用矩形窗將信號(hào)截?cái)?。為防止在頻域上有限化帶來的采集信號(hào)泄露問題，本文設(shè)計(jì)的采用系統(tǒng)對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行加窗處理。

4 結(jié)論

由于高精度的音頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集價(jià)格昂貴，因此本文PC機(jī)上的聲卡代替了音頻數(shù)據(jù)采集卡，虛擬儀器LabVIEW軟件作為開發(fā)工具，充分發(fā)揮PC機(jī)的信息處理能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)音頻信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、顯示、回放和分析等功能。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)充分利用了計(jì)算機(jī)資源，節(jié)約了開發(fā)成本，且用戶界面友好，操作簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。