基于聲卡和Matlab的虛擬信號發(fā)生器
關鍵詞:Matlab;聲卡;信號發(fā)生器;三角波
聲卡作為多媒體計算機系統(tǒng)中最基本最常用的硬件之一,其技術已經(jīng)發(fā)展成熟,他同時具有A/D和D/A轉換功能,經(jīng)濟方便,目前已經(jīng)被廣泛應用于數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器系統(tǒng)的設計[1,2]。Matlab是一個數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強大的工程實用軟件,他的數(shù)據(jù)采集工具箱(data acquisition toolbox)為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出提供了十分方便的函數(shù)和命令,利用這些函數(shù)和命令可以很容易地實現(xiàn)對外部物理世界的信號輸出和輸入。根據(jù)聲卡輸出信號的原理,采用Matlab軟件編程,可以方便地利用聲卡輸出所需要的三角波、正弦波、方波等多種信號,有效地實現(xiàn)信號發(fā)生器的基本功能。
1基于Matlab和聲卡的虛擬信號發(fā)生器的設計與實現(xiàn)
1.1系統(tǒng)實現(xiàn)原理
通常PC機配置的聲卡提供了麥克風輸入和揚聲器輸出2個接口,他集成了信號輸入/輸出需要 的模/數(shù)轉換器(ADC)和數(shù)/模轉換器(DAC),因此,利用Matlab軟件產(chǎn)生的各種虛擬信號通過聲卡的DAC單元就可以直接輸出。普通計算機與Matlab軟件相結合實現(xiàn)虛擬信號發(fā)生器的系統(tǒng)結構如圖1所示。
圖1中,只需要用音頻線將軟件系統(tǒng)產(chǎn)生的信號由線性輸出(line out)接口引出,就可以通過聲卡直接作為信號源輸出,顯然,在這種虛擬信號發(fā)生器系統(tǒng)中,只需要一臺帶有普通多媒體聲卡并安裝了Matlab軟件的PC機就可以滿足要求實現(xiàn)虛擬信號的輸出,系統(tǒng)結構簡單方便。
1.2基于Matlab的信號發(fā)生器的實現(xiàn)方法
Matlab的數(shù)據(jù)采集工具箱(DAT)提供了一系列的函數(shù)和命令來實現(xiàn)實時模擬信號的輸出,通過調用這些函數(shù)和命令可以直接控制聲卡輸出虛擬信號,在Matlab中用聲卡產(chǎn)生虛擬信號的過程如圖2所示。
Matlab的數(shù)據(jù)采集工具箱提供的控制聲卡輸出模擬信號的主要函數(shù)和命令如下:
(1) 初始化操作
Matlab將聲卡等設備都作為對象處理,其后的一切操作都不與硬件直接相關,而是通過對該 對象的操作來作用對象,所以,首先要為聲卡建立一個設備對象。Matlab建立設備對象的函數(shù)如下:
analogouput()為模擬輸出設備對象建立函數(shù),通過該函數(shù)將聲卡映射為Matlab環(huán)境中的一個模擬輸出設備對象句柄。winsound為聲卡設備驅動程序。
(2) 添加數(shù)據(jù)輸出通道操作
Matlab中用于添加數(shù)據(jù)輸出通道操作的函數(shù)為addchannel,其函數(shù)格式如下:
?
其中:ao為聲卡對象的句柄(下同),ch為聲卡通道號,最大為2通道。
(3) 輸出數(shù)據(jù)操作
Matlab中用于輸出數(shù)據(jù)操作的函數(shù)為putdata,其函數(shù)格式如下:
putudata(ao,data)
其中:data為所需要輸出的數(shù)據(jù)。
(4) 啟動并觸發(fā)聲卡設備操作
當完成輸出數(shù)據(jù)操作后,并沒有真正輸出數(shù)據(jù),必須啟動聲卡,才能對外輸出信號,啟動并觸發(fā)聲卡設備操作的命令如下:
start(ao)
(5) 停止并刪除聲卡設備操作
信號輸出完成后,聲卡設備仍然保留在計算機系統(tǒng)中,若不將聲卡設備停止并刪除,計算機系統(tǒng)中仍會保留該設備,在下次啟動虛擬信號發(fā)生器系統(tǒng)時將會發(fā)出聲卡設備仍然在使用的錯誤信息。從系統(tǒng)中停止和刪除聲卡設備操作的命令分別如下:
?
2應用實例
利用Matlab的數(shù)據(jù)采集工具箱和圖形用戶接口[3]可以方便地通過設計的界面控制輸出信號的幅度、頻率、寬度等參數(shù),并可以用示波器直接觀測,圖3為虛擬信號發(fā)生器系統(tǒng)的主界面,可以用來產(chǎn)生正弦波信號、方波信號、矩形波信號、三角波信號和隨機信號等常用信號。
這里以三角波虛擬信號發(fā)生器為例來說明利用Matlab和聲卡輸出三角波信號的具體軟件實現(xiàn) 方法。三角波信號發(fā)生器的參數(shù)設置界面如圖4所示,他除了可以用于參數(shù)設置外,還可以顯示輸出信號的模擬波形。
?
采用Matlab實現(xiàn)的具體程序如下:
3結語
Matlab的數(shù)據(jù)采集工具箱和圖形用戶接口提供了十分簡便的實現(xiàn)聲卡輸出功能的命令和函數(shù) ,利用Matlab和聲卡設計虛擬信號發(fā)生器十分方便,而在硬件上只需要一塊聲卡,無需添加 任何其他設備,價格十分便宜。雖然聲卡的設計是以產(chǎn)生聲音為目的,有效的音頻范 圍和輸出電壓的幅度在一定程度上限制了他的使用,但這已完全能滿足產(chǎn)生基本信號源的 要求。在本設計的基礎上,通過進一步的Matlab編程或硬件上的改進和擴展,可以實現(xiàn)一些 常規(guī)儀器設備不能產(chǎn)生的信號,這在實際應用中具有廣泛的推廣應用前景。
參考文獻
[1]傅俊慶,趙愛瓊. Matlab中基于聲卡的虛擬儀器動態(tài)數(shù)據(jù)分析儀[ J].長沙交通學院學報,2003,19(1):15-18.
[2]王春耀,馮培昌.基于聲卡的虛擬儀器示波器設計[J].電氣自動化,2003 ,25(6):59-61.
[3]張志涌,徐彥琴.Matlab教程――基于6x版本[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001
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