基于聲卡和Matlab的虛擬信號(hào)發(fā)生器

　　聲卡作為多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最基本最常用的硬件之一，其技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，他同時(shí)具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，經(jīng)濟(jì)方便，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［1，2］。Matlab是一個(gè)數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強(qiáng)大的工程實(shí)用軟件，他的數(shù)據(jù)采集工具箱（data acquisition toolbox）為實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)外部物理世界的信號(hào)輸出和輸入。根據(jù)聲卡輸出信號(hào)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(hào)，有效地實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器的基本功能。

1基于Matlab和聲卡的虛擬信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理
　　通常PC機(jī)配置的聲卡提供了麥克風(fēng)輸入和揚(yáng)聲器輸出2個(gè)接口，他集成了信號(hào)輸入/輸出需要 的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC），因此，利用Matlab軟件產(chǎn)生的各種虛擬信號(hào)通過(guò)聲卡的DAC單元就可以直接輸出。普通計(jì)算機(jī)與Matlab軟件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)虛擬信號(hào)發(fā)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(hào)由線性輸出（line out）接口引出，就可以通過(guò)聲卡直接作為信號(hào)源輸出，顯然，在這種虛擬信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)中，只需要一臺(tái)帶有普通多媒體聲卡并安裝了Matlab軟件的PC機(jī)就可以滿足要求實(shí)現(xiàn)虛擬信號(hào)的輸出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便。

1.2基于Matlab的信號(hào)發(fā)生器的實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)模擬信號(hào)的輸出，通過(guò)調(diào)用這些函數(shù)和命令可以直接控制聲卡輸出虛擬信號(hào)，在Matlab中用聲卡產(chǎn)生虛擬信號(hào)的過(guò)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(hào)的主要函數(shù)和命令如下：

　　(1) 初始化操作
　　Matlab將聲卡等設(shè)備都作為對(duì)象處理，其后的一切操作都不與硬件直接相關(guān)，而是通過(guò)對(duì)該 對(duì)象的操作來(lái)作用對(duì)象，所以，首先要為聲卡建立一個(gè)設(shè)備對(duì)象。Matlab建立設(shè)備對(duì)象的函數(shù)如下：
　　
　　analogouput（）為模擬輸出設(shè)備對(duì)象建立函數(shù)，通過(guò)該函數(shù)將聲卡映射為Matlab環(huán)境中的一個(gè)模擬輸出設(shè)備對(duì)象句柄。winsound為聲卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(duì)象的句柄(下同)，ch為聲卡通道號(hào)，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(dòng)并觸發(fā)聲卡設(shè)備操作
　　當(dāng)完成輸出數(shù)據(jù)操作后，并沒(méi)有真正輸出數(shù)據(jù)，必須啟動(dòng)聲卡，才能對(duì)外輸出信號(hào)，啟動(dòng)并觸發(fā)聲卡設(shè)備操作的命令如下：
　　start(ao)

　　(5) 停止并刪除聲卡設(shè)備操作
　　信號(hào)輸出完成后，聲卡設(shè)備仍然保留在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，若不將聲卡設(shè)備停止并刪除，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中仍會(huì)保留該設(shè)備，在下次啟動(dòng)虛擬信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)時(shí)將會(huì)發(fā)出聲卡設(shè)備仍然在使用的錯(cuò)誤信息。從系統(tǒng)中停止和刪除聲卡設(shè)備操作的命令分別如下：
　　?

2應(yīng)用實(shí)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(guò)設(shè)計(jì)的界面控制輸出信號(hào)的幅度、頻率、寬度等參數(shù)，并可以用示波器直接觀測(cè)，圖3為虛擬信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的主界面，可以用來(lái)產(chǎn)生正弦波信號(hào)、方波信號(hào)、矩形波信號(hào)、三角波信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)等常用信號(hào)。

　　這里以三角波虛擬信號(hào)發(fā)生器為例來(lái)說(shuō)明利用Matlab和聲卡輸出三角波信號(hào)的具體軟件實(shí)現(xiàn) 方法。三角波信號(hào)發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示，他除了可以用于參數(shù)設(shè)置外，還可以顯示輸出信號(hào)的模擬波形。

?

　　采用Matlab實(shí)現(xiàn)的具體程序如下：
　

3結(jié)語(yǔ)
　　Matlab的數(shù)據(jù)采集工具箱和圖形用戶接口提供了十分簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)聲卡輸出功能的命令和函數(shù) ，利用Matlab和聲卡設(shè)計(jì)虛擬信號(hào)發(fā)生器十分方便，而在硬件上只需要一塊聲卡，無(wú)需添加 任何其他設(shè)備，價(jià)格十分便宜。雖然聲卡的設(shè)計(jì)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(hào)源的 要求。在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步的Matlab編程或硬件上的改進(jìn)和擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)一些 常規(guī)儀器設(shè)備不能產(chǎn)生的信號(hào)，這在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］傅俊慶，趙愛(ài)瓊. Matlab中基于聲卡的虛擬儀器動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析儀［ J］.長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，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(shè)計(jì)［J］.電氣自動(dòng)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(xué)出版社，2001