基于聲卡和Matlab的虛擬信號發(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)。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(shí)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(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)生的各種虛擬信號通過聲卡的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(jī)就可以滿足要求實(shí)現(xiàn)虛擬信號的輸出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單方便。

????? 1.2基于Matlab的信號發(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)和命令來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)模擬信號的輸出，通過調(diào)用這些函數(shù)和命令可以直接控制聲卡輸出虛擬信號，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(shè)備都作為對象處理，其后的一切操作都不與硬件直接相關(guān)，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(gè)設(shè)備對象。Matlab建立設(shè)備對象的函數(shù)如下：

????? analogouput（）為模擬輸出設(shè)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(gè)模擬輸出設(shè)備對象句柄。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(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，并沒有真正輸出數(shù)據(jù)，必須啟動(dòng)聲卡，才能對外輸出信號，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)中仍會保留該設(shè)備，在下次啟動(dòng)虛擬信號發(fā)生器系統(tǒng)時(shí)將會發(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］可以方便地通過設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)現(xiàn) 方法。三角波信號發(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的模擬波形。???

????? 采用Matlab實(shí)現(xiàn)的具體程序如下：???

????? 3結(jié)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(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(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)生基本信號源的 要求。在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過進(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，這在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。