【摘 要】虛擬儀器是電子測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的新型電子儀器，本文介紹了基于聲卡的虛擬儀器的功能和使用方法，并舉例說(shuō)明其在電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】聲卡；虛擬儀器；電子技術(shù)；演示；應(yīng)用

現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，已將日趨成熟的基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器（Virtual Instruments）技術(shù)引入學(xué)校課堂。如美國(guó)國(guó)家儀器公司（簡(jiǎn)稱NI）的Lab VIEW和Lab Windows/CVI系統(tǒng)等。但是，這些虛擬儀器軟件價(jià)格昂貴，大大限制了虛擬儀器技術(shù)在教育領(lǐng)域中應(yīng)用推廣。

筆者利用計(jì)算機(jī)自身配帶的聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，配合一款“基于聲卡的虛擬示波器[1]”軟件和4根自制的接口測(cè)試電纜線，做成了十分實(shí)用的聲卡虛擬儀器—聲卡示波器。其軟件在顯示器的屏幕上生成聲卡示波器面板，通過(guò)聲卡接口電路使計(jì)算機(jī)完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、處理、傳送、存儲(chǔ)、顯示等功能，成為既有普通示波器的基本功能，又有普通示波器所沒(méi)有的特殊功能的新型儀器。這種聲卡示波器操作簡(jiǎn)單，性能良好，顯示屏幕大，特別適用于演示《電子技術(shù)》實(shí)驗(yàn)，如果在配有投影機(jī)的多媒體教室應(yīng)用，教學(xué)演示效果將有更為生動(dòng)形象。

聲卡示波器軟件種類不少，可以用VC++語(yǔ)言[2]編寫(xiě)，也可以用Lab VIEW[3]的圖形化語(yǔ)言編寫(xiě)，而且也容易在網(wǎng)絡(luò)上找到成品軟件，其中有些是可以免費(fèi)下載的。如“基于聲卡的虛擬示波器軟件”、虛擬示波器軟件V1.01等。下面以“基于聲卡的虛擬示波器”軟件為例，介紹聲卡虛擬儀器的功能、使用方法及其在《電子技術(shù)》教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

1.聲卡示波器軟件的功能

基于聲卡的虛擬示波器軟件是一款小型軟件，不需要安裝，下載后解壓縮即可運(yùn)行。雙擊運(yùn)行程序Show.exe，顯示器上便出現(xiàn)如圖1所示的聲卡示波器界面，聲音信號(hào)通過(guò)外接話筒（Mic）輸入，外部電信號(hào)可通過(guò)聲卡的輸入插孔（Line in）輸入，其產(chǎn)生的信號(hào)可通過(guò)喇叭插孔（Speaker）輸出，現(xiàn)在學(xué)校里的多媒體計(jì)算機(jī)的聲卡都有這些接口，在主機(jī)箱上都可以找到相應(yīng)的插孔。

1.1示波器功能

聲卡虛擬示波器有4種工作模式：X1單蹤工作，顯示線路輸入中（Line in）左聲道輸入的信號(hào)波形；X1和X2雙蹤工作，同時(shí)分別顯示左、右聲道的輸入信號(hào)波形；X1+X2，顯示左右聲道信號(hào)疊加后的波形；X-Y，左右聲道信號(hào)分別作為X軸和Y軸， 顯示X、Y互相垂直的兩個(gè)方向的振動(dòng)的疊加，這類似于通用示波器中用李薩如圖形（見(jiàn)圖1）測(cè)頻率的模式。

圖1 聲卡示波器面板

1.2頻譜分析儀功能

點(diǎn)擊“頻域”按鈕，便啟動(dòng)“頻譜分析儀”功能，是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行FFT頻譜分析，顯示的是輸入信號(hào)的幅度頻譜圖像，指出信號(hào)中所包含各個(gè)不同頻率成分的幅度比例。

1.3記錄功能

點(diǎn)擊RECORD按鈕，把輸入信號(hào)保存為WAV文件，再次點(diǎn)擊停止記錄。

1.4暫停功能

點(diǎn)擊PAUSE可將屏幕顯示的動(dòng)態(tài)圖形靜止下來(lái)，以便觀察，再次點(diǎn)擊結(jié)束暫停，暫停時(shí)仍然能夠調(diào)整示波器的各個(gè)參量。

1.5保存屏幕功能

在暫停狀態(tài)下，調(diào)整好圖形時(shí)，可以將顯示器屏幕上的圖象保存為位圖文件，便于以后做課件需要時(shí)調(diào)用。

1.6信號(hào)源功能

虛擬信號(hào)源能產(chǎn)生兩個(gè)聲道的音頻信號(hào)，3000Hz以下波形質(zhì)量良好（滿足教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的要求）。有“正弦”、“方波”、“三角波”三種波形可供選擇。觀察虛擬信號(hào)源的信號(hào)波形時(shí)，信號(hào)自動(dòng)聯(lián)接到虛擬示波器顯示，其幅度通過(guò)0dB、-6dB、-12dB、-18dB和-24dB 五個(gè)衰減按鈕調(diào)節(jié)，并從Speaker插孔輸出信號(hào)，在計(jì)算機(jī)配接多媒體音響設(shè)備時(shí)，在觀察信號(hào)波形的同時(shí)，可以聽(tīng)到該信號(hào)發(fā)出的聲音。

另外，本軟件還有虛擬數(shù)字頻率計(jì)和數(shù)字萬(wàn)用表的功能。

2.使用方法

用鼠標(biāo)左健單擊或拖動(dòng)面板上對(duì)應(yīng)的功能健或按鈕即可實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)。例如示波器，調(diào)節(jié)增益按鈕和衰減按鈕改變波形幅度，調(diào)節(jié)時(shí)基按鈕改變掃描頻率，調(diào)節(jié)基準(zhǔn)線改變波形的上下位置，和普通的通用示波器相似，很容易上手。其余的儀器使用也十分簡(jiǎn)單，都是用鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)。

在使用聲卡示波器之前應(yīng)先做好4根測(cè)試電纜（一根輸入，一根輸出，它們實(shí)際上就是立體聲音頻線，制法是：將3.5mm的立體聲插頭旋開(kāi)，即看到3個(gè)接線端，分別對(duì)應(yīng)地線（與外金屬殼連通）、左聲道、右聲道，將芯線與其對(duì)應(yīng)端接上，屏蔽層接地；用萬(wàn)用表R×1kΩ檔檢測(cè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，確保不短路. 芯線的另一端接上測(cè)試表筆或小鱷魚(yú)夾，用于測(cè)量幅值小于1V的信號(hào)；另一根電纜是電壓測(cè)試電纜，其L、R兩個(gè)輸入端都串接了測(cè)試保護(hù)電路（如圖2），用于測(cè)試電壓；還有一根是電流、電壓測(cè)試電纜，在插頭和L聲道測(cè)試表筆之間串入電流測(cè)試保護(hù)電路（如圖3），插頭和R聲道之間串入電壓測(cè)試保護(hù)電路（圖2），用于同時(shí)測(cè)量電流、電壓。使用中，電纜線測(cè)試端的開(kāi)關(guān)K位置應(yīng)當(dāng)先選好量程檔位再接入電路，有了測(cè)試保護(hù)電路，不會(huì)損壞聲卡。

圖2 電壓測(cè)試保護(hù)電路 圖3 電流測(cè)試保護(hù)電路

3.聲卡示波器演示《電子技術(shù)》教學(xué)實(shí)驗(yàn)舉例

3.1演示整流電路波形

圖4 錄音控制面板

將電壓測(cè)試電纜的插頭插入計(jì)算機(jī)背后的聲卡技術(shù)輸入插口中，打開(kāi)計(jì)算機(jī)錄音屬性控制窗口（程序—附件—娛樂(lè)—音量控制—屬性—選項(xiàng)—錄音—確定） 如圖4，把控制面板下面線路輸入Line In的靜音方框內(nèi)的鉤去掉（點(diǎn)擊即可），有的老機(jī)型、老系統(tǒng)的錄音控制面板下面的是選擇方框，則應(yīng)當(dāng)在線路輸入Line In下面的選擇方框內(nèi)打鉤（點(diǎn)擊）。然后用電壓測(cè)試電纜的L聲道輸入（測(cè)試端開(kāi)關(guān)撥在10V位置）橋式整流電路的輸出電壓，點(diǎn)擊X1，調(diào)節(jié)L聲道增益，即顯示出很大的橋式整流波形。對(duì)于半波、倍壓整流電路的波形，只要將L聲道輸入端接入相應(yīng)的整流輸出電壓即可演示。

3.2演示共發(fā)射極放大器工作原理

圖5 共射放大器vi 、vo的波形

電壓測(cè)試電纜的L聲道測(cè)試探頭（K撥在1V位置）接到放大器輸入端（共發(fā)射極放大器演示電路略），R聲道電壓測(cè)試探頭（K撥在10V位置）接放大器輸出端。鼠標(biāo)點(diǎn)擊X1X2按鈕，使示波器工作于雙蹤狀態(tài)，調(diào)節(jié)信號(hào)源和示波器兩個(gè)通道的增益，使之輸出頻率約400Hz、幅度約30mV左右的正弦信號(hào)（藍(lán)色波形線）且輸出波形（黑色波形線）無(wú)失真。非常直觀地顯示出輸出電壓vo與輸入電壓vi反相，而且vo>>vi，形象地展示出共發(fā)射極放大器的放大原理，其波形如圖5所示。而后分別調(diào)整放大器的工作電流IC偏大和偏小，觀察輸出電壓的飽和失真（波形底部被削波）和截止失真（波形頂部被削波）；在此基礎(chǔ)上還可以繼續(xù)演示，只有設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)才能獲得最大不失真輸出電壓的道理。

可以用聲卡示波器進(jìn)行演示的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)很多，在重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容的教學(xué)中用聲卡示波器進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)的方法，和學(xué)生一起實(shí)驗(yàn)、觀察、分析，可取得讓學(xué)生普遍滿意的教學(xué)效果。

另外，利用聲卡示波器的X1X2雙蹤工作方式還可以演示電壓電流的相位差等電工基礎(chǔ)演示實(shí)驗(yàn)以及一些物理演示實(shí)驗(yàn)；利用聲卡的Mic輸入插口和虛擬示波器軟件內(nèi)的頻率計(jì)，可方便地較準(zhǔn)確地演示聲波的波形、頻率以及其它電信號(hào)的波形頻率； 利用其提供的萬(wàn)用表功能可以演示測(cè)量電阻、電容、電感和交流電的有效值；利用其保存屏幕功能保存的各種波形的圖片，可以直接插到電子教案或教學(xué)課件中。

總之，聲卡虛擬儀器是是測(cè)試電纜（帶聲卡保護(hù)功能）接線、聲卡示波器軟件、多媒體計(jì)算機(jī)的良好結(jié)合，是《電子技術(shù)》等課程的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的得心應(yīng)手的高級(jí)演示儀器，使用“聲卡虛擬儀器”進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)也將成為演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新型高效的技術(shù)手段，必將不斷推廣與不斷完善，為不斷地提高《電子技術(shù)》課程的教學(xué)質(zhì)量而發(fā)揮積極的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王美剛，牛昱光.基于聲卡的虛擬示波器[J].儀器儀表用戶，2006（2）：69-70.

[2]胡合松，胡榮強(qiáng).基于VC++的虛擬聲卡示波器設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2006（5）：58-61.

[3]張微.基于Lab VIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì)[J].科技資訊，2006（12）：56-57.