基于聲卡和Matlab的虛擬信號發(fā)生器

　　聲卡作為多媒體計算機系統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轉換功能，經(jīng)濟方便，目前已經(jīng)被廣泛應用于數據采集和虛擬儀器系統的設計［1，2］。Matlab是一個(gè)數據分析和處理功能十分強大的工程實(shí)用軟件，他的數據采集工具箱（data acquisition toolbox）為實(shí)現數據的輸入和輸出提供了十分方便的函數和命令，利用這些函數和命令可以很容易地實(shí)現對外部物理世界的信號輸出和輸入。根據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(shí)現
1.1系統實(shí)現原理
　　通常PC機配置的聲卡提供了麥克風(fēng)輸入和揚聲器輸出2個(gè)接口，他集成了信號輸入/輸出需要 的模/數轉換器（ADC）和數/模轉換器（DAC），因此，利用Matlab軟件產(chǎn)生的各種虛擬信號通過(guò)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(shí)現虛擬信號發(fā)生器的系統結構如圖1所示。

　　圖1中，只需要用音頻線(xiàn)將軟件系統產(chǎn)生的信號由線(xiàn)性輸出（line out）接口引出，就可以通過(guò)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(mǎn)足要求實(shí)現虛擬信號的輸出，系統結構簡(jiǎn)單方便。

1.2基于Matlab的信號發(fā)生器的實(shí)現方法
　　Matlab的數據采集工具箱（DAT）提供了一系列的函數和命令來(lái)實(shí)現實(shí)時(shí)模擬信號的輸出，通過(guò)調用這些函數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(guò)程如圖2所示。

　　Matlab的數據采集工具箱提供的控制聲卡輸出模擬信號的主要函數和命令如下：

　　(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(guān)，而是通過(guò)對該 對象的操作來(lái)作用對象，所以，首先要為聲卡建立一個(gè)設備對象。Matlab建立設備對象的函數如下：
　　
　　analogouput（）為模擬輸出設備對象建立函數，通過(guò)該函數將聲卡映射為Matlab環(huán)境中的一個(gè)模擬輸出設備對象句柄。winsound為聲卡設備驅動(dòng)程序。

　　(2) 添加數據輸出通道操作
　　Matlab中用于添加數據輸出通道操作的函數為addchannel，其函數格式如下：
　　?
　　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) 輸出數據操作
　　Matlab中用于輸出數據操作的函數為putdata，其函數格式如下：
　　putudata(ao,data)
　　其中：data為所需要輸出的數據。

　　(4) 啟動(dòng)并觸發(fā)聲卡設備操作
　　當完成輸出數據操作后，并沒(méi)有真正輸出數據，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中，若不將聲卡設備停止并刪除，計算機系統中仍會(huì )保留該設備，在下次啟動(dòng)虛擬信號發(fā)生器系統時(shí)將會(huì )發(fā)出聲卡設備仍然在使用的錯誤信息。從系統中停止和刪除聲卡設備操作的命令分別如下：
　　?

2應用實(shí)例
　　利用Matlab的數據采集工具箱和圖形用戶(hù)接口［3］可以方便地通過(guò)設計的界面控制輸出信號的幅度、頻率、寬度等參數，并可以用示波器直接觀(guān)測，圖3為虛擬信號發(fā)生器系統的主界面，可以用來(lái)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(lái)說(shuō)明利用Matlab和聲卡輸出三角波信號的具體軟件實(shí)現 方法。三角波信號發(fā)生器的參數設置界面如圖4所示，他除了可以用于參數設置外，還可以顯示輸出信號的模擬波形。

?

　　采用Matlab實(shí)現的具體程序如下：
　

3結語(yǔ)
　　Matlab的數據采集工具箱和圖形用戶(hù)接口提供了十分簡(jiǎn)便的實(shí)現聲卡輸出功能的命令和函數 ，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(wú)需添加 任何其他設備，價(jià)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(mǎn)足產(chǎn)生基本信號源的 要求。在本設計的基礎上，通過(guò)進(jìn)一步的Matlab編程或硬件上的改進(jìn)和擴展，可以實(shí)現一些 常規儀器設備不能產(chǎn)生的信號，這在實(shí)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(ài)瓊. Matlab中基于聲卡的虛擬儀器動(dòng)態(tài)數據分析儀［ J］.長(cháng)沙交通學(xué)院學(xué)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(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