CN102096056A - 自动校准声卡示波器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供自动校准声卡示波器的方法，该方法包括：利用电脑的声卡作为声卡示波器的数据采集卡，所述声卡的麦克风插口作为数据采集输入端；在所述声卡的麦克风音量发生变化之后，所述声卡示波器根据公式计算出在当前麦克风音量值下所述声卡示波器的量程v_lc，并调整显示画面的每格刻度，以正确显示输入的采集信号的波形值，并且包括了一种简单的标定方法，改进了以往传统声卡虚拟示波器的难以校准的缺点。

Description

自动校准声卡示波器的方法

【技术领域】

本发明是涉及虚拟示波器领域。特别是关于一种能够自动校准声卡示波器的方法。

【背景技术】

随着计算机技术和虚拟仪器技术的不断发展，虚拟仪器逐渐成为现代仪器的一个发展方向，它的核心思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度降低系统成本，增强系统的功能和灵活性。目前大部分虚拟仪器都是基于商用的数据采集卡作为硬件平台，但是整个系统价格昂贵，并且在一些具体的应用场合有些功能可能并不实用。作为多媒体计算机的一个标准配置的音频信号采集系统-声卡，其数字信号处理系统包括模数装换其A/D和数模信号转换器D/A，能够实现模拟信号的采集和输出，因此基于声卡的虚拟仪器具有成本低、通用性好和灵活性高的优点，现在已经有基于声卡的虚拟示波器、虚拟万用表和虚拟频谱分析仪。

但是现有的声卡示波器要么没有校准的功能，只能大致查看波形；要么标定校准的条件比较苛刻，比如需要标准的信号发生器和示波器；要么就是标定校准之后，当麦克风音量变化之后又得重新标定校准。

【发明内容】

本发明的目的在于提供自动校准声卡示波器的方法，其可以通过简单的操作完成以往声卡虚拟示波器的标定校准的难点问题。

本发明所采用的技术方案为：

利用电脑的声卡作为声卡示波器的数据采集卡，所述声卡的麦克风插口作为数据采集输入端；

在所述声卡的麦克风音量发生变化之后，所述声卡示波器根据公式

$V_{\mathrm{lc}}=\frac{\sqrt{2}{\mathrm{Vol}}_0{V}_{\mathrm{rms}}{N}_{\max }}{{\mathrm{VolN}}_0}$

计算出在当前麦克风音量值下所述声卡示波器的量程V_lc，并调整显示画面的每格刻度，以正确显示输入的采集信号的波形值；

其中Vol是代表当前的麦克风音量值，V_rms是输入标准信号时测得的标准信号的电压有效值，Vol₀是输入标准信号时的麦克风音量值，N₀是输入标准信号时所述声卡示波器采集到的信号数据的最大值减去最小值得出的数值所得的差，N_max是所采用声卡的量程。

进一步地、前述标准信号是由前述电脑中的信号发生器产生。

进一步地、前述电脑中的信号发生器是由软件产生。

进一步地、前述标准信号为固定频率的正弦波信号。

进一步地、前述输入麦克风插孔的标准信号是由前述电脑声卡的耳机插孔输出的前述电脑中信号发生软件产生的标准信号。

进一步地、在测量前述N₀时，是将所述耳机插孔输出的标准信号通过音频线输入到麦克风插孔，通过声卡示波器采集到的所述标准信号的信号数据的最大值减去最小值得出的数值所得的差。

进一步地、前述V_rms是通过万用表的交流电压档测量所述耳机插孔输出的标准信号得出的标准信号的有效值。

进一步地、所述声卡采用的是16位声卡，其量程N_max为65535。

进一步地、前述Vol和前述Vol₀都是由声卡示波器从前述电脑自动实时获得的数据。

本发明利用数字万用表和虚拟信号发生器、通过简单的标定校准方法改进了以往传统声卡虚拟示波器的难以校准的缺点。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1，其示出了本发明中采用的声卡的正常工作原理图。

图2，其示出了本发明自动校准的声卡虚拟示波器的工作原理图。

图3，其示出了本发明中标定时的硬件连接图。

图4，其示出了本发明中标定校准的方法流程图。

图5，其示出了麦克风音量控制电路的结构示意图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。很显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不脱离本发明本质和精神的情况下所获得的所有其他实施例，都属于本发明公开和保护的范围。

信号采集是工程中信号分析和处理的前提，通常采用数据采集卡来完成，数据采集卡一般包括多路开关、放大及采样保持、A/D转换、计算机I/O接口等部分，性能比较完善，但价格比较昂贵。而对于PC机而言，声卡几乎是最常见的配置了，甚至许多主板就集成了声卡。声卡的高、低档之分主要是在于声音的回放效果上，比如对三维立体声、环绕效果、多声道、复音、杜比、硬波表等的支持，但是基本都具有信号滤波、放大及采样保持、A/D和D/A转换等功能，这些功能与数据采集卡相当，常用声卡可对音频信号实现双声道16位、高保真的数据采集，最高采样率可达44.1kHz，具有较高的采样频率与精度，对于许多科学实验和工程测量来说，声卡对信号的量化精度和采样率都是足够高的，完全可以作为数据采集卡来使用，在使用声卡作为数据采集卡时，主要关注的是声卡的录制效果，即采集通路数、采样频率、采样位数，以及输入信号的规格。

PC中的常用声卡特性为：

采集通路数：声卡支持单路、双路采集；

采样频率：声卡支持的标准采样频率有：8000，11025、22050、44100(每秒)；

采样位数：声卡支持的采样位数一般为8位，16位。

在本发明的一个实施例中采用了可对音频信号实现双声道16位、高保真的数据采集，最高采样率可达44.1kHz的AC97声卡作为数据采集卡，PC机的显示器作为显示设备，并结合软件构成基于声卡的虚拟示波器。所述声卡的外部接口有：线路输入(Line-in)、扬声器(SpeakerOut)、麦克风(Microphone)、游戏端口(GamePort)。Line-in和Microphone两者均可作为信号输入端口。显然，由声卡作为数据采集卡设计的示波器所能接受的信号变化范围应适应Line-in或microphone端口的信号变化范围。

请参阅图1所示，其示出了本发明中采用的声卡的正常工作原理图。本发明采用的声卡10包括信号前置处理模块11、数据输入缓冲区模块12、数字信号处理模块12、数据输出缓冲区模块14和D/A波形重建模块15。当通过Line-in接口或者Microphone接口输入的模拟声信号经过所述信号前置处理模块11及A/D转换后变成数字信号，送入数据输入缓冲区模块12，然后数字信号处理模块12通过各种数字信号处理的方法对数据输入缓冲区模块14的数据进行处理，完成声音消噪、音效处理、声音合成等功能，最后把处理好的数据保存在数据输出缓冲区14里，通过D/A波形重建模块15送到扬声器(SpeakerOut)输出接口完成声音播放，同时对于不同的扬声器可能还有功放芯片完成功率放大功能。

请参阅图2所示，其示出了本发明中可自动校准的声卡虚拟示波器的工作原理图。

本发明采用了声卡作为数据采集卡，PC机显示器作为显示设备，配合软件形成了可自动校准的声卡虚拟示波器20，其包括数据采集模块21、信号前置处理模块22、数据输入缓冲区23、数字信号处理模块24、数据输出缓冲区25、自动校准模块26和波形显示模块27，所述数据采集模块包括测试线、微型计算机(PC)的声卡上的麦克风(MIC)接口和线路输入(Line-in)接口，其中麦克风接口和线路输入接口都可以做为输入接口，在下面的讲解中，都以麦克风接口作为输入接口来讲解，当线路输入接口作为输入接口时，与其类似，不再累述。测试线(一根输入，一根输出，它实际上就是立体声音频线)的制作方法是：将立体声插头旋开，可以看到3个接线柱，分别对应地线、左声道、右声道，将三芯屏蔽线对应端接上，屏蔽层接地；用万用表检测对应关系，确保不短路。三芯屏蔽线可以接上鱼夹、表笔等，以便测量。然后另外一头接在微型计算机(PC)的声卡上的麦克风(MIC)接口和线路输入(Line-in)接口，为保证测量的安全，应了解电脑上声卡的一些参量，如输入范围和输出范围(一般声卡为1V AC)；若要输入更大信号，应将信号衰减后输入，否则会损坏声卡。所述信号前置处理模块22包括微型计算机(PC)上声卡的信号前置处理模块，主要是将模拟信号转化为数字信号，即A/D转化器。在本发明的实施例中，其是以44.1kHz的采样率工作的。所述数字信号处理模块24，是通过微型计算机(PC)上的声卡中的DSP音频处理芯片来进行数据处理。所述数据输入缓冲区23和数据输出缓冲区25都是微型计算机(PC)上的声卡中的数据缓冲区。所述波形显示模块27是利用微型计算机(PC)上的显示设备。所述声卡虚拟示波器还包括虚拟信号发生器模块。

当通过数据采集模块21输入的模拟信号经过所述的信号前置处理模块22及A/D转换后变成数字信号，送入数据输入缓冲区23，然后数字信号处理模块24通过各种数字信号处理的方法对数据输入缓冲区模块14的数据进行处理，完成滤波，合成等功能，最后把处理好的数据保存在数据输出缓冲区25里，在波形显示模块27提取数据输出缓冲区25里的数据完成波形显示前，自动校准模块将检查标定的刻度是否正确，不正确时，马上修改再显示。

所述的自动校准需要首先进行标定，即在第一次使用时，对示波器的量程和刻度做标定。标定时的方法多种多样，传统的方法是采用标准的信号发生器发出一个标准信号输入到虚拟示波器里来进行标定，在本发明中，采用的是虚拟信号发生器产生的标准信号来进行标定，具体的标定方法如下：

请继续参考图3，其示出了本发明中标定时的硬件连接图。

用一根两头都是3.5mm插头的音频线连接耳机输出插孔和麦克风插孔(或者是Line-in插孔)。

请继续参考图4，其示出了本发明中标定校准的方法流程图。该方法步骤为：

步骤410，首先通过虚拟信号发生器输出一个固定频率(如：1kHz)的正弦波，通过耳机插孔输出，

步骤420，再通过音频线输入到麦克风输入插孔。

步骤430，这时在软件示波器界面上可以看到采集到正弦波波形，调节输出音量，使得采集到的波形没有发生饱和失真。

步骤440，然后把音频线从麦克风输入插孔拔出，用数字万用表交流电压档测试输出的电压值，该值就是正弦波的有效值V_rms。

步骤450，然后把音频线再插入到麦克风输入插孔，同时把该V_rms值输入到软件的校准程序中，点击设定按钮，即可实现自动校准。

上述方法的特点在于通过虚拟信号发生器产生一个固定频率的正弦波，省略去了传统标定方法时需要标准信号发生器的局限，又使用了数字万用表来获得正弦波的有效值V_rms，结合前面已知的频率，就可以通过计算获得波形相关的所有参数来对示波器进行标定，例如通过V_rms可以计算出正弦波的峰值V_pp：

$V_{\mathrm{pp}}=\sqrt{2}\mathrm{Vrms}---1-1$

其他参数的计算不再累述，但是这样是在麦克风音量值不变的情况下解决了标定问题，为了麦克风音量值改变时不需要再标定，还需要自动校准。所述的自动校准原理是：

首先考虑在麦克风音量值不变的情况下，当给麦克风插孔输入一个已知幅度V_pp的正弦波，由于此时采集到的数值N₀(N₀是软件采集到的正弦波的数据的最大值减去最小值得出的数值)与输入信号的电压值V_pp是一一对应的，而且是线性的，因此可以确定采集的信号数值N₀与输入信号电压值V_pp之间的比例系数K。当变换测量任意输入电压V时，软件上显示的测量值为N，则根据公式1-1即可确定输入电压的值V：

$K=\frac{V_{\mathrm{pp}}}{N_0}=\frac{V}{N},V=\mathrm{KN}---1-2$

由于16位声卡的量程即声卡的分辨率是65535，即上面式子中N最大的取值范围为0～65535，当N＝65535时，V就是所述声音虚拟示波器的所能测量的最大电压值，就是所述虚拟示波器的量程，知道量程之后，就可以计算出示波器上每格所代表的电压值。所以由1-2可以容易的得到下面的结果：

$K=\frac{V_{\mathrm{pp}}}{N_0}=\frac{V_{\max }}{N_{\max }},$ N_max＝65535，V_max＝KN_max

                                 1-3

其中V_pp是通过Vrms算出来的正弦波峰值；N₀是软件采集到的正弦波的数据的最大值减去最小值得出的数值；N_max是声卡的量程，16位声卡为65535；V_max是在当前麦克风音量值不变的情况下所述声卡虚拟示波器的量程。

然后考虑麦克风音量值变化的情况，由于信号通过麦克风插孔输入之后，还要经过麦克风音量控制电路，可参考图5，其示出了麦克风音量控制电路的结构示意图。因此相同大小的输入信号对于不同的音量值来说声卡采集到的数值是不同的。当麦克风音量值改变之后，之前标定的K会发生变化，必须重新标定。在图5中，输入的电压是V，但是通过音量控制电路后，声卡A/D转换器接收到的实际电压为V_s，我们在此引进麦克风音量百分比因子M，所述声卡的音量最大值Vol_max，和实时的音量值Vol。显然的，有下列关系：

$\frac{V_s}{V}=\frac{\mathrm{Vol}}{{\mathrm{Vol}}_{\max }}=M---1-4$

每块声卡A/D转换器所能测量的电压量程是固定的，假设这个固定的电压量程是V_sm，在标定时的音量值是Vol₀，即麦克风音量百分比因子是M₀，则结合1-3和1-4能够得到以下结果：

$V_{\mathrm{sm}}=M_0{V}_{\max }=\frac{{\mathrm{Vol}}_0{V}_{\max }}{{\mathrm{Vol}}_{\max }}=\frac{{\mathrm{Vol}}_0{\mathrm{KN}}_{\max }}{{\mathrm{Vol}}_{\max }}=\frac{{\mathrm{Vol}}_0{V}_{\mathrm{pp}}{N}_{\max }}{{\mathrm{Vol}}_{\max }{N}_0}=\frac{\sqrt{2}{\mathrm{Vol}}_0{V}_{\mathrm{rms}}{N}_{\max }}{{\mathrm{Vol}}_{\max }{N}_0}---1-5$

上述公式1-5内所有的数据都是已知数据，即可以明确知道所使用声卡的A/D转换器的量程V_sm，当麦克风音量改变时，只需要知道实时的音量值Vol，就可以通过公式1-4和公式1-5获得实时的所述声卡虚拟示波器的量程V_lc：

$V_{\mathrm{lc}}=\frac{V_{\mathrm{sm}}}{M}=\frac{V_{\mathrm{sm}}{\mathrm{Vol}}_{\max }}{\mathrm{Vol}}=\frac{\sqrt{2}{\mathrm{Vol}}_0{V}_{\mathrm{rms}}{N}_{\max }}{\mathrm{Vol}{N}_0}---1-6$

所以本发明通过第一次使用时利用虚拟信号发生器发生一个固定频率的正弦波，再用一个数字万用表就可以对所述声卡虚拟示波器进行标定，然后利用1-6里的公式，就可以完成自动校准的功能，克服了以往声卡虚拟示波器的难以校准的缺点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自动校准声卡示波器的方法，其特征在于，该方法包括：

利用电脑的声卡作为声卡示波器的数据采集卡，所述声卡的麦克风插口作为数据采集输入端；

在所述声卡的麦克风音量发生变化之后，所述声卡示波器根据公式

$V_{\mathrm{lc}}=\frac{\sqrt{2}{\mathrm{Vol}}_0{V}_{\mathrm{rms}}{N}_{\max }}{{\mathrm{VolN}}_0}$

计算出在当前麦克风音量值下所述声卡示波器的量程V_lc，并调整显示画面的每格刻度，以正确显示输入的采集信号的波形值；

其中Vol是代表当前的麦克风音量值，V_rms是输入标准信号时测得的标准信号的电压有效值，Vol₀是输入标准信号时的麦克风音量值，N₀是输入标准信号时所述声卡示波器采集到的信号数据的最大值减去最小值得出的数值所得的差，N_max是所采用声卡的量程。

2.根据权利要求1所述的自动校准声卡示波器的方法，其特征在于：前述标准信号是由前述电脑中的信号发生器产生。

3.如权利要求2所述的自动校准声卡示波器的方法，其特征在于：前述电脑中的信号发生器是由软件产生。

4.根据权利要求2所述的自动校准声卡示波器的方法，其特征在于：前述标准信号为固定频率的正弦波信号。

5.根据权利要求2所述的自动校准声卡示波器的方法，其特征在于：前述输入麦克风插孔的标准信号是由前述电脑声卡的耳机插孔输出的前述电脑中信号发生软件产生的标准信号。

6.根据权利要求5所述的自动校准声卡示波器的方法，其特征在于：在测量前述N₀时，是将所述耳机插孔输出的标准信号通过音频线输入到麦克风插孔，通过声卡示波器采集到的所述标准信号的信号数据的最大值减去最小值得出的数值所得的差。

7.根据权利要求5所述的自动校准声卡示波器的方法，其特征在于，前述V_rms是通过万用表的交流电压档测量所述耳机插孔输出的标准信号得出的标准信号的有效值。

8.根据权利要求1-7任一项权利要求项所述的自动校准声卡示波器的方法，其特征在于，所述声卡采用的是16位声卡，其量程N_max为65535。

9.根据权利要求1-7任一项权利要求项所述的自动校准声卡示波器的方法，其特征在于，前述Vol和前述Vol₀都是由声卡示波器从前述电脑自动实时获得的数据。

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