MATLAB平台下声卡任意波形发生器的设计

    0 引言

    普通的信号发生器一般只产生正弦、三角和方波等规则的波形,对于特殊的波形例如抛物形、指数形则可借助于运算电路实现[1],对于更复杂的任意波形,由于波形函数未定,电路的设计方案很难确定。目前能较好实现此功能的途径是利用虚拟仪器[2]技术,其核心思想就是/软件即仪器0。系统先把波形作为数据采集下来,然后利用软件对数据进行分析和处理,最后控制硬件输出信号。在具体实现过程中,一般采用Labview软件和数据采集卡开发精度比较高的仪器[3-4]。而对于普通的系统,实现手段可以更简化。首先,用声卡替代昂贵的数据采集卡不失为一种好方法,声卡兼容性好,最高采样精度可达16位,采样频率达44100Hz,性能上完全可与一般的低端采集卡相比拟。其次,Matlab是一种数学软件,尽管在图形界面上控件不如Labview丰富,但它具有更强大的计算能力,有利于任意波形数据的分析与处理,而且它提供了音频处理函数和对声卡的控制工具,能方便地实现软硬件间的通讯。所以在MATLAB下开发声卡虚拟信号发生器,技术上更容易实现,使用性价比更高。

    1 设计原理

    1. 1 声卡工作原理

    从功能上看,声卡是一块完整的音频数据采集卡,其数字信号处理器包括模数变换器ADC (Ana-logue DigitalConverter)和数模变换器DAC (DigitalAnlogue Converter),ADC用于采集音频信号,DAC则负责将数字信号转换为能被喇叭等设备所使用的模拟信号。由于D/A转换需要一个数据锁存的过程,使得输出信号呈阶梯形的变化,这在表达高频信号的时候,会因为转换速度不够造成信号的失真。所以输出信号的准确度主要取决于D/A器件的转换位数和转换速率,D/A转换位数、速率越高,则平滑度越好。声卡在工作时是用DMA方式进行数据传送的,先把采集到的数据送到缓冲区,然后将缓冲区的数据整块读出来,所以必须预先设置采样率、数据格式、缓冲区长度等参数。

    1. 2 软件控制原理

    虚拟仪器就是通过计算机软件控制硬件进行工作的。软件首先要完成对任意波形数据的采集,借助MATLAB的数据处理函数,使要输出的任意信号图形转换为数据序列,并根据声卡采样率装配成帧即1s内的数据,若信号的频率为f,则要保证1帧内有f个波形,但帧内数据量保持不变;其次是对声卡的控制,MATLAB很多音频处理函数支持声卡的运行,其控制的方法是面向对象的,主要完成声卡的参数设置、信号输出和停止结束任务。

    1)波形数据的导入

    波形可以通过手绘或绘图软件描绘,并以图片文件格式保存,需要时可以随时调入内存,然后提取图片中的波形数据。数据提取算法如图1所示,具体实现可以描述为: