聲卡和Matlab的虛擬信號發(fā)生器的工作原理

聲卡從話筒中獲取聲音模擬信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，將聲波振幅信號采樣轉(zhuǎn)換成一串數(shù)字信號，存儲到計算機中。重放時，這些數(shù)字信號送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，以同樣的采樣速度還原為模擬波形，放大后送到揚聲器發(fā)聲，這一技術(shù)稱為脈沖編碼調(diào)制技術(shù)(PCM)。作為多媒體計算機系統(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，他同時具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，經(jīng)濟方便，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［1，2］。Matlab是一個數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強大的工程實用軟件，他的數(shù)據(jù)采集工具箱（dataacquisitiontoolbox）為實現(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)計與實現(xiàn)

1.1系統(tǒng)實現(xiàn)原理

通常PC機配置的聲卡提供了麥克風輸入和揚聲器輸出2個接口，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。

只需要用音頻線將軟件系統(tǒng)產(chǎn)生的信號由線性輸出（lineout）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機就可以滿足要求實現(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)和命令來實現(xiàn)實時模擬信號的輸出，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.

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設(shè)備對象。

ao=analogouput（'winsound'）

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)境中的一個模擬輸出設(shè)備對象句柄。winsound為聲卡設(shè)備驅(qū)動程序。

(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：

chan=addchanel(ao,ch)

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)啟動并觸發(fā)聲卡設(shè)備操作

當完成輸出數(shù)據(jù)操作后，并沒有真正輸出數(shù)據(jù)，必須啟動聲卡，才能對外輸出信號，啟動并觸發(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

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現(xiàn)聲卡輸出功能的命令和函數(shù)，利用Matlab和聲卡設(shè)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，無需添加任何其他設(shè)備，價格十分便宜。雖然聲卡的設(shè)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，但這已完全能滿足產(chǎn)生基本信號源的要求。在本設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過進一步的Matlab編程或硬件上的改進和擴展，可以實現(xiàn)一些常規(guī)儀器設(shè)備不能產(chǎn)生的信號，這在實際應(yīng)用中具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

信號輸出完成后，聲卡設(shè)備仍然保留在計算機系統(tǒng)中，若不將聲卡設(shè)備停止并刪除，計算機系統(tǒng)中仍會保留該設(shè)備，在下次啟動虛擬信號發(fā)生器系統(tǒng)時將會發(fā)出聲卡設(shè)備仍然在使用的錯誤信息。