论文总字数：15216字

目 录

第1章 绪 论 5

1.1课题意义与背景 5

1.2国内外研究现状 6

1.2.1国外虚拟仪器研究现状 6

1.2.2国内虚拟仪器研究现状 6

第2章 虚拟仪器技术概述 7

2.1虚拟仪器简介 7

2.2虚拟仪器特点 7

2.3虚拟仪器控制系统的组成 8

2.4基于LabVIEW程序介绍 8

2.5基于LabVIEW的虚拟音频分析仪介绍 8

第3章  系统的信号采集  9

3.1声卡的背景   9

3.2声卡信号采集的实现  10

3.3 PC声卡配置 10

第4章  软件的设计及实现  11

4.1虚拟频谱分析仪的设计要求 11

4.2虚拟信号分析仪登陆软件设计  11

4.2.1用户登陆前面板设计 11

4.2.2用户登陆后面板设计 12

4.2.2.1用户信息判断程序 13

4.3音频信号采集分析前面板 14

4.3.1音频信号采集前面板设计 14

4.3.2音频信号分析和处理设计 15

4.3.2.1音频信号的回放与滤波 16

4.3.2.2音频信号的相位谱与幅度谱 16

4.3.2.2信号的幅度谱与相位谱 16

4.4音频信号处理后面板 17

4.4.1频谱测量 17

4.4.2巴特沃斯滤波 18

4.4.3快速傅里叶变换 19

4.5 信号分析模块 19

第五章系统联调 20

5.1登录界面调试 20

5.2音频分析调试 21

第六章 总结 22

参考文献 23

致谢 23

基于LabVIEW的虚拟音频分析仪设计

宋志炎

摘要：21世纪是高度信息化的时代，也是一个竞争日益激烈的时代，各种新兴产业也迅速崛起，虚拟仪器产业也应运而生。传统仪器的开发基于硬件基础，所以仪器的开发周期相对较长，难以率先抢占仪器用户的市场。虚拟仪器这一概念的提出完美的解决了这个问题，而虚拟仪器是以软件为开发基础的，研发周期短。虚拟仪器由于结构、形式的多样性，因此其适用的领域也广泛，可以确定的是虚拟仪器技术会成为新世纪自动测试与电子测量技术重要的发展方向。

本论文以普通计算机声卡采集被测音频信号，在LabVIEW环境下设计一个虚拟音频信号分析仪，要求其采样精度高，采样频率适中。可以准确的采集到声卡频率范围之内的信号，对采集到的信号进行基本的信号分析、波形回放、示波器测量功能和频谱分析功能。由于其简单便捷的操作，使其能满足绝大多数用户的实际测量需求。系统的结构多样，具有良好的扩展性，可推广到语音识别，噪声检测等方面，有良好的发展前景。

关键词: LabVIEW，计算机声卡，虚拟频谱分析仪

The Design of Virtual Audio Analyzer Based on LabVIEW

Song Zhiyan

Nanjing University of Information Scienceamp;Technology, Nanjing,21004,China

Abstract:The 21st century is an era of high informatization, and it is also an era of increasingly fierce competition. All kinds of emerging industries are emerging rapidly, and the virtual instrument industry has emerged. The development of traditional instruments is based on the hardware foundation, so the development period of the instrument is relatively long and it is difficult to preempt the market of the instrument users. The concept of virtual instrument solves this problem perfectly, while the virtual instrument is based on software, and the research and development cycle is short. Virtual instrument is due to the diversity of structure, forms, therefore its applicable field widely, virtual instrument technology will become the new century can be determined automatically test and important development direction of electronic measurement technology.

In this paper, a virtual audio signal analyzer is designed in the LabVIEW environment to collect the audio-frequency signal, and it is required to have high sampling accuracy and moderate sampling frequency. It can accurately collect signals within the frequency range of the sound card, and perform basic signal analysis, waveform playback, oscilloscope measurement function and spectrum analysis function for the collected signals. Because of its simple and convenient operation, it can satisfy the actual measurement needs of most users. The structure of the system is diverse, with good expansibility, which can be extended to speech recognition, noise detection and other aspects, and has good development prospects.

Key words: LabVIEW,Computer sound card, Virtual spectrum analyzer.

第1章 绪 论

1.1课题意义与背景

传统桌面频谱分析仪只有一个输入输出接口和一个仪器操作面板，可以显示波形和测量参数。用户想要通过传统仪器实现其测量函数的功能，需要增加许多额外工具，这不仅会大大增加研究经费，还会增加许多不必要的麻烦，不利于研究的进展。实际测量时对于测量精度的要求较高，传统仪器不能满足其精度要求。除上述所述的缺陷之外，传统的频谱分析仪的体积相对较大，没有匹配计算机的接口，制作所需的成本也较高，这就大大增加了系统的开发成本。

虚拟仪器技术这一概念的提出，为自动测量和控制领域带来全新的、更加有发展前景的方向。虚拟仪器技术创新性的把软、硬件平台相结合，为嵌入式开发设计、自动化工业控制提供了一种新的解决方案。用户可以利用虚拟仪器提供的图形化开发软件，根据自身需求创建解决方案，大大提高了工作效率。

本次设计是利用LabVIEW软件设计出简单的频谱分析仪，结合LabVIEW软件平台的特性对仪器进行相应的编程，能够对信号进行采集分析处理。整个系统由音频信号采集、音频信号滤波器和波形频谱分析三部分组成。为此需要掌握基础LabVIEW编程，了解前面板以及图形化模块的功能，要求设计出的系统能够采集音频信号，并对采集到的信号进行滤波、回放、频谱分析、加窗等一系类功能。

本次设计利用PC的声卡与外接麦克风组合代替数据采集卡采集到外界的声音信息，再利用LabVIEW模块化编程技术和计算机的信息处理能力实现对音频信号的采集、回放、滤波、频谱分析、加窗、存储等功能。

1.2 国内外研究现状

1.2.1国外虚拟仪器研究现状

国外仪器行业早在上世纪八十年达就展开了虚拟仪器的研究，并于九十年代开始了传统仪器到虚拟仪器的过渡。虚拟仪器思想的出现在计算机和网络技术领域掀起了一场大变革。虚拟仪器创造了“软件即仪器”的思想[1]。

   从1990年初开始，国际仪器市场上虚拟仪器产品的数量大大增加，越来越多的仪器公司开始转向虚拟仪器市场。市面上主流虚拟仪器产品有数千款，占据了自动测控仪器的一半，虚拟仪器开始步入飞速发展的新时代。

1.2.2 国内虚拟仪器研究现状

虚拟仪器技术是一个综合化的电子测量和控制技术，它在近些年不断发展和完善。中国的虚拟仪器产业的基础薄弱，由于缺乏必要的硬件以及软件知识储备的不足，国内虚拟仪器研发进展缓慢，直到90年代中期，虚拟仪器的概念才被引进到中国计算机行业。

在过去的几年中，虚拟仪器系统已经进入我国一些高校的实验室，并且开发了一批新的虚拟仪器用于研究和教学。国家自然科学基金委员会（NSFC）也把虚拟仪器研究作为现代工程的尖端专业之一，列入“十五”期间优先资助研究项目。目前有些研究已取得不错的进展，“一体化虚拟仪器”就是一种我国自主研发的不同于欧美虚拟仪器的全新技术。这表明，我们在虚拟仪器技术研发方面开辟了一条新的道路[2]。 

我国国民经济的飞速发展,推动了企业产业技术革新,以自动化测量、控制为核心的企业对于先进的仪器和设备的需求大大增加,并且随着近几年个人计算机的快速普及，也为虚拟仪器在我国的普及提供了好的发展环境。

国内许多高校都已开展了虚拟仪器的研究和教学，美国国家仪器公司（NI）也于 2006 年在中国高校推广虚拟仪器技术，并且将其列入了战略发展规划，这标志着虚拟仪器技术在我国也进入了一个快速发展的新时代[3]。

第2章 虚拟仪器技术概述

2.1 虚拟仪器简介

LabVIEW与传统的编程语言相比，其特点在于通过图形语言编程，程序不是由代码形成的，而是由具有各种功能模块的功能所组成。包括优化网络，数据收集网络、现场检查、监测网络,同时确保与客户的沟通和互动,了解客户对于网络优化的需求和建议[4]。

虚拟仪器一般是基于高性能硬件集成与高效、高灵活性的软件控制，从而实现系统的测试、测量和自动控制。模块化硬件作为基础，具有仪器的优势，提供了完整的集成系统，具有高效、灵活、标准的软件控制，有利于用户创建自己的用户界面以满足实际需求系统[5]。

虚拟仪器相较于传统仪器有更高的工作效率，而且其使用方法也更加简单，功能也更加强大，性价比高，同时虚拟仪器还具有良好的可操作性，具体体现在如下三个方面[6]：

1. 极强的处理能力；
2. 重复性强,灵活性更大、效率更高、开放性更强、成本也更加低廉；
3. 操作更为简单,使用者更容易理解、处理后的数据结果存储在数据库中，根据用户需要随时调用，处理方便。

2.2 虚拟仪器特点

软件是虚拟仪器的核心。如图2.2所示：

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