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基于声卡的数据采集器及其在物理教学中的应用


□ 王珍宁 吴先球 胡颖舒 陈俊芳

  数据采集器应用于物理实验是物理教学发展的方向。利用数据采集器做实验,可以节省记录数据、处理数据所用时间,从而有更多的时间去探究。另外,数据采集器在做可见度小、显示瞬间变化的物理实验时具有极大的优势,能定量验证并配合图线展示实验变化过程,是传统实验仪器无法实现的。但是数据采集器一般比较昂贵,给其在物理实验中的普及带来了一定的困难。为满足物理教学的需要,在LabVIEW环境下,笔者研制了一套基于声卡的数据采集器。它具有成本低、兼容性好、通用性和灵活性强的优点。使用者只需在计算机上安装用户程序,就可以将其作为音频范围内良好的数据采集器供物理教学使用。
  
  一、LabVIEW简介
  
  LabVIEW是美国国家仪器公司的基于图形化编程G语言的开发环境,拥有功能强大的函数库,包括数值采集、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。采用旋钮、开关、波形图等构造用户界面,人机交互界面友好。LabVIEW函数库中Sound Input子模板提供了数字声音记录的节点,可以通过声卡采集外部数据。包括以下节点。
  SI Config节点:用于设置声卡的参数。如模数转换器缓存区大小、采样速率、采样通道(单通道或双通道)、样本位数(8位或16位)。
  SI Start节点:用于通知声卡开始采集输入的数据。
  SI Read节点:从缓存区读取数据。
  SI Stop节点:用于通知声卡停止采集数据。
  SI Clear节点:关闭声音输入设备,释放占用的计算机资源。
  
  二、用基于声卡的数据采集器演示音叉简谐振动波形
  
  用声卡作为数据采集设备,可以组成一个低成本高性能的数据采集器,并通过计算机对结果进行分析。利用LabVIEW中的数字声音记录节点,可以研制基于声卡的数据采集器,其采样速率为44.1kHz,缓存区大小为32768字节,采样位数为16位,适合物理教学的需要。
  
  1.数据采集器用户界面
  该数据采集器的用户界面参考了示波器的旋钮设计,如图1所示。各部分的功能如下。
  (1)显示屏:用于显示声卡采集的信号波形。水平方向和垂直方向上各有10个格,每个格又分5个小格。通过显示屏下方的滚动条可以查看未显示的波形。
  (2)采集数据按钮:按下此按钮,可退出数据采集系统。
  (3)暂停按钮:按下此按钮,可暂停信号采集,方便用户仔细观察显示屏上的波形。
  (4)存盘路径设置文本框和保存按钮:用户可在文本框中指定保存文件的位置,点击保存按钮,以文本文件的格式存储数据。
  (5)声道选择:只观测左或右声道信号时,选择器置于“左”或“右”。“左和右”用于同时显示两声道采集的信号。“左加右”和“左减右”用于显示两通道信号相加和相减后的波形。
  (6)左、右声道幅值:用于显示左、右声道的电压幅值。
  (7)游标(Cursor):如显示屏中的横线所示,通过游标的读数,可以准确地读出游标所指的格数。
  (8)时间分度旋钮:可以选择显示屏中时间轴上每格所代表的时间。
  (9)左、右声道电压分度旋钮:可以选择显示屏中时间轴上每格所代表的电压值。
  (10)位置调节旋钮:调节左、右声道采集到的波形在水平和垂直方向上的位置。
  
  2. 数据采集
  (1)制作测试电缆
  使用前,需要制作一根测试电缆用于输入信号。方法是用一个立体声插头,接一段1~2m长的三芯屏蔽线,分别对应立体声插头的地线、左声道、右声道,构成测试电缆。电缆的另一端接上三个鳄鱼夹。
  (2)配置声卡
  为确保数据采集器正常工作,要正确设置声卡:送入基于声卡的数据采集器的信号若为电信号,通过线路输入插孔输入,在音量控制面板的录音属性中选择“线路输入”一项;若为声音信号,通过麦克风插孔输入,在录音属性中选择“麦克风”一项。输入电压不能超过声卡的承受范围,以免损坏声卡,一般为-1V~+1V。若测量的信号超过此范围,可先将信号衰减。
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