基于聲卡的數據采集器及其在物理教學中的應用

　　數據采集器應用于物理實驗是物理教學發展的方向。利用數據采集器做實驗，可以節省記錄數據、處理數據所用時間，從而有更多的時間去探究。另外，數據采集器在做可見度小、顯示瞬間變化的物理實驗時具有極大的優勢，能定量驗證并配合圖線展示實驗變化過程，是傳統實驗儀器無法實現的。但是數據采集器一般比較昂貴，給其在物理實驗中的普及帶來了一定的困難。為滿足物理教學的需要，在LabVIEW環境下，筆者研制了一套基于聲卡的數據采集器。它具有成本低、兼容性好、通用性和靈活性強的優點。使用者只需在計算機上安裝用戶程序，就可以將其作為音頻范圍內良好的數據采集器供物理教學使用。
　　
　　一、LabVIEW簡介
　　
　　LabVIEW是美國國家儀器公司的基于圖形化編程G語言的開發環境，擁有功能強大的函數庫，包括數值采集、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等。采用旋鈕、開關、波形圖等構造用戶界面，人機交互界面友好。LabVIEW函數庫中Sound Input子模板提供了數字聲音記錄的節點，可以通過聲卡采集外部數據。包括以下節點。
　　SI Config節點：用于設置聲卡的參數。如模數轉換器緩存區大小、采樣速率、采樣通道（單通道或雙通道）、樣本位數（8位或16位）。
　　SI Start節點：用于通知聲卡開始采集輸入的數據。
　　SI Read節點：從緩存區讀取數據。
　　SI Stop節點：用于通知聲卡停止采集數據。
　　SI Clear節點：關閉聲音輸入設備，釋放占用的計算機資源。
　　
　　二、用基于聲卡的數據采集器演示音叉簡諧振動波形
　　
　　用聲卡作為數據采集設備，可以組成一個低成本高性能的數據采集器，并通過計算機對結果進行分析。利用LabVIEW中的數字聲音記錄節點，可以研制基于聲卡的數據采集器，其采樣速率為44.1kHz，緩存區大小為32768字節，采樣位數為16位，適合物理教學的需要。
　　
　　1.數據采集器用戶界面
　　該數據采集器的用戶界面參考了示波器的旋鈕設計，如圖1所示。各部分的功能如下。
　　（1）顯示屏：用于顯示聲卡采集的信號波形。水平方向和垂直方向上各有10個格，每個格又分5個小格。通過顯示屏下方的滾動條可以查看未顯示的波形。
　　（2）采集數據按鈕：按下此按鈕，可退出數據采集系統。
　　（3）暫停按鈕：按下此按鈕，可暫停信號采集，方便用戶仔細觀察顯示屏上的波形。
　　（4）存盤路徑設置文本框和保存按鈕：用戶可在文本框中指定保存文件的位置，點擊保存按鈕，以文本文件的格式存儲數據。
　　（5）聲道選擇：只觀測左或右聲道信號時，選擇器置于“左”或“右”。“左和右”用于同時顯示兩聲道采集的信號。“左加右”和“左減右”用于顯示兩通道信號相加和相減后的波形。
　　（6）左、右聲道幅值：用于顯示左、右聲道的電壓幅值。
　　（7）游標（Cursor）：如顯示屏中的橫線所示，通過游標的讀數，可以準確地讀出游標所指的格數。
　　（8）時間分度旋鈕：可以選擇顯示屏中時間軸上每格所代表的時間。
　　（9）左、右聲道電壓分度旋鈕：可以選擇顯示屏中時間軸上每格所代表的電壓值。
　　（10）位置調節旋鈕：調節左、右聲道采集到的波形在水平和垂直方向上的位置。
　　
　　
　　2. 數據采集
　　（1）制作測試電纜
　　使用前，需要制作一根測試電纜用于輸入信號。方法是用一個立體聲插頭，接一段1～2m長的三芯屏蔽線，分別對應立體聲插頭的地線、左聲道、右聲道，構成測試電纜。電纜的另一端接上三個鱷魚夾。
　　（2）配置聲卡
　　為確保數據采集xIsLVBz1FZDftPpdK7npXA==器正常工作，要正確設置聲卡：送入基于聲卡的數據采集器的信號若為電信號，通過線路輸入插孔輸入，在音量控制面板的錄音屬性中選擇“線路輸入”一項；若為聲音信號，通過麥克風插孔輸入，在錄音屬性中選擇“麥克風”一項。輸入電壓不能超過聲卡的承受范圍，以免損壞聲卡，一般為－1V～+1V。若測量的信號超過此范圍，可先將信號衰減。
　　基于聲卡的數據采集器程序安裝在不同計算機上時，對于信號頻率的測量沒有影響，由波形計算出的信號頻率與真實值一致；對于信號幅度的測量，由于線路輸入（或麥克風）音量大小的不同，在使用前需要定標：輸入參考信號，調節線路輸入（或麥克風）音量大小使幅值讀數和參考信號參數一致。在以后的測量中，不必再調節線路輸入音量大小。
　　（3）演示音叉簡諧振動波形
　　音叉是物理教學中常見的教具，敲打音叉后，其將做簡諧振動。在傳統的物理教學中，教師難以對音叉做簡諧振動波形進行演示，通常只是抽象地告訴學生音叉各點在做簡諧振動，影響了教學效果。基于聲卡的數據采集器可以演示音叉做簡諧振動的圖像，并根據教學要求對波形進行適當的分析。
　　將普通的帶有麥克風的耳機插入計算機的MIC口，對聲卡進行適當的配置，運行數據采集器程序。敲打振動頻率為440Hz的音叉，學生可以通過數據采集器的屏幕看到如圖1所示的波形，并且隨著音叉聲音的減弱，該波形的振幅不斷減小。點擊面板上的暫停按鈕，能夠讓數據采集系統暫停下來，而波形沒有消失。移動游標，可以仔細分析音叉簡諧振動隨時間變化的波形。例如，從游標1（Cursor1）讀出的時間軸的讀數為27.2727，也就是2.72727格（水平方向和垂直方向上各有10個格）。從游標0（Cursor0）讀出的時間軸的讀數為49.8701，也就是4.98701格。則音叉振動一個周期是2.25974格，乘以時間分度1ms/格，可得音叉振動周期為2.25947ms，振動頻率為442.6Hz，與音叉標出的頻率基本一致。通過演示，學生對簡諧振動波形有了更深刻的認識。學生也可以敲打其他物體，觀察分析振動波形，加深對機械振動規律和振動發聲的理解。
　　在多媒體教室內，教師還可以將實驗面板投影出來，方便每個學生進行觀察、分析。學生也可以將此系統安裝在自己的電腦上，在不增加硬件成本的前提下擁有自己的數據采集器。
　　在音頻范圍內，基于聲卡的數據采集器不僅可以采集數據，還可以通過計算機強大的分析功能處理實驗數據，分析實驗結果，從而取得良好的教學效果。該數據采集器可以演示很多實驗現象，如聲音波形的演示、電磁感應現象的演示、交流電波形的演示等。教師和學生只需在計算機上安裝該數據采集器的程序，就可以在無需增加昂貴的硬件成本的前提下擁有一套性能良好的數據采集器。因此，基于聲卡的數據采集器值得在物理教學中推廣。
　　
　　參考文獻
　　
　　[1]周愛軍，馬海瑞.基于聲卡的LabVIEW數據采集與分析系統設計[J].微計算機信息（測控自