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Multi-Instrument(万用仪)或Pocket Multi-Instrument(掌上万用仪)可将一台电脑或掌上电脑变为一台多功能测试仪器,其采样频率可达192kHz,采样分辨率可达24比特,灵敏度可达1µV。软件提供了丰富的功能,这些功能通常只能在极其昂贵的仪器或多个昂贵的仪器中才能找到。总体上讲,一个普通声卡或集成在电脑主板上的声卡足以在音频范围内用于测量。若要达到高精度测量质量,可采用专业级声卡。利用虚仪声卡示波器探头,测量范围可扩大到从小到1µV以下到最大24V。

Multi-Instrument(万用仪)或Pocket Multi-Instrument(掌上万用仪)已经广泛用于很多领域。以下是按不同应用领域分类的应用例子。

演示实验 教育和培训 科学研究
工业测量 音频工程 电子测试
乐器校准 医疗诊断  

演示实验

演示实验的配置

演示实验1:1kHz正弦波信号的生成与检测(触发点位于0.2V上升沿)

演示实验2:45Hz正弦波信号的生成与检测(触发点位于0.5V上升沿)

演示实验3:10kHz正弦波信号的生成与检测(触发点位于-0.2V上升沿)

演示实验4:1kHz + 2kHz + 4kHz (1:1:1)正弦波信号的生成与检测(触发点位于0.62V下降沿)

演示实验5:1kHz方波信号的生成与检测(触发点位于0V上升沿)

演示实验6:500Hz三角波信号的生成与检测(触发点位于-0.3V下降沿)

演示实验7:2kHz锯齿波信号的生成与检测(触发点位于-0.4V上升沿)

演示实验8:白噪声信号的生成与检测

演示实验9:粉红噪声信号的生成与检测

演示实验10:1kHz + 50Hz (1:0.5) 正弦波信号的生成与检测

演示实验11:1kHz 正弦波 + 白噪声(1:1)的生成与检测

演示实验12:1kHz "心跳"波信号生成与检测(触发点位于0.2V上升沿) 

 

演示实验的配置

演示实验采用了两台电脑,都安装有Multi-Instrument(万用仪)。一台为DELL DIMENSION 4600台式电脑,拥有奔腾四CPU,主频2.4GHz,256MB内存,Integrated 5.1 Channel (Audio) Capable声卡以及视窗XP。另一台为IBM Think Pad 600E 笔记本电脑,拥有奔腾二CPU,64 MB内存,内置声卡和视窗98。前者用作信号发生器,后者用作示波器和频谱分析仪。台式电脑的线路输出与笔记本电脑的话筒输入通过由三个电阻构成的衰减网络相连。衰减率为11倍。两台电脑中的虚仪声卡仪器的标定设置为:16位模/数转化的最大电压为1000 mV,16位数/模转化的最大电压为660 mV.

演示实验的配置

演示实验1:1kHz正弦波信号的生成与检测(触发点位于0.2V上升沿)

示波器:上图中的波形图表明,波形的触发点正好位于0.2V的上升沿处,这与所设定的触发沿="升"和触发电平="20%"完全相同。所测得的屏幕刷新率为每秒15幀。

频谱分析仪:上图中的频谱图显示的是相对幅度谱,X轴和Y轴都为线性刻度。测得的峰值频率为991Hz,9Hz的测量误差在所能达到的频谱分辨率(=采样频率/FFT点数=44100/1024=43Hz)范围以内。增加FFT点数能提高频谱分辨率。尽管降低采样频率也能提高频谱分辨率,但它同时将降低所能测量的最高频率,因而可能造成频域的混叠现象。因此,只有当您非常肯定被测信号中的最高频率分量低于采样频率的一半时(奈奎斯特采样原理),才可采用降低采样频率的办法来提高频谱分辨率。

演示实验2:45Hz正弦波信号的生成与检测(触发点位于0.5V上升沿)

示波器:上图中的波形图表明,波形的触发点正好位于0.5V的上升沿处,这与所设定的触发沿="升"和触发电平="50%"完全相同。扫描时间改为500ms 以采集超过一个周期的信号。

频谱分析仪:上图中的频谱图显示的是相对幅度谱,X轴和Y轴都为线性刻度。测得的峰值频率为46.88Hz,1.88Hz的测量误差在所能达到的频谱分辨率(=采样频率/FFT点数=2000/1024=1.95Hz)范围以内。

演示实验3:10kHz正弦波信号的生成与检测(触发点位于-0.2V上升沿)

示波器:上图中的波形图表明,波形的触发点正好位于-0.2V的上升沿处,这与所设定的触发沿="升"和触发电平="-20%"完全相同。

频谱分析仪:上图中的频谱图显示的是相对幅度谱,X轴和Y轴都为线性刻度。测得的峰值频率为10032Hz,32Hz的测量误差在所能达到的频谱分辨率(=采样频率/FFT点数=96000/1024=94Hz)范围以内

演示实验4:1kHz + 2kHz + 4kHz (1:1:1) 正弦波信号的生成与检测(触发点位于0.62V下降沿)

示波器:上图中的波形图表明,波形的触发点正好位于0.62V的下降沿处,这与所设定的触发沿="降"和触发电平="62%"完全相同本实验显示了正确设定触发条件的重要性。上图所示的被测信号在一个周期中有四对相对波峰和相对波谷,若触发电平设置在第二高的波峰和第二低的波谷之间时,则实时显示的波形将不稳定,因为在一个周期内有多个满足触发条件的触发点。要得到稳定的波形显示,触发电平必须选在以上范围之外,即高于第二高的波峰或低于第二低的波谷,以保证在一个周期中只有唯一的一个触发点。

频谱分析仪:上图中的频谱图正确测得并显示了三个峰值频率1kHz、2kHz and 4kHz。

信号发生器:此信号由信号发生器的多音合成功能生成。

 

 

 

演示实验5:1kHz方波信号的生成与检测(触发点位于0V上升沿)

示波器:上图中的波形图表明,所测得的方波总的来说波形良好,仅底部和顶部不算太平直,部分原因是由于用于输入输出的声卡都是交流藕合的,也与声卡的质量和所能支持的上升速率有关。

频谱分析仪:由上图中的频谱图可知,被测的1kHz的方波由频率为1kHz的基波和一系列的频率为基波的奇数倍(3kHz、5kHz、7kHz...)的谐波组成。谐波的振幅随频率的增长而迅速衰减。

演示实验6:500Hz三角波信号的生成与检测(触发点位于-0.3V下降沿)

示波器:上图中的波形图表明,所测得的三角波波形非常好,波形的触发点正好位于-0.3V的下降沿处,这与所设定的触发沿="降"和触发电平="-30%"完全相同。

频谱分析仪:由上图中的频谱图可知,被测的500Hz的三角波由频率为500Hz的基波和一系列的频率为基波的奇数倍(1500Hz、2500Hz、3500Hz...)的谐波组成。谐波的振幅随频率的增长而迅速衰减。

演示实验7:2kHz 锯齿波信号的生成与检测(触发点位于-0.4V上升沿)

示波器:上图中的波形图表明,所测得的锯齿波波形良好,波形的触发点正好位于-0.4V的上升沿处,这与所设定的触发沿="升"和触发电平="-40%"完全相同。

频谱分析仪:由上图中的频谱图可知,被测的2kHz的锯齿波由频率为2kHz的基波和一系列的频率为基波的倍数(4kHz、6kHz、8kHz...)的谐波组成。谐波的振幅随频率的增长而逐渐衰减。

演示实验8:白噪声信号的生成与检测

示波器:白噪声号在波形图中看起来是杂乱无章的信号,它是完全随机的。

频谱分析仪:由上图中的频谱图可以看出,在不超过采样频率的一半的范围内,即大约20H~20kHz之间,被测白噪声号在各频率点处的幅度基本上是恒定的。这是因为白噪声号在指定的频率范围内,每Hz具有相同的能量。需要说明的是,由于声卡的质量和局限,幅度谱上的曲线可能不是一条完全笔直的水平线。若您将信号发生器生成的信号直接存盘,然后再用示波器和频谱分析仪打开并显示该文件,则您看到的频谱图将更接近于理想情况。如下图所示。

 

演示实验9:粉红噪声信号的生成与检测

示波器:粉红噪声号在波形图中看起来也是杂乱无章的信号。

频谱分析仪:由上图中的频谱图可以看出,在不超过采样频率的一半的范围内,即大约20H~20kHz之间,被测粉红噪声号的幅度是一条下降直线。每倍频程下降约3分贝。这是因为粉红噪声信号在指定的频率范围内,每倍频程具有相同的能量,例如50Hz~100Hz之间的能量与100Hz~200Hz之间的能量是一样的。需要说明的是,由于声卡的质量和局限,幅度谱上的曲线可能不是一条完全笔直的每倍频程下降3分贝的直线。若您将信号发生器生成的信号直接存盘,然后再用示波器和频谱分析仪打开并显示该文件,则您看到的频谱图将更接近于理想情况。如下图所示。

 

演示实验10:1kHz + 50Hz (1:0.5) 正弦波信号的生成与检测

示波器:上图中的波形图中显示50Hz的交流电源信号以叠加方式混入1kHz正弦信号的情形。

频谱分析仪:上图中的频谱图则清楚地显示了被测信号中有两个频率成分,分别是50Hz和1kHz

信号发生器:此信号由信号发生器的多音合成功能生成。

 

 

 

演示实验11:1kHz 正弦波 + 白噪声(1:1)的生成与检测

 

 

 

 

 

 

 

示波器:上图中的波形图中显示白噪声信号以叠加方式混入1kHz正弦信号的情形。

频谱分析仪:由于白噪声信号的频谱是均匀的,因此在上图中的频谱图中,只有一个1kHz的峰值频率

信号发生器:此信号由信号发生器的多音合成功能生成。

演示实验12:1kHz "心跳"波信号生成与检测(触发点位于0.2V上升沿)

示波器:上图中的波形图表明,"心跳"波形的触发点正好位0.2V的上升沿处,这与所设定的触发沿="升"和触发电平="20%"完全相同。

频谱分析仪:由上图中的频谱图可知,被测的1kHz的"心跳"波含有多个峰值频率:1kHz、2kHz、3kHz、4kHz.....。最高峰值为2kHz。

信号发生器:此"心跳"波由随软件附带的波形库文件heartbeat.wfl生成。该文件是一个TXT文本文件,文件中包含有一个周期的波形图上所有点的坐标。用户可以很容易地自行创建和编辑波形库文件。 在波形库文件中无需指定输出波形的频率,该频率在产生输出信号时在信号发生器主面板上指定。用户自定义的波形可按任何指定的频率输出。

教育与培训

Multi-Instrument(万用仪)非常适用于在小学、中学和高中教授与波或声音有关的自然或物理现象,在职业学校教授与电子信号有关的知识,以及在大专院校教授数字信号处理科目。它也可用于实验室取代非常昂贵的仪器,例如数字存储示波器、频谱分析仪、信号发生器、频率计等。若您的教室里配有投影仪,您也可以使用Pocket Multi-Instrument(掌上万用仪)来教学。

若您在课堂教学时,只需要演示理论和概念,而不需要测量实际信号,则您只需要一台桌面电脑、笔记本电脑或掌上电脑,而不需要任何其他配件和连线。您可以用信号发生器来产生所需要的信号,然后在示波器和频谱分析仪中观察其波形和频谱。有两种方法来实现此功能。一是在信号发生器上选择"显示于示波器"选项;另外一种方法是在Window控制面板下的录音控制面板上选择"Wave Out Mix"或类似选项作为输入。 

科学研究

科学研究通常要求可以灵活选择测量参数并在需要时能够将数据显示放大到精确到每个点的程度。Multi-Instrument(万用仪)的设计充分考虑了这些要求。

应用文章1: 飞行昆虫发射的超低频电波

 

在2005年,Walton C, Koemel采用了Walton C. Koemel和Philip S. Callahan研制的低频电波接收器(20~18,000Hz,请参考美国昆虫协会1994年年报,"Relationship of Extremely Low Frequency Radio Emission from Flying Insects to Semiochemical Communication", Annals of The Entomological Society of America, Vol. 87, No. 5, pp. 491-497, 1994)和Multi-Instrument(万用仪)对欧洲蜜蜂、非洲蜜蜂和蚊子发射出的超低频电波进行了研究。 

 

此图显示的是欧洲蜜蜂发射出的超低频电波波形图。当您看到旁边带有一个小波峰的波峰时,高的一个波峰由靠近接收器天线的翅膀产生。小的一个波峰由较远的一个翅膀产生。这是两个翅膀几乎同相的情况。当您看到一系列的较高波峰其间插有较低波峰时,那是两个翅膀几乎反相的情况。您还可以看出拍翅频率的变化情况过程。 

 

(感谢Walton C, Koemel, Texas, USA)

 

 

 

工业测量

任何传感器或探头,只要其输出信号在音频范围内都可以直接或通过前置放大或衰减器接入电脑或掌上电脑的声卡。Multi-Instrument(万用仪)和Pocket Multi-Instrument(掌上万用仪)可用于振动分析、地震波测量、岩石密度测量、供电质量分析等。尤其在现场测量时非常方便。请看此连接下的一个应用实例: Turbomagnetics Research Associates, Santa Cruz, California, USA.

音频工程

Multi-Instrument(万用仪)和Pocket Multi-Instrument(掌上万用仪)可用于测量声压、分析噪音和调节音频系统。  

电子测试

Multi-Instrument(万用仪)和Pocket Multi-Instrument(掌上万用仪)可在音频测试范围内完全取代示波器、频谱分析仪、信号发生器、万用表、网络分析器等仪器来对电子电路进行测试。由于各仪器可以同时运行,因此它可以用来测量被测设备的特性,例如频率响应和阻抗。

应用文章: Sherlock In The XP Age (XP年代的发射器侦探)

作者: Malcolm C. Mallette, WA9BVS,发表于CQ VHF winter 2006 issue. (请参考该杂志上的原文介绍)

 

在这篇文章中,Malcolm C. Mallette提出了一种新的发射器指纹侦测系统,该系统采用了虚仪声卡示波器和一台FM接收器来识别发射器的开机和关机指纹。 

 

当发生器的话筒按钮被按下时,在前200毫秒内PLL锁相环锁定过程中,发射器的频率将在其工作频率附近按其特有的规律移动。此规律就是其开机特征(或指纹)。同理,关机过程中频率移动的特有规律被称为关机特征(或指纹)。侦测软件必须能够捕获发射器的大约200毫秒的开机和关机指纹。

在此文章中,他详细介绍了如何将FM接收器的输出连接到声卡上,然后用声卡示波器来捕获并存储发射器的开机和关机指纹。此图显示的是10秒钟的接收信号,前3秒是噪音,然后是几秒钟的发射信号,然后又是噪音。

(感谢CQ Communications, Inc)

 

乐器校准

您可以用Multi-Instrument(万用仪)或Pocket Multi-Instrument(掌上万用仪)来精确地校准您的乐器。您可以选择适当的扫描时间、FFT点数和采样频率来达到很高的精度。对于乐器校准,我们推荐的参数为:扫描时间500毫秒、FFT点数32768、采样频率44100Hz。在此设置下,频率分辨率为1.3Hz。

医疗诊断

生医信号的频率通常在音频范围内,例如:心电图(ECG/EKG)、心肺声音等。Multi-Instrument(万用仪)或Pocket Multi-Instrument(掌上万用仪)可用于实时记录、分析和显示这些生医信号以便于医生进行诊断。所有病人数据都可以存储起来以备将来查看。  

 

 

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