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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。
基于声卡的数据采集器程序安装在不同计算机上时，对于信号频率的测量没有影响，由波形计算出的信号频率与真实值一致；对于信号幅度的测量，由于线路输入（或麦克风）音量大小的不同，在使用前需要定标：输入参考信号，调节线路输入（或麦克风）音量大小使幅值读数和参考信号参数一致。在以后的测量中，不必再调节线路输入音量大小。
（3）演示音叉简谐振动波形
音叉是物理教学中常见的教具，敲打音叉后，其将做简谐振动。在传统的物理教学中，教师难以对音叉做简谐振动波形进行演示，通常只是抽象地告诉学生音叉各点在做简谐振动，影响了教学效果。基于声卡的数据采集器可以演示音叉做简谐振动的图像，并根据教学要求对波形进行适当的分析。
将普通的带有麦克风的耳机插入计算机的MIC口，对声卡进行适当的配置，运行数据采集器程序。敲打振动频率为440Hz的音叉，学生可以通过数据采集器的屏幕看到如图1所示的波形，并且随着音叉声音的减弱，该波形的振幅不断减小。点击面板上的暂停按钮，能够让数据采集系统暂停下来，而波形没有消失。移动游标，可以仔细分析音叉简谐振动随时间变化的波形。例如，从游标1（Cursor1）读出的时间轴的读数为27.2727，也就是2.72727格（水平方向和垂直方向上各有10个格）。从游标0（Cursor0）读出的时间轴的读数为49.8701，也就是4.98701格。则音叉振动一个周期是2.25974格，乘以时间分度1ms/格，可得音叉振动周期为2.25947ms，振动频率为442.6Hz，与音叉标出的频率基本一致。通过演示，学生对简谐振动波形有了更深刻的认识。学生也可以敲打其他物体，观察分析振动波形，加深对机械振动规律和振动发声的理解。
在多媒体教室内，教师还可以将实验面板投影出来，方便每个学生进行观察、分析。学生也可以将此系统安装在自己的电脑上，在不增加硬件成本的前提下拥有自己的数据采集器。
在音频范围内，基于声卡的数据采集器不仅可以采集数据，还可以通过计算机强大的分析功能处理实验数据，分析实验结果，从而取得良好的教学效果。该数据采集器可以演示很多实验现象，如声音波形的演示、电磁感应现象的演示、交流电波形的演示等。教师和学生只需在计算机上安装该数据采集器的程序，就可以在无需增加昂贵的硬件成本的前提下拥有一套性能良好的数据采集器。因此，基于声卡的数据采集器值得在物理教学中推广。
参考文献
[1]周爱军，马海瑞.基于声卡的LabVIEW数据采集与分析系统设计[J].微计算机信息（测控自动化）,2005(9):108-110.
[2]候国屏，王坤，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005.2.
[3]吕红英,吴先球,刘朝辉,部德才,陈俊芳.基于声卡的虚拟数字存储示波器及其在电学实验中的应用[J].实验技术与管理,2005,22(12):95-99.
[4]Martin H. Levin. Use of a sound card in teaching audio frequency and analog modem communications[J]. ACM SIGCSE Bulletin，1999(3)：79-83.
（作者单位：华南师范大学物理与电信工程学院 ）
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。
基于声卡的数据采集器程序安装在不同计算机上时，对于信号频率的测量没有影响，由波形计算出的信号频率与真实值一致；对于信号幅度的测量，由于线路输入（或麦克风）音量大小的不同，在使用前需要定标：输入参考信号，调节线路输入（或麦克风）音量大小使幅值读数和参考信号参数一致。在以后的测量中，不必再调节线路输入音量大小。
（3）演示音叉简谐振动波形
音叉是物理教学中常见的教具，敲打音叉后，其将做简谐振动。在传统的物理教学中，教师难以对音叉做简谐振动波形进行演示，通常只是抽象地告诉学生音叉各点在做简谐振动，影响了教学效果。基于声卡的数据采集器可以演示音叉做简谐振动的图像，并根据教学要求对波形进行适当的分析。
将普通的带有麦克风的耳机插入计算机的MIC口，对声卡进行适当的配置，运行数据采集器程序。敲打振动频率为440Hz的音叉，学生可以通过数据采集器的屏幕看到如图1所示的波形，并且随着音叉声音的减弱，该波形的振幅不断减小。点击面板上的暂停按钮，能够让数据采集系统暂停下来，而波形没有消失。移动游标，可以仔细分析音叉简谐振动随时间变化的波形。例如，从游标1（Cursor1）读出的时间轴的读数为27.2727，也就是2.72727格（水平方向和垂直方向上各有10个格）。从游标0（Cursor0）读出的时间轴的读数为49.8701，也就是4.98701格。则音叉振动一个周期是2.25974格，乘以时间分度1ms/格，可得音叉振动周期为2.25947ms，振动频率为442.6Hz，与音叉标出的频率基本一致。通过演示，学生对简谐振动波形有了更深刻的认识。学生也可以敲打其他物体，观察分析振动波形，加深对机械振动规律和振动发声的理解。
在多媒体教室内，教师还可以将实验面板投影出来，方便每个学生进行观察、分析。学生也可以将此系统安装在自己的电脑上，在不增加硬件成本的前提下拥有自己的数据采集器。
在音频范围内，基于声卡的数据采集器不仅可以采集数据，还可以通过计算机强大的分析功能处理实验数据，分析实验结果，从而取得良好的教学效果。该数据采集器可以演示很多实验现象，如声音波形的演示、电磁感应现象的演示、交流电波形的演示等。教师和学生只需在计算机上安装该数据采集器的程序，就可以在无需增加昂贵的硬件成本的前提下拥有一套性能良好的数据采集器。因此，基于声卡的数据采集器值得在物理教学中推广。
参考文献
[1]周爱军，马海瑞.基于声卡的LabVIEW数据采集与分析系统设计[J].微计算机信息（测控自动化）,2005(9):108-110.
[2]候国屏，王坤，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005.2.
[3]吕红英,吴先球,刘朝辉,部德才,陈俊芳.基于声卡的虚拟数字存储示波器及其在电学实验中的应用[J].实验技术与管理,2005,22(12):95-99.
[4]Martin H. Levin. Use of a sound card in teaching audio frequency and analog modem communications[J]. ACM SIGCSE Bulletin，1999(3)：79-83.
（作者单位：华南师范大学物理与电信工程学院 ）