本文作者：曲培新 余周 林磊 單位：

信號分析處理

數(shù)字濾波具有不需要增加硬件設(shè)備,不存在阻抗匹配,對于多路信號可以共用硬件設(shè)備,可以自主修改濾波參數(shù)等方面的優(yōu)點.軟件濾波用來濾除奇異數(shù)據(jù),在外界干擾信號或者電壓信號不穩(wěn)定時,可能會產(chǎn)生不符合實際情況的奇異數(shù)據(jù),在這種情況下,軟件濾波將這些奇異數(shù)據(jù)濾除,保持上次的采樣值不變.在本設(shè)計應(yīng)用中將滑動平均濾波和中位值濾波兩種方法結(jié)合使用,構(gòu)成復(fù)合濾波.復(fù)合濾波采用首先使用中位值濾波濾除掉采樣值中存在的脈沖干擾,之后將各個值進(jìn)行平滑平均濾波.這樣不管是對快速變換還是對平緩變換的信號都能發(fā)揮兩種濾波的優(yōu)點,起到較好的濾波效果.

快速傅里葉變換（FFT）是快速計算離散傅里葉變換的一種高效方法.FFT算法分為頻率抽取（DIF）FFT和時間抽取（DIT）FFT兩類.本系統(tǒng)采用時間抽取的算法.

加窗可以改善分析信號的頻譜特性,是改善DFT分析的一種重要手段,有利于提高精度,抑制頻譜泄漏[7].窗函數(shù)的特征由窗的形狀和寬度決定,一般的要求是盡量減少頻譜的旁瓣的高度和盡量使主瓣的寬度窄.但是這又是相互矛盾的,因為主瓣變窄旁瓣也將變高.窗函數(shù)的主要指標(biāo)是帶寬B,主瓣寬度B0,最大邊瓣峰值A(chǔ),邊瓣譜峰漸進(jìn)衰減速度D.在本系統(tǒng)中使用常用的窗函數(shù)有Hanning、Hamming等函數(shù).

硬件選擇

系統(tǒng)的硬件主要包括個人計算機和數(shù)據(jù)采集卡兩部分[8].個人計算機的選擇比較靈活,個人臺式計算機和筆記本計算機需要帶有USB接口.數(shù)據(jù)采集卡選用阿爾泰公司出品的適于便攜、教學(xué)的USB系列的USB5935型數(shù)據(jù)采集卡.該采集卡具有13位AD精度,500kS/s采樣頻率；單端16路/差分8路模擬量輸入；AD量程：±10V、±5V、0～10V；程控增益：1、2、5、10或1、2、4、8倍；數(shù)字量輸入、輸出各6路；1路24位定時計數(shù)器.

軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件開發(fā)使用美國NI公司的圖形化軟件編程平臺LabVIEW.該軟件以通用計算機為核心的硬件平臺,使用圖形化編程G語言,具有強大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力、人機交互界面友好的特點.通過編程環(huán)境能夠完成對檢測信號的調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、圖形顯示以及數(shù)據(jù)存儲的功能.用戶可以開發(fā)出圖形化的用戶界面,實現(xiàn)“我的儀器我設(shè)計”的以人為本的科學(xué)理念[9].

主控主要作用是使各個模塊按照系統(tǒng)要求協(xié)調(diào)工作,保證互相通信,實現(xiàn)友好的人機交流過程.多通道虛擬電子教學(xué)實驗測試系統(tǒng)通過顯示器提供了類似于傳統(tǒng)儀器的軟面板,對于有硬件操作經(jīng)驗的人可以直接上手,實現(xiàn)平滑過渡.系統(tǒng)輸入控制設(shè)備為鼠標(biāo)和鍵盤,當(dāng)鼠標(biāo)、鍵盤發(fā)出指令后,主控模塊通過調(diào)用各個模塊的功能實現(xiàn)操作者的意圖.

通道設(shè)置模塊由于USB數(shù)據(jù)采集卡通過16個通道進(jìn)行輸入,可以對16路信號進(jìn)行切換,用戶可以通過下拉菜單選擇需要觀測的任意兩個通道.當(dāng)只需要一個通道的時候可以使用默認(rèn)的通道,也可以使用任意某個通道.同時為了防止多通道顯示時候的干擾,可以通過按鈕隨時關(guān)閉或者打開某一個通道顯示.

數(shù)據(jù)采集首先確定數(shù)據(jù)來源,從采集卡、聲卡和軟件三種之中選擇一種[9].然后進(jìn)行相應(yīng)的初始化操作,設(shè)置各種采集參數(shù)的設(shè)定,例如采集點數(shù)、通道參數(shù)、采樣頻率等；然后啟動采集,當(dāng)采集完預(yù)設(shè)的點數(shù),把采集到的數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)發(fā)到計算機；再對信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,例如進(jìn)行濾波處理；最后把需要顯示波形通過顯示器顯示出來,或者通過存儲媒質(zhì)進(jìn)行保存.

通過存儲模塊可以使波形數(shù)據(jù)以文本或者是圖形的方式保存在計算機硬盤上,以備需要之時查詢.信號在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后,由USB接口傳入到計算機內(nèi)部,當(dāng)按下保存按鈕時,數(shù)據(jù)信息由程序內(nèi)的存儲子VI工作進(jìn)行處理,把bmp格式的圖像或者文本數(shù)據(jù)保存在計算機內(nèi),或者移動存儲設(shè)備內(nèi).

頻譜分析模塊對采集到的信號進(jìn)行分析和處理.程序開始運行后經(jīng)過初始化后開始采集數(shù)據(jù),啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換,根據(jù)用戶選擇進(jìn)行加窗處理,然后再進(jìn)行FFT,最后由面板來顯示頻譜.通過TabControl控件觸發(fā)事件切換到頻譜分析選項卡,在下拉菜單中選擇需要的窗函數(shù),設(shè)計有“Hamming”、“Hanning”等多種窗函數(shù)供用戶結(jié)合需要進(jìn)行選擇.

信號發(fā)生是利用數(shù)/模轉(zhuǎn)換的一個體現(xiàn).系統(tǒng)的信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和任意函數(shù)等功能.同時可以將信號發(fā)生器直接切換到數(shù)字示波器中,進(jìn)行觀察和學(xué)習(xí)各種波形,也可以起到校準(zhǔn)示波器的作用.

結(jié)論

通道虛擬電子教學(xué)實驗系統(tǒng)是基于虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建,因而具有虛擬儀器的各種優(yōu)點.經(jīng)過實驗驗證,該系統(tǒng)集成的虛擬示波器、信號發(fā)生器和頻譜分析儀能夠在實驗教學(xué)的環(huán)境下滿足對頻率不大于500k場合的使用.USB采集卡、聲卡和軟件3種輸入方式很大程度上的擴(kuò)展了系統(tǒng)的適用環(huán)境.運用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計教學(xué)實驗用的測量分析系統(tǒng)能夠發(fā)揮計算機性能優(yōu)勢,計算機也可繼續(xù)用于其他用途,可節(jié)約資金.同時在硬件系統(tǒng)保持不變的前提下，通過修改軟件模塊增加系統(tǒng)的儀器功能,由于采用模塊化的設(shè)計思路,該系統(tǒng)具有良好的移植性,可以打破以往實驗?zāi)Ｊ?提高學(xué)生的創(chuàng)新意識.計算機技術(shù)和虛擬儀器軟件的不斷發(fā)展,虛擬儀器對實驗教學(xué)有著重要的意義.