【正文】 計算機為中心的測試系統中，模擬信號 x(t)進入計算機前先經過數據采集卡 (DAQ)中的采樣器，將連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間信號，成為采樣信號后再經 A/D 轉換器在幅值上量化為離散的數字信號。 采樣是把連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間序列的過程。當m?≤ T? 時，也就是采樣頻率s?=2? /T≥ 2m?時，可以通過加一理想低通濾波器提取主分量，濾除全部 m≥ 1 的高頻分量，從而由 X(? )恢復原信號 x(t)在理論上無誤差。 欲對連續(xù)時間信號 x(t)用計算機進行離散傅立葉變換，首先經采樣器對它進行采樣，滿足采樣頻率為 ? =? =2? /T(T 為采樣間隔 )，從而獲得時間離散的信號基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統的設計 sx(t)，它是一個無限長的離散的時間序列 ? ?? ?s iTx (i=0,1,2,?? )。 當對信號 x(t)進行采樣 ，共 N 個采樣點，得離散時間序列 x(i) (i=0,1,2,?，N1)，代入式 (35)可得離散時間序列的頻譜 X(K) (k=0,1,2,?， N1)，共 N 條譜線，其中有效譜線 N/2 條；反之，將 N 條譜線代入式 (36)，則可得 i=0,1,2,?，N1 共 N 個離散時間序列 x(i)。那些能夠減少計算次數，縮短計算時間，能在工程實際中用來實現 DFT 計算的快速算法就稱為快速傅立葉變換，簡稱 FFT。 3． 1． 2 軟件開發(fā) 本章的 任務是要在 LabVIEW 平臺上開發(fā)出一臺虛擬信號頻譜分析儀器。下面將對各個功能模塊的設計思想做簡要介紹。圖 32 示出了該模塊 case結構下的方波分支程序流程。 “ Bundle”的使用：為了將仿真信號波形的橫軸起點、橫軸分度值和幅值合成一個整體，我們使用了 Cluster 子模板上的 ” Bundle” 圖標， 它有三個輸入量：橫軸起點，設為 0；橫軸分度值，由采樣頻率的倒數，即采樣間隔決定：輸出信號幅值。 由 FFT 和“窗函數選擇”及其它運算部件組成的數據處理模塊 如圖 33所示。由于 本信號頻譜分析儀的數據量不是很大，而且為了學生在實驗后進行實驗數據分析方便，本模塊采用數據表文件的形式對實驗數據進行讀寫操作。 應注意的問題 Write to spreadsheet 和 Read from Spreadsheet File 兩個函數當其輸入端 file path 為空時 自動彈出對話框要求輸入讀寫路徑。然而實際上它并不是完整意義上 的模塊，它是分散于各個模塊之間，無 處不在的，我門很難分析它的組成結構，所以此處不對其進行討論。尤其是使用到彈出式子面板的模 塊，很容易引起數據流的混亂，造成錯誤。在使用循環(huán)結構時，要特別注意在何種情況下循環(huán)內部的變量才可以被外部引用，而不影響內部的參量，不改變內部結構。這就要求我們在開發(fā)程序的過程中一定要仔細地把好每一關，在模塊內部將錯誤清除，才能減輕最終程序調試的難度。 圖 35 給出了虛擬信號頻譜分析儀的程序流程圖編輯窗口的部分內容，圖中展示了典型信號生成模塊、數據處理模塊、顯示模塊、數據讀取存儲模塊和加窗模塊間的數據流驅動關系及各模塊的部分流程圖。巴特沃斯濾波器 的優(yōu)點是具有平滑的 單調遞減的頻率響應。 巴特沃斯濾波器 的幅頻特性有以下幾個特點： 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統的設計 ? =0 時， |H(? )|取最大值， |H(0)|=1； ? =c?時， |H(c?)|= 12，也即衰減特性為 3dB，c?稱為低通濾波器的截止頻率； 值越大，幅頻特性曲線越接近理想特性曲線。濾波器類型可選擇高通、低通、帶通和帶阻，濾波階次、低截止頻率、高截止頻率都可任意選擇。兩個 Waveform Graph 控件分別用來顯示生成的虛擬仿真信號波形和該信號經過 濾波后的波形 ；兩個 Enum 控件分別用來進行波形選擇和濾波器類型選擇，波形可選擇正弦波、方波、三角波和鋸齒波，濾波器類型可選擇高通、低通、帶通和帶阻；八個 Numeric Controls 分別用來對源信號波形參數進行設置和濾波器參數進行設置。它有六個輸入端和兩個輸出端，分別為源信號輸入、采樣頻率、濾波類型、階次、 低截止頻率、高截止頻率和濾波后信號輸出、錯誤輸出，它們與前面板上的控件相連。對 低截止頻率和高截止頻率應該注意是：當 虛擬巴特沃斯濾波器作為低通濾波器使用時，其 高截止頻率被忽略，而低截止頻率必須滿足奈奎斯特采樣定理的條件。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統的設計 38 解調器原理圖 乘法器的另一個輸入信號 稱為參考信號，它應是與載波頻率 相同的高頻 `信號。低頻信號經高頻載波后形成調幅波，調幅波再經巴特沃斯濾波器 濾波后 `解調，并同時輸出調幅波和解調后信號的波形。如果缺乏基礎性的理論知識，就無法很好地運用開發(fā)工具，無法解釋在開發(fā)過程中所遇到的問題，也就無法開發(fā)出具有實用價值虛擬儀器；如果缺乏功能強大的開發(fā)平臺，再扎實的理論知識也難轉化為有效的、實用的工具。在此所做的只是將 LabVIEW 開發(fā)平臺初步用于實驗教學系統開發(fā)過程中的經驗和教訓記錄下來，希望成功的經驗能夠給您以啟發(fā)，失敗的教訓給您警戒，使您在最短時間內走出我曾經走過的路，并 一直朝前走下去，讓你我共同鋪墊出一條通向新科技之路，為祖國高等教育實驗教學能夠跟上時代的步伐，培養(yǎng)出高質量、高素質的人才獻上我們的所有。該虛擬儀器實驗教學系統采用模塊化設計方法，設計并實現了虛擬信號頻譜分析儀、虛擬巴特沃死濾波器、調幅波解調器、虛擬信號發(fā)生器、虛擬積分器和微分器等實驗教學用虛擬儀器。 3． 3． 3 前面板和流程圖設計 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統的設計 39 調幅波解調器前面板 兩個顯示窗分別顯示調幅波和解調信號的波形，高頻和低頻信號源參數選擇窗可分別設定載波信號和調制信號的參數，濾波器低截止頻率由用戶選擇。 可見，解調器是由乘法器和低通濾波器材組成的。 3． 3 基于 LabVIEW 的調幅波解調器 3． 3． 1 實 驗原理 構成解器的原理如圖 37 所示。 圖 314 Butterworth 完整的后面板流程圖如圖 315 所示。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統的設計 圖 313 虛擬巴特沃斯濾波器前面板 虛擬巴特沃斯濾波器后面板設計 該儀器 的后面板由虛擬信號產生模塊、顯示模塊和濾波模塊組成，前兩個模塊前面已經介紹的很 多了，這里不再贅述，只介紹該儀器的關鍵濾波子 VI，LabVIEW 中了提供了豐富的濾波子 VI，下面就對 Butterworth 加以介紹。該儀器可作為濾波器綜合實驗。 功能 該儀器可實現生成正弦波、方波、三角波等典型信號，并通過 Butterworth filter 進行濾波。 巴特沃斯 低通 濾波器 是一種所謂最平通帶特性逼近理想低通特性的濾波器。在通帶中是理想的單位響應，在阻帶中響應為零。前面板中包含了兩個波形顯示器、分別顯示待分析信號的波形圖和經 FFT 變換 后的幅值譜圖：波形選擇可選取正弦波、方波、三角波、鋸齒波等實驗信號，其幅值、相位、頻率和采樣點數由左邊的信號源參數 板決定；窗口選擇板是為是否加 Hamming Window. vi、 hanningWindow. Vi、 Triangle Window. Vi、 Blackman Window. Vi 等而設立的，學生可以通過加窗前后的頻譜變化，進一步理解窗函數對解決混頻、泄露和柵欄效應的作用；數據存取可由用戶決定數據讀取或存儲的路徑。 任何較大 型的程序的調試都是一件 煩瑣的事情。 數據的內聚與偶合問題 同其它模塊化 編程語言一樣， LabVIEW 同樣存在著模塊的內聚與偶合問基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統的設計 題。 34 讀取存儲文件的基本框圖 3． 1． 2． 5 程序的集成與調試 將組建好的各功能模塊按照前文提到的程序框圖加上 必要的控件和指示器上，就可以將它們集成到一起，形成一個功能完善的虛擬信號頻譜分析儀器。由面板開關進行控制 3． 1． 2． 4 結果顯示模塊 結果顯示模塊的主要功能是將測試到的、采集到的或經過數據處理后的數據送到示波器上顯示，供使用者分析和研究。本文選用 Write to spreadsheet 子 VI 作為數據存儲，它將一個單精度二維數組組成一個文本字符串，并把這個字符串寫到新文件或添加到一個已存在的文件中：選擇 Read Spreadsheet File 作為數據讀取，它可以讀一個以文本格式保存的 Spreadsheet 文件，并將其轉換為二維單精度數字數組。LabVIEW 在向一個新的或已存在的文件讀寫數據是一個三部的過程：首先打開或創(chuàng)建一個文件，然后按一定格式讀寫數據到文件，最后關閉文件?？尚沂?LabVIEW 在頻域分析子模塊中提供了與信號分析有關的大量函數供設計者使用，在此我們調用了計算輸入 序列的實數 FFT作為信號頻譜 分析儀的主要數據處理子 VI。 32 case 結構下的典型信號生成模塊程序流程 應注意的問題： “歸一化頻率”問題： LabVIEW 中的所有仿真信號 用函數生成的基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統的設計 離散 時間序列，其輸入參數頻率均為數學頻率，因此就不可避免地遇到了歸一化頻率的問題。 3． 1． 2． 1 典型信號生成模塊 LabVIEW 的 Signal Generation 子模塊下有豐富的仿真信號產生 子 VI，如正弦波序列發(fā)生器、方波序列發(fā)生器、三角波序列放生器、單位脈沖序列發(fā)生器、鋸齒波序列發(fā)生器等。概括起來其主要功能應包括：信號的產生、信號分析和處理、數據文件存儲和讀取。 LabVIEW 就提供了這樣的功能模塊。如此多的計算次數使 DFT 不可能在實際工程中得到應 用，因而出現了各種用于減少 DFT 計算次數的算法。這樣，無限長時間信號 x(t)就變成有限長時間信號pt=NT 的周期信號。如果采樣頻率s?不滿足采樣定理，譜線就會重疊，即使采 用理想低通濾波器也不可能將混入的高頻主分量濾除。其中 T 是采樣間隔，s?=2? /T 為采樣角頻率，它們的取值是個很重要的問題。 1. 采樣定理 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統的設計 連續(xù)時間信號 x(t)被數據采集卡 (DAQ)中的采樣器以等時間間隔 T 采樣，則采樣時刻 0、 T、 2T、??所得信號 x(t)的瞬時值，就構成了連續(xù)信號 x(t)的離散時間序列 ()six， (i=0、 2?? )。 非周期信號用傅立葉級數來表示，其頻譜為連續(xù)的，它由無限多個頻率無限接近的頻率成分組成。 2. 非周期信號的傅立葉積分表示 作為周期 T 為無窮大的非周期信號，當周期 T→∞時，頻譜譜線間隔? → d? ， T→ 2d?? ，離散變量 m? → ? 變?yōu)檫B續(xù)變量，求和運算就變成求積分運算。 3． 1． 1． 2 非周期信號與連續(xù)頻譜 1. 頻譜 密度函數 X(w) 對于 非周期信號，可以看作周期 T 為無窮大的周期信號。每條譜線只出現在基波頻率的整數倍的頻率上，基波頻率是主分量頻率的公約數，相鄰譜線間隔為 ? 。 cm=am+bm=|cm|emj? (32) 又 cm=am+jbm=|cm|emj? 根據歐拉公式 etjm? = cosm? tj sinm? t，代入式 (32)可得 am =T1 d