【正文】 這與第一個方案的不同之處在于數(shù)據(jù)采集卡，因此在這里重點比較數(shù)據(jù)采集卡的優(yōu)勢與劣勢。 h） 緩沖區(qū)：與一般 DAQ 卡不同，聲卡的 D/A 功能是連續(xù)狀態(tài)的，為了節(jié)省資源，聲卡的 D/A 或 A/D 都對某一緩沖區(qū)進行操作，待緩沖區(qū)數(shù)據(jù)操作完畢時產(chǎn)生中斷， CPU響應中斷信號進行處理。 LabVIEW 把聲卡的聲道分為單聲道（ mono）和立體聲（ stereo）兩種。例如， 16 位聲卡把音頻信號的大小分為 216=65536 個量化等級來實施上述轉(zhuǎn)換。 聲卡的性能指標 衡量聲卡性能的主要技術(shù)指標有復音數(shù)量、采樣位數(shù)、采樣頻率、波表合成方式和波表庫容量、聲道數(shù)、信噪比、總諧波失真和緩沖區(qū)等。功放芯片完成信號的功率放大以推動喇叭發(fā)聲工作。實際計算時若直接用離散傅立葉變換 (DFT)進行計算，當采樣點很多時計算量很大， FFT是 DFT的一種快速算法，因此在測量時使用的是 FFT算法。本文信號分析中的諧波分析即是基于傅里葉變換的諧波測量，下面介紹關(guān)于這一測量方式的基本理論。 FFT算法程序的基本部分，現(xiàn)在一般已經(jīng)是一個常規(guī)的程序。可見， DFT雖然解決了利用計算機進行信號與系統(tǒng)的分析問題，但尚未解決實時性問題，因而直接計算 DFT，在實際應用中有其局限性，為了提高速度，還有賴于提出高效的算法。習慣上是指以 1965年庫利 圖基 (CooleyTukey)算法為基礎(chǔ)的一類高效算法，它的出現(xiàn)和發(fā)展對推動信號的 數(shù)字處理技術(shù)的變革和發(fā)展起到著重大作用，是數(shù)字信號處理發(fā)展史上的一個轉(zhuǎn)折點，也可以稱之為一個里程碑。 圖 21 A/D轉(zhuǎn)換原理 模擬信號經(jīng)過 (A/D)變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱之為采樣，信號采樣后其頻譜產(chǎn)生了周期延拓，每隔一個采樣頻率 fs，重復出現(xiàn)一次。因此，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中同時存在兩種不同形式的信號：連續(xù)模擬信號和離散數(shù)字信號。每個 VI既可以單獨運行，也可以被其他 VI 調(diào)用。按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍的節(jié)點被執(zhí)行，下一個將要執(zhí)行的節(jié)點變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。 2）設(shè)置執(zhí)行程序高亮 在 LabVIEW的工具條上有一個畫著燈泡的按鈕，這個按鈕叫做“高亮執(zhí)行”按鈕。 LabVIEW會自動地在被創(chuàng)建的端點與所點擊對象之間接好連線。如循環(huán)控制、條件分支控制和順序控制等，編程人員可以使用它們控制 VI 程序的執(zhí)行方式。 兩者的區(qū)別在于 :函數(shù)節(jié)點是 LabVIEW以編譯好了的機器代碼供用戶使用的，而子 VI節(jié)點是以圖形語言形式提供給用戶的?？刂剖怯脩糨斎霐?shù)據(jù)到程序的接口?？驁D程序用 LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動，并可以放置在屏幕的任意位置。因此用戶在編寫程序的過程中如果有語法錯誤，它會被立即顯示出來。它被廣泛地應用于汽車、通信、航空、半導體、電子設(shè)計生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學等各個領(lǐng)域。 LabVIEW 的運行機制就宏觀上講已經(jīng)不再是傳統(tǒng)上的馮只要具備必備的硬件，在加上豐富而且日新月異的軟件系統(tǒng)，虛擬儀器將不斷完善和進步，會逐漸融入現(xiàn)代生活生產(chǎn)中。虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同的應用可以設(shè)計不同的操作界面。 虛擬儀器的特點 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下特點： 1) 虛擬儀器可以通過幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復雜的功能； 2) 在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來實現(xiàn)儀器的功能； 3) 儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是由廠家事先定義好的； 4) 儀器的性能改進和功能擴展只需更新相關(guān)軟件，而不需購買新的儀器； 5) 研制周期比傳統(tǒng)儀器大為縮短； 6) 虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。計算機與儀器硬件又稱為 VI 的通用儀器硬件平臺。虛擬儀器能完全替代傳統(tǒng)儀器并擴展其功能，這是虛擬儀器在教學、科研中最有價值的應用。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場容量巨大。隨著微型計算機的發(fā)展，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。創(chuàng)立于 1976 年的 NI公司，幾十年來，不斷致力于開發(fā)基于計算機的測試測量與自動化平臺，其推出的軟件產(chǎn)品已經(jīng)成為行業(yè)標準。該采集系統(tǒng)性價比高、通用性強、擴展性好、界面簡單，在工程測量與實驗室應用中具有廣闊的前景。以虛擬儀器為代表的新型儀器改變了傳統(tǒng)儀器的思想，它們充分利用了計算機強大的軟硬件資源，把計算機技術(shù)和測量技術(shù)緊密結(jié)合起來，是融合了電子測量、信號處理、計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型測量儀器，由于成本低、使用方便等優(yōu)點得到了廣泛的應用。而虛擬儀器的信號分析系統(tǒng)完全可以解決這個問題 ，用虛擬儀器開發(fā)平臺開發(fā)各種“虛擬儀器”，不但成本低廉、簡單易行，且交互性、可操作性和真實感與傳統(tǒng)儀器基本相同。它在許多企業(yè)、科研單位被用于產(chǎn)品測試和測控系統(tǒng)。目前在國內(nèi)高校，虛擬儀器正逐步走進理工科課堂和實驗室，越來越多的學校通過購置美國 NI 公司的虛擬儀器產(chǎn)品組建高中檔次的虛擬實驗室，但成本相對比較昂貴。而傳統(tǒng)儀器下的高校實驗教學，已嚴重滯后于信息時代和工程實際的需要。虛擬儀器技術(shù)是測試技術(shù)和計算機技術(shù)綜合集成的產(chǎn)物，虛擬儀器從二十世紀八十年代初產(chǎn)生一直到現(xiàn)在，技術(shù)發(fā)展逐步成熟，在工業(yè)自動化、儀器制造和實驗室方面應用較為廣泛。這樣，用戶不必購買多臺不同功能的儀器，不必購買昂貴的集多功能于一身的傳統(tǒng)儀器，也不必不斷的購買新的儀器。采用虛擬儀器技術(shù)，可以用相同的基本硬件構(gòu)建多種不同功能的測量系統(tǒng)。無論哪種結(jié)構(gòu)，都是將硬件儀器嵌入到筆記本電腦、臺式計算機或工作站等各種計算機平臺上，再加上應用軟件而構(gòu)成的。 LabVIEW 還包含了大量的工具 與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲等。這種方式確保它不受操作系統(tǒng)、計算機等因素的影響。這一速度背后的原因在于 LabVIEW 易用易學，它所提供的工具使創(chuàng)建測試和測量應用變得更為輕松。 7） LabVIEW 內(nèi)建了 600 多個分析函數(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和信號處理。 LabVIEW 程序 Vi 的建立 所有的 LabVIEW應用程序，即虛擬儀器，它包括前面板 (front panel)、流程圖 /框圖程序(block diagram)以及圖標 /連結(jié)器 ((icon/connector)三部分。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對應。 2）框圖程序 框圖程序是由節(jié)點、端點、圖框和連線四種元素構(gòu)成的。一般來說，一個 VI 的前面板上的對象 (控制或顯示 )都在框圖中有一個對象端點與之一一對應 。不同的線型代表不同的數(shù)據(jù)類型。 程序的調(diào)試 1）找出語法錯誤 如果一個 VI 程序存在語法錯誤，則在面板工具條上的運行按鈕會變 成一個折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。使用斷點工具時，點擊你希望設(shè)置或者清除斷點的地方。該窗口總是被顯示在前面板窗口或流程圖窗口的上面。 第二章 信號采集分析理論 本章主要介紹系統(tǒng)所涉及的信號分析理論及作為數(shù)據(jù)采集卡聲卡的基礎(chǔ)知識。 在實際工作中，信號的抽樣是通過 A/D芯片來實現(xiàn)的。 采樣定理 (sampling theory):若連續(xù)信號 x(t)是有限帶寬的，其頻譜的最高頻率為 fc，對 X(t)抽樣時，若保證抽樣頻率 fs ≥ fc （或Ω s ≥ 2Ω c ,T s≤ π /Ω c） 那么，可由 x(nTs)恢復出 x(t),即 x(nTs)保留了 x(t)的全部 信息。而且每一復乘又 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設(shè)計 共 38 頁 第 10 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 含有 4次實乘和 2個復加；每一復加又包含有 2個實加。由此可見， FFT的基本思想是把原始的 N 點序列，依次分 解成一系列短序列。 諧波分析理論 諧波（ harmonic) 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設(shè)計 共 38 頁 第 11 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 定義：諧波是指信號中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的信號，一般是指對周期性的非正弦信號進行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的信號。 利用傅立葉積分變換可得 : 對 進行每周波均勻采樣 N點時，將上式進行離散化處理得離散傅里葉形式 式中， 為 的離散序列， = 為旋轉(zhuǎn)因子。 聲卡的硬件結(jié)構(gòu) 麥克風、揚聲器、耳機等所用的都是模擬信號，而計算機所能處理的信號都是數(shù)字信號， 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設(shè)計 共 38 頁 第 13 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 聲卡的作用就是實現(xiàn) 兩者之間的轉(zhuǎn)換。從結(jié)構(gòu)上分，聲卡可分為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路兩部 分 ,模數(shù)轉(zhuǎn)換電路負責將麥克風等聲音輸入設(shè)備采到的模擬聲音信號轉(zhuǎn)換為電腦能處理的數(shù)字信號；而數(shù)模轉(zhuǎn)換電路負責將電腦使用的數(shù)字聲音信號轉(zhuǎn)換為喇叭等設(shè)備能使用的模擬信號。 b) 采樣位數(shù)：將聲音從模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的二進制位數(shù)，即進行 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換的精度。使用聲卡作為 DAQ 卡（高精度數(shù)據(jù)采集卡）的缺點是，它不允許用戶在最高采樣頻率之下任意設(shè)定采樣頻率。 g) 總諧波失真：英文全稱為 Total Harmonic Distortion，簡稱 THD，是指用信號源輸入信號時，輸出信號（諧波及其倍頻成分）比輸入信號多出的額外諧波成分，通常用百分數(shù)來表示。 1) 第一個方案是本次系統(tǒng)開發(fā)所采用的方案，就是用聲卡作數(shù)據(jù)采集卡、用 LabVIEW 進行軟件編程。這與第一個方案的不同之處依然是數(shù)據(jù)采集卡。 第三章 虛擬信號采集 分析系統(tǒng)方案選擇 信 號分析系統(tǒng)主要實現(xiàn)對音頻信號的采集與分析，并能應用于實驗教學，硬件的選擇、設(shè)計方案的確定、設(shè)計方法的實現(xiàn)都是本文要考慮的關(guān)鍵問題。 f) 信噪比：以 dB（ Decibel，分貝）計算的信號最大保真輸出與不可避免的電子噪音的比率。標準的采樣頻率有三種： （語音）、（普通音樂）和 （高保真音樂），有些高檔聲卡能提供 5kHz～ 48kHz 的連續(xù)采樣頻率。如果一首 MIDI 樂曲中的復音數(shù)超過了聲卡的復音數(shù)，則將丟失某些聲部，但一般不會丟失主旋律。內(nèi)接端口是內(nèi)置的輸入 /輸出端口是 CD 音頻接口，通過 3～ 4 針的音頻線直接和光驅(qū)連接。聲卡處理的聲音信息在計算機中以文件的形式存儲。要對非正弦信號進行諧波分析，需要對信號采樣并進行傅氏變換。其所采用 FFT 算法為按頻率抽取基 2FFT 算法。由于 =1 ( 2 – 4 ) 所以 又稱為對模 N的 N次單位根， 稱為離散傅里葉變換核。將式 (21)中第一個式展開得： ? (22) 可見上式中 ,每完成一個頻譜樣點的計 算 ,需要作 N 次復數(shù)乘法和 (N1)次復數(shù)加法。如圖 22所示，由于不滿足采 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設(shè)計 共 38 頁 第 9 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 樣定理，信號產(chǎn)生了混疊。 2)數(shù)值斷續(xù) 把采樣信號 Xs(nTs)以某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍來度量 ,這個過程稱為量化。用戶可以把一個應用題目分解為一系列的子任務，每個子任務還可以進一步分解成許多更低一級的子任務，直到把一個復雜的題目分解為許多子任務的組合。從 Tools工具