【正文】 為一個主要的子程序調(diào)用。對 N點(diǎn)序列 x(n)，其 DFT變換對定義為： (21) DFT 之所以在各個學(xué)科領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用 ,其中一個非常重要原因是因?yàn)樗嬖谟懈咝Э焖俚乃惴?快速傅立葉變換，簡稱 FFT。眾所周知，計(jì)算機(jī)內(nèi)部參與運(yùn)算的信號是二進(jìn)制的離散數(shù)字信號，而被采集的物 理量一般是連續(xù)的模擬信號。當(dāng) VI 程序運(yùn)行到斷點(diǎn)被設(shè)置處，程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)，以閃爍表示。 3）框圖程序窗口創(chuàng)建前面板對象 用選擇和連線工具 ，都可以用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊任一個節(jié)點(diǎn)和端點(diǎn)，然后從彈出菜單中選擇“創(chuàng)建常數(shù)”、“創(chuàng)建控制”或“創(chuàng)建顯示”等命令。 LabVIEW有二種節(jié)點(diǎn)類型 — 函數(shù)節(jié)點(diǎn)和子 VI節(jié)點(diǎn)。每一個程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序。 2）內(nèi)建的編譯器在用戶編寫程序的同時就在后臺自動完成了編譯。程序員不需要記憶大量的函數(shù)，函數(shù)以圖標(biāo)與名稱的形式存在于函數(shù)面板上，只要把它從函數(shù)面板上拖放到程序框圖中就可以了。 3) 可操作性強(qiáng)，靈活易用。 虛擬儀器介紹 虛擬儀器系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件三大要素構(gòu)成的。 2）課題研究的意義 目前，我國正處于科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的新時期，對儀器設(shè)備的要求更加迫切。 美國是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大虛擬儀器制造國。 本文用計(jì)算機(jī)聲卡代替普通采集卡作為硬件，用數(shù)據(jù)分析和處理功能非常強(qiáng)大的工程實(shí)用軟件 LabVIEW 作為軟件開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)了一個高采樣精度、 中等采樣頻率、靈活性好的聲卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、信號分析 (時域分析和頻域分析 )及信號發(fā)生等多種功能。國內(nèi)專家預(yù) 測：未來的幾年內(nèi)，我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。在學(xué)校特別是大學(xué)中，要想緊跟技術(shù)的發(fā)展就要不斷更新教學(xué)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而傳統(tǒng)儀器無法升級，更換設(shè)備代價又太昂貴。而且因?yàn)橛芯W(wǎng)絡(luò)的存在，可以應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)儀器共享或遠(yuǎn)程控制。因而，虛擬儀 器的發(fā)展已經(jīng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展步伐完全同步。 LabVIEW 的作用 LabVIEW在測試、測量和自動化等領(lǐng)域具有最大的優(yōu)勢，因?yàn)? LabVIEW 提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲。 8） NI 同時提供了豐富的附加模塊，用于擴(kuò)展 LabVIEW 在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。 LabVIEW的強(qiáng)大功能歸因于它的層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng)建的 VI程序當(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，而這種調(diào)用的層 次是沒有限制的。當(dāng)在前面板創(chuàng)建或刪除面板對象時，可以自動創(chuàng)建或刪除相應(yīng)的對象端點(diǎn)。這時該按鈕被稱作錯誤列表。在流程圖中使用選擇工具或連線工具，在連線上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在連線的彈出式菜單中選擇“探針”命令，同樣可以為該連線加上一個探針。通過 A/D，將連續(xù)信號 X(t)變成數(shù)字信號 Xs(nTs)， X(t)的傅立葉變換 X(jΩ )變成 X(ejw)。這對一個實(shí)際的信號長度來說，每當(dāng)點(diǎn)較多時，這么大的數(shù)組，勢必占用很長的計(jì)算時間。 產(chǎn)生的原因：一般電子電路中由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波信號發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。 一般聲卡都是由以下幾部分組成 : 聲音控制 /處理芯片，功率放放芯片，聲音輸入 /輸出端口等。目前有 8 位、 12 位和 16 位三種，將來 還有 24 位的 DV（ Digital Video Disk，數(shù)字視頻光盤）音頻采樣標(biāo)準(zhǔn)。一般來說， 1000H 頻率處的總諧波失真最小，因此不少產(chǎn)品均以該頻率的失真作為它的指標(biāo)。 3) 第三個方案是用國產(chǎn)的普通數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)、用 LabVIEW 進(jìn)行軟件編程。一般聲道數(shù)為 2，需要時還可選用多路輸入的高檔聲卡或配置多塊聲卡 。復(fù)音數(shù)越大，音色就越好，播放 MIDI（ Musical Instrument Digital Interface，音樂設(shè)備數(shù)字接口）時可以聽到的聲部越多、越細(xì)膩。 它有三個基本功能：一是音樂合成發(fā)音功能；二是混音器（ Mixer）功能和 DSP（ Digital Signal Processor，數(shù)字信號處理器）功能；三是模擬聲音信號的輸入和輸出功能。在 LabVIEW中也提供了基本 FFT函數(shù)，但直接調(diào)用不會得到頻譜，必須經(jīng)過一系列變換才能得到幅頻特性。 DFT 可以看作是以 為加權(quán)系數(shù)的一組樣點(diǎn) x(n)的線性組合。連續(xù)的模擬信號 X(t)經(jīng)過采樣過程后轉(zhuǎn)換為時間上離散的模擬信號 Xs(nTs)(即幅值仍是連續(xù)的模擬信號 ), 簡稱為采樣信號。 4）探針 可用探針工具來查看當(dāng)流程圖程序流經(jīng)某一根連 接線時的數(shù)據(jù)值。對一個節(jié)點(diǎn)而言，只有當(dāng)它的所有輸入端口上的數(shù)據(jù)都成為有效數(shù)據(jù)時，它才能被執(zhí)行。端點(diǎn)是只有一路輸入輸出，且方向固定節(jié)點(diǎn)。其中端口用來控制程序前面板和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。 4）通過 DLL、 CIN 節(jié)點(diǎn)、 ActiveX、 .NET 或 MATLAB 腳本節(jié)點(diǎn)等技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn) LabVIEW 與其它編程語言混合編程。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語言（如 C）中的順序結(jié)構(gòu)在 LabVIEW 中被并行機(jī)制所代替。此外，測量完成后可以顯示和打印所需的報(bào)表（或曲線），可以把測量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。 虛擬儀器概念 虛擬儀器，就是在通用的計(jì)算機(jī)平臺上定義和設(shè)計(jì)儀器的測試功能，使用者操作這臺計(jì)算機(jī)，就像是在使用一臺專門設(shè)計(jì)的電子儀器。另一方面，用戶可以將一些先進(jìn)的數(shù)字信號處理算法應(yīng)用于虛擬儀器的設(shè)計(jì)，完善傳統(tǒng)儀器不具備的功能，而且完全可以通過軟件配置實(shí)現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計(jì)。在世界財(cái)富 500 強(qiáng)中的制造業(yè)廠商，也有 95％都是 NI 的客戶。 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 摘 要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，儀器工業(yè)正在經(jīng)歷一場巨變。此外，虛擬儀器的主要生產(chǎn)廠家還包括 HP 公司、 Tektronix公司等，前者目前生產(chǎn) 100 多種型號的虛擬儀器，后者則生產(chǎn)約 80 多種型號，這些廠家的產(chǎn)品在國際市場上都具有較強(qiáng)的競爭力。因此，虛擬儀器信號分析系統(tǒng)的研究是非常有必要的。它突破了傳統(tǒng)儀器的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)儀器由硬件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析功能與顯示功能，改由功能強(qiáng)大的 計(jì)算機(jī)及其顯示器來完成，并配置以相應(yīng)的I/O 接口設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再編制不同測試功能的軟件對獲得的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及顯示，就可以構(gòu)成一套完整的測試系統(tǒng)，并具備數(shù)據(jù)處理的功能和友好的人機(jī)界面。 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成 虛擬儀器系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的。從本質(zhì)上講， 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 共 38 頁 第 5 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 它是一種帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式。 5）通過應(yīng)用程序生成器可以輕松地發(fā)布 EXE、動態(tài)鏈接庫或安裝包。圖標(biāo) /連接器是子 VI被其它 VI調(diào)用的接口。 LabVIEW有三類端點(diǎn) — 前面板對象端點(diǎn)、全局與局部變量端點(diǎn)和常量端點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)程序運(yùn)行完畢后，它把結(jié)果數(shù)據(jù)送給所有的輸出端口，使之成為有效數(shù)據(jù)。從 Tools工具模板選擇探針工具，再用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊所希望放置探針的連接線。 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。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(diǎn)的計(jì) 算 ,需要作 N 次復(fù)數(shù)乘法和 (N1)次復(fù)數(shù)加法。其所采用 FFT 算法為按頻率抽取基 2FFT 算法。聲卡處理的聲音信息在計(jì)算機(jī)中以文件的形式存儲。如果一首 MIDI 樂曲中的復(fù)音數(shù)超過了聲卡的復(fù)音數(shù)，則將丟失某些聲部，但一般不會丟失主旋律。 f) 信噪比：以 dB（ Decibel，分貝）計(jì)算的信號最大保真輸出與不可避免的電子噪音的比率。這與第一個方案的不同之處依然是數(shù)據(jù)采集卡。 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?jǐn)?shù)來表示。 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(jìn)制位數(shù)，即進(jìn)行 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換的精度。 聲卡的硬件結(jié)構(gòu) 麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、耳機(jī)等所用的都是模擬信號，而計(jì)算機(jī)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(jì) 共 38 頁 第 13 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 聲卡的作用就是實(shí)現(xiàn) 兩者之間的轉(zhuǎn)換。 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(jì) 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(jìn)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。而且每一復(fù)乘又 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 共 38 頁 第 10 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 含有 4次實(shí)乘和 2個復(fù)加；每一復(fù)加又包含有 2個實(shí)加。 在實(shí)際工作中，信號的抽樣是通過 A/D芯片來實(shí)現(xiàn)的。該窗口總是被顯示在前面板窗口或流程圖窗口的上面。 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(yùn)行按鈕會變 成一個折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。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(diǎn)與之一一對應(yīng) 。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(yīng)。 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。這種方式確保它不受操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等因素的影響。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(jì)算機(jī)或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺上，再加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。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。而傳統(tǒng)儀器下的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，已嚴(yán)重滯后于信息時代和工程實(shí)際的需要。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)。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(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟硬件資源，把計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。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(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場容量巨大。計(jì)算機(jī)與儀器硬件又稱為 VI 的通用儀器硬件平臺。虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同的應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作界面。 LabVIEW 的運(yùn)行機(jī)制就宏觀上講已經(jīng)不再