【正文】 為一個主要的子程序調用。對 N點序列 x(n)，其 DFT變換對定義為： (21) DFT 之所以在各個學科領域獲得廣泛應用 ,其中一個非常重要原因是因為它存在有高效快速的算法 快速傅立葉變換，簡稱 FFT。眾所周知，計算機內部參與運算的信號是二進制的離散數(shù)字信號，而被采集的物 理量一般是連續(xù)的模擬信號。當 VI 程序運行到斷點被設置處，程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點，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 ，都可以用鼠標右鍵點擊任一個節(jié)點和端點，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)點類型 — 函數(shù)節(jié)點和子 VI節(jié)點。每一個程序前面板都對應著一段框圖程序。 2）內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，靈活易用。 虛擬儀器介紹 虛擬儀器系統(tǒng)是由計算機、應用軟件和儀器硬件三大要素構成的。 2）課題研究的意義 目前，我國正處于科學技術蓬勃發(fā)展的新時期，對儀器設備的要求更加迫切。 美國是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大虛擬儀器制造國。 本文用計算機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大的工程實用軟件 LabVIEW 作為軟件開發(fā)平臺，設計了一個高采樣精度、 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。國內專家預 測：未來的幾年內，我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。在學校特別是大學中，要想緊跟技術的發(fā)展就要不斷更新教學和實驗設備，而傳統(tǒng)儀器無法升級，更換設備代價又太昂貴。而且因為有網(wǎng)絡的存在，可以應用網(wǎng)絡實現(xiàn)儀器共享或遠程控制。因而，虛擬儀 器的發(fā)展已經(jīng)與計算機技術的發(fā)展步伐完全同步。 LabVIEW 的作用 LabVIEW在測試、測量和自動化等領域具有最大的優(yōu)勢，因為 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，用于擴展 LabVIEW 在不同領域中的應用。 LabVIEW的強大功能歸因于它的層次化結構，用戶可以把創(chuàng)建的 VI程序當作子程序調用，以創(chuàng)建更復雜的程序，而這種調用的層 次是沒有限制的。當在前面板創(chuàng)建或刪除面板對象時，可以自動創(chuàng)建或刪除相應的對象端點。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，在連線上點擊鼠標右鍵，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)。這對一個實際的信號長度來說，每當點較多時，這么大的數(shù)組，勢必占用很長的計算時間。 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）音頻采樣標準。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。 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 。復音數(shù)越大，音色就越好，播放 MIDI（ Musical Instrument Digital Interface，音樂設備數(shù)字接口）時可以聽到的聲部越多、越細膩。 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 為加權系數(shù)的一組樣點 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)點而言，只有當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。端點是只有一路輸入輸出，且方向固定節(jié)點。其中端口用來控制程序前面板和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調用，圖框被用來實現(xiàn)結構化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內的數(shù)據(jù)流動方向。 4）通過 DLL、 CIN 節(jié)點、 ActiveX、 .NET 或 MATLAB 腳本節(jié)點等技術，可以輕松實現(xiàn) LabVIEW 與其它編程語言混合編程。傳統(tǒng)的計算機語言（如 C）中的順序結構在 LabVIEW 中被并行機制所代替。此外，測量完成后可以顯示和打印所需的報表（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)絡進行數(shù)據(jù)共享。 虛擬儀器概念 虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設計儀器的測試功能，使用者操作這臺計算機，就像是在使用一臺專門設計的電子儀器。另一方面，用戶可以將一些先進的數(shù)字信號處理算法應用于虛擬儀器的設計，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現(xiàn)多功能集成的儀器設計。在世界財富 500 強中的制造業(yè)廠商，也有 95％都是 NI 的客戶。 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設計 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 摘 要 隨著計算機技術的發(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，將傳統(tǒng)儀器由硬件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析功能與顯示功能，改由功能強大的 計算機及其顯示器來完成，并配置以相應的I/O 接口設備進行數(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)進行分析處理及顯示，就可以構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界面。 虛擬儀器系統(tǒng)的構成 虛擬儀器系統(tǒng)是由計算機、應用軟件和儀器硬件組成的。從本質上講， 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設計 共 38 頁 第 5 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 它是一種帶有圖形控制流結構的數(shù)據(jù)流模式。 5）通過應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 /連接器是子 VI被其它 VI調用的接口。 LabVIEW有三類端點 — 前面板對象端點、全局與局部變量端點和常量端點。當節(jié)點程序運行完畢后，它把結果數(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，再用鼠標左鍵點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的計 算 ,需要作 N 次復數(shù)乘法和 (N1)次復數(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算機中以文件的形式存儲。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。 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。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，通常用百分數(shù)來表示。 b) 采樣位數(shù)：將聲音從模擬信號轉化為數(shù)字信號的二進制位數(shù)，即進行 A/D、 D/A 轉換的精度。 聲卡的硬件結構 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) 兩者之間的轉換。 諧波分析理論 諧波（ harmonic) 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設計 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。而且每一復乘又 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設計 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。 在實際工作中，信號的抽樣是通過 A/D芯片來實現(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。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 。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。 7） LabVIEW 內建了 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)、計算機等因素的影響。無論哪種結構，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)儀器下的高校實驗教學，已嚴重滯后于信息時代和工程實際的需要。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，它們充分利用了計算機強大的軟硬件資源，把計算機技術和測量技術緊密結合起來，是融合了電子測量、信號處理、計算機和網(wǎng)絡技術的新型測量儀器，由于成本低、使用方便等優(yōu)點得到了廣泛的應用。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。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場容量巨大。計算機與儀器硬件又稱為 VI 的通用儀器硬件平臺。虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同的應用可以設計不同的操作界面。 LabVIEW 的運行機制就宏觀上講已經(jīng)不再