本文作者：曲培新 余周 林磊 單位：

信號分析處理

數字濾波具有不需要增加硬件設備,不存在阻抗匹配,對于多路信號可以共用硬件設備,可以自主修改濾波參數等方面的優點.軟件濾波用來濾除奇異數據,在外界干擾信號或者電壓信號不穩定時,可能會產生不符合實際情況的奇異數據,在這種情況下,軟件濾波將這些奇異數據濾除,保持上次的采樣值不變.在本設計應用中將滑動平均濾波和中位值濾波兩種方法結合使用,構成復合濾波.復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揮兩種濾波的優點,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.窗函數的主要指標是帶寬B,主瓣寬度B0,最大邊瓣峰值A,邊瓣譜峰漸進衰減速度D.在本系統中使用常用的窗函數有Hanning、Hamming等函數.

硬件選擇

系統的硬件主要包括個人計算機和數據采集卡兩部分[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.數據采集卡選用阿爾泰公司出品的適于便攜、教學的USB系列的USB5935型數據采集卡.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；數字量輸入、輸出各6路；1路24位定時計數器.

軟件設計

系統的軟件開發使用美國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,具有強大的數據可視化分析和儀器控制能力、人機交互界面友好的特點.通過編程環境能夠完成對檢測信號的調理、數據采集、數據分析、圖形顯示以及數據存儲的功能.用戶可以開發出圖形化的用戶界面,實現“我的儀器我設計”的以人為本的科學理念[9].

主控主要作用是使各個模塊按照系統要求協調工作,保證互相通信,實現友好的人機交流過程.多通道虛擬電子教學實驗測試系統通過顯示器提供了類似于傳統儀器的軟面板,對于有硬件操作經驗的人可以直接上手,實現平滑過渡.系統輸入控制設備為鼠標和鍵盤,當鼠標、鍵盤發出指令后,主控模塊通過調用各個模塊的功能實現操作者的意圖.

通道設置模塊由于USB數據采集卡通過16個通道進行輸入,可以對16路信號進行切換,用戶可以通過下拉菜單選擇需要觀測的任意兩個通道.當只需要一個通道的時候可以使用默認的通道,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閉或者打開某一個通道顯示.

數據采集首先確定數據來源,從采集卡、聲卡和軟件三種之中選擇一種[9].然后進行相應的初始化操作,設置各種采集參數的設定,例如采集點數、通道參數、采樣頻率等；然后啟動采集,當采集完預設的點數,把采集到的數據從緩沖區發到計算機；再對信息進行數據處理,例如進行濾波處理；最后把需要顯示波形通過顯示器顯示出來,或者通過存儲媒質進行保存.

通過存儲模塊可以使波形數據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.信號在進行A/D轉換后,由USB接口傳入到計算機內部,當按下保存按鈕時,數據信息由程序內的存儲子VI工作進行處理,把bmp格式的圖像或者文本數據保存在計算機內,或者移動存儲設備內.

頻譜分析模塊對采集到的信號進行分析和處理.程序開始運行后經過初始化后開始采集數據,啟動模數轉換,根據用戶選擇進行加窗處理,然后再進行FFT,最后由面板來顯示頻譜.通過TabControl控件觸發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,設計有“Hamming”、“Hanning”等多種窗函數供用戶結合需要進行選擇.

信號發生是利用數/模轉換的一個體現.系統的信號發生器產生正弦波、方波、三角波和任意函數等功能.同時可以將信號發生器直接切換到數字示波器中,進行觀察和學習各種波形,也可以起到校準示波器的作用.

結論

通道虛擬電子教學實驗系統是基于虛擬儀器技術構建,因而具有虛擬儀器的各種優點.經過實驗驗證,該系統集成的虛擬示波器、信號發生器和頻譜分析儀能夠在實驗教學的環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展了系統的適用環境.運用虛擬儀器技術設計教學實驗用的測量分析系統能夠發揮計算機性能優勢,計算機也可繼續用于其他用途,可節約資金.同時在硬件系統保持不變的前提下，通過修改軟件模塊增加系統的儀器功能,由于采用模塊化的設計思路,該系統具有良好的移植性,可以打破以往實驗模式,提高學生的創新意識.計算機技術和虛擬儀器軟件的不斷發展,虛擬儀器對實驗教學有著重要的意義.