張蓬+彭鶴

摘要：針對(duì)“融合性教學(xué)”的理念，闡述了如何利用Labview虛擬儀器軟件，通過循序漸進(jìn)的方式，引導(dǎo)學(xué)生編寫關(guān)于信號(hào)分析的仿真軟件。通過親歷設(shè)計(jì)仿真的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)的過程，不僅使學(xué)生直觀的理解了“測(cè)試技術(shù)”課程中的關(guān)于信號(hào)的時(shí)域分析和頻域分析中的抽象概念，并且通過信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)合成及信號(hào)的相關(guān)分析等例程，初步學(xué)會(huì)了利用虛擬儀器平臺(tái)解決信號(hào)分析中的問題，達(dá)到了知識(shí)與軟件工具雙學(xué)習(xí)的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 測(cè)試技術(shù) 融合性教學(xué) 信號(hào)分析與處理

為了使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)“測(cè)試技術(shù)”這門課程，很多學(xué)校針對(duì)這門課的傳感器與敏感元件的工作原理及其應(yīng)用這部分教學(xué)內(nèi)容購(gòu)置了相應(yīng)的教學(xué)儀器，安排了許多傳感器性質(zhì)認(rèn)知的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠親身體驗(yàn)到使用傳感器測(cè)量物理參數(shù)的過程。但是對(duì)于信號(hào)的采集和分析處理，特別是從信號(hào)的時(shí)域分析變換到對(duì)信號(hào)的頻域分析這部分教學(xué)內(nèi)容，涉及的名詞較多，理論性較強(qiáng)，概念也極為抽象，使得這部分內(nèi)容成為了“測(cè)試技術(shù)”課程的教學(xué)難點(diǎn)。為解決這個(gè)難題，利用虛擬儀器強(qiáng)大的信號(hào)產(chǎn)生和分析函數(shù)和方便直觀的面板控件，讓學(xué)生能夠像對(duì)傳感器性質(zhì)認(rèn)知那樣通過做仿真實(shí)驗(yàn)，直觀地理解信號(hào)的組成、信號(hào)的頻域分析、加窗處理和相關(guān)特性分析等核心知識(shí)點(diǎn)。

不同于一般的由教師編寫好仿真軟件后讓學(xué)生運(yùn)行軟件做實(shí)驗(yàn)，為了使學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)原理，掌握信號(hào)的分析方法，就要讓學(xué)生參與到仿真實(shí)驗(yàn)軟件的設(shè)計(jì)中來，這樣既可通過實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生掌握理論知識(shí)，又教會(huì)了學(xué)生利用虛擬儀器軟件分析學(xué)習(xí)中遇到的問題，鍛煉了學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力，達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)現(xiàn)了“融合性教學(xué)”，將理論知識(shí)和軟件工具的使用同時(shí)教給學(xué)生。

一、循序漸進(jìn)將對(duì)信號(hào)時(shí)域分析轉(zhuǎn)換為頻域分析的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想是在讓學(xué)生自己完成仿真軟件編寫的同時(shí)，還要理解和體會(huì)軟件本身所展示的理論知識(shí)，因?yàn)檐浖帉懙倪^程也是對(duì)課堂理論知識(shí)學(xué)習(xí)的過程。但是在這之前大部分的學(xué)生并沒有接觸過虛擬儀器，因此要使學(xué)生在短短的2個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)，既要完成實(shí)驗(yàn)軟件的編寫，還要理解和完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是有一定難度的。但是隨著計(jì)算機(jī)的廣泛普及，如今的學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)及軟件編程的相關(guān)概念如建立一個(gè)工程、文件管理和編輯、控件、庫(kù)函數(shù)等相關(guān)概念并不陌生。美國(guó)NI公司的虛擬儀器Labview軟件開發(fā)平臺(tái)，具有強(qiáng)大的界面設(shè)計(jì)控件庫(kù)和函數(shù)庫(kù)，采用圖形化編程，只需循序漸進(jìn)的加以引導(dǎo)，就能讓學(xué)生在很短的時(shí)間里掌握一些簡(jiǎn)單的虛擬儀器程序（以下簡(jiǎn)稱vi）的編寫。

實(shí)驗(yàn)從設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單的虛擬信號(hào)發(fā)生器入手，讓學(xué)生既體驗(yàn)了vi的設(shè)計(jì)過程，又能直觀的了解到幅值、頻率及相位等參數(shù)對(duì)改變信號(hào)波形的影響。

（1）首先，帶領(lǐng)學(xué)生圖設(shè)計(jì)一個(gè)如圖1所示的虛擬信號(hào)發(fā)生器vi，在這個(gè)vi中第一步要指導(dǎo)學(xué)生如何在Labview的函數(shù)選擇面板上選擇“基本函數(shù)發(fā)生器”。其次，對(duì)于頻率、幅值和信號(hào)類型控件只需將編程線圈分別移到“基本函數(shù)發(fā)生器”的“頻率”“幅值”和“信號(hào)類型”三個(gè)引腳上選擇創(chuàng)建三個(gè)輸入控件即可，這樣可省去控件選擇和連線的麻煩。最后，在前面板指導(dǎo)學(xué)生找到“波形圖”控件，并返回到程序框圖面板，將“基本函數(shù)發(fā)生器”的輸出端與“波形圖”控件的輸入端連接，圖1所示的虛擬信號(hào)發(fā)生器vi就完成了。

（2）用同樣的方法在圖1（a）的程序框圖上再添加2個(gè)控件和算子，就可方便的求出“均值”“均值方根”等時(shí)域波形的特征值（如圖2所示）。

（3）有了前兩步的基礎(chǔ)，將上例程序框圖面板中的“基本函數(shù)發(fā)生器”換成“公式波形”函數(shù)，刪去“信號(hào)類型”連線及控件，在“公式波形”函數(shù)的公式引腳創(chuàng)建“formula”公式輸入控件，就設(shè)計(jì)好了一個(gè)波形合成的vi。為了讓學(xué)生將諧波與頻域的頻譜線對(duì)應(yīng)起來，在“公式波形”函數(shù)的輸出端進(jìn)一步添加一個(gè)波形圖控件和一個(gè)FFT頻譜（幅值-相位）函數(shù)并連接，結(jié)果如圖3所示。 這樣通過以上三個(gè)步驟，一個(gè)波形合成與頻譜顯示的vi就編寫完成了。這個(gè)vi的操作面板如圖4所示。

根據(jù)推導(dǎo)，方波的富氏級(jí)數(shù)展開式如公式1.1所示，展開式表明方波是由各次諧波疊加而成的。

學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)只要將公式中的各次諧波逐項(xiàng)的輸入到圖4的波形合成公式（formula控件）中并運(yùn)行，就可看到波形疊加合成的過程，并且可看到每輸入一次諧波，頻譜圖上就多了一條譜線，這樣就將時(shí)域的合成波形與頻域的譜線對(duì)應(yīng)起來，學(xué)生就不難理解信號(hào)的組成成分是由不同頻率的諧波疊加而成的概念了。而且可以看到隨著疊加諧波次數(shù)的增加，合成波就越接近于理想的方波。當(dāng)諧波次數(shù)高到一定數(shù)值時(shí)，高次諧波對(duì)信號(hào)合成的影響忽略不計(jì)。

二、信號(hào)相關(guān)性質(zhì)認(rèn)知的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

信號(hào)相關(guān)性質(zhì)認(rèn)知的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，主要是體現(xiàn)通過展示所求相關(guān)函數(shù)的波形來說明自相關(guān)性質(zhì)和互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)。圖5是求兩個(gè)信號(hào)的自相關(guān)和互相vi的程序框圖，圖中采用2個(gè)“基本函數(shù)發(fā)生器”產(chǎn)生信號(hào)1和信號(hào)2的波形。分別采用Labview的“AutoCorrelation.vi”求信號(hào)1的自相關(guān)波形，用“CrossCorrelation.vi”求兩個(gè)信號(hào)1和信號(hào)2的互相關(guān)波形，并且分別用2個(gè)波形圖控件顯示自相關(guān)和互相關(guān)的波形。

為方便觀察，將信號(hào)1信號(hào)2的原始波形通過一個(gè)信號(hào)合并器放在同一個(gè)波形控件中顯示。為使“AutoCorrelation.vi”和“CrossCorrelation.vi”進(jìn)行相關(guān)計(jì)算更精確，在某些情況下需歸一化。該vi提供偏差和無偏差兩種歸一化。分析時(shí)要注意將這兩個(gè)算子vi的歸一化端創(chuàng)建一個(gè)輸入型的normalization枚舉控件，并選擇無偏差歸一化進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，以保證計(jì)算波形的正確性。這個(gè)vi的前面板如圖6所示。 通過在圖6選擇不同頻率不同波形的信號(hào)1和信號(hào)2，可以觀察到選擇信號(hào)1不同波形時(shí)的自相關(guān)波形，和兩個(gè)不同頻率周期信號(hào)以及周期信號(hào)與隨機(jī)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)為零的性質(zhì)。

三、結(jié)束語

課堂教學(xué)的學(xué)時(shí)總是有限的，除了上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)外，利用Labview還可以設(shè)計(jì)出如采樣定理原理、窗函數(shù)與譜泄漏、信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)等多種vi，來幫助學(xué)生直觀的理解抽象的概念。

通過虛擬儀器軟件上機(jī)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生初步掌握了編寫vi的方法，學(xué)生只要在自己的電腦上安裝虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，再給學(xué)生配以適當(dāng)?shù)闹v義，學(xué)生便可自己完成以上vi的設(shè)計(jì)，這樣既教會(huì)了學(xué)生使用虛擬儀器軟件工具，又使得學(xué)生在編寫一個(gè)個(gè)vi的過程中運(yùn)用了課堂上所學(xué)到的理論知識(shí)，達(dá)到了融合教學(xué)的目的。

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