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本文作者：曲培新 余周 林磊 单位：
信号分析处理
数字滤波具有不需要增加硬件设备,不存在阻抗匹配,对于多路信号可以共用硬件设备,可以自主修改滤波参数等方面的优点.软件滤波用来滤除奇异数据,在外界干扰信号或者电压信号不稳定时,可能会产生不符合实际情况的奇异数据,在这种情况下,软件滤波将这些奇异数据滤除,保持上次的采样值不变.在本设计应用中将滑动平均滤波和中位值滤波两种方法结合使用,构成复合滤波.复合滤波采用首先使用中位值滤波滤除掉采样值中存在的脉冲干扰,之后将各个值进行平滑平均滤波.这样不管是对快速变换还是对平缓变换的信号都能发挥两种滤波的优点,起到较好的滤波效果.
快速傅里叶变换（FFT）是快速计算离散傅里叶变换的一种高效方法.FFT算法分为频率抽取（DIF）FFT和时间抽取（DIT）FFT两类.本系统采用时间抽取的算法.
加窗可以改善分析信号的频谱特性,是改善DFT分析的一种重要手段,有利于提高精度,抑制频谱泄漏[7].窗函数的特征由窗的形状和宽度决定,一般的要求是尽量减少频谱的旁瓣的高度和尽量使主瓣的宽度窄.但是这又是相互矛盾的,因为主瓣变窄旁瓣也将变高.窗函数的主要指标是带宽B,主瓣宽度B0,最大边瓣峰值A,边瓣谱峰渐进衰减速度D.在本系统中使用常用的窗函数有Hanning、Hamming等函数.
硬件选择
系统的硬件主要包括个人计算机和数据采集卡两部分[8].个人计算机的选择比较灵活,个人台式计算机和笔记本计算机需要带有USB接口.数据采集卡选用阿尔泰公司出品的适于便携、教学的USB系列的USB5935型数据采集卡.该采集卡具有13位AD精度,500kS/s采样频率；单端16路/差分8路模拟量输入；AD量程：±10V、±5V、0～10V；程控增益：1、2、5、10或1、2、4、8倍；数字量输入、输出各6路；1路24位定时计数器.
软件设计
系统的软件开发使用美国NI公司的图形化软件编程平台LabVIEW.该软件以通用计算机为核心的硬件平台,使用图形化编程G语言,具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力、人机交互界面友好的特点.通过编程环境能够完成对检测信号的调理、数据采集、数据分析、图形显示以及数据存储的功能.用户可以开发出图形化的用户界面,实现“我的仪器我设计”的以人为本的科学理念[9].
主控主要作用是使各个模块按照系统要求协调工作,保证互相通信,实现友好的人机交流过程.多通道虚拟电子教学实验测试系统通过显示器提供了类似于传统仪器的软面板,对于有硬件操作经验的人可以直接上手,实现平滑过渡.系统输入控制设备为鼠标和键盘,当鼠标、键盘发出指令后,主控模块通过调用各个模块的功能实现操作者的意图.
通道设置模块由于USB数据采集卡通过16个通道进行输入,可以对16路信号进行切换,用户可以通过下拉菜单选择需要观测的任意两个通道.当只需要一个通道的时候可以使用默认的通道,也可以使用任意某个通道.同时为了防止多通道显示时候的干扰,可以通过按钮随时关闭或者打开某一个通道显示.
数据采集首先确定数据来源,从采集卡、声卡和软件三种之中选择一种[9].然后进行相应的初始化操作,设置各种采集参数的设定,例如采集点数、通道参数、采样频率等；然后启动采集,当采集完预设的点数,把采集到的数据从缓冲区发到计算机；再对信息进行数据处理,例如进行滤波处理；最后把需要显示波形通过显示器显示出来,或者通过存储媒质进行保存.
通过存储模块可以使波形数据以文本或者是图形的方式保存在计算机硬盘上,以备需要之时查询.信号在进行A/D转换后,由USB接口传入到计算机内部,当按下保存按钮时,数据信息由程序内的存储子VI工作进行处理,把bmp格式的图像或者文本数据保存在计算机内,或者移动存储设备内.
频谱分析模块对采集到的信号进行分析和处理.程序开始运行后经过初始化后开始采集数据,启动模数转换,根据用户选择进行加窗处理,然后再进行FFT,最后由面板来显示频谱.通过TabControl控件触发事件切换到频谱分析选项卡,在下拉菜单中选择需要的窗函数,设计有“Hamming”、“Hanning”等多种窗函数供用户结合需要进行选择.
信号发生是利用数/模转换的一个体现.系统的信号发生器产生正弦波、方波、三角波和任意函数等功能.同时可以将信号发生器直接切换到数字示波器中,进行观察和学习各种波形,也可以起到校准示波器的作用.
结论
通道虚拟电子教学实验系统是基于虚拟仪器技术构建,因而具有虚拟仪器的各种优点.经过实验验证,该系统集成的虚拟示波器、信号发生器和频谱分析仪能够在实验教学的环境下满足对频率不大于500k场合的使用.USB采集卡、声卡和软件3种输入方式很大程度上的扩展了系统的适用环境.运用虚拟仪器技术设计教学实验用的测量分析系统能够发挥计算机性能优势,计算机也可继续用于其他用途,可节约资金.同时在硬件系统保持不变的前提下，通过修改软件模块增加系统的仪器功能,由于采用模块化的设计思路,该系统具有良好的移植性,可以打破以往实验模式,提高学生的创新意识.计算机技术和虚拟仪器软件的不断发展,虚拟仪器对实验教学有着重要的意义.
