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基于LabVIEW的信号系统实验设计






论文题目:基于 LabVIEW 的信号系统实验设计 学生姓名: 指导教师:





《信号与系统》是电类专业最基本的理论课程,其理论性非常强,内容较为抽象, 学生感到有些理解上的困难,学习吃力。针对这样理论性较强的专业课时,实验教学 就显得尤为重要。 LabVIEW 作为一款主要针对测控、信号处理的图形化编程语言,具有形象、直观 易懂以及强大的数据处理能力等特点,能支持多种硬件平台。十分符合高等院校信号 与系统实验教学要求,并且已经运用在国内外的一些高等院校中了。为了加强学生对 基本理论课程的理解,提高实际的工程能力,设计一个基于 LabVIEW 的实验教学系统 是具有十分重要的现实意义。 本文先介绍 LabVIEW 的特点,然后在介绍实验的理论基础之上详细介绍了实验 的 LabVIEW 实现。完成了的信号分析、信号抽样、LTI 系统特性、系统仿真、谐振电 路的具体实现。 与传统的实验教学系统相比, LabVIEW 易懂的图形化编程, 强大的 I/O 驱动能力——能方便的实现和多种硬件设备的连接,不仅能增加学生对实验的兴趣, 还能增强学生软件和硬件结合的工程能力。由这些模块构成的实验系统,可用于各电 类专业的信号与系统的教学实验。
关 键 词:LabVIEW;数字信号处理;信号系统;实验教学平台;数据采集

I

西安交通大学本科毕业设计(论文)

Title: Design of Signal and system experimental system based on LabVIEW name: Supervisor:

ABSTRACT

<signal and system> is a fundamental course for the students of the Electronics specialty, which has strong feature of theory and abstract content ,making students feel confused. For this kind of course, experimental teaching is extremely significant. LabVIEW is a Graphics Language , aiming at control and signal processing, with the feature of visual, easy understanding and strong data processing,it also can support many kinds of hardware platform ,and has applied in many schools at home and abroad. it has very important real sense to design a experimental teaching system based on the LabVIEW aiming at enhancing students' understanding of the basic theory courses and improving engineering capabilities. The thesis firstly introduces the feature of LabVIEW, and experiments on LabVIEW inclu ding signal analysis, signal sampling, LTI system features, system simulation, and the resona nt circuit. Compared with the traditional experimental teaching system, the easy-understandi ng graphical programming in LabVIEW and its powerful I/O drive capability not only incre ases students' interest in the experiment, but also enhances the engineering ability of students to combine the software and hardware. The experimental system constituted by these modul es can be used to the experimental teaching involved in the signal and system for the student s of the Electronics specialty.
KEY WORDS: LabVIEW;Digital signal process; Signal and system; Experimental teaching platform; Data acquisition

II



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1 绪论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 课题背景 ........................................................................................................................ 1 1.1.1 虚拟仪器在教学运用的前景 ................................................................................. 1 1.1.2 虚拟仪器和 LabVIEW ............................................................................................ 1 1.2 研究意义 ........................................................................................................................ 2 1.3 研究内容 ........................................................................................................................ 2 2 走进 LabVIEW 的世界 ....................................................................................................... 3 2.1 什么是 LabVIEW ........................................................................................................... 3 2.2 LabVIEW 的发展历史 ................................................................................................... 3 2.3 G 语言............................................................................................................................. 3 2.4 LabVIEW 的特点 ........................................................................................................... 3 2.5 LabVIEW 的应用领域 ................................................................................................... 4 3 信号系统实验的 LabVIEW 实现 ....................................................................................... 6 3.1 信号分析 ........................................................................................................................ 7 3.1.1 信号分析基本原理 .................................................................................................. 7 3.1.2 信号分析的 LabVIEW 实现 ................................................................................. 12 3.2 信号抽样 ...................................................................................................................... 14 3.2.1 信号抽样原理 ........................................................................................................ 14 3.2.2 信号抽样的 LabVIEW 实现 ................................................................................. 15 3.3 LTI 系统 ........................................................................................................................ 17 3.3.1 LTI 系统特性 ......................................................................................................... 18 3.3.2 LTI 系统特性实验的 LabVIEW 实现 .................................................................. 19 3.4 系统仿真 ...................................................................................................................... 21 3.4.1 系统仿真的理论基础 ............................................................................................ 21 3.4.2 系统仿真的 LabVIEW 实现 ................................................................................. 24 3.5 本章小结 ...................................................................................................................... 25 4 LabVIEW 和 Multisim 的联合仿真 ................................................................................... 26 4.1 为什么要进行联合仿真 .............................................................................................. 26 4.2 Multisim 自动化 ........................................................................................................... 26 4.3 数字电路和模拟电路的联合仿真 .............................................................................. 27 5 数据采集 ............................................................................................................................ 30

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5.1 数据采集基础 .............................................................................................................. 30 5.1.1 数据采集过程 ........................................................................................................ 30 5.1.2 采集卡的主要指标 ................................................................................................ 30 5.2 一阶电路的测量 ......................................................................................................... 30 6 结论与展望 ........................................................................................................................ 33 参考文献 ................................................................................................................................ 34 附 录 1 ................................................................................................................................. 35 附 录 2 .................................................................................................................................. 44 7 致 谢 ................................................................................................................................ 49

IV

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1 绪论
1.1 课题背景
本文所开发的基于虚拟仪器的《信号与系统》实验教学平台是在计算机技术,信 号测量技术,信号处理技术高速发展,实验室教学软硬件更新,为了促进学生更好的 理解理论知识,增加实际的工程运用能力,在美国国家仪器 NI 公司的 LabVIEW 软件 平台开发上的虚拟仪器实验教学系统。可用于应用于各电类专业的自动控制、信号处 理实验教学。本文的背景知识包括:信号与系统、LabVIEW 编程、数字信号处理、电 路原理。

1.1.1 虚拟仪器在教学运用的前景
我国科学家怀樵老先生在 1979 年提出了“软件制造仪器”的概念。1986 年美国 国家仪器公司 NI(National Instruments)提出了虚拟测量仪器(VI)概念,在传统仪器 领域引发了一场深刻的变革,它使得计算机和网络技术能够进入仪器领域,和仪器技 术结合起来,开创了“软件即是仪器”的先河。实验教学在高等工科教育中占据重要 的地位,并起着不可替代的的作用,特别是在针对这样理论性较强的专业课时,实验 教学就显得尤为重要,通常在高校实际实验教学中,主要是通过基于硬件或软件的实 验加深学生对所学知识的理解。目前高校中很多的实验是采用试验箱和传统仪器来搭 建的实验平台,或者是用 C、MATLAB 等语言编写的仿真软件系统。硬件实验常通过 利用信号发生器、示波器、频谱分析仪、采集卡等器件产生、观察、测试、分析信号 的波形和各种特性。但是硬件投资大、维护、更新难、操作出现意外损失也较大,适 合有一定基础的高年级学生,软件实验利用软件编程对信号进行各种处理,MATLAB 是我们之前《信号与系统》实验所用软件其操作简单,处理能力强,仿真效果好,但 是其也存在直观性差。无法快速、高效、实时地处理各种信号,不能较好的满足对低 年级实验教学的现实需求。使用虚拟仪器的法案,可以在很大的程度上减少实验室的 硬件投入、系统的维护成本,还可以锻炼学生实际的测试工程技能,增加学生的学习 兴趣。

1.1.2 虚拟仪器和 LabVIEW
所谓的虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来完 成各种测试、测量和自动化的应用。它的实质是用电脑的显示器功能来模拟传统仪器 的控制面板,用模块化的硬件来实现软件和硬件的联合,用 I/O 设备完成信号的采集 与输出,用强大的软件来实现信号的采运算、分析和处理,从而实现各种功能的计算 机测控系统。其具有性能高、扩展性强、开发周期短、无缝集成等优点。用户用鼠标
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操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。LabVIEW 是由 NI 公司开 发的一个图形化的软件编程语言,是一种数据流编程语言。它的目的在于简化工程师 在构建自动化系统过程中的各个环节,降低开发难度,提高工程师的效率。也被称为 G 语言,通过 LabVIEW 和 DAQ 设备,工程师可以在一台普通的 PC 上搭建测控系统, 而无需其他硬件,在前面板中设计自定义的操作界面,在程序框图中设计数据采集和 分析功能。软件在整个系统中占据了重要的作用,因此“软件就是仪器”的概念就是 指这样一种以软件为核心的模块化仪器系统。

1.2 研究意义
由于虚拟仪器技术较传统仪器具有上述较多的优点,现阶段的实验室也以安装了 LabVIEW 软件,购买了 NI 的数据采集卡。因此在这个时候开发一套基于 LabVIEW 的 虚拟仪器教学实验系统,不仅能充分的利用教学资源,其和传统教学仪器的结合更能 提高我校学生实际动手的兴趣,增加的工程能力和实验教学的效果。其次由于我校的 LabVIEW 实验课程是在大三学年,让学生在这个时候接触 LabVIEW 能提高其后面的 学习能力,从而为以后实际工作中的测试、控制和设计打下良好的基础。

1.3 研究内容
本文主要阐述了信号系统实验的理论知识和在理论知识之上的信号系统实验的 LabVIEW 具体实现。 第二章 主要讲述了在测试控制领域占有重要作用的 LabVIEW 软件。 第三章 主要讲述了信号系统实验的信号分析、信号抽样、LTI 系统特性、系统仿 真的具体理论知识,并在理论的基础之上用 LabVIEW 实现了各个实验。 第四章 讲述了 LabVIEW 和 Multisim 联合仿真的基本知识,在理论的基础之上是 实现了 AM 调制的包络解调。 第五章 简单介绍了数据采集的基本知识,并实现了对一阶 RC 电路幅频特性的测 量。 第六章 结论和展望。

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2 走进 LabVIEW 的世界
2.1 什么是 LabVIEW
LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的缩写,它是美 国国家仪器有限公司(National Instruments Co.Ld.简称:NI)最核心的软件产品。与我 们较为常见的文本编程语言,如 C,C++,C#或 Java 相比,LabVIEW 最大特点是它是一 种图形化编程语言。

2.2 LabVIEW 的发展历史
1986 年,一个对虚拟仪器系统产生巨大影响的软件在 NI 诞生。它就是 LabVIEW 1.0,这个版本是在 Macintosh 机上实现的,后来才移植到 PC 机上。LabVIEW 一直尝 试对跨平台的支持,1993 年发布的 LabVIEW 3.0 实现了正对多种操作平台的支持,使 得同样的 LabVIEW 代码可以得到最大限度的复用, 舍去系统跨平台重写代码的重复劳 动。在 1998 年发布的 LabVIEW 5.0 实现了多线程运行;LabVIEW 6.0 实现了联网; LabVIEW 7.0 中添加了 Express VI,可以让工程师通过简单的交互和配置就可以再 LabVIEW 中自动生成代码,进一步降低数据采集、仪器控制、信号处理等功能的复杂 度,大大提高了程序开发效率;LabVIEW8.0 中添加了工程库和面向对象编程等, LabVIEW 8.5 版本融合了多核技术确保了性能的提升。 2011 年发布了 LabVIEW 最新版 本 LabVIEW 2011。我们可以看见随着 LabVIEW 在测试领域的广泛应用,必将有功能 更加强的的 LabVIEW 新版本面试,也将给我们用户带来更多的惊喜与帮助。

2.3 G 语言
G 语言是图形化的程序语言(Graphical Programming Language)的缩写。工程开 发人员在使用 G 语言编写程程序的时候,主要是编写流程图而不是像文本编程语言那 样编写代码。它充分的利用了科学研究人员、工程师所熟悉的术语、图标和概念,从 这样看来,LabVIEW 是一种最终面向用户的编程工具。

2.4 LabVIEW 的特点
(1)图形化编程模式。与文本编程语言不同的是,LabVIEW 采用了独特易懂的 图形化编程模式,这种模式和标准流程图相似,使得初学者极易入门,在很大的程度 上缩短了学生、工程师的整体学习时间和工程开发周期,极大的提高了工程开发效率。 (2)灵活的数据表达。为了能够有效地显示测试数据,LabVIEW 提供了大量可 视化控件。
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(3) 开放式环境。 LabVIEW 的开放性提供了与 ActiveX,动态链接库 (DLL) NET 、 等开发工具的共享库间的开放式连接,使工程师可以在 LabVIEW 中轻松引用外部代 码。 (4)强大的分析能力。LabVIEW 内建了大量的分析函数、数学模块用于数据分 析和处理,能够满足工程师们所面对的工程项目的大部分要求;另外,NI 还提供了针 对特定专业相应的附加工具包,如声音与振动、FPGA、控制设计仿真、高级信号处理 等。

2.5 LabVIEW 的应用领域
鉴于 LabVIEW 在诞生之初就致力于全面优化虚拟仪器的构建过程,LabVIEW 编 程语言就有了众多优点,尤其是在一下特定的领域,它的优势更加明显。我们在这些 领域开发软件时,可以优先考虑使用 LabVIEW。 测试领域:LabVIEW 诞生初衷就是为了测试测量,因此测试测量无疑成为了 LabVIEW 目前被应用最为广泛的领域。 从诞生之初到现在 LabVIEW 已经走过了 25 年 的历史,经过这 25 年的发展,LabVIEW 已经在测控领域占据了不可或缺的低位,在 测试测量领域得到了最为广泛的支持。LabVIEW 开发了适用于测量领域的各种 LabVIEW 工具包,其基本上覆盖了所有用户所需的所用功能,大大方便了用户在其基 础上的软件开发。 控制:测试和控制是两个相关度非常高的领域,通常我们一般都是讲测控领域。 LabVIEW 本身就是为测控而生的, 在此我们只是分开来讲。 LabVIEW 有专门用于控制 领域的模块——LabVIEW DSC。 仿真: 各种各样的运算函数也能在 LabVIEW 中找到, 特别适合进行模拟 、 仿真 、 原型设计等工作,在高等院校教育领域,一些时候受到现实实验条件的限制,可能课 程所涉及的与一些硬件设备相关的实验不能完成,LabVIEW 的硬件软件化的特点,在 这是就能得到很好的应用,使用 LabVIEW 进行软件仿真,可以达到较好的效果,同时 也调动学生学习的积极性和对相关课程的兴趣。 快速开发:图形编程消除了文本编程中所涉及的许多语法细节。使得软件开发的 效率有了极大的提高,使用传统的文本编程语言需要花费几周甚至是几月才能编写的 程序,用 LabVIEW 几天或者几小时就能完成。因此,在我们的项目开发时间紧张的情 况下,为了缩短开发周期可以优先考虑使用 LabVIEW 就行开发。 跨平台: LabVIEW 具有良好的平台一致性。 LabVIEW 的代码不需要做任何的修改 就可以在常见的三大常见的 PC 机操作系统:Windows、Mac OS 及 Linux 上运行。此 外,我们还可以注意到 LabVIEW 还有一些特殊的 LabVIEW 附加模块,即 LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA、LabVIEW PDA 和 LabVIEW Embedded 模块。这些模块 可以使我们所编写的 LabVIEW 程序在其他系统设备上运行。 LabVIEW Real-Time 可以 允许提取部分 LabVIEW 代码,将其下载到运行实时操作系统的独立控制电路板上执
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行; LabVIEW FPGA 和 LabVIEW PDA 模块允许 LabVIEW 程序分别在现场可编程门阵 列和个人掌上电脑(Personal Digital Assistance)上运行;LabVIEW Embedded 嵌入式 模块通过集成 LabVIEW 和第三方工具链,允许编译 LabVIEW VI 并将其运行在任何 一个 32 位微处理器上。

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3 信号系统实验的 LabVIEW 实现
根据信号系统实验的要求,运用 LabVIEW 设计了包括信号分析、信号抽样、LTI 系统特性、系统仿真在内的四个模块实验教学系统。 实验仿真主面板如图 3-1 所示。

图 3-1 实验仿真主面板

首先进入信号与系统实验教学系统,看到的是如图 3-1 的图形操作形界面,在这 里此界面中可以选择进入四个模块的某个实验模块,或者是停止实验。图 3-2 为主程 序框图:

图 3-2 主程序框图

实验的主程序是在一个循环中添加一个事件结构,事件结构含有六个分支,其中
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的四个分支中分别是调用相对应的四个子模块的子程序。通过前面板的选择确定事件 结构的分支,进入不同的实验模块或者是停止实验。下面分别对每个实验的原理与 LabVIEW 具体实现进行详细叙述。

3.1 信号分析
信号的频谱分析就是将信号的时域表征经过傅里叶变换后转换为频域表征,从而 获得信号在频域的分布特性,让我们能够从频域的角度对信号的特性获得更加深入的 了解。幅频分析又称为傅里叶分析,它给我们提供了一种非常方便的信号分析与表示 方法,是我们常见的信号与系统分析中一种非常有用的工具,在信号与系统的分析与 研究中,傅里叶分析起到了极为重要的作用。 信号的时域特性经傅里叶变换后就得到了信号的频域特性,它可以用频谱图来表 示。我们应当建立一种概念:用信号的频谱图可以完全表征信号。为了使学生更好的 了解掌握傅里叶变换,我们给出了以下实验。

3.1.1 信号分析基本原理 1.信号的傅里叶变换
(1)周期信号的傅里叶级数表示 如果一个信号时周期的,那么对于一切 t,存在某个正值 T,使得
x(t ) ? x(t ? T )

对全部 t 成立

(3.1)

x(t)的基波周期就是满足上式的最小非零值 T,而 w0 ? 2? / T 称为基波频率。 正弦信号
x(t ) ? c o ?0t s

(3.2) (3.3)

和周期复指数信号
x(t ) ? e jw0t

都是周期信号,而且其基波频率都为 w0 ,基波周期满足 w0 ? 2? / T 。与(3.3)式成谐 波关系的复指数信号集合是:

?k (t ) ? e jkw t ? e jk ( 2? / T ) t , k ? 0,?1,?2, ?
0

(3.4)

这些信号中的每一个信号都有一个基波频率,它们是 w0 得倍数。所以上式中的每 一个信号对 T 来说都是周期的。则有对一个由成谐波关系的复指数信号线性组成的信 号:
x(t ) ?

k ? ??

?

??

ak e jkw0t ?

k ? ??

?a e
k

??

jk ( 2? / T ) t

(3.5)

来说,也是周期为 T 的周期信号。一个周期信号表示成(3.5)式的形式,我们就称之 为傅里叶级数表示。 如果一个信号能够表示称为(3.5)式的级数形式,我们需要求出级数表达式的系
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数 ak 。在(3.5)式两边各乘以 e ? jkw 0t ,并经过几分化简可以得到:
ak ? 1 T

?

T

t x(t )e ? j k 0wd t

(3.6)

我们可以归纳为:如果信号 x(t)可以表示为傅里叶级数形式,那么傅里叶级数的系 数由(3.6)所确定。这一对应关系就定义为一个周期信号的傅里叶级数:
x(t ) ?

k ? ??

?ae
k

??

jkw0 t

?

k ? ??

?a e
k

??

jk ( 2? / T ) t

(3.7) (3.8)

ak ?

1 1 ? jkw t ? jk ( 2? / T ) t dt ? x(t )e 0 dt ? T T x(t )e ? TT

其中(3.7)称为综合公式,公式(3.8)则称为分析公式。系数{ ak }称为信号 x(t) 的傅里叶级数或是 x(t)的频谱系数。 一个离散信号 x[N],如果有 x[N]=x[n+N] ( 3.9 ) 就是一个周期为 N 的周期信号。使(3.9)式成立的最小正整数 N 就是基波周期,而
w0 ? 2? / N 就是基波周期。复指数信号 e j ( 2? / N ) n 是周期为 N 的周期信号。
t ?k [n] ? e j k w ? e j ( 2? / N ) n , k ? 0,?1,?2, ?
0

(3.10)

则由上式所给出的所有离散时间复指数信号的集合是以 N 为周期的周期信号,其中的 基波频率都是 2? / N 的倍数,因此他们是成谐波关系的。由于离散时间复指数信号在 频率上相差 2? 的整数倍都是一样的,所以(3.10)中给出的信号集合中只有 N 个信号 时不一样的。即:

?k [n] ? ?k ? rN [n]
这就意味着,当 k 变化一个 N 的整数倍时,就得到一个完全一样的序列。 我们现在可以用序列 ?k [n] 的线性组合来一般的周期序列,其形式如下:

(3.11)

x[n] ? ? ak?k [n] ? ? ak e jkw0n ? ? ak e jk ( 2? / N ) n
k k k

(3.12)

由于我们知道序列 ?k [n] 只是在 k 的 N 个相连续的的区间上的值才是不同的, 所以 上式的求和就只需要包括 N 项。所以(3.12)式的求值是在 k 的 N 个相连续的的区间 上求值得,k 的取值是任意的。为了更好的表达这个意思,我们将上式的求和表示成 k=<N>,即表示为:

x[n] ?

k ?? N ?

?

ak?k [n] ?

k ?? N ?

?

ak e jkw0n ?

k ?? N ?

?a e
k

jk ( 2? / N ) n

(3.13)

这个式子称为离散时间傅里叶级数,而系数 ak 则称为傅里叶级数系数。由级数的运算 性质

n ?? N ?

e jk ( 2? / N ) n ? ?

?

N , k ?0, ? N , ?2 N ,???, 0, others

(3.14)

说明:一个周期复指数序列的值在整个一个周期内求和时,除非该复指数是某一常数,
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否则,其和为零。 我们在(3.13)式的两边各乘以 e ? jr ( 2? / N ) n ,然后在 N 项上求和,得到:
n ?? N ?

?

x[n]e? jr ( 2? / N ) n ?

n ?? N ? k ?? N ?

? ?a e
k

j ( k ? r )(2? / N ) n

(3.15) (3.16)

交换求和次序可得:
n ?? N ?

? x[n]e

? jr ( 2? / N ) n

?

k ?? N ?

?

ak

n ?? N ?

?e

j ( k ? r )(2? / N ) n

由(3.14)式的恒等关系,把 r 值得变化范围选成与外层求和 k 值变化范围相同, 在这个范围内选择 r 值得话,则(3.16)式右边最内层的求和,在 k=r 时,就等于 N; 在 k ? r 时,就等于 0。即(3.16)式右边演变为 N ar ,即有
ar ? 1 N
n ?? N ?

? x[n]e

? jr ( 2? / N ) n

(3.17)

这就是离散周期信号傅里叶级数系数的表达式,离散时间傅里叶级数对为:

x[n] ?
ak ? 1 N

k ?? N ?

?

ak?k [n] ?

k ?? N ?

?

ak e jkw0n ?

k ?? N ?

?a e
k

jk ( 2? / N ) n

(3.18) (3.19)

n ?? N ?

?

x[n]e ? jkw0 n ?

1 ??x[n]e? jk (2? / N ) N n ?? N

其中(3.18)称为综合公式,公式(3.19)则称为分析公式。离散时间傅里叶级数 系数{ ak }称为信号 x[n]的频谱系数。

2.连续时间非周期信号傅里叶变换
把非周期信号当作一个周期信号在周期任意大时的极限来看待,是非周期信号建 立傅里叶表示的基本思想。 现有一非周期信号 x (t ) 和由 x (t ) 延拓生成的周期为 T 的周期 x 信号 ~ (t ) ,其中 x (t ) 有一个有限持续期 T ,当 t ? T 时, x (t ) =0。当 T ? ? 时,对任意
1

1

x 的时间 t 而言, ~ (t ) 就等于 x (t ) 。 x 在这种情况下 ~ (t ) 的傅里叶级数表达式可以写为:

~ (t ) ? x

k ? ??

?a e
k

??

jkw 0 t

(3.20) (3.21)

ak ?

1 T

?

T /2

?T / 2

t ~ (t )e ? j k 0wd x t

x 由于在 t ? T / 2 内, ~ (t ) = x (t ) ,而在其它地方 x (t ) =0,所以(3.21)式可以重新写


1 T /2 1 ?? x(t )e ? jkw0t dt ? ? x(t )e ? jkw0t dt T ??T / 2 T ?? 定义 Tak 的包络 X ( jw ) 为 ak ?

(3.22)

X ( jw) ? ? x(t )e ? jkw0t dt
??

??

(3.23)

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则有
~ (t ) ? x
k ? ??

? T X ( jkw )e
0

??

1

jkw0t

(3.24)

又因为 2? / T ? w0 ,则上式又可以表示为
?? ~ (t ) ? 1 (3.25) x ? X ( jkw0 )e jkw0t w0 2? k ? ?? x 当 T ? ? , ~ (t ) 趋近于 x (t ) ,其结果就是(3.25)式的极限就变为了 x (t ) 的表达式。

当 T ? ? 时,有 w0 ? 0 , 3.25 )式的右边过渡为积分表达式。由当 T ? ? 时, ( ~(t ) ? x(t ) ,此时(3.25)和(3.23)式分别变成 x
x(t ) ? 1 2?

?
??

??

??

X ( jw)e jwt dw

(3.26)


X ( jw) ? ? x(t )e ? jwt dt
??

(3.27)

(3.26) 和(3.27)式被称为傅里叶变换对。函数 X ( jw ) 称为 x (t ) 的傅里叶变换, 而(3.26)式称为傅里叶反变换。与周期信号的傅里叶级数类似的是,一个非周期信号
x (t ) 的傅里叶变换 X ( jw ) 一般呗称为 x (t ) 的频谱。

3.连续时间周期信号的傅里叶变换
x 由(3.8)式和(3.27)式我们可以明显的看出,一个连续周期信号 ~ (t ) 的傅里叶

级数可以用一个非周期信号 x (t ) 的傅里叶变换的等间隔采样来表示,我们将(3.8)式 改写为:
1 ak ? T
s ?T s ?T

?
s

~ (t )e ? jkw0t dt ? 1 x T

? x(t )e
s

? jkw0t

dt

(3.28)

因为当 s ? t ? s ? T 时, x (t ) =0,所以上式可以写为:
ak ? 1 ?? x(t )e ? jkw0t dt T ???

(3.29)

得到:
1 X ( jw ) w? kw0 (3.30) T 一个傅里叶变换 X ( jw ) 为 2? 的信号 x (t ) ,在 w ? w0 处的一个脉冲为: ak ?
X ( jw) ? 2?? ( w ? w0 )

(3.31)

由傅里叶反变换公式可以得到: 1 ?? (3.32) x(t ) ? 2?? ( w ? w0 )e jwt dw ?e jw0t 2? ??? 将此结果推广可以得到 X ( jw ) 在频率上的一组冲击函数的线性组合,即:

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X ( jw) ?

k ? ??

? 2?a ? (w ? kw )
k 0
jkw0t

??

(3.33)

由(3.26)式可以得到:
x(t ) ?
k ? ??

?a e
k

??

(3.34)

4.非周期信号的表示:离散时间傅里叶变换
在此处讨论离散非周期信号的傅里叶变换可以完全采用类似于连续时间信号傅 里 叶 变 换 的方法。即设一个非周期的离散时间 序列 x[n] ,其中当 ? N1 ? n ? N 2 时 x x x[n] ? 0 。x[n] 以 N 为周期进行延拓得到周期离散序列 ~[ n] 。 ? N ? n ? N 时,~[ n] 可 在
1 2

以用 x[n] 来代替。可以得到:
1 ak ? N

n ? ? N1

?
??

N2

x[n]e

? jk ( 2? / N ) n

1 ? ? x[n]e ? jk ( 2? / N ) n N n ? ??

??

(3.35)

我们如前面那样定义函数
X (e jw ) ?
n ? ??

? x[n]e

? jwn

(3.36)

由此可以看见这些傅里叶系数正比于 X (e jw ) 的各样本值,即
ak ? 1 X (e j k 0w) N

(3.37)

经过类似于前面讨论连续非周期信号的傅里叶变换化简(此处省略) 。最后当 ~[n] ,则可得 N ? ? 时, x[n] ? x
x[n] ? 1 2?

? ? X (e
2
?? n ? ??

jw

)e jwn dw

(3.38) (3.39)

X (e jw ) ?

? x[n]e

? jwn

这两个式子就是周期信号在离散情况下所对应的形式,其中 X (e jw ) 称为离散时间傅里 叶变换, (3.38)式是综合式子。这对公式称为离散时间傅里叶变换。综合式就是将离 x[n] 作为复指数序列的线性组合来表示,这些序列在频率上无限靠近,她们的 散序列 幅度为 X (e jw )( dw / 2? ) , 同连续时间傅里叶变换一样, 傅里叶变换 X (e jw ) 称为离散序列 x[n] 的频谱。

5.离散周期信号的傅里叶变换
在讨论离散周期信号傅里叶变换的时候,我们采用同讨论连续时间周期信号相同 的方式,即用频域的冲激串来表示周期信号的变换,这样离散时间周期信号就能纳入 到离散时间傅里叶变换中去讨论了。 对于信号 x[n] ? e jw0 n 我们可以得出它的傅里叶变换就是如下的冲激串:

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X (e jw ) ?

l ? ??

? 2?? (w ? w

??

0

? 2?l )

(3.40)

由前面的讨论可以得到周期序列 x[n] 的傅里叶变换为:
X (e jw ) ?

k ? ??

? 2?a ? (w ?
k

??

2?k ) N

(3.41)

这就是离散周期信号的傅里叶级数与其傅里叶变换的关系,即,我们可以从离散周期 信号的傅里叶级数直接得到它的傅里叶变换。

3.1.2 信号分析的 LabVIEW 实现
图 3-3 为 LabVIEW 虚拟实验的前面板,分为输入和显示两个大的部分,右边是由 输入控件组成的输入部分,输入部分可以选择信号的种类和对信号的幅度,频率等进 行设置。信号的类型包括连续时间周期信号、连续时间非周期信号、连续时间非周期 信号、离散时间周期信号、离散时间非周期信号。在图 3-3 中前面板后半部分为两个 显示控件,上面一个显示控件是信号时域波形图显示模块,另一个显示控件是频谱图 显示模块。

图 3-3 信号分析前面板

图 3-4 为频谱分析仿真系统的大致程序流程图,即首先先产生一个我们所想要的 信号,然后通过一个滤波器进行带限,信号再通过频谱分析模块进行频谱分析,最后 通过波形显示将分析的频谱结果显示出来。

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图 3-4 频谱分析的流程图

下面就整个模块程序的具体实现进行说明。图 3-5 为频谱分析系统程序框图。

图 3-5 频谱分析程序框图

整个框图是在一个 while 循环体结构中,运行时就进入了 while 循环,实验结束时 通过一个布尔选择控件给 while 循环一个非信号,从而退出循环。在内嵌了两个条件结 构,其中的一个条件结构再嵌一个条件结构。大的条件结构是用于选择信号的类型, 在这个条件结构再的内嵌条件结构用于选择具体的信号。如在大条件的结构分支为 0 时,即为连续周期信号,这时内嵌条件结构这有 4 个分支,分别为正弦波、方波 1、方 波 2、锯齿波。信号发生器分别为波形生成选项板中的正弦波、方波、锯齿波。小的条 件结构用来选择显示何时的频谱图。生成信号在通过低通滤波器后再经过频谱分析子 VI 即可以得到信号频谱信息。 虽说 LabVIEW 中有频谱分析的子 VI 但是, 其生成的频
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谱图只有正频率部分,而没有负频率部分,这样对学生不好理解,因此这里自己编写 了一个 FFT 的子 VI,由于 fft()函数运算结果的前一半点与后一半点对称,故显示前一 半的点(实际上结果中后一半点可以翻折到负频率部分进行显示) ,这样频率的显示就 和我们平时所讲的关于 0 频对称式一致的了。图 3-6 为频谱分析子 VI 程序框图:

图 3-6 频谱分析子 VI 程序框图

3.2 信号抽样
3.2.1 信号抽样原理
现在的世界日渐成为数字化的世界。数字信号的传输更加快速,高效,处理更加 灵活、方便、高速。我们希望能将模拟信号转换为数字信号进行传输处理。而在一定 的条件下,一个连续的时间信号,完全可以用一串等间隔的该信号的采样值来表示, 这就是采样定理,该定理在信号处理中占据极为重要的作用。为了使学生更深刻的理 解该定理,我们设计了这个采样实验。 (1)采样定理的表述: 设 x (t ) 是 某 一 个 带 限 信 号 , 在 w ? wM 时 , X ( jw ) =0. 如 果 ws ? 2 wM , 其 中
ws ? 2? / T ,那么 x (t ) 就唯一的尤其样本 x (nT ) , n ? 0,?1,?2,? ? ? 所确定。①

在得到这些采样的样本值后, 我们可以通过一定的方法重建信号 x (t ) : 产生一个幅 度为这些采样值的周期冲激串,然后将该周期冲激串通过一个截止频率满足
wM ? w ? wS ? wM ,增益为 T 的理想低通滤波器,则该滤波器的输出就是我们想恢复的
x (t ) 信号。

在采样定理中, 采样频率必须大于 2 wM , 我们一般称该频率 2 wM 为奈奎斯特率 , 称 wM 为奈奎斯特采样频率。 (2)冲激串采样 在采样定理中,我们得到信号 x (t ) 的等间隔样本值,为了得到这些样本值,我们


奥本海姆等著.刘树棠译.西安:西安交通大学出版社,1998

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用周期脉冲串去乘以原信号 x (t ) ,我们称这样的采样方法为脉冲串采样。周期脉冲串
p (t ) 称为。周期 T 为采样周期, p (t ) 的基波频率称为 wS ? 2? / T 称为采样频率。


p (t ) ?
n ? ??

? ? (t ? nT )

??

(3.42)

这采样样本值为:
x p (t ) ?
n ? ??

? x(nT )? (t ? nT )
1 ?? ? X ( j (w ? kws )) T k ???

??

(3.43)

由傅里叶变换与冲激函数性质可以得到:
X P ( jw) ?

(3.44)

由上式我们可以看出,样本值的傅里叶变换 X P ( jw) 是频率 w 的周期函数。它是由移位 的 X ( jw ) 组成,但是幅度为 X ( jw ) 的 1/T 倍。 (3)利用内插由样本值重建信号 用以连续信号对一样本值得拟合即为内插,是一个由样本值重建连续信号的一种 常用过程,这一重建的结果可以即可以是近似的,也可以是完全准确的。对于满足采 样定理的样本值,通过一个低通滤波器在后样本值之间的真正内插就可以实现。采样 值通过低通滤波器后的输出 xr (t ) 为:
xr (t ) ?
n ? ??

? x(nT )h(t ? nT )

??

(3.45)

对于理想低通滤波器, h(t ) 为
h(t ) ? wcT sin(wc t ) ?wc t

(3.46)

则可以得到
xr (t ) ?
n ? ??

? x(nT )

??

wcT sin(wc (t ? nT )) ? wc (t ? nT )

(3.47)

我们通常称如 (3.47) 式这样利用理想低通滤波器的单位冲激响应的内插为带限内 插。 (4)欠采样的效果:混叠现象 根据采样定理,采样频率需要满足 ws ? 2 wM ,此时信号 x (t ) 才能由采样恢复出来, 采样信号的频谱是信号 x (t ) 频谱的周期延拓。当采样频率 ws ? 2 wM 时,x (t ) 的频 X ( jw ) 不再在 X P ( jw) 中重复, 因此此时利用低通信号不能将 x (t ) 从采样值中恢复出来。 这个 现象叫做混叠。

3.2.2 信号抽样的 LabVIEW 实现
抽样信号的前面板同样分为输入和显示两个大的部分,输入部分包括信号类型频
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率、幅度和需要观察的时域信号和需要观察的信号频谱信息。输出部分即为两个显示 波形图,上面的显示时域波形,下面一个窗口显示的是所需要观察的频谱图。图 3-7 为信号分析模块的前面板图。

图 3-7 信号抽样系统的前面板

信号抽样的程序设计思想就是用两个信号发生器分别产生待抽样信号和抽样脉 冲 ,抽样信号在通过低通滤波器进行带限后与抽样脉冲相乘,抽样后信号再通过低通 滤波器恢复出原信号。

图 3-8 信号抽样的系统结构
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图 3-9 信号抽样程序框图

信号抽样的系统结构就是实际程序的基本结构,首先是前一节所讲的那样用信号 生成模块产生一个信号源,信号源采用的是一个基本函数发生器。下拉列表控件与函 数发生器的信号类型相连接,进行信号类型的选择。信号源产生的波形有正弦波、方 波、锯齿波、三角波。输入信号随即通过一个低通的巴特沃斯低通滤波器,因为在采 样定理中已经明确说明输入信号应该是带限信号。然后带限信号和抽样脉冲相乘即得 到抽样信号。理论上抽样函数是抽样冲激信号,但是在实际物理实现中是不能得到冲 激函数的,所以这里的抽样函数是很窄的抽样脉冲信号。脉冲信号的生成是一个方波 发生器,将方波发生器的偏移量和幅值相连,设置一个足够小的占空比,就能产生一 个周期的脉冲信。抽样信号再次通过低通滤波器能重建原型号。观察所需波形或频谱 的实现仍然是通过两个条件分支实现的,在条件分支的不同分支中分别连接相应的数 据流,最后通过前面板的选择控件来选择条件分支,显示我们想要观察的信号图形。 图 3-9 即为信号抽样的程序框图。

3.3 LTI 系统
在实际的工作中我们常见的系统都是 LTI 系统。对一个 LTI 系统来说,我们除了 利用其卷积的时域特性,还可以用系统的频域特性来表示这个系统。在信号的传输与 处理中,我们希望是信号不发生失真,但是由于实际的物理实现系统的频带受限和相 位的非线性,在信号的传输与处理中,失真是不能避免的。因此为了更好的对信号进 行传输与处理,我们就必须对信号,以及物理系统的频域特性和时域特性进行深入的 了解,使信号的特性能和物理系统的特性匹配。由于复杂的物理系统均是由简单的物 理系统构建而成,在这里我们只对基础的一阶与二阶系统特性进行讨论。

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3.3.1 LTI 系统特性 (1)一阶连续时间系统
我们常用如下方程表示一个一阶系统:
dy(t ) ? y (t ) ? x(t ) dt 参数 ? 称为系统的时间常数。一阶系统相应的频率响应为

?

(3.48)

H ( jw ) ?

1 jw ? ? 1

(3.49)

当 ? ? 1 时,3.49 式的频率响应波特图如图 3-10 所示: 由(3.49)可以得到:
20 log10 H ( jw) ? ?10 log10[( w? ) 2 ? 1]

(3.50)

从上式可以看出,当 w? ?? 1 时,对数模近似为 0,;当 w? ?? 1 时,对数模近似为
log10 ( w) 的线性函数。即

20 log10 H ( jw) ? 0, w? ?? 1

(3.51) (3.52)


20 log10 H ( jw) ? ?20 log10 ( w? ) ? ?20 log10 ( w) ? 20 log10 (? ), w? ?? 1

图 3-10(3.49)式取 ? ? 1 时的频率响应波特图

从上面我们可以得出结论:一阶线性系统在低频和高频的渐近线都是直线。低频

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是 0dB 线;高频渐近线在 H ( jw) 上每隔 10 倍频程有 20dB 衰减。在 w ? 1 / ? 时,近似线 的斜率发生了变化,我们称此点为转折频率。②由(3.50)式可以得到在 w ? 1 / ? 这一 点模的实际值为
1 20 log10 H ( j ) ? ?10 log10 (2) ? ?3dB

?

(3.53)

在转折频率处相位为:
1 ? ?H ( j ) ? ? ? 4

(3.54)

(2)二阶连续时间系统
二阶系统的线性常微分方程的一般形式常表示为
d 2 y(t ) dy(t ) 2 2 ? 2?wn ? ?n y (t ) ? ?n x(t ) 2 dt dt 由上式所表示的二阶系统的频率响应是
H ( j? ) ?
2 ?n 2 ( j? ) 2 ? 2?? n ( j? ) ? ?n

(3.55)

(3.56)

参数 ? 称为阻尼系数,?n 称为无阻尼自然频率。当 0< ? <1 时,二阶系统的单位冲 激响应就是一个衰减的振荡。这时系统称为欠阻尼;如果 ? >1 时,这时二阶系统的单 位冲激响应是两个衰减的指数之差,这时系统称为过阻尼;当 ? =1 时,这时系统称为 临界阻尼。 如前面讨论一阶系统的频率响应那样,我们可以由(3.56)式得到二阶系统的频率 响应的对数模特性。
2 2 2? ?? ?? ? ? ? 2? ? ? ? 20 log10 H ( j? ) ? ?10 log10 ??1 ? (? ? ? ? 4? ? ? ? ?? ? ?? ? ? n? ? ? n? ? ?? ? ?? ?

(3.57)

从上式可以看出,二阶系统和一阶系统类似。
? 0, ? ?? ?n 20 log10 H ( j? ) ? ? (3.58) ? ? 40 log10 ? ? 40 log10 ?n , ? ?? ?n 从上面我们可以得出和一阶线性系统相类似的结论:二阶线性系统在低频和高频的渐 近线也都是直线。低频是 0dB 线;只是在高频渐近线和一阶系统所不同的是在 H ( jw)

上每隔 10 倍频程有 40dB 衰减。

3.3.2 LTI 系统特性实验的 LabVIEW 实现
LTI 系统特性模块包括 5 个小模块,分别是一阶幅频与时域特性、二阶幅频与时域 特性、谐振电路。实验时点击相应的模块可以进入相应的实验,然后再退出,这里的 幅频和时域特性主要是通过对系统的函数编程实现的,没有外接电路。该子 VI 其实就


奥本海姆等著,刘树棠译.西安:西安交通大学出版社,1998 19

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是在运行时再调用 5 个小的子 VI。其程序框图就是在一个循环中添加一个事件结构 , 选择相应的模块时,进入相应的事件分支,再调用该分支所对应的子 VI。测实际电路 的幅频特性在后面 DAQ 采集时在专门进行介绍。 对电路的时域响应的观察, Labview 在 下主要有一下几种方式,一是可以通过测实际电路的响应,观察其响应;而是通过 LabVIEW 进行函数纯仿真;三是,在 LabVIEW 中调用 Multisim 电路,两者进行联合 仿真。在实际的工作中第三种方式是十分方便且合适的,LabVIEW 和 Multisim 的联合 仿真。让设计与测试进行了很好的连接,打破了传统的电路设计与测试的壁垒,能在 很大的程度上提高电路的开发效率。图 3-11 是 LTI 系统特性测试的前面板图,图 3-12 是 LTI 系统特性试验系统的程序框图。

图 3-11 LTI 系统特性前面板

图 3-12 LTI 系统特性程序框图
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下面介绍一下一阶系统幅频特性子 VI, 一阶幅频特性模块前面板包括输入和显示 两个部分,输入部分是由一个选择控件和 4 个输入控件组成,选择控件可以选择是一 阶低通或是高通系统,四个输入控件可以对电阻,电容值进行设定。显示部分由两个 波形图组成幅频特性和相频特性的波形显示和电路模型图片显示。图片显示的电路图 是学生在实验时能够清楚的知道所测电路的实际电路原理图。图 3-12 即为一阶系统前 面板图:

图 3-12 一阶系统前面板

3.4 系统仿真
通过前面三个部分的基础实验后,学生对一些基本的信号系统概念有了较为深入 的了解,为了使学生更好的理解信号经过系统后的变化,搭建了,这个实验仿真系统。 可以通过图形窗口实时看见信号输入与输出的波形、系统特性与计算结果等。实验给 出了 AM 与解调、双边带同步调制与解调系统(DSB 实现)、单边带带同步调制与解调 (SSB 实现)的仿真。

3.4.1 系统仿真的理论基础
(1)什么是调制与解调 在射频通信中,必须将原始的低频信号调制到射频载波上。在通信系统中我们一 般将信号分为两类。一是原始信号,称为调制信号或基带信号,这类信号频率较低; 二是通带信号,此类信号的频谱集中在载频附近。在通信系统中,调制就是把基带信 号转换为通带信号的过程。解调,就是从接受到的已调带通信号提取出基带信号的过 程。③ 一般的调制分为模拟调制和数字调制。所谓模拟调制,是用连续基带信号去连续


陈邦媛编著,射频通信电路.第二版.北京:科学出版社,2006 21

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改变载波信号的某个参数。数字调制是指载波信号被数字基带信号调制,即载波的参 数岁数字基带信号变化。当被基带信号改变的载波参数为幅度时,称这种调制方式为 幅度调制,当被改变的载波参数为频率为相位时,统称为角度调制。本实验仅仅仿真 幅度调制与解调。 (2) 普通调幅 AM 我们选取的载波信号为:

?c (t ) ? Vcm cos?c t
调制信号为:

(3.59) (3.60)

?? (t ) ? V?m c o ?t s
由前面的叙述我们知道:

?c ?? ?, (?c ? 2?f , ? ? 2?F ), Vcm ? V?m
1.调幅的定义 用调制信号 ?? (t ) 控制载波 ? c (t ) 的幅度, 是载波信号的幅度按调制信号规律变化。 即
Vcm (t ) ? Vcm ? ka?? (t ) ? Vcm ? kaV?m c o ?t ? Vcm (1 ? ma c o ?t ) s s

(3.61)

ka 是由电路决定的常数, ma ?

k aV?m Vmax ? Vmin ? 称为调幅指数。 Vcm Vmax ? Vmin

当 ma ? 1 时,调幅波的包络能正确反映调制信号的幅度变化,当 ma >1 时,包络 出现了过零点,此时包络不能反映调制信号的正确变化,称为过调制。 1) 调幅波(AM)的频谱 由(3.61)式和(3.59)式我们可以得到调幅波的表达式
1 1 (3.62) 2 2 从时域表达式我们可以看出已调波的频谱有三条高频谱线。 已调位于载频 ?c 处,

?c (t ) ? Vcm cos?c t ? maVcm cos(?c ? ?)t ? maVcm cos(?c ? ?)t

1 1 幅度为 Vcm ;另外两条分别位于 ?c + ? 和 ?c - ? 处。幅度均为 maVcm ? k aV?m 。 2 2 通过上面我们可以看出:在 AM 中只有两个边频携带了调制信号的信息。

2)调幅波的功率 由前面的时域表达式我们可以得到调制信号一个周期内的平均功率表达式 1 2? 1 2 1 2 1 2 2 (3.63) P? ?0 2Vcm (1 ? ma cos?t ) d?t ? 2 Vcm (1 ? 2 ma ) 2? 从上式可以看出,已调波的功率就是各个频谱分量功率的和。 载波功率为 1 2 Pc ? Vcm 2 旁频功率
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(3.64)

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1 2 1 1 (3.65) Pp ? 2 P? ?? ? 2 ? ( maVcm ) 2 = ma Pc 2 2 2 由于实际调制时候必须满足 m a ? 1 ,结合上面两式我们可以看出在 AM 调制中,实际携

带信息的频谱分量所占的能量与发射总能量相比比率很小,所以 AM 这种调制方式能 量利用率是十分低的。我们需要对它进行改进。 3)双边带调幅(DSBSC) 从上面的分析得到 AM 调制中,未携带信息的载频占用了大量的能量,其能量利 用率是十分低的,为了节省功率,我们期望在 AM 调制中抑制载波,这就是双边带调 幅。但其频带仍为 BW ? 2F ,可见与 AM 调制相比,双边带调制节省了功率,但没有 节省频带。 单频调制时,DSBSC 的表达式为

? (t ) ? AV?mVcm cos ?t cos?C t
? 1 1 AV?mVcm COS (?C ? ?) ? AV?mVcm COS (?C ? ?) 2 2

(3.66)

4)单边带调幅(SSBSC) 由前面的 DSB 时域波形我们知道,DSB 的上下两个边带相对载频是对称的,她们 携带的信息是完全相同的,为了在 DSB 的基础上更近一步的节省频带,我们就应该滤 掉一个边带,只发射一个边带,这就是单边带调幅。 单音频时,SSBSC 的时域表达式(下边带)为
1 AV?mVcm c o s (c ??) ? 2 5)振幅解调 v(t ) ?

(3.67)

(1)相干解调 从调幅波中恢复出低频信号,就是振幅解调,也称为检波。从时域看,就是把已 调波中的高频载波滤掉,剩下低频信号;从频域看,振幅解调就是把已调波的边带搬 回低频。这种时域上两信号相乘的解调方法称为相干解调, 或者是同步检波。这种解调方式需要一个和载波同频同相的参考信号 ? r (t ) 。 例如我们需要对 DSB 信号

? (t ) ? AV?mVcm cos ?t cos?C t
1 1 AV?mVcm COS (?C ? ?) ? AV?mVcm COS (?C ? ?) 2 2 进行解调,则需要解调信号 ?r (t ) ? Vr cos?r t ,要求 ?r ? ?c 。 ?

(3.68)

解调时,将两信号相乘,则得到信号
1 AV?mVcmVr ( c o?t c o 2?ct ? c o ?t ) s s s 2 滤掉高频部分后,就得到了所需要的低频信号: v(t ) ?

(3.69)

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1 (3.69) AV?mVcmVr cos ?t 2 参考信号和已调信号必须同频同相,是相干解调的关键点。虽然相干解调性能优 vo (t ) ?

良,但是同步信号的获取也十分困难。 (2)包络解调 所谓的包络解调是电路的输出电压直接反映输入高频信号包络变化的一种解调方 式。包络解调电路十分简单,不需要同步信号,属于非相关解调。但是包络解调值适 用于 AM 波的解调。

3.4.2 系统仿真的 LabVIEW 实现
在 3.4.1 中对系统仿真的实验原理进行了较为详细的理论介绍,这里就针对如何用 LabVIEW 实现 AM、DSB、SSB 系统的仿真进行简单的介绍。和前面几个子 VI 的前面 板相似,在系统仿真的前面板,分为输入和显示两个部分,输入部分在面板的左侧一 列,主要由三个下拉列表和几个数值输入控件组成。用下拉列表实现仿真方式、所想 观察时域波形和频谱显示的选择。对载波信号、调制信号、解调信号的的具体设 置 , 则主要是通过数值输入控件来实现。显示部分即为两个波形显示窗口,分别进行频谱 显示和时域波形显示。系统仿真解调的方式是相干解调。考虑到用 LabVIEW 实现锁相 环电路,有点复杂,这里直接用频谱分析仪观察已调信号的频谱后,直接用 LabVIEW 中的信号发生器产生和载波同频同相的解调信号。在该模块中能很好的仿真三种幅度 调制和相干解调技术。图 3-13 为系统仿真的前面板图。

图 3-13 系统仿真前面板图

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系统的程序框图是在一个 while 循环中嵌入三个条件结构。 其中一个是进行仿真方 式的选择,通过前面板的仿真方式下拉列表,选择进入相应的条件分支。另外两个分 别通过前面板的下拉列表选择显示所需要观察的时域信号和信号频谱图。首先是由正 弦波形生成器生成载波,调制波,解调信号。然后根据仿真方式的选择,进行相应的 仿真。输出的解调信号经过滤波后进行频谱分析和波形显示。图 3-14 为具体的程序框 图。

图 3-14 系统仿真程序框图

3.5 本章小结
本章首先是较为详细的讲解了四个实验模块的理论知识,然后在理论的基础上 简单的讲述了如何用 LabVIEW 来实现这四个信号与系统的实验。 四个实验模块的实验 实现是比较符合实验要求的,同时我们可以看到 LabVIEW 除了有 Matlab 具有的较好 的交互界面,图形化的编程更有利于学生的快速理解,通过程序框图的查看,学生能 更加清楚的看到实验的原理。对学生进行简单的 LabVIEW 教学培训后,学生还可以在 实验的基础上进行一些改进,或者是开发自己感兴趣的程序。

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4 LabVIEW 和 Multisim 的联合仿真
4.1 为什么要进行联合仿真
在传统的电路设计和测试领域中,我们使用不同的设计和测试工具,但是这两种 工具之间没有一个方便我们进行传输设计和测试数据的通用接口。这导致了电路设计 和测试的分割。设计的初始分析和原型体统的性能验证的分割,这种分割导致了一些 错误和多次重复的构造设计原型,这为设计人员带了众多的不便,这是我们设计人员 极希望能够解决的。④ 现在我们在设计的环节中增加了仿真这个环节,这样我们就可以实现对电路的性 能进行动态的评估,将传统的电路设计和测试的这个断裂面修补上。使我们工程设计 人员能够利用改进的验证和原型系统的性能的基准评估,更好的对我们所要设计的系 统的整体设计进行正确地评判。 NI LabVIEW 和 NI Multisim,作为集成化平台的一部分,在传输实测数据和仿真 的能力方面有其独特的巨大优势。通过集成后,在 LabVIEW 的测试环境下我们在采集 原型测量数据的基础之上,还可以实现采集仿真的结果。并且这两组数据通过一个接 口,很方便地进行比较和相关处理。正因为这种联合仿真对我们的设计带来了巨大的 便利,所以我们是有必要掌握的。

4.2 Multisim 自动化
LabVIEW Multisim 连接工具包(β 版)是 一组面向 Multisim 自动化 API 的封装程 序。在 VI 中包含各种函数,如打开、关闭和查看电路,以及运行、 暂停和停止仿真 的函数。这就意味着可以利用标准的 LabVIEW 编程实现自动化,而不是必须访问 Active-X 控件。图 4-1 所显示的 LabVIEW 程序框图实现的是在 LabVIEW 中实现 Multisim 的自动化封装。 整个封装主要分为 8 个部分: 1.连接至 Multisim 自动化 API 2.基于“文件路径输入”数据打开一个 Multisim 文件(文件管理选板) 3.枚举电路内的各种输入与输出(I/O 配置与控制选板) 4.执行 AC 分析(仿真控制选板) 5.等待 AC 分析的结束(仿真控制选板) 6.获取分析的输出数据(I/O 配置与控制选板) 7.显示仿真数据


NI 技术指南,NI-Tutorial-8513

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8.关闭与 Multisim 自动化 API 的连接( Multisim 连接选板)

图 4-1 Multisim 自动化仿真

4.3 数字电路和模拟电路的联合仿真
使用连接工具包进行联合仿真的设计稍显复杂, 因此在最新版本的 LabVIEW2011 和 Multisim12 中, 采用了直接将 Multisim 电路生成 LabVIEW 可调用子 VI 的方式更方 便的实现了数字电路和模拟电路的联合仿真。可以为整个模拟机数字电路设计出精确 的闭环逐点仿真。实验中采用的就是这种方式,即运用 LabVIEW2011 和 Multisim12 进行数字电路和模拟电路的联合仿真。在以前要进行 LabVIEW 和 Multisim 的联合仿 真是比较麻烦的,现在随着 Multisim2012 的出现,联合仿真已经变得较为简单了。下 面具体讲解如何实现 LabVIEW 和 Multisim 的联合仿真。 为了测试一个设计电路的特性,首先要在 Multisim 环境下设计出电路图,如图 4-2 所示,在设计好电路图后我们就可以在电路图中添加 LabVIEW 交互接口,用以实 现 与 LabVIEW 仿真引擎之间的数据收发。这些 Multisim 中的接口是分级模块 ( Hierarchical Block)和子电路(Sub- Circuit)接口(HB/SC)。右键点击鼠标并 弹出的快捷 菜单中 选择 Place on schematic?HB/SC,或者简单地点击键 盘<Ctrl-I>然后,你必须 打开 LabVIEW Co- simulation Terminals 窗口来将 HB/SC 接口设置为针对 LabVIEW 的 输 入或者输出。浏览 到 View? LabVIEW Co- simulation Terminals。前面放置在本窗 口中的 HB/SC 接口,为了将各个接口配置为输入或者输出。如果要对端的输入输出功 能口进行设置,需要在模式设置中选择所需要的选项,然后可以在类型设置中对个接 口进行设置。 最后, 如果你想将放置的输入输出接口设置为不同的功能对, 你可以选 择 Negative Connection。 1 处将我们所设计的电路生成可以在 LabVIEW 下打开的子 VI, 在 在 2 处对端口性质进行设置,即设置端口是输入还是输出,最后就生成了 3 处所示的 子 VI 了。

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图 4-2Multisim 电路生成可用子 VI

要在 LabVIEW 和 Multisim 之间传送数据, 首先需要使用 LabVIEW 中的 控制与 仿真循环 (Control & Simulation Loop)。在 LabVIEW 的程序框图中,打开函数选板, 浏览到 Control Design & Simulation?Simulation?Control & Simulation Loop。并将其拖 放到程序框图上。 然后需要在 VI 中添加仿真挂起 (Halt Simulation) 函数来停止控制仿 真循环。然后在布尔输入上右键点击并选择 Create? Control。将管理 LabVIEW 和 Multisim 仿 真引擎之间通讯的 Multisim Design VI 放置到程序框图中。信号源需要用 到控制与设计里面的特殊的数字信号源。最后需要在循环中放置一个函数来创建仿真 时间波型以正确地显示波形。所有的得子 VI 都应该用控制设计与仿真模块下的子 VI。 一个简单的完整的 LabVIEW 与 Multisim 联合仿真的程序框图 4-3 所示。

图 4-3 联合仿真程序框图

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图 4-4 LabVIEW 与 Multisim 联合仿真 AM 调制包络解调前面板图

图 4-4 所展示的是运用 LabVIEW 和 Multisim 的联合仿真, AM 调制使用包络解 对 调的演示效果。前面板依旧有输入和输出两部分组成,图中所显示的四个波形图依次 是:调制信号波形图、载波信号波形图、已调信号和包络解波信号。由于没有进行最 后的滤波,我们看见的解调效果为仅仅通过包络电路后的效果图,可以看出,包络解 调的效果是很理想的。这也充分展示了 LabVIEW 和 Multisim 联合仿真的优势,但也 显现出一些不足, 即在这样的联合仿真中我们所调用的 VI 仅仅是控制与仿真模块中的 子 VI,其数量有一定的限制,不能很好的完成所有的仿真。 这一章对 Multisim 和 LabVIEW 的联合仿真进行了简单的介绍,并且实现了 AM 的包络解调。这仅仅是一个较为简单的运用,但是通过这种简单的运用让我们了解到 了联合仿真的优势,对联合仿真有了初步的认识,为我们以后的设计带来了新的方法 和思路。

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5 数据采集
测试测量是 LabVIEW 最重要的应用领域,LabVIEW 是为测控而生的,所以学习 用 NI 采集卡进行简单的测量时十分有必要的。本章简单介绍虚拟仪器硬件知识,并利 用 NI 采集卡实现简单的数据采集

5.1 数据采集基础
计算机处理的是数字信号,而实际的系统基本都是模拟信号,DAQ 系统就是模 拟和数字之间的一个连接纽带。从基本角度来看,数据采集系统(DAQ)的主要任务 就是测量和生成物理信号。典型的基于 PC 的 DAQ 系统包括:传感器、信号调理模块、 数据采集硬件设备和装有 DAQ 软件的 PC。

5.1.1 数据采集过程
基于虚拟仪器的典型测量电路硬件结构:传感器→信号调理器→数据采集设备 →计算机。传感器的作用就是将需要采集的各种物理量转化为电信号;信号调理的作 用是对前端生成的电信号进行放大、滤波、隔离等处理。数据采集的作用就是将模拟 信号转换为数字信号和其他功能。

5.1.2 采集卡的主要指标
采样率,采样率对于数据采集卡来讲就是进行 A/D 转换的速率。根据奈奎斯特采 样定理,采样速率应该是信号频率的两倍以上,但是在实际的测量中采样率为信号最 高频的 10~40 被为宜。在实验中所使用的是 NI 公司 M 系列 PCI-6221 采集卡,其采样 率为 250KS/s。 分辨率,分辨率是采集卡得精度指标,采用模数转换的数字位数来表示,位数越 高,精度越准确。当然不同厂商的采集卡即使是同样位数,其性能也会有较大差距。 其他的一些指标包括:量程、精度、动态范围、非线性失真等。

5.2 一阶电路的测量
网络(或系统)的频率特性测量是一个十分重要的问题,传统仪器中的矢量网络 分析仪就是完成这个工作的。它的原理相对较为简单,就是将网络的响应信号与激励 信号在频域里的对应幅值相比,对应相位相减。但这种仪器在现实设计时并不容易, 本实验只是给出一种简单的设计方法。 传统网络频率特性测量的基本思路如下:使用信号发生器产生单频正弦信号,把 产生的正弦信号作为激励加到被测网络上,然后再使用频谱仪测量其对应频率的幅值

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和相位。重复这个过程,就可得到待测网络在一段频率上的幅频特性和相频特性。这 样的操作工作量比较大,效率也是十分低的。所以网络频率特性测量的方法应该得到 改进。 本实验的主要目的是通过在 LabVIEW 开发平台上编写程序, 实现网络频率特性的 测量,通过程序处理后能把待测系统的频率响应--包括幅频特征和相频特征在计算机 的显示屏幕上显示出来。与传统的网络频率特性相比,这种测量方法有较高的效率, 绘制出的图形也更加的准确,当然这些前提是能够进行正确地编程和参数设置。 我们知道掌握通信网络或者是所设计电路网络的频率特性是十分必要的,所以这 里所做的是测量 RLC 电路网络的频率特性。图 5-1 是一个具体的信号生成与采集程序 框图。使用指数分布的频率,这样画出的图形更加接近教材(自动控制原理)上的波
F 特图。指数分布频率的计算公式为: Fi ? Fl ( h ) N ?1 ,其中 Fl 为起始频率, Fh 为结束 Fl
i

频率。在生成信号和采集信号之间应该加一个延时环节,这样采得的信号才会 更佳 。 对输出信号和采集信号进行单频测量得到信号的幅度和相位差,幅度相除,相位相减 就得到了系统的幅频与相频特性,相位由于有突变需要校正。最后通过 XY 图显示出来 即可。

图 5-1 一阶系统幅频特性测量程序框图

图 5-2 一阶系统幅频特性
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图 5-2 为实际测得的一阶系统幅频特性。从图 5-2 可以看出测得的一阶系统幅频 特性是较为理想的,只是在高频部分采集的频率点数较低频部分稀疏,所以效果较前 面稍差。但是这可以通过增加采样率和采样点数来改进效果。 在实际的工程领域,对系统的测试和控制是主要的工作。LabVIEW 内置了强大的 I/O 驱动库—支持多种设备。在 LabVIEW 的开发平台上结合 NI 的采集卡等硬件设备, 大大的方便了对实际系统的测试测量和控制,能显著提高工程师的开发效率。在这里 我们仅仅是介绍了如何用 LabVIEW 和 NI 采集卡采集实际电路的幅频特性。但是在对 数据采集有了初步的了解之后结合实际的工程需要,我们能增加实际测控的工程能力。 使我以后在接触这些类似的工程时,可以优先考虑使用 LabVIEW。

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6 结论与展望
信号系统、数字信号处理和工程测量技术是本文的理论基础,虚拟仪器的基本思 想和 LabVIEW 开发平台则是本文的实际操作工具。 有了一定的理论基础才会理解如何 用开发工具实现具体的系统,以更好的运用工具的各种功能;有了 LabVIEW 这个强大 的开发平台,更能在实际的工程中更升入透彻的理解理论知识。 该实验系统的开发是实验室的建设的很好配套,能充分的利用实验室的软硬件资 源,同时能使同学提前接触一个在测量控制领域具有重要作用的实际开发软件和各种 硬件设备。增加学生的兴趣和实际开发能力。同时,该实验系统也还存在一些问题, 如部分滤波性能不是很理想,部分应用不能很好的实现,还需要在后期进一步完善, 以给同学们一个较为理想的实验教学平台。 虽然 LabVIEW 已经成为在整个学术界, 产业界和政府实验室里的工程师和科学家 研究的一个重要工具。但是随着虚拟仪器技术的继续向前发展,虚拟仪器必将在各种 实际工程领域得到更多的应用,LabVIEW 开发环境也必将得到更多工程技术人员和研 究人员的认可。虚拟仪器在高等教育的实验教学中也必将得到更多的关注。我们有理 由相信更多的虚拟仪器教学软件会出现在以后的实验教学中之。

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参考文献

[1] ALANY.OPPENHEIM 等著,信号与系统[M].刘树棠译.西安:西安交通大学出版社,1998. [2] 邹理和,数字信号处理上册[M].北京:国防工业出版社,1985. [3] 张锡辉,张银鸿编著,LabVIEW 8.20 程序设计从入门到精通[M],北京:清华大学出版 社,2007. [4] 阮奇桢编著,我和 labview [M],北京:北京航天航空大学出版社,2009. [5] 岂兴明, 田京京,夏宁编著,labview 入门与实战开发 100 例[M], 北京: 电子工业出版社, 2011. [6] 刘其和, 李云明编著, LabVIEW 虚拟仪器程序设计与应用[M], 北京: 化学工业出版社,2011. [7] NI 技术指南,使用 Multisim 和 labview 进行自动化仿真[J],2009. [8] NI 技术指南,An Introduction to Multisim Automation with the LabVIEW Multisim Connectivity Toolkit (beta)[J],2009. [9] NI 技术指南, 使用 NI labview 和 NI multisim 实现数字电路和模拟电路的联合仿真[J], 2012. [10] MelanieL.Higa,Dalia M.Tawy,and Susan M.Lord,An introduction to labview exercise for an electronics class [C],32nd ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference,2002. [11] 陈邦媛编著.射频通信电路.第二版.北京:科学出版社,2006

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录1

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电子教学的 Labview 练习导论
摘要:国家仪器的 LabVIEW 已经成为学术界和工业界数据采集流行的编程环境。 大多数的 LabVIEW 相关参考资料,需要投入较多的时间。在圣迭戈大学,我们想对所 有的电子工程专业提供针一个 LabVIEW 简单入门训练, 而无需增加额外的课时或者是 实验课程。经过一个夏天的研究,两个圣迭戈大学电子工程的大三学生写了一个基于 LabVIEW 的教程并设计了一个小时的练习, 以向学生介绍 LabVIEW。 这个练习通过让 学生使用函数发生器和示波器获得一个简单的 RC 电路的幅度频率响应。学生们在他 们以前大二电路课堂中做过这个实验,因此,学生对实验的概念熟悉,他们可以把重 点放在 LabVIEW 所具有的自动数据采集和分析的优势上。二十一个学生参加了 2001 年秋季的“LabVIEW 入门课堂” 关键字:电路;电子;频率响应;LabVIEW;学生设计实验





LabVIEW(实验室虚拟仪器工程开发平台)是一个由国家仪器于 1986 年开发的图 形化编程语言。LabVIEW 已经成为在整个学术界,产业界和政府实验室里的工程师和 科学家研究的一个重要工具。 虽然市面上能找到许多帮助人们学习使用 LabVIEW 编程 的参考书,但是其中大部分需要读者投入大量的时间。在圣迭戈大学,我们想提供针 一个对所有的电子工程专业学生的 LabVIEW 简明教程, 而无需增加额外的课时或者是 实验课程。两个圣迭戈大学电子工程大三学生写了一个 LabVIEW 教程向学生介绍 LabVIEW 并设计了一个 1 小时的 LabVIEW 练习。这个被选择的练习是测试一个简单 的 RC 滤波器电路性能。学生们在他们以前大二电路课堂中做过这个实验。 在这个练习中,一个学生使函数发生器的输出频率频率递增,而由另一名学生记 录频率和示波器上读取的相应的输入输出电压读数,填到 Excel 电子表格中。 然后学生利用方程(1)计算电压幅度的增益。
Gain ? A ? (Vo / Vin )

(1)

当所有的增益计算完成后,幅频响应图(增益与频率)就在 Excel 中生成。即使收 集所有工作数据后,同学们并不总是得到一个满意的幅频关系图。在设计 LabVIEW 实 验时,我们决定尽可能多的消除人为干扰并减少获得图形所花费的时间。我们希望这 样能够得到一个更好的数据,尽可能的让学生获得更多的数据并且把注意力更多的放 在数据分析而不是数据采集上。由于这次实验所有的学生都可能参加,所以我们选择 易得到的可用设备。我们部门的预算(和其他许多部门一样)不能为每个实验平台购 买这些专用测量设备。频率响应是一个在电子工程领域常见的测量,这里有很多有关 在一个学生项目系统中的文献报告能够提供这样的数据。请注意,后者的项目也提供 了相频的数据和相当大的努力,致力于这一点。和这些项目相比,我们的项目有一个 较小的范围,并打算将其用于所有电气工程专业,但只是作为一个 LabVIEW 的介绍。 图 1 显示了幅频响应程序的前面板,它是学生和仪器的一个用户界面。前面板包括了
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采集数据点和振幅的频率响应图。

实验室练习
为了让学生熟悉 LabVIEW,我们觉得,他们将需要一个简短的教程。在我们考虑 的 LabVIEW 参考书中,这些由 Beyonce[1]和 Bishop[6]所编写的,被证明是最有用的。 (MLH)的一个作者,写了一个 5 页的“LabVIEW 简介”总结了学生对现有程序进行简 单的修改所需要知道的 LabVIEW 主要特点,学生在进行本实验前要阅读该教程。本教 程的副本以及 LabVIEW 代码可以从我们之中的一个作者(SML)处获得。

图 1 幅频响应程序前面板图

本实验所使用的设备包括一个 Wavetek 公司 148 函数发生器,HP54600AGPIB 接 口的示波器,HP34401A 数字万用表和装有 LabVlEW 6I 的个人计算机。一个完整的安 装图片如图 2 所示。这两个设计实验的学生在暑期开始时没有 labview 编程经验。他们 参考了各种书籍,最后能能写出与示波器的接口程序[7],获得 VO 和 VIN,计算增益, 产生实时频率响应图,并允许用于错误检测。

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图 2 LabVIEW 训练所需完整设备

由于在圣迭戈大学可用的函数发生器没有 GPIB 功能, 所以频率需要手动扫描。 两 个参加这个项目的学生通过这个夏季课程获得了相当丰富的 LabVIEW 经验。 LabVIEW 对我来说是一个全新的东西,因此对我来说学到足够的东西以用它来边写一个功能项 目是一个巨大的挑战。我也学会了充分利用资源。当程序不能工作,并且我自己不能 解决的时候,我总是用电话找出一个可以帮助我的人。在我才开始接触的一年里,他 总是很迅速的看设计程序,这涉及到实际生活项目中能够用我的设计来测试,并且希 望其他的课堂也能跟上。 所设计的实验室训练是两人一组,训练时间为一个小时。学生检测一个简单 RC 高通滤波器的特性,这个滤波器的电路原理图如图 3 所示

图 3 LabVIEW 训练所用 RC 高通滤波器

在阅读 LabVIEW 教程后,学生用方程 2 开始练习用 LabVIEW 编写一个简单的程 序计算他们 RC 滤波器的截止频率。这个程序,如图 4 所示,已经直接写在了一个提 供给他们的大的主程序中了。
f c ? 1 /(2?RC )

(2)

这里的 R 是单位为欧姆的电阻值,C 是单位为法的电容值。

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图 4 求截止频率的程序框图,左边是前面板图,右边是程序框图

在第二部分的实验中,学生练习生成图 3 所示电路原理图的幅频响应。首先他们 设置示波器和函数发生器的参数,然后运行 LabVIEW 程序。通过人手工操作函数发生 器产生扫描信号。听到蜂鸣器响后,学生增加频率。LabVIEW 直接从示波器获得信号 频率和响应电压,然后当得到数据后 LabVIEW 在计算机上生成增益的频率图。如果得 到一个不好的数据点,这个数据点可以在用户退出程序的之前被删掉。一旦他们获得 他们的频率响应图,学生可以将这个测试值和他们实验开始的计算值进行比较。 在离开实验室之前,学生们需要打印他们获得的频率响应图。然后他们提交一个 简短描述个人针对 LabVIEW 优缺点看法的实验报告,和任何其他对现有的程序的意 见。2001 年夏天,在 LabVIEW 程序完全写完,并且实验设计好后,一些志愿者学生 对它进行了测试。根据学生的反馈为实验和 LabVIEW 程序进行了修改。这些修改措施 包括提供的实验设置,编辑改动,对用户界面(LabVIEW 前面板)添加如运行和暂停 按钮的特殊项目。

效果和学生反馈
这次训练分为三个实验台,每个平台两个学生。每个实验台测试相同的 RC 电路。 在整个实验中,我们有三个指导老师可用,虽然两名就已经足够的了。这次训练是是 在 130 个工程里面的的第一个实验,因为这符合成圣迭戈的教学课程。这个课程较早 的开展是很有利的,此外它也很适合在大二的电路课堂上使用。学生对实验教学的反 应大都数是积极的。从学生的报告中,我们发现最重要的事情是学生体会到的是 LabVIEW 强大的功能及其较高的效率,很多的学生指出了 LabVIEW 和他们使用的其 他分析工具相比所具有的优点: 1.在我的看来,LabVIEW 与.PSpice、手动操作的函数发生器和示波器相比具有优 势。它比 PSpice 好,因为 PSpice 仅仅是一个仿真软件…它没有实际建立的电路那么准 确。 2.在你使用 LabVIEW 的时候,当你试图进行一个确定值的进行测量时,你不必进 行任何测量或者是担心是否准确,因为电脑帮你做了所有的一切。 3.我发现自己使用一个程序来模拟实验, 另一个升级数学模型, 又另一个记录数据
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和显示实验结果。 LabVIEW 可以充分地做所有三个,节省了很多时间。 4. LabVIEW 能够避免重复的数据采集和输入,有时候的重新加载,它直接存入一 些电子表格或图形程序中。 LabVIEW 程序也吓到了一些同学。流程图和连线是较为复杂的,一些学生被他 所吓到。鉴于实际上许多的学生之前没有使用 LabVIEW 的经验,出现这些感觉也是预 料之中的。 1.我不明白它是如何工作的, 我觉得在这个实验能帮助我们之前, 我们需要更多的 培训。它对我来说我与看到积极的好处相比我看到的是更多的恐惧。 2.它是很吓人的, 经常让人困惑。 它要求一个三页的手册和额外三页来一步一步介 绍怎么改变程序的某些部分。

改进建议
在学生的报告中,她们给出了一些改进训练的建议。几个学生提到消除试验中所 有的人为因素, 。即而无需调整手动频率的函数发生器,而是用 LabVIEW 中做自动扫 描。通过函数发生器自动进行扫描,获得图形的时间将会显著的减少。 然而这要求函 数发生器具有 GPIB 的能力,这在实验的时候,圣迭戈大学没有这样的条件。由于实验 的进行,购买了一个安捷伦的具有 GPIB 接口的函数发生器,并且对 LabVIEW 的实验 程序进行了修改以实现频率的自动扫描。这带来了更快的数据采集。但是应该注意到 它需要的是一个更更昂贵的函数发生器,目前这不是在每个实验室都能实现的。





在圣迭戈大学暑期的研究训练中,两位电子工程专业的大三学生写了一个教程和 一个一小时的训练来向他们的同学介绍 LabVIEW。这个训练的焦点是用一个示波器和 函数发生器获得一个简单 RC 滤波器的幅频响应。在 2001 年的秋天 21 个参加训练的 大三学生表现很好,从学生的报告中我们获得了很多的信息。一些学生觉得很好掌握 给他们的程序,然而另一些学生觉得较为困难。总体而言,学生能学到一些 LabVIEW 的编程技术,提高他们的能力,并且体会到了将 LabVIEW 作为一个数据采集工具的优 势。

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附 录 2

图-1 系统主程序图

图-2 信号分析程序框图

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图附-3 信号抽样程序框图

图附-4LTI 系统程序框图

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图附-5 系统仿真程序框图

图附-6 包络解调程序框图

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图附-7 一阶系统频率特性程序框图

图附-8 二阶系统频率特性程序框图

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图附-9 一阶系统时域特性程序框图

图附-10 谐振电路程序框图

图附-11 一阶系统幅频特性程序框图

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经过这段时间的努力,终于完成了本科阶段的最后一项任务,这对自己更是一种 纪念。 在论文完成之际,首先要感谢我的导师工程师。老师不仅在学术和方法上给出了 有益的建议,同时更重要的是,在如何做与怎么做上,黄老师指明了一条做科研的正 确的方法和道路。同时老师更让我明白干任何事情不能好高骛远,应该认清自己的能 力,脚踏实地的走好当前的每一步。老师以她严谨的学术态度,渊博的知识使我获益 匪浅。本文的完成与老师老师的悉心指导密不可分,在此对老师表示最深切的谢意。 同时要感谢老师在毕设过程中的指导,NI 工程师提供的帮助和指导。以及本科阶 段传授我知识和人生道理的所有老师,在大学阶段给过我帮助的同学们,大学,因有 你们而精彩,因你们而值得永远怀恋。 。

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