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基于LabVIEW软件实现构建实验软平台的可行性研究分析

2020年07月10日 17:48 次阅读

引言

“信号与系统”是电气工程专业的专业基础课,被广泛应用于自动控制、信号处理、电路与系统等领域。由于该课程理论性强,内容抽象,学生普遍感到理解困难,学习吃力。

通常通过基于硬件或软件的实验加深学生对所学知识的理解。硬件实验利用示波器、波形分析仪、选频电平表等器件观察、测试、分析信号的波形及各种特性,这种方式投资大,维护、更新难。软件实验是利用软件编程对信号进行分析处理,常用软件是Matlab,具有简单易用,集成度高,处理能力强,仿真效果好等特点。但Matlab软件直观性差,无法快速、高效、实时地处理信号,不能完全满足实验教学的需要。

为了进一步提高教学质量,在“信号与系统”实验教学中,需要使用更具优势、更切合课程实际特点的软件。LabVIEW是一款主要应用于计算机数据采集和数字信号处理的软件,采用图形化编程语言,具有形象、直观、数据处理能力强等特点,符合实验教学的要求。基于LabVI EW设计“信号与系统”教学软件,对于提高该课程的教学效果具有重要的意义。

本文首先介绍LabVIEW的特点,针对课程的主要内容,特别是重点内容,分析构建实验软平台的可行性,确定了贯穿整个教学计划的典型实验。另外,根据设计目标,规划设计了软件框架。最后,介绍了频谱泄露、时域卷积运算、典型信号频谱分析等具体知识点的LabVIEW实现。

1、LabVIEW的特点

LabVIEW具有图形化的仪器编程环境,内置程序编译器,拥有强大的资料分析软件工具箱,能支持多种系统平台,并提供了开放式的开发平台。尤其是它脱离了具体的电路结构,能从外界采集信号并进行实时处理,运行效率高。另外,其图形化的程序框图和逼真的前面板设置,能激发学生的兴趣,特别适合“信号与系统”实验仿真。

LabVIEW软件含有数量巨大,内容丰富的函数库,特别是针对信号采集和分析,开发了整套的函数包,给信号与系统实验软平台的构建提供了极大的便利。另外,运用LabVIEW软件编程时,基本上不写程序代码,直接用数据流框图表示,大大节约了时间,提高了效率,是其他软件所不能比拟的。

因此,利用LabVIEW软件构建“信号与系统”实验软平台是合适可行的。

2、信号与系统中的难点分析

“信号与系统”公式众多,内容抽象,难以理解。分析发现课程的难点如下:

(1)连续信号与离散信号的转换。实际中经常遇到A/D,D/A转换的情况,由于信号时域和频域特性的差异,在转换中需要应用信号采样理论,以及连续时间信号数字化等内容。

(2)信号的卷积运算。在信号的时域分析中,对于线性时不变系统,系统零状态响应Y(t)就是系统的激励X(t)与系统的单位冲激响应H(t)的卷积,因此卷积运算在“信号与系统”理论中占有重要的地位。卷积运算量大,计算繁琐,是学生学习中的难点。

(3)信号的频域分析。信号的频谱是分析信号的重要工具,通常会应用到数学中傅里叶级数与傅里叶变换的相关知识,其公式繁多,计算量大,并且不易画出图像,学生难掌握。

(4)离散傅里叶变换中遇到的问题。由于计算机只能处理数字化信号,在实际工程中,对连续信号进行频谱分析时应利用离散傅里叶变换做近似处理。这种近似处理除了会使结果存在一定误差外,还会带来频域混叠、信号截断与频谱泄漏、栅栏效应、频率分辨率低等问题。这些内容比较抽象,难度较大。

3 、软件的结构和规划

3.1 软件结构

LabVIEW软件结构主要包括程序结构和文档结构。

LabVIEW程序由各种不同的模块组成,根据模块执行方式的不同,程序结构分为三种:顺序结构、并发结构、分布结构。其中,顺序结构是最基本的,程序中的各种模块按顺序执行;并发结构的程序则由若干个可以同时执行的模块组成;分布结构程序中的模块可以彼此隔离,独立运行。

LabVIEW文档结构的基本组成就是VI型文件。其中,包括主VI和各级子VI,层次分明,一目了然,可以对整个文档进行快速浏览和定位。

3.2 软件规划

“信号与系统”实验软平台主要由虚拟信号发生器、各种实验功能模块、信号观察与分析模块、信号处理与保存模块组成。

其中,虚拟仪器发生器主要根据实验需要提供各种信号源。实验功能模块用于实现各种实验内容,比如信号频域分析、卷积运算等。信号观察与分析模块则主要通过示波器、频谱分析仪等实现对信号的实时观察、分析。信号处理和保存模块用于对实验数据进行保存、传输等操作。实验软平台主界面如图1所示。

基于LabVIEW软件实现构建实验软平台的可行性研究分析

另外,为顺利达到实验目标,对软件应用做出如下要求:

(1)在实验室中安装最新版的LabVIEW软件,为学生提供最新、最完备的软件编程模块和函数库,以满足实验需要。

(2)选取“信号与系统”课程中的重难点作为实验内容,鼓励学生应用LabVIEW软件编程实现,以强化对知识点的理解。

(3)定期由教师向学生介绍LabVIEW中常用的函数和模块,使学生快速、熟练地掌握LabVIEW软件,以提高效率,加快教学进度。

4、 典型知识点分析及LabVIEW实现

在“信号与系统”实验教学中,教师可以通过LabVIEW的界面把数学函数和波形联系起来,使教学直观易懂。学生也可以通过LabVIEW更好地学习“信号与系统”这门课程。

4.1 离散傅里叶变换中的“频谱泄漏”

为了能对无限长的离散化序列进行离散傅里叶变换处理,必须对序列进行加窗截短处理。由于窗口序列频谱函数的旁瓣总是存在,导致截短后序列的频谱产生失真,使信号的频谱向两旁扩展,即原信号的频率成分从原有的频率处“泄漏”到其他频率处,产生了“频率泄漏”。

“频率泄漏”概念较为抽象,不直观具体。为了能让学生理解其产生的原理,在实验教学中可使用具有很强可视化前面板的LabVIEW软件对“频谱泄漏”进行编程,其前面板和程序框图如图2和图3所示。

图2中可以任意设定信号的采样点数、幅值、相位、周期,在示波器上显示加窗前信号波形及其频谱图像,同时加窗截短后的信号波形和频谱图也可以直观地看到。

4.2 时域卷积运算

对于连续信号,卷积运算定义为:

此卷积称为卷积和。由以上公式可以看出卷积运算很繁琐,通过LabVIEW软件编程能够更加形象地展示卷积运算,更易于学生掌握。基于LabVIEW卷积运算的前面板和程序框图如图4和图5所示。

图4中的信号类型有正弦、单位冲击、单位阶跃三种选择,通过选择按钮确定X信号与Y信号的类型,便可在示波器中显示出待卷积运算的两种信号图像,以及卷积运算后的最终结果。

4.3 典型信号的频谱分析

频谱的获取需要借助数学上傅里叶级数及傅里叶变换,公式较多,计算繁琐。应用LabVIEW软件编程可以轻松解决这一难题,部分典型信号频谱分析的前面板和程序框图如图6和图7所示。

图6中选择了部分典型信号,包括正弦、三角、方波、阶跃、冲击五种类型,并在模拟示波器中显示了信号的波形及其对应的频谱图,使得信号的频域特性一目了然,加深了学生对典型信号频谱的认识、理解。

5、 结论

“信号与系统”这门课程公式多,计算量大,概念抽象且不易理解,学生学习起来难度较大。通过将LabVIEW软件引入到实验教学环节,构建实验软平台,可以将一些抽象概念转变成形象、生动、直观的图形和实例,激发学生的学习兴趣,从而加深对抽象概念的理解,提高其提出问题、分析问题、解决问题的能力。这是“信号与系统”实验教学上的新尝试,不仅能够提升学生的程序设计水平,而且可以解决课程教学中的实际问题,提高教学质量。

责任编辑:gt

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