基于虛擬儀器的測試技術融合性教學

張蓬+彭鶴

摘要：針對“融合性教學”的理念，闡述了如何利用Labview虛擬儀器軟件，通過循序漸進的方式，引導學生編寫關于信號分析的仿真軟件。通過親歷設計仿真的虛擬儀器實驗的過程，不僅使學生直觀的理解了“測試技術”課程中的關于信號的時域分析和頻域分析中的抽象概念，并且通過信號產生、信號合成及信號的相關分析等例程，初步學會了利用虛擬儀器平臺解決信號分析中的問題，達到了知識與軟件工具雙學習的目的。

關鍵詞：虛擬儀器 測試技術 融合性教學 信號分析與處理

為了使學生更好地學習“測試技術”這門課程，很多學校針對這門課的傳感器與敏感元件的工作原理及其應用這部分教學內容購置了相應的教學儀器，安排了許多傳感器性質認知的實驗，使學生能夠親身體驗到使用傳感器測量物理參數(shù)的過程。但是對于信號的采集和分析處理，特別是從信號的時域分析變換到對信號的頻域分析這部分教學內容，涉及的名詞較多，理論性較強，概念也極為抽象，使得這部分內容成為了“測試技術”課程的教學難點。為解決這個難題，利用虛擬儀器強大的信號產生和分析函數(shù)和方便直觀的面板控件，讓學生能夠像對傳感器性質認知那樣通過做仿真實驗，直觀地理解信號的組成、信號的頻域分析、加窗處理和相關特性分析等核心知識點。

不同于一般的由教師編寫好仿真軟件后讓學生運行軟件做實驗，為了使學生更好地理解實驗原理，掌握信號的分析方法，就要讓學生參與到仿真實驗軟件的設計中來，這樣既可通過實驗幫助學生掌握理論知識，又教會了學生利用虛擬儀器軟件分析學習中遇到的問題，鍛煉了學生對知識的應用能力，達到更好的實驗效果，實現(xiàn)了“融合性教學”，將理論知識和軟件工具的使用同時教給學生。

一、循序漸進將對信號時域分析轉換為頻域分析的仿真實驗設計

仿真實驗的設計思想是在讓學生自己完成仿真軟件編寫的同時，還要理解和體會軟件本身所展示的理論知識，因為軟件編寫的過程也是對課堂理論知識學習的過程。但是在這之前大部分的學生并沒有接觸過虛擬儀器，因此要使學生在短短的2個學時內，既要完成實驗軟件的編寫，還要理解和完成實驗內容是有一定難度的。但是隨著計算機的廣泛普及，如今的學生對計算機及軟件編程的相關概念如建立一個工程、文件管理和編輯、控件、庫函數(shù)等相關概念并不陌生。美國NI公司的虛擬儀器Labview軟件開發(fā)平臺，具有強大的界面設計控件庫和函數(shù)庫，采用圖形化編程，只需循序漸進的加以引導，就能讓學生在很短的時間里掌握一些簡單的虛擬儀器程序（以下簡稱vi）的編寫。

實驗從設計最簡單的虛擬信號發(fā)生器入手，讓學生既體驗了vi的設計過程，又能直觀的了解到幅值、頻率及相位等參數(shù)對改變信號波形的影響。

（1）首先，帶領學生圖設計一個如圖1所示的虛擬信號發(fā)生器vi，在這個vi中第一步要指導學生如何在Labview的函數(shù)選擇面板上選擇“基本函數(shù)發(fā)生器”。其次，對于頻率、幅值和信號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“信號類型”三個引腳上選擇創(chuàng)建三個輸入控件即可，這樣可省去控件選擇和連線的麻煩。最后，在前面板指導學生找到“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個控件和算子，就可方便的求出“均值”“均值方根”等時域波形的特征值（如圖2所示）。

（3）有了前兩步的基礎，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，就設計好了一個波形合成的vi。為了讓學生將諧波與頻域的頻譜線對應起來，在“公式波形”函數(shù)的輸出端進一步添加一個波形圖控件和一個FFT頻譜（幅值-相位）函數(shù)并連接，結果如圖3所示。 這樣通過以上三個步驟，一個波形合成與頻譜顯示的vi就編寫完成了。這個vi的操作面板如圖4所示。

根據(jù)推導，方波的富氏級數(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。

學生在做實驗時只要將公式中的各次諧波逐項的輸入到圖4的波形合成公式（formula控件）中并運行，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，這樣就將時域的合成波形與頻域的譜線對應起來，學生就不難理解信號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。當諧波次數(shù)高到一定數(shù)值時，高次諧波對信號合成的影響忽略不計。

二、信號相關性質認知的仿真實驗設計

信號相關性質認知的仿真實驗設計思路，主要是體現(xiàn)通過展示所求相關函數(shù)的波形來說明自相關性質和互相關函數(shù)的性質。圖5是求兩個信號的自相關和互相vi的程序框圖，圖中采用2個“基本函數(shù)發(fā)生器”產生信號1和信號2的波形。分別采用Labview的“AutoCorrelation.vi”求信號1的自相關波形，用“CrossCorrelation.vi”求兩個信號1和信號2的互相關波形，并且分別用2個波形圖控件顯示自相關和互相關的波形。

為方便觀察，將信號1信號2的原始波形通過一個信號合并器放在同一個波形控件中顯示。為使“AutoCorrelation.vi”和“CrossCorrelation.vi”進行相關計算更精確，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。分析時要注意將這兩個算子vi的歸一化端創(chuàng)建一個輸入型的normalization枚舉控件，并選擇無偏差歸一化進行相關計算，以保證計算波形的正確性。這個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1和信號2，可以觀察到選擇信號1不同波形時的自相關波形，和兩個不同頻率周期信號以及周期信號與隨機信號的互相關函數(shù)為零的性質。

三、結束語

課堂教學的學時總是有限的，除了上述兩個實驗外，利用Labview還可以設計出如采樣定理原理、窗函數(shù)與譜泄漏、信號的調制與解調等多種vi，來幫助學生直觀的理解抽象的概念。

通過虛擬儀器軟件上機實驗，學生初步掌握了編寫vi的方法，學生只要在自己的電腦上安裝虛擬儀器軟件設計平臺，再給學生配以適當?shù)闹v義，學生便可自己完成以上vi的設計，這樣既教會了學生使用虛擬儀器軟件工具，又使得學生在編寫一個個vi的過程中運用了課堂上所學到的理論知識，達到了融合教學的目的。

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