基于虚拟仪器的测试技术融合性教学

张蓬+彭鹤

摘要：针对“融合性教学”的理念，阐述了如何利用Labview虚拟仪器软件，通过循序渐进的方式，引导学生编写关于信号分析的仿真软件。通过亲历设计仿真的虚拟仪器实验的过程，不仅使学生直观的理解了“测试技术”课程中的关于信号的时域分析和频域分析中的抽象概念，并且通过信号产生、信号合成及信号的相关分析等例程，初步学会了利用虚拟仪器平台解决信号分析中的问题，达到了知识与软件工具双学习的目的。

关键词：虚拟仪器 测试技术 融合性教学 信号分析与处理

为了使学生更好地学习“测试技术”这门课程，很多学校针对这门课的传感器与敏感元件的工作原理及其应用这部分教学内容购置了相应的教学仪器，安排了许多传感器性质认知的实验，使学生能够亲身体验到使用传感器测量物理参数的过程。但是对于信号的采集和分析处理，特别是从信号的时域分析变换到对信号的频域分析这部分教学内容，涉及的名词较多，理论性较强，概念也极为抽象，使得这部分内容成为了“测试技术”课程的教学难点。为解决这个难题，利用虚拟仪器强大的信号产生和分析函数和方便直观的面板控件，让学生能够像对传感器性质认知那样通过做仿真实验，直观地理解信号的组成、信号的频域分析、加窗处理和相关特性分析等核心知识点。

不同于一般的由教师编写好仿真软件后让学生运行软件做实验，为了使学生更好地理解实验原理，掌握信号的分析方法，就要让学生参与到仿真实验软件的设计中来，这样既可通过实验帮助学生掌握理论知识，又教会了学生利用虚拟仪器软件分析学习中遇到的问题，锻炼了学生对知识的应用能力，达到更好的实验效果，实现了“融合性教学”，将理论知识和软件工具的使用同时教给学生。

一、循序渐进将对信号时域分析转换为频域分析的仿真实验设计

仿真实验的设计思想是在让学生自己完成仿真软件编写的同时，还要理解和体会软件本身所展示的理论知识，因为软件编写的过程也是对课堂理论知识学习的过程。但是在这之前大部分的学生并没有接触过虚拟仪器，因此要使学生在短短的2个学时内，既要完成实验软件的编写，还要理解和完成实验内容是有一定难度的。但是随着计算机的广泛普及，如今的学生对计算机及软件编程的相关概念如建立一个工程、文件管理和编辑、控件、库函数等相关概念并不陌生。美国NI公司的虚拟仪器Labview软件开发平台，具有强大的界面设计控件库和函数库，采用图形化编程，只需循序渐进的加以引导，就能让学生在很短的时间里掌握一些简单的虚拟仪器程序（以下简称vi）的编写。

实验从设计最简单的虚拟信号发生器入手，让学生既体验了vi的设计过程，又能直观的了解到幅值、频率及相位等参数对改变信号波形的影响。

（1）首先，带领学生图设计一个如图1所示的虚拟信号发生器vi，在这个vi中第一步要指导学生如何在Labview的函数选择面板上选择“基本函数发生器”。其次，对于频率、幅值和信号类型控件只需将编程线圈分别移到“基本函数发生器”的“频率”“幅值”和“信号类型”三个引脚上选择创建三个输入控件即可，这样可省去控件选择和连线的麻烦。最后，在前面板指导学生找到“波形图”控件，并返回到程序框图面板，将“基本函数发生器”的输出端与“波形图”控件的输入端连接，图1所示的虚拟信号发生器vi就完成了。

（2）用同样的方法在图1（a）的程序框图上再添加2个控件和算子，就可方便的求出“均值”“均值方根”等时域波形的特征值（如图2所示）。

（3）有了前两步的基础，将上例程序框图面板中的“基本函数发生器”换成“公式波形”函数，删去“信号类型”连线及控件，在“公式波形”函数的公式引脚创建“formula”公式输入控件，就设计好了一个波形合成的vi。为了让学生将谐波与频域的频谱线对应起来，在“公式波形”函数的输出端进一步添加一个波形图控件和一个FFT频谱（幅值-相位）函数并连接，结果如图3所示。 这样通过以上三个步骤，一个波形合成与频谱显示的vi就编写完成了。这个vi的操作面板如图4所示。

根据推导，方波的富氏级数展开式如公式1.1所示，展开式表明方波是由各次谐波叠加而成的。

学生在做实验时只要将公式中的各次谐波逐项的输入到图4的波形合成公式（formula控件）中并运行，就可看到波形叠加合成的过程，并且可看到每输入一次谐波，频谱图上就多了一条谱线，这样就将时域的合成波形与频域的谱线对应起来，学生就不难理解信号的组成成分是由不同频率的谐波叠加而成的概念了。而且可以看到随着叠加谐波次数的增加，合成波就越接近于理想的方波。当谐波次数高到一定数值时，高次谐波对信号合成的影响忽略不计。

二、信号相关性质认知的仿真实验设计

信号相关性质认知的仿真实验设计思路，主要是体现通过展示所求相关函数的波形来说明自相关性质和互相关函数的性质。图5是求两个信号的自相关和互相vi的程序框图，图中采用2个“基本函数发生器”产生信号1和信号2的波形。分别采用Labview的“AutoCorrelation.vi”求信号1的自相关波形，用“CrossCorrelation.vi”求两个信号1和信号2的互相关波形，并且分别用2个波形图控件显示自相关和互相关的波形。

为方便观察，将信号1信号2的原始波形通过一个信号合并器放在同一个波形控件中显示。为使“AutoCorrelation.vi”和“CrossCorrelation.vi”进行相关计算更精确，在某些情况下需归一化。该vi提供偏差和无偏差两种归一化。分析时要注意将这两个算子vi的归一化端创建一个输入型的normalization枚举控件，并选择无偏差归一化进行相关计算，以保证计算波形的正确性。这个vi的前面板如图6所示。 通过在图6选择不同频率不同波形的信号1和信号2，可以观察到选择信号1不同波形时的自相关波形，和两个不同频率周期信号以及周期信号与随机信号的互相关函数为零的性质。

三、结束语

课堂教学的学时总是有限的，除了上述两个实验外，利用Labview还可以设计出如采样定理原理、窗函数与谱泄漏、信号的调制与解调等多种vi，来帮助学生直观的理解抽象的概念。

通过虚拟仪器软件上机实验，学生初步掌握了编写vi的方法，学生只要在自己的电脑上安装虚拟仪器软件设计平台，再给学生配以适当的讲义，学生便可自己完成以上vi的设计，这样既教会了学生使用虚拟仪器软件工具，又使得学生在编写一个个vi的过程中运用了课堂上所学到的理论知识，达到了融合教学的目的。

参考文献：

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[2]邹大鹏，吴百海，龙建军.广东工业大学学报（社会科学版）：基于虚拟仪器技术实现测试技术教学改革的研究[J].广东省广州市， 2007，（07）：104-106.

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