基 于 LabVIEW 的 信 號 分 析

1、基 于 LabVIEW 的 信 號 分 析院 系 班 級 姓 名 學(xué) 號 時 間 目錄1 虛擬儀器的概述- 1 -1.1 虛擬儀器的產(chǎn)生- 1 -1.2 虛擬儀器的構(gòu)成- 2 -1.3 虛擬儀器的發(fā)展趨勢- 3 -2 設(shè)計方案- 4 -2.1 總體設(shè)計方案- 6 -2.2 具體設(shè)計方案- 7- 2.2 1.頻域分析的實現(xiàn)- 7- 2.2 2 .FFT轉(zhuǎn)換- 9- 2.2 3時域分析的方法- 10- 2.2 4電壓、電流的檢測- 11-3 信號分析結(jié)果-13 - 4 課程設(shè)計總結(jié)- 15附錄 參考文獻- 16-1 虛擬儀器的概述1.1 虛擬儀器的產(chǎn)生虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)在計算機系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)相結(jié)合的

2、產(chǎn)物，是當今計算機輔助測試領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。它推動著傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化，智能化，模塊化，網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。電子測量儀器發(fā)展至今，大體上可以分為四代：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能一起和虛擬儀器。第一代模擬儀器，這類儀器在某些實驗室里還能看到，它是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器，如指針式萬用表、晶體管電壓表、指針式電流表等。第二代數(shù)字化儀器，這類儀器現(xiàn)在相當普遍，這類儀器將模擬信號的測量值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果，適用于快速響應(yīng)和較高準確度的測量，如數(shù)字萬用表、數(shù)字頻率計等。第三代智能儀器，這類儀器內(nèi)置微處理器，可以進行自動測試和數(shù)據(jù)處理功能，可能代替部分腦力老公，習(xí)慣上稱為

3、智能儀器。它的功能模塊全部都是以硬件或固定軟件的形式存在，無論是開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。第四代虛擬儀器，它是現(xiàn)在計算機軟件技術(shù)、通信技術(shù)和測試技術(shù)高速發(fā)展孕育出的一項革命性技術(shù)，其導(dǎo)致了傳統(tǒng)儀器的結(jié)構(gòu)、概念和設(shè)計觀點都發(fā)生了巨大的變革，它的出現(xiàn)使得人類的測試技術(shù)進入了一個新的發(fā)展紀元。虛擬儀器（Virtual Instruments.簡稱VI）的概念，是美國國家儀器公司（National Instruments Corp.簡稱NI）于1986年提出的。NI公司同時也提出了“軟件即儀器”的口號，徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由廠家定義，用戶無法改變的局面，從而引起了儀器和自動化工業(yè)的一場革命。隨著現(xiàn)

4、在硬件和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器的智能化和虛擬化成為各級實驗室以及研究機構(gòu)發(fā)展的方向。虛擬儀器，它既具有傳統(tǒng)儀器的功能，又有別于其他傳統(tǒng)儀器。它能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計算機的先進技術(shù)，使儀器的測試和測量及自動化工業(yè)的系統(tǒng)測試和監(jiān)控變得異常方便和快捷。虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂嬎銠C、軟件的功能模塊和儀器硬件結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面（通常叫做虛擬前面板，簡稱前面板）來操作這臺計算機就像在操作自己定義、自己設(shè)計的一臺個人儀器一樣，從而完成對被測信號的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)字存儲等。虛擬儀器以透明的方式，通過軟件對數(shù)據(jù)的分析處理、表達以及圖形化用戶接口，把計算機資源（如微處理器、顯示

5、器等）和儀器硬件（如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時器、信號調(diào)理等）的測試能力和控制能力結(jié)合起來。虛擬一起突破了傳統(tǒng)儀器以硬件為主體的模式，實際上使用者是在操作具有測試軟件的電子計算機進行測量，猶如操作一臺虛設(shè)的電子儀器。1.2 虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器從構(gòu)成要素上講，由計算機、應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成；從構(gòu)成分式上講則由以DAQ板和信號調(diào)理為儀器硬件而組成的PC-DAQ測試系統(tǒng)，或已GPIB，VXI，Serial和Field bus等標準總線儀器為硬件組成的GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)等多種形式。虛擬儀器的構(gòu)成如圖1-1所示。顯示器信號分析及處理器入機接口各類接口A/D轉(zhuǎn)換

6、器數(shù)據(jù)發(fā)生器信號調(diào)理器信號調(diào)理器輸入信號D/A轉(zhuǎn)換器信號調(diào)理器信號輸出 圖1-1 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)目前，虛擬儀器的構(gòu)成方式有以下幾種：（1） PC-DAQ插卡式的VI（2） 并行口式的VI（3） GPIB總線方式的VI（4） VXI總線方式的VI （5） PXI總線形式的VI無論哪種VI系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦，臺式微機和工作站等各種計算機平臺加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。1.3 虛擬儀器的發(fā)展趨勢虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。它可以取代測量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性和經(jīng)濟性，因而特別適應(yīng)于當代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高跟

7、新的測量課題和測量需要?！皼]有測量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進。”虛擬儀器將會在科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。圖形化編程平臺的進一步發(fā)展和完善是虛擬儀器發(fā)展的一個重要方向。如何使用戶進行少量的學(xué)習(xí)甚至不需要學(xué)習(xí)就可使用功能強大的虛擬儀器，如何使用構(gòu)成簡單的虛擬儀器系統(tǒng)并完成復(fù)雜的測試內(nèi)容，如何幫助用戶對測試結(jié)果進行分析和判斷等內(nèi)容，是虛擬儀器技術(shù)努力的方向。我國還基本處于傳統(tǒng)儀器與計算機化儀器互相分離的狀態(tài)，世界各大相關(guān)的產(chǎn)品商家都在向中國這個巨大的市場進軍。結(jié)合我國的實際情況，我們必須走引進與自行開發(fā)相結(jié)合的道路。一方面，大力引進國外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術(shù)；另一方面，發(fā)展基于計算機的插

8、卡式硬件模塊為主的測控技術(shù)，發(fā)展圖形化平臺的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計算機及測控技術(shù)硬件，縮短與國際先進水平的差距。VXI總線將成為未來虛擬儀器的理想硬件平臺，這是由VXI總線的性能決定的；另一方面，基于PCI-DAQ的虛擬儀器系統(tǒng)由于性價比高、靈活性好而受到大多數(shù)用戶的青睞，將得到高速的發(fā)展。隨著計算機硬件、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器將向高性能、多功能、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。2.總體設(shè)計方案2.1 總體設(shè)計方案一：課程設(shè)計目的1. 了解LABVIEW的構(gòu)成及發(fā)展歷程、趨勢。2.練習(xí)并掌握使用LabVIEW編程，為以后的畢業(yè)設(shè) 計打下良好的基礎(chǔ)。3.熟悉信號的時域特征及頻域特征，掌握用

9、LabVIEW 對信號進行處理的方法。二：總體設(shè)計方案 信號產(chǎn)生信號時域分析 FFT轉(zhuǎn)換信號頻域分析2.2 具體設(shè)計方案2.2 1.頻域分析的實現(xiàn)信號的時域分析主要是測量測試信號經(jīng)濾波處理后的 特征值，這些特征值以一個數(shù)值表示信號的某些時域特征，是對測試信號最簡單直觀的時域描述。將測試信號采集到計算機后，在測試VI中進行信號特征值處理，并在測試VI前面板上直觀地表達出信號的特征值，可以給測試VI的用戶提供一個了解測試信號變化的快速途徑。信號的特征值分為幅值特征值、時間特征值和相位特征值?；酒骄绷髦蹬c均方根VIBasic Averaged DCRMS.vi用于測量信號的平均以及均方差。計算方

10、法是在信號上加窗，即將原有信號乘以一個窗函數(shù)，窗函數(shù)的類型可以選擇矩形窗、Haning窗、以及Low side lob窗，然后計算加窗后信號的平均值以及均方根值。2.2 2 .FFT轉(zhuǎn)換 “fft”函數(shù)為快速傅里葉變換。通過函數(shù)信號處理變換FFT命令調(diào)用。FFT變換可以實現(xiàn)從時域到頻域信號的轉(zhuǎn)變，從而進一步分析信號的頻率結(jié)構(gòu)。2.2 3時域分析的方法動態(tài)信號通過傅里葉變換從時域信號轉(zhuǎn)換到頻域信號，頻域分析可以進一步分析信號的頻率結(jié)構(gòu)及頻率與該頻率信號的幅度的關(guān)系。將測試信號采集到計算機后，在測試VI中進行信號特征值處理，并通過傅里葉變換從時域信號轉(zhuǎn)換到頻域下面舉例分析頻域功率譜功率譜主要研究信

11、號“FFT功率譜”函數(shù)可以計算時間信號的平均自功率譜。 選擇頻率1500HZ,運行結(jié)果如下圖所示：2.2 4電壓、電流的檢測 基于LabVIEW的虛擬示波器系統(tǒng)，主要由兩路模擬信號輸入模塊、信號濾波模塊、波形測量模塊等構(gòu)成。通過通道按鈕的選擇，可實現(xiàn)兩個通道的分別采集，來對電壓電流的檢測。模擬信號輸入通道選擇參數(shù)測量信號調(diào)節(jié)波形的實時顯示信號濾波 基于LabVIEW的虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖3 信號分析結(jié)果說明：1. 通過信號產(chǎn)生函數(shù)產(chǎn)生原正弦信號并通過圖形顯示控件前面板上。2. 將正弦信號與白噪聲混合相加分別送往幅度和電平測量函數(shù)和FFT功率譜噪聲。通過前面板的顯示控件觀察信號的時域和頻域特性本

12、設(shè)計提供了三種波形顯示模式：u 模式1：在此模式下，通道1顯示信號A，通道2顯示信號B。u 模式2：在此模式下，通道1顯示信號A，通道2顯示信號A+B。u 模式3：在此模式下，通道1顯示信號B，通道2顯示信號A+B。 模式1下，信號A、B均為正弦波，頻率均為10KHZ 4 課程設(shè)計總結(jié)課程設(shè)計是測控儀器設(shè)計與LabVIEW課程重要的綜合性與實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過設(shè)計實踐不僅可以檢測我們對所學(xué)知識的掌握程度，更有助于培養(yǎng)我們獨立學(xué)習(xí)、搜尋所需信息的能力，引導(dǎo)我們樹立正確的設(shè)計思想，所以我們要認真對待本次課程設(shè)計。剛拿到設(shè)計題目時，感到這個設(shè)計很難，因為很多概念、原理和術(shù)語都不曾見過。所以，做設(shè)計之

13、前，我花了很長時間來了解設(shè)計任務(wù)書中所給的執(zhí)行文件，并通過書籍和網(wǎng)絡(luò)來搜尋相關(guān)設(shè)計資料。等到基本掌握執(zhí)行文件的各個模塊的相關(guān)功能后，我開始了各個子VI的設(shè)計工作。設(shè)計過程是辛苦的，但結(jié)果是快樂的，整個設(shè)計過程基本上就是一個調(diào)試、修改、再調(diào)試、再修改的過程。有時候為了一個功能的實現(xiàn)可能要花去整整一個下午和一個晚上的時間，而當你完成后有時卻發(fā)現(xiàn)有更簡便的方法，可是這個時候卻一點也不感到失落，因為那是自己獨立思考的結(jié)果，也許復(fù)雜，但正因復(fù)雜才得了別人沒有的經(jīng)驗。各子VI設(shè)計調(diào)試好后，便是建立主程序模塊將它們連接起來，進行整體的功能調(diào)試，直至符合設(shè)計要求。設(shè)計過程中存在的一些問題及解決方案：1、 在數(shù)

14、據(jù)采集模塊，參考相關(guān)資料進行設(shè)計時，發(fā)現(xiàn)在LabVIEW中找不到DataAcquisition子模板中的AI Waveform Scan(scaled array).vi，利用搜索功能也不能找到，經(jīng)上網(wǎng)查詢后得知需要安裝Traditional DAQ，通過老師的解答使得問題得以解決。2、 未能實現(xiàn)兩種信號不通頻率的改變，只能在相同的頻率下進行測量。3、 調(diào)用子VI時，對于子VI的暫停以及前面板的彈出和關(guān)閉，可通過添加一條件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用程序控制屬性節(jié)點使問題得以解決。通過本次畢業(yè)設(shè)計，是對我大學(xué)四年學(xué)習(xí)的知識的一次綜合性考驗。在整個設(shè)計和制作過程中，我對原有的知識進行了實際的應(yīng)用，同時對于一些新的知識又進行了深入的學(xué)習(xí)，使我認識到了學(xué)習(xí)的知識還存在許多的缺陷和不足。最后由衷感謝老師這些天的指導(dǎo)與幫助，老師辛苦了！參考文獻【1】胡仁喜等編著. LabVIEW