虛擬儀器設(shè)計(虛擬調(diào)制解調(diào)器相關(guān)函數(shù))

1、湖 南 科 技 大 學(xué)課 程 設(shè) 計課程設(shè)計名稱： 虛擬儀器課程設(shè)計 學(xué) 生 姓 名： 王 松 學(xué) 院： 機電工程學(xué)院 專業(yè)及班級： 測控（2）班 學(xué) 號： 1103030219 指導(dǎo)教師： 毛征宇 郭迎福 年 月 日課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書機電學(xué)院 測控儀器 系 系 主 任： 楊書儀 學(xué)生班級：2011測控1、2、3 班 日 期： 2014.12.12一、 設(shè)計目的：在學(xué)習(xí)和了解虛擬儀器及總線技術(shù)與LabVIEW開發(fā)平臺的基本原理和方法的基礎(chǔ)上，使學(xué)生理論與實踐相結(jié)合，深入了解虛擬儀器技術(shù)及LabVIEW編程技術(shù)在工程常見領(lǐng)域的測量與分析的應(yīng)用，提高學(xué)生將虛擬儀器、測試技術(shù)和電子、機械、通

2、訊等多學(xué)科的綜合應(yīng)用能力和實際動手能力。二、 學(xué)生提交設(shè)計期限：在本學(xué)期2014年12月15日至2014年12月26日完成，設(shè)計必須學(xué)生本人交指導(dǎo)老師評閱，指導(dǎo)教師將組織部分學(xué)生答辯。三、 本設(shè)計參考材料： LabVIEW2010基礎(chǔ)教程基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計虛擬儀器虛擬儀器技術(shù)分析與應(yīng)用 測試技術(shù)四、 設(shè)計題目的選定：參考設(shè)計題目附后頁，必須選二題（一般信號分析的虛擬儀器設(shè)計和工程測試實驗教學(xué)虛擬儀器各一題）。五、 設(shè)計要求：1、 查閱相關(guān)資料；2、 提出整體系統(tǒng)設(shè)計方案；3、 詳細設(shè)計虛擬儀器各部分的原理、組成及具體實現(xiàn)過程；4、 說明前面板控件布置、流程圖（節(jié)點和圖框）編輯和數(shù)

3、據(jù)流實現(xiàn)方法；5、 運行檢測（仿真檢測和實測檢測。）六、 設(shè)計成果及處理說明書主要章節(jié)：1 設(shè)計成果（包括說明書、前面板窗口設(shè)計和程序代碼編輯及其程序軟件）；2 設(shè)計說明書格式及主要章節(jié)：a. 封面（參照學(xué)院規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)）；b. 設(shè)計任務(wù)書（包括選定設(shè)計題目與要求）；c. 目錄d. 說明書正文；（主要章節(jié)包括：系統(tǒng)總體方案分析及確定；虛擬儀器設(shè)計步驟詳細介紹；程序調(diào)試運行與結(jié)果分析等）e. 設(shè)計總結(jié)及體會；f. 參考文獻七、 設(shè)計所得學(xué)分及成績評定：本設(shè)計單獨算學(xué)分及成績：占2個學(xué)分。考核與評分主要分四個方面：1 學(xué)生平時出勤及工作態(tài)度；2 虛擬儀器設(shè)計正確性及前面板布置實用、美觀程度；3 說明書

4、、軟件編寫規(guī)范、調(diào)試分析結(jié)果及獨立工作能力；4 答辯成績。八、 設(shè)計進度與答疑：1、 確定設(shè)計題目及查閱資料，并確定方案：12.1512. 16日； 2、 虛擬儀器設(shè)計及編程 12.1712.22日；3、 運行調(diào)試檢測與修改，撰寫課程設(shè)計報告：12.2312.26日；4、 提交設(shè)計報告，學(xué)生答辯：12.2612.28日。學(xué)生簽名： 指導(dǎo)老師簽名： 學(xué) 號： 日 期： 日 期： 湖南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計（論文）目 錄第一章 虛擬調(diào)制解調(diào)器設(shè)計11.1 系統(tǒng)總體方案分析11.1.1 功能要求11.1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計11.1.3 系統(tǒng)設(shè)計基本原理11.2 虛擬儀器設(shè)計步驟21.2.1 前面板

5、設(shè)計21.2.2 程序框圖設(shè)計31.3 程序調(diào)試運行與結(jié)果分析4第二章 相關(guān)分析虛擬實驗儀器設(shè)計52.1 系統(tǒng)總體方案分析52.1.1 功能要求52.1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計52.1.3 系統(tǒng)設(shè)計基本原理52.2 虛擬儀器設(shè)計步驟72.2.2 程序框圖設(shè)計82.3 程序調(diào)試運行與結(jié)果分析102.3.1 互相關(guān)函數(shù)虛擬儀器結(jié)果102.3.2 自相關(guān)函數(shù)虛擬儀器結(jié)果10第三章 總結(jié)與體會14參考文獻15 - i -第一章 虛擬調(diào)制解調(diào)器設(shè)計1.1 系統(tǒng)總體方案分析1.1.1 功能要求用該調(diào)幅波解調(diào)器可觀察調(diào)幅波，以及經(jīng)過巴特沃斯濾波器后的解調(diào)信號波形。并分析調(diào)試結(jié)果。1.1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計本

6、文以美國NI公司的LabVIEW為軟件開發(fā)平臺設(shè)計虛擬信號頻譜分析儀。本設(shè)計的虛擬頻譜分析儀可以實現(xiàn)對虛擬信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號進行頻譜分析，同時也可以對通過信號調(diào)理器，基于PCI總線的DAQ卡組成的采集系統(tǒng)所采集到的外部信號進行頻譜分析。本設(shè)計主要由信號生成、波形顯示以及波形的傅里葉變換三部分組成。信號生成是主要是由LabVIEW所提供的信號發(fā)生器進行模擬，同時通過輸入控件改變輸入信號的頻率范圍、幅度、相位、直流偏移量和占空比，達到可變的目的；通過波形圖顯示控件進行波形的顯示，同時進行波形的調(diào)試與觀察；另外利用LabVIEW中所提供的強大函數(shù)支持對信號進行傅里葉變換，觀察波形經(jīng)過FFT變換后

7、的幅值譜，并進行分析調(diào)試，最后得出結(jié)果。1.1.3 系統(tǒng)設(shè)計基本原理（1）調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達式及其特性 （1-1）常量；高頻載波頻率；低頻緩變信號。該是就是調(diào)幅波的一般數(shù)學(xué)表達式，它反映了低頻還變信號在z（t）對高頻信號0震蕩信號sin（0t）的控制。一般將控制高頻信號的緩變信號稱為調(diào)制信號，載送緩變信號的高頻震蕩信號稱為載波。利用低頻緩變信號來控制或改變高頻震蕩信號的幅值稱為調(diào)制過程。（2）調(diào)幅波的解調(diào)調(diào)幅波u（t）的膚質(zhì)反映調(diào)制信號數(shù)值的變化，在調(diào)制器之后加解調(diào)器，可將被測的調(diào)制信號與調(diào)幅波分離，并最后提取出來。解調(diào)器由乘法器和低通濾波器組成。其原理圖如下：乘法器低通濾波器u（t）y（t）f

8、（t）圖1.1 調(diào)幅波原理圖解調(diào)器中的乘法器有兩個輸入信號，一個是待解調(diào)的調(diào)幅波u（t）： （1-2）式中E為比例常數(shù)。乘法器的另一個輸入信號Ur（t）稱為參考信號，它應(yīng)是與載波頻率表0相同的高頻信號，考慮到實際情況，載波信號sin0t會有一個相位差，則Ur（t）： （1-3）于是，乘法器輸出y（t）為： （1-4）令A(yù)=EUr ，并根據(jù)三角函數(shù)上式可寫為： （1-5）當(dāng)?shù)屯V波器的截止頻率遠遠小于頻率20，并大于信號z(t)的最高頻率時，式中的頻率分量項將被低通濾波器大大衰減，只有輸出。1.2 虛擬儀器設(shè)計步驟1.2.1 前面板設(shè)計執(zhí)行“控件>>新式>>數(shù)值>&

9、gt;數(shù)值輸入控件”九次，得到九個輸入型數(shù)字控件，把控件的標(biāo)簽分別改為“采樣頻率”、“采樣點數(shù)”、“高頻頻率”、“低頻頻率”、“高頻相位”、“低頻相位”、“高頻幅值”“低頻幅值”以及“截止頻率”；執(zhí)行“控件>>新式>>圖形>>波形圖”兩次，得到兩個輸出顯示型圖形控件，把控件的標(biāo)簽分別改為“解調(diào)波”與“調(diào)制波”，用于顯示調(diào)制波和低頻緩變信號的幅值譜；執(zhí)行“控件>>新式>>布爾>>停止按鈕”，得到一個布爾型開關(guān)控件，把控件的標(biāo)簽以及布爾文本都改為“關(guān)閉”；對前面板各個控件布局后加修飾，然后在所有控件的上方鍵入儀器名稱“虛擬調(diào)制

10、解調(diào)器”，在字體對話框中將字體的大小改為47，將字體的顏色改為紅色；完成后的面板如“圖1.2”所示。圖1.2虛擬調(diào)制解調(diào)器前面板1.2.2 程序框圖設(shè)計在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>結(jié)構(gòu)>>While循環(huán)”，調(diào)出While循環(huán)結(jié)構(gòu)；在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>信號處理>>信號生成>>正弦波”，調(diào)出兩個正弦波；在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>信號處理>>濾波器>>Butterworth濾波器”； 在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>簇、類與變體>>捆綁”兩次，

11、調(diào)出兩個簇捆綁函數(shù)，都上拉為三輸入。按照“圖1.3”連接，完成程序框圖。圖1.3虛擬調(diào)制解調(diào)器程序1.3 程序調(diào)試運行與結(jié)果分析設(shè)置低頻調(diào)制信號的頻率為1Hz，幅值為1V，初始相位0，設(shè)置載波高頻信號的頻率為10Hz，幅值為1V，初始相位0，設(shè)置巴特沃斯濾波器的低截注，止頻率為 2Hz ，設(shè)置對調(diào)制和載波信號的采樣率均為 50Hz，采樣點數(shù)為200 點。圖1.4虛擬調(diào)制解調(diào)器結(jié)果第二章 相關(guān)分析虛擬實驗儀器設(shè)計2.1 系統(tǒng)總體方案分析2.1.1 功能要求（1）可測試四種典型信號的自相關(guān)函數(shù)。（2）可測試兩個正弦函數(shù)的互相關(guān)函數(shù)。2.1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計本文以美國NI公司的LabVIEW為軟

12、件開發(fā)平臺設(shè)計相關(guān)分析虛擬實驗儀器，利用自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)來進行信號分析處理，可以用于測試典型信號的互相關(guān)函數(shù)和自相關(guān)函數(shù)。本設(shè)計主要由信號生成、波形顯示以及自相關(guān)與互相關(guān)分析三部分組成。信號生成主要是由LabVIEW提供的信號發(fā)生器進行模擬，這里使用的是雙信道信號發(fā)生器，兩個信道可分別產(chǎn)生正弦波、三角波、方波和鋸齒波信號，并將其產(chǎn)生的信號傳輸給兩個子相關(guān)分析系統(tǒng)，同時通過輸入控件改變輸入信號的頻率范圍、幅值、采樣點數(shù)等參數(shù)，達到可變的目的；通過波形圖顯示控件進行波形的顯示，同時進行波形的調(diào)試與觀察；另外利用LabVIEW中所提供的強大函數(shù)支持對信號進行自相關(guān)與互相關(guān)分析，通過觀察與調(diào)試波

13、形經(jīng)過自相關(guān)與互相關(guān)分析的函數(shù)圖形，分別驗證分析同一信號和兩個不同信號在不同時刻的相互依賴關(guān)系，最后得出結(jié)果。2.1.3 系統(tǒng)設(shè)計基本原理相關(guān)是指兩個變量之間的線性關(guān)系。相關(guān)分析是分析兩個信號之間關(guān)系或一個信號在一定時移前后之間關(guān)系的重要工具。在實際工程領(lǐng)域、相關(guān)測速和利用相關(guān)原理探測管道破裂點、識別信號類別成分等得到廣泛應(yīng)用。相關(guān)函數(shù)可以用相關(guān)分析儀測量。相關(guān)分析儀有模擬式和數(shù)字式兩種。使用LabVIEW提供的函數(shù)可以構(gòu)建一臺數(shù)字式的相關(guān)分析儀。兩模擬信號x(t)和y（t）做數(shù)字化處理后，他們的相關(guān)函數(shù)表達式應(yīng)為： （2-1）式中 N=沿時間軸的總采樣數(shù)；i=沿時間軸的采樣序數(shù)；r=間斷時移

14、值。作為有限長采樣的相關(guān)函數(shù)估計為： （2-2）用這一公式做離散相關(guān)的步驟是：（1）r=0,將所有對應(yīng)采樣點的x(i)和有y（i）相乘；（2）將所有的乘積相加；（3）以總采樣點數(shù)做平均，得到相關(guān)函數(shù)的一個值 。（4）取=1，將所有對應(yīng)采樣點的和相乘，然后相加，平均，得到。依次取=1，=2，=3，···按以上步驟重復(fù)計算后得到相關(guān)函數(shù)的各個值。在X（i）和Y（i）二離散序列長度相等時，計算Rxy（0）可以用全部計算長度數(shù)據(jù)來計算，而下一步計算時因y（i）做一步時移，使可提供計算的序列長度由N變?yōu)镹-1。且隨時移增大，可提供計算的序列長度越來越短，所以互相關(guān)函數(shù)的估值

15、應(yīng)為： （2-3）與此類似，自相關(guān)函數(shù)的估值為： （2-4）求互相關(guān)的VI算法為： （2-5）求自相關(guān)的VI算法為： （2-6）式（2-5）和式（2-6）的算法僅適用于確定性信號中的瞬態(tài)信號，所以在一般情況下需要加以修正。這里提供的程序（Modi Correlation）用于完成這一修正。此VI對labvIEW求出的相關(guān)函數(shù)進行修正，將每個相關(guān)值除以（N-r）。N式labvIEW求出的相關(guān)函數(shù)輸出數(shù)組的長度，r是時移的位置。參數(shù)Rxx in式labvIEW求出的相關(guān)函數(shù)值，Rxx out是修正后的相關(guān)函數(shù)值，samples是取樣數(shù)，d是輸出相關(guān)函數(shù)首尾截去的百分比（把移位造成的重疊太少而沒有意

16、義的部分截掉）。n是截短后的取樣數(shù)。圖2.1 Modi Correlation VI程序2.2 虛擬儀器設(shè)計步驟2.2.1 前面板設(shè)計（1）互相關(guān)函數(shù)虛擬儀器設(shè)計執(zhí)行“控件>>新式>>數(shù)值>>水平填充滑動桿”兩次得到兩個輸入型圖形控件，把控件的標(biāo)簽改為“頻率”，用于控制兩個輸入波形的頻率。并添加其數(shù)值顯示方式；執(zhí)行“控件>>新式>>數(shù)值>>旋鈕”，得到一個輸入型圖形控件，把控件的標(biāo)簽改為“時標(biāo)”；執(zhí)行“控件>>新式>>數(shù)值>>數(shù)值輸入控件”兩次，得到兩個輸入型數(shù)字控件，把控件的標(biāo)簽都改為

17、“相位”；執(zhí)行“控件>>新式>>布爾>>停止按鈕”，得到一個布爾型開關(guān)控件，把控件的標(biāo)簽以及布爾文本都改為“關(guān)閉”，并隱藏標(biāo)簽；執(zhí)行“控件>>新式>>圖形>>波形圖”兩次，得到兩個輸出顯示型圖形控件，把控件的標(biāo)簽分別改為“時域波形”與“互相關(guān)函數(shù)”，并隱藏；對前面板各個控件布局后加修飾，然后在所有控件的上方鍵入儀器名稱“互相關(guān)函數(shù)虛擬實驗儀”，在字體對話框中將字體的大小改為53，將字體的顏色改為紅色；完成后的面板如“圖2.2”所示。圖2.2 互相關(guān)函數(shù)虛擬試驗儀（2）自相關(guān)函數(shù)虛擬儀器設(shè)計執(zhí)行“控件>>新式&g

18、t;>數(shù)值>>旋鈕”，得到一個輸入型圖形控件，把控件的標(biāo)簽改為“時標(biāo)”；執(zhí)行“控件>>新式>>布爾>>停止按鈕”，得到一個布爾型開關(guān)控件，把控件的標(biāo)簽以及布爾文本都改為“關(guān)閉”，并隱藏標(biāo)簽；執(zhí)行“控件>>新式>>數(shù)值>>數(shù)值輸入控件”五次，得到五個輸入型數(shù)字控件，把控件的標(biāo)簽分別改為“高階截止頻率”、“低階截止頻率”、“噪聲頻率”、“信號頻率”及“信號幅值”；執(zhí)行“控件>>新式>>布爾>>停止按鈕”，得到一個布爾型開關(guān)控件，把控件的標(biāo)簽以及布爾文本都改為“關(guān)閉”，并隱藏

19、標(biāo)簽；執(zhí)行“控件>>新式>>圖形>>波形圖”兩次，得到兩個輸出顯示型圖形控件，把控件的標(biāo)簽分別改為“時域波形”與“自相關(guān)函數(shù)”，并隱藏；對前面板各個控件布局后加修飾，然后在所有控件的上方鍵入儀器名稱“自相關(guān)函數(shù)虛擬實驗儀”，在字體對話框中將字體的大小改為39，將字體的顏色改為紅色；完成后的面板如“圖2.3”所示。圖2.3 自相關(guān)函數(shù)虛擬試驗儀前面版2.2.2 程序框圖設(shè)計（1）互相關(guān)函數(shù)虛擬儀器設(shè)計在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>結(jié)構(gòu)>>While循環(huán)”，調(diào)出While循環(huán)結(jié)構(gòu)；在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>信號

20、處理>>信號生成>>正弦波”，調(diào)出兩個正弦波；在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>數(shù)組>>創(chuàng)建數(shù)組”，調(diào)出一個創(chuàng)建數(shù)組函數(shù)，拉為兩輸入；在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>信號處理>>信號運算>>互相關(guān)”； 在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>簇、類與變體>>捆綁”兩次，調(diào)出兩個簇捆綁函數(shù)，都上拉為三輸入。在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>選擇VI”調(diào)出“Modi Correlation VI”，按照“圖2.4”連接，完成程序框圖。圖2.4 互相關(guān)函數(shù)虛擬儀器程序（2）自相關(guān)函數(shù)虛擬儀器設(shè)計在

21、程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>結(jié)構(gòu)>>While循環(huán)”，調(diào)出While循環(huán)結(jié)構(gòu)；在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>結(jié)構(gòu)>>條件結(jié)構(gòu)”，調(diào)出條件結(jié)構(gòu)；在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>信號處理>>信號生成>>正弦波”，調(diào)出一個正弦波；在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>信號處理>>信號生成>>均勻白噪聲”，調(diào)出一個白噪聲波；在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>信號處理>>信號運算>>自相關(guān)”； 在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>定時>>等待下一個整數(shù)毫秒”，調(diào)出延時； 在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>簇、類與變體>>捆綁”兩次，調(diào)出兩個簇捆綁函數(shù)，都上拉為三輸入。在程序框圖中執(zhí)行“函數(shù)>>選擇VI”調(diào)出“Modi Correlation VI”，按照“圖2.5”連接，完成程序框圖。圖2.5自相關(guān)函數(shù)虛擬儀器程序2.3 程序調(diào)試運行與結(jié)果分析2.3.1 互相關(guān)函數(shù)虛擬儀器結(jié)果把一通道和而二通道的頻率分別設(shè)置為100Hz和102.5Hz，一、二通道的相位都改為0度，把時標(biāo)調(diào)至25附近，運行結(jié)果如下：圖2.6互相關(guān)函數(shù)虛擬儀器結(jié)果2.3.2 自相關(guān)函數(shù)虛擬