編程及虛擬儀器設(shè)計第八講

1、LabVIEW編程及虛擬 儀器設(shè)計第八講：測量信號的分析與處理1上節(jié)課內(nèi)容回顧一、 DAQmx（數(shù)據(jù)采集）屬性節(jié)點 用于指定DAQmx操作的各種屬性：通道屬性；時間屬性；觸發(fā)屬性；讀取屬性；寫入屬性；某 些可利用DAQmx （數(shù)據(jù)采集函數(shù)；8種）直接設(shè)置；而另一些則需專門設(shè)置。二、DAQmx（數(shù)據(jù)采集）任務(wù)狀態(tài)（邏輯） 完整的數(shù)據(jù)采集任務(wù)狀態(tài)邏輯：配置任務(wù)- 開始任務(wù)- 采集數(shù)據(jù)（讀、寫）操作- 結(jié)束任務(wù)- 清除任務(wù)2 任務(wù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換有顯式與隱式之分：1）以調(diào)用某函數(shù)明確轉(zhuǎn)換任務(wù)的狀態(tài)，稱為顯式狀態(tài)轉(zhuǎn)換； 2）未調(diào)用任務(wù)狀態(tài)功能函數(shù)，而由VI自動完成任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的，稱為隱式狀態(tài)轉(zhuǎn)換。 三、數(shù)據(jù)

2、采集程序編制示例 1. 模擬輸入（單個、一段、連續(xù)） 2. 模擬輸出（單個、一段、連續(xù)） 通過（1）MAX途徑；（2）利用DAQmx 相關(guān)功能函數(shù)編程；（3）或借助“DAQ助手”，均可構(gòu)建數(shù)據(jù)采集VI。3 關(guān)于數(shù)據(jù)信息的有限采集和連續(xù)采集： 為采集一段有限長數(shù)據(jù)，并要求做到等間隔采樣，就要設(shè)立緩沖區(qū)，需采用簡單緩沖方式實現(xiàn)。但若需要連續(xù)不斷采集數(shù)據(jù)，且仍要求做到等間隔采樣，就不能采取循環(huán)結(jié)構(gòu)的方法，而也需要設(shè)置緩沖區(qū)，并應(yīng)以循環(huán)緩沖的方式來實現(xiàn)。 上述三種構(gòu)建數(shù)據(jù)采集VI方法的主要區(qū)別在于配置任務(wù)的方式不同。4本節(jié)課的內(nèi)容測量信號的分析與處理課程大作業(yè)要求及選題簡介5測量信號的分析與處理（1）

3、 因測量環(huán)境中常存在各種可能的干擾量，故實際測量中采集到的信號往往不僅是所關(guān)心的信號本身，而還伴有不希望的其它成分。對采集信號的分析與處理，即指如何有效地將采得的數(shù)字化信號中的各種干擾消除掉，或最大程度地將其削弱，從而得到（提取出）所關(guān)心的有用信號。 6測量信號的分析與處理（2） 由此途徑可找到的用于信號分析與處理的快速VI即Express VI，大多由基本函數(shù)構(gòu)成。 其實，LabVIEW提供有很多可用于信號分析與處理的VI。即除上述快速VI外，另外經(jīng) “函數(shù)”選板 - “信號處理”途徑，還可找到更多用于信號分析與處理的功能函數(shù)。 經(jīng)“函數(shù)”選板 -Express - “信號分析”途徑，可找到

4、13個用于信號分析與處理的用Express VI。7測量信號的分析與處理（3） 隨著LabVIEW版本的不斷翻新，為更便于用戶的使用，LabVIEW將函數(shù)類型豐富為了三種，即：基本函數(shù)、波形函數(shù)以及Express VI。 另一途徑：“函數(shù)”選板 - “信號處理”8測量信號的分析與處理（4） 對被測信號進行FFT變換舉例（A） 例如，產(chǎn)生一個周期信號，然后對它做FFT，可以得到其幅度和相位頻譜。 實施測量任務(wù)時，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采到的是時域波形的抽樣信號采樣信號。在時域可分析處理信號的時域特征，如隨時間的變化趨勢、大小，等等。 而被測信號也有頻率特征，如其中含有不同頻率成分等。為分析信號的頻率特征，

5、需要將獲得的時域波形的采樣信號轉(zhuǎn)換到頻域去分析處理。在頻域分析信號的基本方法是傅立葉變換法，其快速實現(xiàn)方法又稱FFT，且由它逐漸派生出很多種用于在頻域分析處理信號的功能函數(shù)。對信號進行頻域分析（包括頻譜分析和掃頻分析），能獲得在時域測量中得不到的頻率特征信息，如諧波分量、寄生、交調(diào)、噪聲邊帶等。 9測量信號的分析與處理（5） 現(xiàn)象：幅度譜存在有“泄漏”現(xiàn)象。這是因為采集到的被測信號的樣本數(shù)有限。增加樣本數(shù)，情況會有所改善，但不能完全消除。 對被測信號進行FFT變換舉例（B） “函數(shù)”選板 - “信號處理” - “波形生成”-“仿真信號” “函數(shù)”選板 - “信號處理” - “波形測量”-“頻譜

6、測量”10測量信號的分析與處理（6） 給被測信號“加窗”（a） 基于計算機構(gòu)建的虛擬儀器只能分析/處理有限長的數(shù)字信號，如此，被測信號x(t)以T（采樣時間或采樣長度）被截取一段送入計算機，就稱為被截斷，相當于加了“矩形窗”將信號突然截斷，致使在很寬頻率范圍內(nèi)向被測信號中添加了另外的成分。附加頻率成分不屬于x(t)，被稱為“頻譜泄漏”。頻譜泄漏會帶來如下問題： 為減少頻譜泄漏，可采用變化相對緩慢的非矩形窗函數(shù)對被測信號進行截斷；這被稱為給被測信號“加窗”。 使信號的頻域曲線上產(chǎn)生許多“皺紋”、頻率分辨率降低； 如果信號為幅值一大一小、頻率很接近的兩正弦波信號 的合成，因泄漏，在頻域，幅值小信號

7、可能被“淹沒”； 所關(guān)注信號的頻率f0附近的頻率特性曲線部分可能過于平 緩，致使無法準確確定f0的值。11測量信號的分析與處理（7） 給被測信號“加窗”（b） 在實際應(yīng)用中，如何選擇窗函數(shù)？ 要仔細分析被測信號的特征，再結(jié)合希望達到的目的，并可能要經(jīng)過反復(fù)試驗。窗函數(shù)有多種，如漢寧窗、海寧窗、余弦窗（多種）、布萊克曼窗，等等，它們各有特點；若使用不當，甚至可能帶來負面效應(yīng)。 使用窗函數(shù)的原由很多，例如：（1）限定測量的持續(xù)時間；（2）減少頻譜泄漏；（3）將頻率接近、幅值不同的信號成分分離出來。 舉例：把頻率接近、幅值不同的兩個正弦信號相互分離提取出來。經(jīng)過途徑 “幫助”“查找范例”“信號分析和

8、處理”“FFT和頻率分析”Window Comparison.vi 可找到這個例子。12測量信號的分析與處理（8） 給被測信號“加窗”（c） “幫助”“查找范例”“信號分析和處理”“FFT和頻率分析”Window Comparison.vi13測量信號的分析與處理（9） Chirp信號及其頻譜（一） Chirp信號又稱線性調(diào)頻信號，其數(shù)學(xué)表達式為： F(t)=sin(a*t2+b*t) 其中，設(shè)t為時間變量； 調(diào)節(jié)參數(shù)a和b，可得到幅值恒定、頻率連續(xù)變化（在一定頻率范圍內(nèi)）的一個“正弦”信號。LabVIEW提供有此函數(shù)。 從途徑 “函數(shù)”選板 “信號處理” “信號生成” Chirp 信號.vi

9、 可得到這個函數(shù)。 注意：利用已給定的缺省值（默認值）為宜，觀察效果好。舉例：調(diào)用Chirp函數(shù)，并觀察它的時域和頻域特性。 14Chirp信號及其頻譜（二）F(t)=sin(a*t2+b*t)15測量信號的分析與處理（10） 數(shù)字濾波（a） 數(shù)字濾波是信號分析與處理的重要步驟，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在一些需要靈活性和編程能力的領(lǐng)域它已取代了模擬濾波器。 與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器有下列優(yōu)點： 1）可用軟件編程，設(shè)計、修改、優(yōu)化均十分方便、快捷； 2）穩(wěn)定性好，濾波性能可預(yù)測； 3）不因溫度、濕度等影響產(chǎn)生誤差，不需高精度元器件； 4）具有較高的性能價格比。 舉 例：用“仿真信號”函數(shù)（Ex

10、press VI）發(fā)生一個幅值為1、頻率為10Hz的方波信號，并且疊加幅值為0.1的白噪聲。把此信號送給數(shù)字濾波器處理，希望僅得到方波信號中的正弦基波信號；并顯示出濾波前后的信號（查看濾波效果）。16測量信號的分析與處理（11） 數(shù)字濾波（2）“函數(shù)”選板 - “信號處理” - “波形調(diào)理” -“濾波器”17測量信號的分析與處理（12） 相關(guān)分析（a） 為實現(xiàn)對被測信號的有效檢測、識別和提取，對被測信號進行分析處理中，經(jīng)常要研究兩個信號的相似性，或一信號經(jīng)過一段延遲后其自身的相似性。這就要對信號進行“相關(guān)”分析。相關(guān)函數(shù)是描述隨機函數(shù)的重要統(tǒng)計量。相關(guān)分析又分“互相關(guān)”和“自相關(guān)”。例如通過對

11、一個信號進行自相關(guān)分析，可從噪聲很強的信號中檢測出是否含有周期成分。 舉例：選用“卷積和相關(guān)”Express VI（路徑是“函數(shù)”選板“信號處理”“信號運算”“卷積和相關(guān)”）中的自相關(guān)函數(shù)，來檢測由“仿真信號” Express VI發(fā)生的信號（正弦與均有噪聲）中是否含有周期成分（路徑為：“函數(shù)”選板“信號處理”“波形生成”“仿真信號”）。 18測量信號的分析與處理（13） 相關(guān)分析（b）19測量信號的分析與處理（14） 曲線擬合（a） 在基于計算機實現(xiàn)的測量過程中，為充分利用測得數(shù)據(jù)，并減小可能的測量誤差，經(jīng)常要對測得結(jié)果進行所謂曲線擬合。曲線擬合的主要作用有： 1）消除測量噪聲； 2）填充丟失的采樣點（例如，如果一個或多個采樣點有丟 失，或記錄不正確）； 3）插值（對采樣點之間被測對象可能的取值做出估計）； 4）外推（對采樣范圍之外被測對象可能的取值進行估計）； 5）求解某個基于離散數(shù)據(jù)的被測對象的速度軌跡（一階導(dǎo)數(shù) ）和加速度軌跡（二階導(dǎo)數(shù)）等。2