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1、,电子科技大学自动化学院,虚拟仪器的测试信号分析与处理技术,3.1 测试信号分析处理的概述,一个仪器系统通常由三大部分组成：信号的获取与采集、信号的分析与处理、结果的输出与显示，其中信号分析与处理是构成测量仪器必不可少重要部分。若用硬件电路来进行分析与处理，其电路是复杂的、昂贵的，甚至是不易实现的。虚拟仪器最核心的思想是，硬件实现的功能软件化，从而降低系统成本，增强系统功能与灵活性。,在同一硬件平台上，调用不同的测试软件就可构成不同功能的虚拟仪器。例如：对采集的数据通过测试软件进行标定，并在时间轴上把对应的数据点显示出来，就构成了一台数字示波器；对采集的数据利用软件进行FFT变换，并把各频率分
2、量幅值在频率轴上显示出来，则构成一台频谱分析仪等。通过信号分析与处理可求取信号的各种特征值，如峰值、真有效值、均值、均方值、方差、标准差及频谱函数、相关函数、概率密度函数等，可构成各种测试仪器。,相同的高速A/D采集电路组成的示波器、交流电压表和频谱分析仪,测试信号的基本类型,测试信号分类方式 根据信号在时域的描述方式 分为：确定性信号、非确定性信号 按描述信号的数学关系式的自变量(通常是时间)取值是否连续 分为：连续信号、离散信号,信号分类,2模拟信号和数字信号,模拟信号：测试信号未经过采样前，其时间和幅值均是连续的；数字信号：模拟信号经等间隔“采样”及幅值量化两个步骤以后就成为数字信号，所
3、以数字信号的时间和幅值均是离散的。,a）模拟信号 b）数字信号图3-1 模拟信号与数字信号的关系,时域分析：测量时采集到的信号是一个时域波形。频域分析：测量时直接采集到的信号是时域波形，由于时域分析的局限性，所以往往把问题转换到频域来处理。基本方法是FFT。相关分析：信号的相关分析是时（延）域中进行的一种信号分析处理方法。幅值域分析：信号的幅值域分析首先是对随机信号进行统计分析，可以求得信号的均值、均方值、方差、概率密度函数等。测量数据处理：利用统计分析技术求测量结果的平均值、方差，进行不确定度评定，实现最小二乘法的数据拟合算法等。数字滤波：滤波（即选频）是将一部分频率范围内的信号滤除掉，而允
4、许另一部分频率范围内的信号通过。,虚拟仪器测试功能软件的主要内容,3.1.4 LabVIEW中的测试信号分析处理函数库简介,LabVIEW 除了它的图形化编程方式适应工程师的思维习惯以外，还提供了非常丰富的测试工程师所需的分析处理函数和，即所谓的“工程师的工作间”，在这个“工作间”中，LabVIEW提供了进行测试信号分析处理所需要的各种类型的数据分析和处理工具。实现信号分析处理功能的分为3个层次：Express VI、波形和基本功能，并分别对动态数据类型、波形数据类型和数组这样3种数据进行操作。下面我们分层次来介绍这些VI。,用Express VI实现的信号分析和处理VI,2.对应于波形数据的
5、信号分析和处理,到达路径为：函数模板中的信号处理 波形波形测量子模板、波形生成子模板等波形数据是专门用来表示测试信号的，它是由时间起始值t0、dt值（两个采样点的时间间隔）以及一维数组Y组合成的一个簇。波形数据的物理意义：对一个模拟信号x(t)，从时间t0开始进行采样和A/D转换，采样率为fs,对应采样时间间隔dt=1/fs，数组Y为各个时刻的采样值。可用数值型数组Y表示波形，相当于默认t0=0,t=1秒,图3-4表示了对频率为20Hz、幅度为1V的正弦信号进行采样，采样频率为1kHz，得到的波形数据（t0=0,dt=0.001s）进行图形显示和数据显示,Y数组实际有50个数，图中只显示了前9
6、个。采样50点刚好1个周期。对周期信号，1个整周期的采样点数等于采样频率除以信号频率。信号的采样周期个数为:（采样点数*信号频率）/采样频率,3.基本函数VI,其到达路径是：函数模板中的信号处理 波形信号生成子模板、信号运算子模板等产生的数据类型为数值型数组，在实际需要时结合帮助文档中的详细说明进行设置和调用。,3.2测试信号产生,测试信号产生途径和波形数据表示1测试信号产生途径（1）对被测的模拟信号，使用数据采集卡或其他硬件电路，进行采样和A/D变换，送入计算机。（2）在LabVIEW中的波形产生函数得到的仿真信号波形数据。（3）从文件读入以前存储的波形数据，或由其他仪器采集的波形数据。,2
7、测试信号在LabVIEW中的表示,在LabVIEW中测试信号已经是离散化的时域波形数据，信号表示的数据类型有数组、波形数据和动态数据3种。,3.2.2 仿真信号产生函数,在LabVIEW中产生一个仿真信号，相当于通过软件实现了一个信号发生器的功能。针对不同的数据形式，LabVIEW中有3个不同层次的信号发生器。,功能相同：都能产生基本信号；主要区别：使用的难易程度和灵活性不同。Express仿真信号发生器产生动态数据类型的信号，使用起来最简单；普通信号发生器VI产生数组类型的信号，使用起来比较复杂；波形发生器VI产生波形数据，使用的复杂程度介于两者之间。,3种信号发生器比较,3.2.3 仿真信
8、号发生器Simulate Signal.vi,仿真信号发生器Simulate Signalvi能够产生单一的周期信号和单一的随机信号(噪声)信号相加的波形。,图3-9仿真信号发生Express VI的参数设定对话框,（1）信号特性 首先选择周期信号类型和能够附加噪声信号的类型，然后设定信号的频率、幅值、初始相角和直流偏置，噪声的均值、标准偏差等。,（2）采样时间特性和时间标识采样时间特性选择：以Hz为单位的采样频率 自动采样时间或指定采样点数 采样周期数。采样频率至少是最高信号频率的两倍，一般取3到5倍。时间标识的设置主要调节输出的动态数据类型的时间信息，时间标识有两个选项：从测量始点计算的时
9、间(程序开始运行的时间)绝对时间(计算机时间)一般选择默认值(起始时间)。,（3）信号重置信号重置的改变在预览窗口看不到效果，这个选项在该被放在循环等结构中重复运行时起作用。它决定了该VI每次运行的起点是从对话框的设定值开始，还是从该VI上一次运行结束点的状态开始。在实际应用中用其默认值(连续产生信号)的机会还是比较多，在这种情况下，我们利用循环就能够产生一个连续的波形，而不至于在每次循环的开始时间点上出现一个波形跳变。,除了在参数设置对话框中设置参数，也允许通过传统的端口方式设置参数，这给在前面板上放置控件提供了机会。其端口图如图3-12。,图3-12 仿真信号发生器Simulate Sig
10、nal.vi端口图,仿真信号发生器Simulate Signalvi的使用还需要注意的是：a.由于其本身只产生有限长度的信号(数据量不大，持续时间很短)，所以在应用中一般都是将其放置在循环中来产生比较长时间的信号。b.用仿真信号发生器Simulate Signalvi也可以产生单纯的随机噪声。,例：正弦波加噪声发生器程序,2设计一个简易的仿真多波形发生器，可产生频率、幅值和直流偏值可调的正弦、方波、三角波、锯齿波信号，还可叠加高斯噪声信号，并且采样率和采样点可选，显示波形。,分析：Express VI仿真信号发生器使用方便，在编程时用户可改变各种参数，并能马上演示结果。但是有些参数（包括波形类
11、型、采样率和采样点等）无输入端口，即运行程序后用户不能从面板改变。而波形发生器VI提供了更多和灵活的输入端口。所以本题目采用波形发生器VI中的函数来完成。,Basic Function Generator基本函数发生器函数,Gaussian White Noise Waveform高斯白噪声函数,（1）前面板设计：,在1题的前面板基础上再增加波形选择旋钮knob控件和采样率和采样点输入簇控件，并对旋钮（Knob）控件的文本列表属性进行设置，正弦波、三角波、方波、锯齿波对应数值分别为03。再选用一些面板装饰控件，调整各控件的位置、大小和显示层数，把前面板设计成较美观、实用的虚拟仪器面板，,前面板
12、设计,（2）框图程序设计：,选用波形发生器VI中的Basic Function Generator函数产生要求的4种周期信号。连接波形选择knob旋钮到signal type端口，连接频率、幅度、采样参数簇端口。选用波形发生器VI中的Gaussian White Noise Waveform函数产生标准偏差可调的高斯白噪声，用2次加法运算完成信号的直流偏值设置和叠加高斯白噪声，因为Labview中的许多运算具有多态性（即不同类型的数据可参与运算）。然后全部放入1个While循环中，用开关控制循环的结束。,3.2.4 多谐信号附加噪声的波形发生器Tones and Noise Waveform.
13、vi,在测试工程应用中还有这样一种情形：测量的信号是若干个正弦信号或余弦信号的叠加，每个正弦信号或余弦信号具有不同的频率、幅值和相位。仿真信号发生器Simulate Signalvi不能产生多个周期信号叠加的波形，如果要实现这一功能，需要在每个单一周期信号产生以后再进行叠加运算。,例：用多谐信号附加噪声的波形发生器Tones and Noise Waveform.vi产生表达式（3-11）的信号。注意：该函数的单频频率数组每个元素的信号采样周期数要求是正整数。,式中，为均方值为0.2的高斯白噪声。f1=20Hz,f2=16Hz,f3=50Hz,图3-13 a)多谐信号附加噪声的波形发生器前面板
14、,图3-13 b)多谐信号附加噪声的波形发生器后面板,在LabVIEW中实现信号幅值特征值求取 交流电压基本参量定义,2测量方法：,（1）基于ACDC转换的模拟测量方法通过检波电路将交流电压变换为峰值、平均值或有效值的直流电压，再对直流电压进行测量。（2）模拟运算集成电路直接根据有效值的定义式，采用模拟运算的集成电路来实现，首先是由模拟乘法器实现平方运算，再是积分和开方运算，最后通过运算放大器的比例运算，得到有效值输出。（3)热电偶有效值检波,（4）采样-计算法直接采用高速A/D转换器，将被测交流电压波形以奈奎斯特采样频率实时采样，然后，对采样数据进行处理，根据定义计算出被测交流电压的有效值、
15、峰值和平均值。虚拟仪器采用本原理计算。,用Express VI中的Amplitude and Level MeasurementsVI,路径是Functions Signal Analysis或All Functions Analyze Waveform Measurements。,表3-5 Amplitude And Level Measurementsvi幅值特征值求取项目,现在看一个用Amplitude and Level Measurementsvi进行特征值求取的例子。用Express信号发生器产生一个仿真信号，其参数设置如图3-18所示。这是一个具有直流偏置和噪声干扰的正弦信号。,
16、图3-18仿真信号参数设置,图3-19 a）Express Amplitudevi前面板,用Amplitude And Level Measurements.vi检测其能够检测的所有幅值特征值的测试(Express Amplitudevi)，如图3-19。,图3-19 b）Express Amplitudevi后面板,仿真波形产生和幅值测量实验,1采用Express VI仿真信号发生器，产生规定的附有噪声的正弦信号，并显示波形。2设计一个简易的仿真多波形发生器，可产生频率、幅值和直流偏值可调的正弦、方波、三角波、锯齿波信号，还可叠加高斯噪声信号，并且采样率和采样点可选，显示波形。,3.设计1个交流电压表的仿真软件，测量周期信号的有效值、峰值、直流分量（均值）和平均值。（被测信号来源于LabVIEW仿真信号发生器。）,
