毕业设计（论文）-labview的虚拟函数信号发生器设计.doc

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1、宿迁学院毕业设计说明书 第 1 页 摘要摘要 基于专业虚拟仪器开发工具 Labview，设计了一虚拟函数信号发生器。该虚拟 函数信号发生器能够产生正弦波、三角波、方波、锯齿波等波形，频率动态范围较 宽且可微调。 LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言， 它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器 控制软件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及 数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 TCP/IP、ActiveX 等软件标

2、准的 库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器， 其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言，又称为“”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程 序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程 师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。它 可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系 统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提 高工作效率。 利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的位编译器。 像许多重要的

3、软件一样，LabVIEW 提供了 Windows、UNIX、Linux、Macintosh 的 多种版本。 虚拟仪器的主要特点有： 1.尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 2.可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪 器。 3.用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器 关键词：labview 示波器 函数发生器 宿迁学院毕业设计说明书 第 2 页 目录目录 一设计要求与任务一设计要求与任务5 1.1.选题的性质与目的5 1.2 具体要求与任务5 二虚拟仪器概述二虚拟仪器概述5 2.1.虚拟仪器的概念5 2.2 虚拟仪器的构成.6 2.3 虚拟仪器的优

4、点.8 2.4 虚拟仪器的现状10 2.5 虚拟仪器的发展趋势.11 三三. 信号处理与分析信号处理与分析.12 3.1 概述.12 3.2 数字信号处理数字信号处理.15 3.2.1 FFT 变换15 3.2.2 窗函数.15 3.3 谐波失真与频谱分析.16 3.3.1 数字滤波.17 3.3.2 IIR 和 FIR 滤波器 19 3.3.3 曲线拟合.20 四四 虚拟示波器的原理虚拟示波器的原理21 4.1 低频信号发生器及其应用21 4.2 低频信号发生器的工作原理22 五信号发生器的五信号发生器的 VI 设计设计.22 5.1 信号发生器的前面板22 5.2 信号发生器的程序框图23

5、 5.3 信号发生器实验23 六六 虚拟示波器的原理虚拟示波器的原理25 6.1 示波器波形显示原理26 6.2 通用示波器的组成部分.26 6.3 数字示波器的基本原理.31 6.3.1 数字示波器基本原理.31 6.3.2 数字示波器基本方框图32 宿迁学院毕业设计说明书 第 3 页 6.4 虚拟示波器的工作原理.33 七虚拟滤波器的七虚拟滤波器的 VI 设计设计.35 7.1 虚拟滤波器的前面板35 7.2 虚拟示波器的程序框图36 7.3 示波器实验36 八小结八小结40 九九.参考文献：参考文献：.41 十致谢十致谢42 前前 言言 虚拟仪器（virtual instrumentio

6、n）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切 宿迁学院毕业设计说明书 第 4 页 结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计 算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大 以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统 的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托， 实现各种仪器功能 LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言， 它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器 控制

7、软件。 利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的位编译 器。像许多重要的软件一样，LabVIEW 提供了 Windows、UNIX、 Linux、Macintosh 的多种版本。 宿迁学院毕业设计说明书 第 5 页 一设计要求与任务 1.1.选题的性质与目的选题的性质与目的 用 Lab view 构建一个虚拟试验系统仿真函数发生器和虚拟双踪示波器。 从现实的意义上来说，在高等工程教育中采用虚拟实验室，可以从根本上解决 实验与实习经费严重短缺问题。作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿 真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的 知识点

8、，将课程内容具体化。 同时，利用虚拟仪器技术实现对仪器设备的远程与分布式控制。一方面继承实 物实验可操作性和参与性强的优点，另一方面又可利用计算机优势，发挥其直观、 动态模拟、迅速准确、资源共享、资金投入少等特点，从而建立一种新型的实验教 学方式，进一步提高教学效率。 1.2 具体要求与具体要求与任务任务 学习 labview 的软件的基本功能及适用。 制作简单的 vi，熟悉 labview 的使用。 复习相关知识，信号发生器、滤波器原理。 设计仿真程序 信号发生器的前面板、框图程序 虚拟示波器的前面板、框图程序。 二虚拟仪器概述 2.1.虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念 虚拟仪器是指通过应用程序

9、将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来， 用户可以通过友好的图形界面（通常叫做虚拟前面板，简称前面板）来操作这台计 算机就像在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的 采集、分析、判断、显示、数字存储等。虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据 的分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源（如微处理器、显示器等） 和仪器硬件（如 A/D、D/A、数字 I/O、定时器、信号调理等）的测试能力和控制能 宿迁学院毕业设计说明书 第 6 页 力结合起来。虚拟一起突破了传统仪器以硬件为主体的模式，实际上使用者是在操 作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器

10、。 虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功 能。软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不 同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用 要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器的数据的分析、处 理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以 用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工 业过程自动化。虚拟仪器还可以广泛用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、 声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。 2.2 虚拟仪器的构成虚拟仪器的构成 虚

11、拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成分 式上讲则由以 DAQ 板和信号调理为仪器硬件而组成的 PC-DAQ 测试系统，或已 GPIB，VXI，Serial 和 Field bus 等标准总线仪器为硬件组成的 GPIB 系统、VXI 系 统、串口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图 1.1 所示。 目前，虚拟仪器的构成方式有以下几种： （1）PC-DAQ 插卡式的 VI 这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采 集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，其 关键在于 A/D 转换技术。这种方式受 PC

12、 机机箱、总线限制，存在电源功率不足， 机箱内噪声电平较高、无屏障，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。随着基于 PC 的 工业控制计算机技术的发展，PC-DAQ 方式存在的缺点已经和正在被克服。因个人计 算机数目非常庞大，插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适用于工业测控 现场、各种实验室和教学部门使用。 （2）并行口式的 VI 最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或 探头上，软件装在计算机上，可以完成各种 VI 功能。它的最大好处是可以与笔记 本计算机相连，方便野外作业，又可与台式 PC 相连，实现台式和便携式两用，非 宿迁学院毕业设计说明书 第 7 页 常方便

13、。 （3）GPIB 总线方式的 VI GPIB（General Purpose Interface Bus）技术是 IEEE488 标准的 VI 早期的发 展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台的手工操作向大规模自动测试系统发展。 典型的 GPIB 系统由一台 PC 机，一块 GPIB 接口卡和若干台 GPIB 仪器通过 GPIB 电 缆连接而成。在标准情况下，一块 GPIB 接口卡可带多达 14 台的仪器，电缆长度可 达 20m。 GPIB 技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式， 很方便的把多台机器组合起来，形成大的自动测试系统。GPIB 测试系统的结构和命 令简单

14、，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机 速率要求和总线控制实时性要求不高的场合应用。 （4）VXI 总线方式的 VI VXI 总线是 VMEbus eXtension for Instrumentation 的缩写，是高速计算机总 线 VME 在 VI 领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的 RFI/EMI 屏 蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模 块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，得到广泛的应用。经过多年的发展， VXI 系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，适用于组建大、 中规模自动测量系统以及

15、对速度、精度要求高的场合，但 VXI 系统要求有专用的机 箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 （5）PXI 总线形式的 VI PXI 总线是 PCI eXtension for Instrumentation 的缩写，是 PCI 在 VI 领域 的扩展。这种新型模块化仪器系统是在 PCI 总线内核技术上增加了成熟的技术规范 和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的 局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。 （6）网络接口方式的 VI 尽管 Internet 技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起， 不过 NI 等公司已经

16、开发了通过 Web 浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人 们可以通过 Internet 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便的将虚 宿迁学院毕业设计说明书 第 8 页 拟仪器组成计算机网络。利用计算机网络将分散在不同地理位置不同功能的设备联 系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现 在，有关 MCN（Measurement and Control Networks ）方面的标准正在积极进行， 并取得一定的进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。 （7）USB 接口方式的 VI Universal Serial Bus（USB）因为其在

17、PC 机上的广泛使用、即插即用的易用 性和 USB2.0 高达 480Mbits/s 的传输速率，逐渐的成为仪器控制的主流总线技术。 现在计算机上的 USB 接口越来越多，也使得工程师可以很方便的将基于 USB 的测量 仪器连接到整个系统中。但是 USB 在仪器控制方面上亦有一些缺点。比如说 USB 的 排线没有工业标准的规格，在恶劣的环境下，可能造成数据的丢失，此外，USB 对 排线的距离也有一定的限制。 无论哪种 VI 系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑，台式微机和工作站等 各种计算机平台加上应用软件而构成的。 显示器 信号分析及处理器入机接口各类接口 A/D 转 换器 数据 发生器 信

18、号 调理器 信号 调理器 输入 信号 D/A 转 换器 信号 调理器 信号 输出 图 2-1 虚拟仪器的结构 2.3 虚拟仪器的优点虚拟仪器的优点 一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能，而且在许多方 宿迁学院毕业设计说明书 第 9 页 面有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可一机多 用、可重复开发等。与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下几个优点： （1）融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存 储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。而且高性能处理器、高分辨率显示 器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。 （2）利用计算机丰富的

19、软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件话， 节省了物质资源，增加了系统的灵活性；一方面，通过软件技术和相应的数值算法、 实时、直接的对测量数据进行各种分析和处理；另一方面，通过图形用户界面 （Graph User Interface）技术，真正做到界面友好，人机交互。 （3）基于计算机总线和模块化仪器总线，使仪器的硬件实现了模块化、系列 化，大大缩小了系统的尺寸，可方便的构建模块化仪器（Instrument on a Card） 。 （4）基于计算机网络技术和接口技术，使 VI 系统具有方便、灵活的互联能力， 广泛支持诸如 CAN，Field Bus，PROFIBUS 等各种工业总线标准。

20、因此，利用 VI 技 术可方便的构建自动测试系统（ATS，Automatic Test System） ，实现测量、控制 过程的网络化。 （5）基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、 模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要选择不同厂 家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建和维修的时间。 下表是虚拟仪器与传统仪器的比较。 表 1-1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭性、仪器间相互配合较差 关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载 升级程序即可。 关键是硬件，升级成本较高

21、，且升级必须上门 服务。 价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法相互利用 用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能 可以与网络及周边设备方便互连与其他设备仪器的连接十分有限 宿迁学院毕业设计说明书 第 10 页 软件使得开发和维护费用降至最低开发和维护开销高 技术更新周期短（1-2 年）技术更新周期长（5-10 年） 数据可编辑、存储、打印数据无法编辑 2.4 虚拟仪器的现状虚拟仪器的现状 虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司（NI 公司）为代表的 一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。近年来， 世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟

22、仪器开发平台软件，以便使用者利用这些 公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早 和最具有影响力的开发软件，是 NI 公司的 LABVIEW 软件和 Lab windows/CVI 开发 软件。LABVIEW 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。Lab windows/CVI 是为熟悉 C 语言的开发人员准备的、在 windows 环境下的标准 ANSI C 开发环境， 除了上述优秀的开发软件之外，美国 HP 公司的 HP-VEE 和 HPTIG 平台软件，美国 Tektronix 公司的 Ez-Test 和 Tek-TNS 软件，以及美国的 HEM Dat

23、a 公司的 Snap- Master 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。当今虚拟仪器的 系统开发采用的总线包括传统的 RS232 串行总线、GPIB 通用接口总线、VXI 总线， 以及已经被 PC 机广泛采用的 USB 串行总线和 IEEE1394 总线（即 Fire wire，也叫 做火线） 。世界各国的公司，特别是美国 NI 公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种 总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件（插件） ，可以灵活的组建不 同复杂程度的虚拟仪器自动检测系统。虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适 应各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种

24、仪器专用 的总线系统。美国 NI 公司在 1997 年 9 月 1 日推出模块化仪器的主流平台 PXI，这 是与 Compact PCI 完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台 PXI/Compact PCI 的传输速度已经达到 100Mb/s。是目前已经发布的最高传输速度。虚拟仪器的 开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模块及其变换方 面也做了很多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库 （例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数据滤波器、卷积处理和相关函 数处理、微积分、峰值和阈值检测、波形发生噪声发生、回归分析、数值运算、时 域和频域分析

25、等） ，使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动检测系统的仪器系 宿迁学院毕业设计说明书 第 11 页 统。 在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，上海复旦大学、上海交通 大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。近一、两年来这些学校在 原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中理工 大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。四川联合大学的教师 基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将 8 台仪器集成于 一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学利用虚拟仪器技术构建的汽 车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。主要

26、检测发动机的功率特性、负 荷特性等。一台发动机检测完后，就可打印出完整的检测报告。此外，国内已有几 家企业在研制 PC 虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一，它的 产品已达到一定的批量。其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频 率计系列、多通道大容量波形记录系列。国内专家预测：未来几年内，我国将有 50%的仪器为虚拟仪器。国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状 况进行实时监测。 2.5 虚拟仪器的发展趋势虚拟仪器的发展趋势 虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术在传统领域的各类仪器。虚 拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性和经济性，因而

27、特别适 应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高跟新的测量课题和测 量需要。 “没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进。 ”虚拟仪器将会在科学技术 的各个领域得到广泛的应用。 图形化编程平台的进一步发展和完善是虚拟仪器发展的一个重要方向。如何使 用户进行少量的学习甚至不需要学习就可使用功能强大的虚拟仪器，如何使用构成 简单的虚拟仪器系统并完成复杂的测试内容，如何帮助用户对测试结果进行分析和 判断等内容，是虚拟仪器技术努力的方向。我国还基本处于传统仪器与计算机化仪 器互相分离的状态，世界各大相关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结 合我国的实际情况，我们必须走引进与自行开发相

28、结合的道路。一方面，大力引进 国外虚拟仪器方面的生产技术；另一方面，发展基于计算机的插卡式硬件模块为主 的测控技术，发展图形化平台的软件产品，充分利用我们现有的计算机及测控技术 宿迁学院毕业设计说明书 第 12 页 硬件，缩短与国际先进水平的差距。 VXI 总线将成为未来虚拟仪器的理想硬件平台，这是由 VXI 总线的性能决定的； 另一方面，基于 PCI-DAQ 的虚拟仪器系统由于性价比高、灵活性好而受到大多数用 户的青睐，将得到高速的发展。随着计算机硬件、软件技术的迅速发展，虚拟仪器 将向高性能、多功能、集成化、网络化方向发展。 三. 信号处理与分析 3.1 概述概述 数字信号在我们周围无所不

29、在。因为数字信号具有高保真、低噪声和便于信号 处理的优点，所以得到了广泛的应用，例如电话公司使用数字信号传输语音，广播、 电视和高保真音响系统也都在逐渐数字化。太空中的卫星将测得数据以数字信号的 形式发送到地面接收站。对遥远星球和外部空间拍摄的照片也是采用数字方法处理， 去除干扰，获得有用的信息。经济数据、人口普查结果、股票市场价格都可以采用 数字信号的形式获得。因为数字信号处理具有这么多优点，在用计算机对模拟信号 进行处理之前也常把它们先转换成数字信号。本章将介绍数字信号处理的基本知识， 并介绍由上百个数字信号处理和分析的 VI 构成的 LabVIEW 分析软件库。 目前，对于实时分析系统，

30、高速浮点运算和数字信号处理已经变得越来越重要。 这些系统被广泛应用到生物医学数据处理、语音识别、数字音频和图像处理等各种 领域。数据分析的重要性在于，无法从刚刚采集的数据立刻得到有用的信息，如下 图所示。必须消除噪音干扰、纠正设备故障而破坏的数据，或者补偿环境影响，如 温度和湿度等。 宿迁学院毕业设计说明书 第 13 页 通过分析和处理数字信号，可以从噪声中分离出有用的信息，并用比原始数据 更全面的表格显示这些信息。下图显示的是经过处理的数据曲线。 用于测量的虚拟仪器(VI) 用于测量的虚拟仪器(VI)执行的典型的测量任务有： 计算信号中存在的总的谐波失真。 决定系统的脉冲响应或传递函数。 估

31、计系统的动态响应参数，例如上升时间、超调量等等。 计算信号的幅频特性和相频特性。 估计信号中含有的交流成分和直流成分。 在过去，这些计算工作需要通过特定的实验工作台来进行，而用于测量的虚拟 仪器可以使这些测量工作通过 LabVIEW 程序语言在台式机上进行。这些用于测量的 虚拟仪器是建立在数据采集和数字信号处理的基础之上，有如下的特性： 宿迁学院毕业设计说明书 第 14 页 输入的时域信号被假定为实数值。 输出数据中包含大小、相位，并且用合适的单位进行了刻度，可用来直接进行 图形的绘制。 计算出来的频谱是单边的，范围从直流分量到 Nyquist 频率(二分之一取样频 率)。 （即没有负频率出现

32、） 需要时可以使用窗函数，窗是经过刻度地，因此每个窗提供相同的频谱幅度峰 值，可以精确地限制信号的幅值。 一般情况下，可以将数据采集 VI 的输出直接连接到测量 VI 的输入端。测量 VI 的输出又可以连接到绘图 VI 以得到可视的显示。 有些测量 VI 用来进行时域到频域的转换，例如计算幅频特性和相频特性、 功率谱、网路的传递函数等等。另一些测量 VI 可以刻度时域窗和对功率和频率进 行估算 其中共有 6 个分析 VI 库。其中包括： 信号发生：用于产生数字特性曲线和波形。 时域分析：用于进行频域转换、频域分析等。 频域分析 测量函数：用于执行各种测量功能，例如单边 FFT、频谱、比例加窗以

33、 及泄漏频谱、能量的估算。 数字滤波器：用于执行 IIR、FIR 和非线性滤波功能。 窗函数：用于对数据加窗。 信号的产生 本节将介绍怎样产生标准频率的信号，以及怎样创建模拟函数发生器。 使用分析库中的信号发生 VI 产生各种类型的信号。信号产生的应用主要有： 当无法获得实际信号时， （例如没有 DAQ 板卡来获得实际信号或者受限制无法 访问实际信号） ，信号发生功能可以产生模拟信号测试程序。 产生用于 D/A 转换的信号 标准频率 在模拟状态下，信号频率用 Hz 或者每秒周期数为单位。但是在数字系统中， 宿迁学院毕业设计说明书 第 15 页 通常使用数字频率，它是模拟频率和采样频率的比值，表

34、达式如下： 数字频率模拟频率/采样频率 这种数字频率被称为标准频率，单位是周期数/采样点。 有些信号发生 VI 使用输入频率控制量 f，它的单位和标准频率的单位相同：周 期数/每个采样点，范围从 0 到 1，对应实际频率中的 0 到采样频率 fs 的全部频率。 它还以 1.0 为周期，从而令标准频率中的 1.1 与 0.1 相等。例如某个信号的采样频 率是奈奎斯特频率（fs/2） ，就表示每半个周期采样一次（也就是每个周期采样两 次） 。与之对应的标准频率是 1/2 周期数/采样点，也就是 0.5 周期数/采样点。标 准频率的倒数 1/f 表示一个周期内采样的次数。 如果你所使用的 VI 需要

35、以标准频率作为输入，就必须把频率单位转换为标准 单位：周期数/采样点。 3.2 数字信号处理 3.2.1 FFT 变换变换 信号的时域显示（采样点的幅值）可以通过离散傅立叶变换（DFT）的方法转 换为频域显示。为了快速计算 DFT，通常采用一种快速傅立叶变换(FFT)的方法。当 信号的采样点数是 2 的幂时，就可以采用这种方法。 FFT 的输出都是双边的，它同时显示了正负频率的信息。通过只使用一半 FFT 输出采样点转换成单边 FFT。FFT 的采样点之间的频率间隔是 fs/N，这里 fs 是采样 频率。 Analyze 库中有两个可以进行 FFT 的 VI，分别是 Real FFT VI 和

36、 Complex FFT VI。 这两个 VI 之间的区别在于，前者用于计算实数信号的 FFT，而后者用于计算复 数信号的 FFT。它们的输出都是复数。 大多数实际采集的信号都是实数，因此对于多数应用都使用 Real FFT VI 。当 然也可以通过设置信号的虚部为 0，使用 Complex FFT VI 。使用 Complex FFT VI 的一个实例是信号含有实部和虚部。这种信号通常出现在数据通信中，因为这时需 要用复指数调制波形。 宿迁学院毕业设计说明书 第 16 页 计算每个 FFT 显示的频率分量的能量的方法是对频率分量的幅值平方。高级分 析库中 Power Spectrum VI

37、可以自动计算能量频谱。Power Spectrum VI 的输出单 位是 Vrms2 。但是能量频谱不能提供任何相位信息。 FFT 和能量频谱可以用于测量静止或者动态信号的频率信息。FFT 提供了信号 在整个采样期间的平均频率信息。因此，FFT 主要用于固定信号的分析（即信号在 采样期间的频率变化不大）或者只需要求取每个频率分量的平均能量。 3.2.2 窗函数窗函数 计算机只能处理有限长度的信号，原信号 x(t)要以 T(采样时间或采样长度)截 断，即有限化。有限化也称为加“矩形窗”或“不加窗” 。矩形窗将信号突然截断， 这在频域造成很宽的附加频率成分，这些附加频率成分在原信号 x(t)中其实

38、是不存 在的。一般将这一问题称为有限化带来的泄露问题。泄露使得原来集中在 f0 上的 能量分散到全部频率轴上。泄露带来许多问题：如使频率曲线产生许多“皱纹” （Ripple） ，较大的皱纹可能与小的共振峰值混淆；如信号为两幅值一大一小频 率很接近的正弦波合成，幅值较小的一个信号可能被淹没。f0 附近曲线过于平缓， 无法准确确定 f0 的值。 为了减少泄露，人们尝试用过渡较为缓慢的、非矩形的窗口函数。常用的窗函 数如下表所示。 窗 定 义 应 用 矩形窗（无窗） Wn=1.0 区分频域和振幅接近的信号 瞬时信号宽度小于窗 指数形窗Wn=expn*lnf/N-1 f=终值 瞬时信号宽度大于窗 海宁

39、窗 Wn=0.5cos(2n/N) 瞬时信号宽度大于窗普通目 的的应用 海明窗 Wn=0.54-0.46cos(2n/N) 声音处理 平顶窗Wn=0.2810639- 0.5208972cos(2n/N) +0.1980399cos(2n/N) 分析无精确参照物且要求精 确测量的信号 Kaiser-Bessel 窗 Wn=I() 区分频率接近而形状不同的 信号 宿迁学院毕业设计说明书 第 17 页 三角形窗Wn=1-（2n-N）/N无特殊应用 在实际应用中如何选择窗函数一般说来是要仔细分析信号的特征以及最终你希 望达到的目的，并经反复调试。窗函数有利有弊，使用不当还会带来坏处。使用窗 函数的原

40、因很多，例如： 规定测量的持续时间。 减少频谱泄漏。 从频率接近的信号中分离出幅值不同的信号。 3.3 谐波失真与频谱分析谐波失真与频谱分析 当一个含有单一频率(比如 f1)的信号 x(t)通过一个非线性系统时，系统的输 出不仅包含输入信号的频率（f1） ，而且包含谐波分量（f2=2f1,f3=3f1,f4=4f1 等 等） ，谐波的数量以及它们对应的幅值大小取决于系统的非线性程度。电网中的谐 波是一个值得关注的问题。 下面的一个非线性系统的例子是输出 y(t)是输入 x(t)的立方。假如输入信号： )cos()(wttx (3-1) 则输出： )3cos()cos(25 . 0 )cos(5

41、 . 0)( 3 wtwtwttx 因此，输出不仅含有基波频率 w，而且还有三次谐波的频率 3w。 谐波失真的总量 为了决定一个系统引入非线性失真的大小，需要得到系统引入的谐波分量的幅 值和基波的幅值的关系。谐波失真是谐波分量的幅值和基波幅值的相对量。假如基 波的幅值是 A1，而二次谐波的幅值是 A2，三次谐波的幅值是 A3，四次谐波的幅值 是 A4。 。 。 。 。 。N 次谐波的幅值是 AN，总的谐波失真（THD）为： 宿迁学院毕业设计说明书 第 18 页 1 22 3 2 2 . A AAA N THD 用百分数表示的谐波失真（%THD）为： 3.3.1 数字滤波数字滤波 模拟滤波器设计

42、是电子设计中最重要的部分之一。尽管很多参考书都提供了简 单可靠的模拟滤波器示例，但是滤波器的设计通常还是需要专家来完成，因为这项 工作需要较高深的数学知识和对系统与滤波器之间的关系有深入的了解。 现代的数字采样和信号处理技术已经可以取代模拟滤波器，尤其在一些需要灵 活性和编程能力的领域中，例如音频、通讯、地球物理和医疗监控技术。 与模拟滤波器相比，数字滤波器具有下列优点： 可以用软件编程 稳定性高，可预测 不会因温度、湿度的影响产生误差，不需要精度组件 很高的性能价格比 在 LabVIEW 中可以用数字滤波器控制滤波器顺序、截止频率、脉冲个数和阻带 衰减等参数。 本节所涉及到的数字滤波器都符合

43、虚拟仪器的使用方法。它们可以处理所有的 设计问题、计算、内存管理，并在内部执行实际的数字滤波功能。这样您无需成为 一个数字滤波器或者数字滤波的专家就可以对数据进行处理。 采样理论指出，只要采样频率是信号最高频率的两倍以上就可以根据离散的、 等分的样本还原一个时域连续的信号。假设对信号以t 为时间间隔进行采样，并 且不丢失任何信息，参数 t 是采样间隔。 可以根据采样间隔计算出采样频率 根据上面的公式和采样理论可以知道，信号系统的最高频率可以表示为： 宿迁学院毕业设计说明书 第 19 页 系统所能处理的最高频率是恩奎斯特频率。这同样适用于数字滤波器。例如， 如果采样间隔是 0.001 秒，那么采

44、样频率是 系统所能处理的最高频率是 下面几种滤波操作都基于滤波器设计技术： 平滑窗口 无限冲激响应（IIR）或者递归数字滤波器 有限冲激响应（FIR）或者非递归数字滤波器 非线性滤波器 很多情况下通带的增益在均值附近稍微发生变化是容许的。通带的这种变化被 称为通带波动（passband ripple） ，也就是实际增益与理想增益之间的差值。在实 际使用中阻带衰减（stopband attenuation）也不可能无限接近 0，您必须指定一 个符合需要的衰减值。通带波动和阻带衰减都使用分贝或者 dB 为单位，定义是： 其中 log10 表示基值 10 的对数，而 Ai(f) and A0(f)

45、分别是频率在滤波前后 的幅值。例如，对于0.02 dB 的通带波动，表达式是： 这表明输入输出的幅值非常接近。 如果阻带衰减为60 dB ，那么可以得到： 这表明输出幅值是输入幅值的 1/1000。 宿迁学院毕业设计说明书 第 20 页 衰减值通常用不带负号的分贝为单位，但是默认为负值。 3.3.2 IIR 和和 FIR 滤波器滤波器 另外一种滤波器分类方法是根据它们的冲激响应的类型。滤波器对于输入的冲 激信号（x0 = 1 且对于所有 I.工业 控制计算机,2005 年 18 卷第 2 期,60 页 10. 朱晓华,等.用 ActiveX 控件构造虚拟仪器J.计算机应用,1998 年 12

46、月第 18 卷 第 12 期,21 页 11. 李刚,林菱.LabVIEW易学易用的计算机图形化编程语言M.北京:北京航空航 天大学出版社,2001 12.焦志涛 基于 CH371 的 USB 接口虚拟示波器设计 21IC 中国电子网 13.杨乐平，李海涛 虚拟仪器技术概论（第 1 版） 。 14.NI 公司 labview7 图形化开发软件和户用手册。NI 公司 15.杨乐平，李海涛，赵勇 LabVIEW 高级程序设计。北京 清华大学出版社 20 宿迁学院毕业设计说明书 第 43 页 十致谢 本设计及学位论文是在我的指导老师孙延永老师的亲切关怀和悉心指导下完成 的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激 励着我。从课题的选择到项目的最终完成，孙老师都始终给予我细心的指导和不懈 的支持。在此谨向过老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 然后还要感谢大学三年来所有的老师，为我打下专业知识的基础；同时还要感 谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。 毕业设计对毕业以后走上工作道路有很大的帮助。其内在的本质就是：对待任何事， 要有端正的态度，明确的目的，丰富的知识，亲自动手的能力，我们就能做好它。 鉴于本人的水平有限，难免存在疏漏之处，望各位老师不吝赐教，在此向大家 表示衷心的感谢。