毕业论文 毕业设计：虚拟仪器及LabVIEW介绍

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1、1 虚拟仪器及 LabVIEW 介绍1.1 虚拟仪器概述测量仪器发展至今，大体经历了四代历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、 数字化仪器和智能仪器。由于微电子技术、计算机技术、通信技术、网络技术的高度发展及其在电子 测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新 的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破了传统仪器的概念，电子测量仪器的 功能和作用已经发生了质的变化，其中计算机处于核心地位，计算机软件技术和 测试系统更紧密地结合成一个有机整体，导致仪器的结构、概念和设计观点等也 发生了突破性的变化。在这种背景下，美国国家仪器公司(National Instruments) 在

2、20世纪80年代最早提出虚拟仪器(Virtual Instrument)的概念，同时推出了 用于虚拟仪器开发的工程软件包LabVIEW。NI公司宣称“The Software is the Instrument”，即“软件就是仪器”。在这里，计算机是虚拟仪器的核心设备，该 仪器的功能是通过软件仿真实现的。它将传统仪器由硬件电路实现的数据分析处 理与显示功能，改由功能强大的计算机来执行，所以计算机是其核心；当计算机 与适当的I/O接口设备配置完毕，虚拟仪器的硬件平台就被确定，此后软件就成 为仪器的关键部分，这也是“软件就是仪器”之说的来由。这意味着只要按照测 量原理，采用适当的信号分析技术与处理

3、技术，编制某种测量功能的软件就可构 成该种功能的测量仪器。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和 潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响，同时对改善 高校实验教学仪器设备，提高教学质量也是一个福音。1.2labview 简介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。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“G”

4、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。像许多重要的软件一样，LabVIEW 提供了 Windows、UNIX、Linux、Macintosh 的多种版本。1.3 虚拟仪器技术1.3.1 虚拟仪器的定义虚拟仪器（Virtual Instrument）是基于计算机的仪器。在计算机和仪器的密

5、 切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，这类仪器的功能也越来越强大，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。虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器是基 于通用计算机的测试、测量和控制系统，由于能充分利用计算机的软硬件资源， 因此虚拟仪器具有功能强大、结构灵活和性价比高等特点，可在很大范围内替代 传统仪器。虚拟仪器通常具有一个或多个友好的虚拟面板（人机界面），用户可 通过虚拟面板很方便地进

6、行操作。用户可对虚拟仪器的功能和用途进行定义、组 合和扩展，从而更快、更省和更方便的解决测试、测量和自动化的应用问题。面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。图1-1常见虚拟仪器应用方案虚拟仪器由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分组成。1.3.2 虚拟仪器硬件平台(1) 计算机它一般为一台PC机或者工作站，它是硬件平台的核心。虚拟仪器使用的个 人计算机中，微处理器和总线成为最重要的因素。其中，微处理器的发展是最迅速的，它使虚拟仪器的能力得到极大地提高。 80 年代末制造的虚拟仪器频率分析仪完成一个 1024 点的快速傅立叶变换需要 1 秒钟的时间；今天的系统可以在 1 毫秒内完成同样

7、的运算，速度提高了一千倍。 这意味着，如果以前人们是用虚拟仪器来做快速傅立叶变换观察信号，那么今天 可以利用它进行高速的实时运算，并将之应用于过程控制和其它控制系统中。总线技术的发展也为提高虚拟仪器的处理能力提供了必要的支持。 PCI 总线 性能比 ISA 总线提高了近十倍，使得微处理器能够更快地访问数据。使用 ISA 总线时，插在电脑中的数据采集板的采集速度最高为2MBps；使用PCI总线时， 最高采集速度可提高到132MBps。由于总线速度的大大提高，现在可以同时使 用数块数据采集板，甚至图象数据采集也可以和数据采集结合在一起。(2) I/O接口设备I/O 接口设备主要完成被测输入信号的采

8、集、放大、摸/数转换。不同的总线 有其相应的 I/O 接口硬件设备，如利用 PC 机总线的数据采集卡/板(简称为数采 卡/板，DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口总线仪器等。虚拟仪 器的构成方式主要有 5 种类型，如图 1-2 所示。I/O 接口设备PCDAQ系统PCDAQ 系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用计算机本身的 ISA 总线，将数采卡/板(DAQ)插入计算机的空槽中即可。GPIB系统GPIB 系统是以 GPIB 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。VXI系统VXI 系统是以 VXI 标准总

9、线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟 仪器测试系统。PXI系统PXI系统是以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪 器测试系统。串口系统串口系统是以Serial标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟 仪器测试系统。无论上述哪种VI系统，都通过应用软件将仪器硬件与计算机相结合。考虑到PCDAQ插卡式虚拟仪器在五种虚拟仪器系统中，是虚拟仪器最基 本最廉价的构成形式。在经费不足或时间不充裕的情况下经常被采用，下面就对 这种虚拟仪器系统做简单的介绍。它的硬件平台主要有PC计算机和数据采集卡（DAQ卡）组成。数据采集卡（DAQ卡）由以下几个部分组成：1. 多路开关。将各

10、路信号轮流切换的放大器的输入端，实现多参数多路信 号的分时采集。2. 放大器。将前一级多路开关切换进入待采集信号放大（或衰减）至采样 环节的量程范围内。通常实际系统中放大器作成增益可调的放大器，设计者可根 据输入信号不同的幅值选择不同的增益倍数。3. 采样保持器。取出待测信号在某一瞬时的值（即实现信号的时间离散化）， 并在 A/D 转换过程中保持信号不变，如果被测信号变化很缓慢，也可以不用采 样/保持器。4. A/D 转换器。将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量 化。随着电子技术的发展，目前通常将采样/保持器同A/D转换器集成在一块芯 片上。以上四个部分都处在计算机的前向通道，是

11、组成数据采集卡的主要环节，与 其它有关电路如定时/计数器、总线接口电路等集成在一块印刷电路板上，即构 成数据采集卡（DAQ卡），完成对信号数据的采集、放大及模/数转换任务。PC-DAQ插卡式虚拟仪器系统充分利用了 PC计算机的机箱、总线、电源及 软件资源，但是因而也受到PC计算机机箱环境和计算机总线的限制，存在诸多 的不足，如电源功率不足、散热条件差等。1.3.3 虚拟仪器的软件开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有如下 两类。 文本式编程语言：如C ,Visual C + + , Visual Basic等 图形化编程语言：如LabVIEW,HPVEE等这些软件开发工

12、具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条 件与良好的开发环境。本文中，虚拟仪器设计所涉及的是LabVIEW虚拟仪器编 程语言。虚拟仪器软件由两部分构成，即应用软件和I/O接口仪器驱动程序。虚拟仪器的应用程序包含两方面功能的程序： 实现虚拟面板功能的前面板软件程序。 定义测试功能的流程图软件程序。I/O 接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动 和通信。大部分虚拟仪器开发环境均提供一定程度的I/O设备支持。许多I/O驱动程 序已经集成在开发环境中。以LabVIEW为例，他能够支持串行接口、GPIB及 VXI等标准总线和多种数据采集板，LabVIEW还可以驱动许多仪

13、器公司的仪器， 如 Hewlett-Packard， Philips， Tektronix， B&K,Fluke 等。同时， LabVIEW 还可调 用 Windows 动态连接库和用户自定义的动态连接库中的函数，以解决对某些非 NI公司支持的标准硬件在使用过程中的驱动问题。1.4 虚拟仪器的特点及优势1.4.1 虚拟仪器的特点虚拟仪器的起源可以追朔到 20 世纪70 年代，那时计算机测控系统在国防、 航天等领域已经有了相当的发展。 PC 机出现以后，仪器级的计算机化成为可能， 甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上 推出了 LabVIE

14、W2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的 研究开发使得该公司成为业界公认的权威。虚拟仪器的主要特点有：尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。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。 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 多种技术的集成, 包括硬件技术和软件技术; 微电子技术、测量技术、 计算机技术和网络技术。 利用上述多个领域最新技术不断地进步。 多种用途仪器设备的集合。 开发周期短、成本低、应用领域广和性能价格比高。1.4.2 虚拟仪器的优势虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活， 很容易构

15、建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件 软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、 逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软 件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉 搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传 统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。1.5 LabVIEW开发平台介绍1.5.1 LabVIEW应用程序的构成所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(NI),它包括前面板(front panel)、流程图(block diagr

16、am)以及图标/连接器(icon/connector)三部分。1. 前面板前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输 入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制(control) 和显示对象(indicator)。图1-3所示是一个随机信号发生和显示的简单VI的前 面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。还有 一个控制对象开关，可以启动和停止工作。显然，并非简单地画两个控件就 可以运行，在前面板后还有一个与之配套的流程图。图 1-3 随机信号发生器的前面板2. 流程图流程图也称为后面板，提供VI的图形化源程序。在流程图对VI编

17、程，以控 制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件和连 线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线 等。图14是与图13对应的流程图。我们可以看到流程图中包括了前面板 上的开关和随机数显示器的连线端子，还有一个随机数发生器的函数及程序的循 环结构。随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续 工作下去，设置了一个While Loop循环，由开关控制这一循环的结束。1 hl. vi Di agram *|n|x|FileE di LIpeitnA e P r o j e c t jV l tl d ow e Hn=lpiws

18、n胡逼| |穆| IjJ |虫| |*J啟Application Font T | ；与前面板控件对应的 连线端子循环U l_tH图14随机信号发生器的流程图3. 图标/连接器VI 具有层次化和结构化的特征。一个 VI 可以作为子程序，这里称为子 VI (SubVI),被其他VI调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。1.5.2 LabVIEW的操作模板在LabVIEW的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括工具(Tools) 模板、控制(Controls)模板和函数(Functions)模板。这些模板集中反映了该 软件的功能与特征。1. 工具模板( Tools Palette) 该

19、模板提供了各种用于创建、修改和调试 VI 程序的工具，如图 1-3 所示。如果该模板没有出现，则可以在 Windows 菜单下选择 Show Tools Palette 命令以显示当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从Windows 菜单下选择了 Show Help Window 功能后，把工具模板内选定的任一种 工具光标放在流程图程序的子程序(Sub VI)或图标上，就会显示相应的帮助信 息。2.控制模板(Controls Palette) 该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个标 代表一类子模板。團凶令1.3. Dl=：zn.xiM-

20、jk2g path1耐|叩于1蘇1直寸AlZTiiJt H)口LWZ口口E章图 1-6 LabVIEW 的控制模板如果控制模板不显示，可以用Windows菜单的Show Controls Palette功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。3. 功能模板(Functions Palette)该模板是创建流程图程序的工具，模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。若功能模板不出现，则可以用 Windows 菜单下的 Show Functions Palette 功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板，功 能模板如图 1-7所示。FuTL-s

21、ti ons仓 I气IE目聞卜国1口 1+ladfi11to at异圍卜III.ill iL J jfllh导特*JIIIm卜CDrh曜卜 # 2fs。 此虚拟仪器发生器完全可以代替目前实验室广泛使用的传统的信号发生器。3.1.2 函数信号发生器前面板设计前面板由一个 Ring 控件、波形图控件、两个开关按钮控件和九个数值控制 器组成。分为控制区和显示区两部分。控制区完成对信号相关属性的输入控制, 通过改变控制区中各输入控件的类型或数值,可以实现输入频率、幅度、初始相 位、直流偏移各不相同的正弦波、方波、三角波、锯齿波四种常用函数波形 .其 中占空比只对方波起作用,无法通过其实现正弦波、三角波

22、和锯齿波的波形偏移图 3-1 函数信号发生器前面板3.1.3 虚拟信号发生器后面板设计LabVIEW 的 All functionAnalyzeSignal ProcessingWaveform Generation子模板下有丰富的仿真信号子VI,如基本函数信号发生器、正弦波序列发生器、 方波序列发生器等。我们只要把需要的子 VI 放入一个 While 结构即可构成典型 信号发生器系统。图 3-4 虚拟信号发生器后面板流程图3.1.4 调试和运行在运行之前,应先在前面板中对信号控件参数进行设置。这时请注意设置的参数要满足香农采样定理，即fc 2fs。只要合理的设置才会生成另人满意的信号 波形。

23、3.2 信号相位幅度差显示计设计3.2.1 实验原理和功能可以从视觉上在同一个波形图上观察两个同频正弦波的差别。两个正弦波信 号的幅值、相位都可由用户选择设定；信号的采样点数、采样周期数可由用户选 择。利用Labview中强大的运算功能和丰富的仿真信号子VI,我们很容易做到 这一点。3.2.2 信号相位幅度差显示计前面板设计前面板由一个波形图控件、两个数值显示控件和六个数值输入控件组成。数 值输入控件用来对波形的幅值、相位、采样点数参数进行设置。显示控件用来输 出数值的相位差和幅度。波形图控件用来显示生成的波形。图 3-5 信号相位幅度差显示计前面板3.2.3 信号相位幅度差显示计后面板设计执

24、行 ControlsAnalyzeSignal ProcessingWaveform Generation 操作，它 的子模板下有丰富的仿真信号子VI,如基本函数信号发生器、正弦波序列发生 器、方波序列发生器等。我们可以利用它们产生我们需要的信号。执行 ControlsArrayBuild Array 操作,放置一个图标,并增加一个输入 目的是将两个输入合称为一个二维数组。图 3-6 信号相位幅度差显示计后面板流程图3.2.4 调试和运行在运行之前，应先在前面板中对信号控件参数进行设置。大家可以尝试不同 的设置来生成不同的信号波形和显示结果。3.3 虚拟巴特沃斯滤波器设计3.3.1 实验原理和

25、功能3.3.1.1 实验原理在测试信号处理中,通常需要对噪音干扰进行抑制或衰减,但同时又希望测试 信号能正常通过,这时可选用一种对特定频率具有选择性的电路来达到上述目的, 这就是滤波的概念.滤波器是一种具有频率选择功能的装置 ,它使信号中特定的频率成分通过而 极大地衰减其他频率成分.在测试系统中,利用滤波器的这种筛选作用 ,可以滤除 噪声干扰或进行谱仪分析.巴特沃斯滤波器拥有最平滑的频率响应，在截止频率以外，频率响应单调下 降。在通带中是理想的单位响应，在阻带中响应为零。巴特沃斯滤波器的优点是 具有平滑的单调递减的频率响应。过渡带的陡峭程度正比于滤波器的阶数。巴特 沃斯低通滤波器是一种所谓最平

26、通带特性逼近理想低通特性的滤波器。其幅频特 性为：式中 是低通截止频率，n=l、2、3为滤波器的阶次。 c巴特沃斯滤波器的幅频特性有以下几个特点：1.当=0时，|H（）1取最大值，IH（O）I=1；2.当 o = 时，IH( )1=cco 称为低通滤波器的截止频率c3.n值越大，幅频特性曲线越接近理想特性曲线。在（o / ）1（通带范围）c时，n增加则（/3cL减小，曲线越平坦；在（/ ）1（阻带范围）时，n增 cc 大，则（3/3cL增大，旧（）1越趋于零值，衰减越快。3.3.1.2 功能该仪器可实现生成正弦波、方波、三角波等典型信号，并通过 Butterworth filter 进行滤波。

27、典型信号频率、幅值、初始相位均可由用户自己设定。滤波器 类型可选择高通、低通、带通和带阻，滤波阶次、低截止频率、高截止频率都可 任意选择。并且信号可以随时复位和停止输出。典型信号及滤波后信号最后送显 示器显示波形。该仪器可作为滤波器综合实验。3.3.2 虚拟巴特沃斯滤波器前面板设计前面板由两个波形图控件、两个Ring控件、两个开关按钮控件和十个数值 控制器组成。两个波形图控件分别用来显示生成的虚拟仿真信号波形和该信号经 过滤波后的波形；两个 Ring 控件分别用来进行波形选择和滤波器类型选择，波 形可选择正弦波、方波、三角波和锯齿波，滤波器类型可选择高通、低通、带通 和带阻；十个Numeric

28、 Controls分别用来对源信号波形参数进行设置和滤波器参 数进行设置。图 3-7 巴特沃斯滤波器前面板3.3.3 虚拟巴特沃斯滤波器后面板设计在巴特沃斯滤波器后面板中有一个非常重要的子程序-Butterworthfilter.vi。其到达路径为：All functionAnalyzeSignal ProcessingFilter。它有hit terror th Filter, yi图 3-8 Butterworth filter.vi图 3-9 巴特沃斯滤波器后面板流程图六个输入端和两个输出端，分别为源信号输入、采样频率、滤波类型、阶次、低 截止频率、高截止频率和滤波后信号输出、错误输出，

29、它们与前面板上的控件相 连。通过前面板上的参数输入，即可对输入的欲处理信号进行滤波。为了将仿真信号的波形的横轴起点、横轴分度值和幅值合成一个整体，后面 板中还使用了簇结构，在Cluster子模板上选择Bundle，它有三个输入量：横轴 起点，设为 0；横轴分度值，由采样频率的倒数，即采样间隔决定；输入信号幅 值。3.3.4 调试和运行对信号频率、采样频率和采样点数的设置原则，前面已经介绍的很详细了， 这里不再赘述。对低截止频率和高截止频率应该注意是：当虚拟巴特沃斯滤波器 作为低通滤波器使用时，其高截止频率被忽略，而低截止频率必须满足奈奎斯特 采样定理的条件。滤波器的阶次是越高，其幅频特性曲线过

30、渡带衰减越快。3.4 虚拟信号频谱分析仪的设计3.4.1 实验原理和功能信号的频谱描述是以频谱f ( =2“ f)为横坐标变量来描述信号幅值、相位 的变化规律。3.4.1.1 周期信号与离散频谱在有限的区间上的周期函数x(t)可以展开成傅立叶级数。傅立叶级数有两种 表达式1. 傅立叶级数的三角函数展开式：x(t)=工 b sinn Q t+ 为 a cosn Q tnnn0n0a + 工(b sinnQt+a cosnQt)2nn=Oo + 为 A sin(n Q t+申)2 m nn式中：a =2 J+TX(t)dt是直流分量；0Ta = J+T x (t )cos nQtdt是余弦分量的幅

31、值； nb =2 J+Tx(t)sinnQtdt是正弦分量的幅值；nTA = i% + b2是各频率分量的幅值；nnnat =arctan方*是各频率分量的相位; nn2兀Q = 是角频率；T以角频率nQ为横轴，幅值A或相角申为纵轴作图，则分别得到幅频谱图n和相频谱图，它们是单边谱，n Q由Of*。2. 傅立叶级数的复指数函数展开式：x(t)=乞 C e jmQt (m=O, 土 1, 土 2)(3-1)mm=g式中 c 为傅立叶系数。mc = a + b =| c | ej (3-2)mm m m m又 c = a +j b =1 c i eWmm m m m根据欧拉公式e gt = cos

32、mQt-j sinmQt,代入式(3-2)可得a =1 J+T X (t) cos mQtdt =1 am T2 nb =1 J+T X (t) sin mQtdt = ! bm T2i c |=1 a2 + b2 =1 am 2nn 2 nm a =arctan bm = -m mb 2 nmm=0,常值分量 c = Lo =丄 J+T X (t)dt02 T以Ic |-mQ和申-mQ作图分别为幅频谱图和相频谱图，它们都是双边谱，mQmm从-gf+。3. 周期信号频谱的特点离散性。只在nQ离散值上取值或只在mQ离散点上取值。谐波性。每条谱线只出现在基波频率的整数倍的频率上，基波频率是 主分量

33、频率的公约数，相邻谱线间隔为Q。 收敛性。常见的周期信号幅值总的趋势是随谐波次数的增高而减小。 由于这种收敛性，实际测量中可以在一定误差允许范围内忽略次数过 高的谐波分量。3.4.1.2 非周期信号与连续频谱1. 频谱密度函数 X(w) 对于非周期信号，可以看作周期 T 为无穷大的周期信号。当周期趋近无穷大2仃时，则基波谱线及谱线间隔Q =丝趋近无穷小，从而离散的频谱就变成了连续T的，所以非周期信号的频谱是连续的。 傅立叶级数的复指数函数展开式为：x(t)=遼 c e - jmQt(3-3)m=g傅立叶系数C =丄 J+TX (t)e-jmQtdt(3-4)mT当周期Tf*，谱线间隔Q =2兀

34、/T趋近无穷小，离散量mQ( m=0, 土 1,土2,)变为连续量，傅立叶系数C的模|C I趋于无穷小，故作不出IC |-mQ的mmm幅频图，但各条谱线比例保持不变。将它放大T倍，则(3-4)变为：lim C = lim w kiT T8 m T T8N因为有Q fd，所以有lim C 2- = J+8 x (t )e -mQtdtm d s由于时间T是积分变量，故上式积分后，仅是的函数，并记作X()或 Fx(t)，即x( )= f x(t)=卜 x (t)e - jmQ tgdTO m dfX(或乂表示单位频段的频率分量，是复数，称为x(t)的频率密度函数。2. 非周期信号的傅立叶积分表示作

35、为周期T为无穷大的非周期信号，当周期 T时，频谱谱线间隔2兀Q f d，Tf，离散变量m Q f变为连续变量，求和运算就变成求积分运d算。于是(3-3)就变为：x(t)= limT Tg艺C T e jm Q t =mm =glimdOTg竺 J+s x )e =_Lx )dd g2 兀g这就是傅立叶积分。记为x(t)= F -1 x( )。于是就有x()=J+gx(t)e j t dtgx(t)=2 J+g X ( 03 d2兀g将=2兀f带入以上两式，得x(t)= J+gx(f)e j 2 冗 ft dfgx(f)= J+g x (t)e - j 2ftgX()=2 兀 X(f)作I X(

36、)-I或IX(f)-fl图，就称为非周期信号的幅值谱密度。非周期信号用傅立叶级数来表示，其频谱为连续的，它由无限多个频率无限 接近的频率成分组成。各频率上谱线幅值趋于无穷小，故用频谱密度表示，它在 数值上相当于将分量放大T=2兀/d倍，同时保持各频率分量幅值相对分布规律 不变。3.4.1.3 离散时间信号的频谱在以计算机为中心的测试系统中，模拟信号x(t)进入计算机前先经过数据采 集卡(DAQ)中的采样器，将连续时间信号变为离散时间信号，成为采样信号后再 经 A/D 转换器在幅值上量化为离散的数字信号。这样，就会引起频域上的一些 变化。1. 采样定理连续时间信号x(t)被数据采集卡(DAQ)中

37、的采样器以等时间间隔T采样，则 采样时刻0、T、2T、所得信号x(t)的瞬时值，就构成了连续信号x(t)的离散 时间序列x (i)，(i=0、1、2)。采样信号的频谱在幅值上比信号x(t)的频谱sX()放大了 1/T倍，并呈现周期行，周期为。s采样是把连续时间信号变为离散时间序列的过程。这一过程相当于在连续时 间信号上“抽取”许多离散时刻iT(i=0、1、2)上的信号瞬时值。其中T是 采样间隔， =2兀/T为采样角频率，它们的取值是个很重要的问题。即采样频s率，必须满足关系：s& 三 2 COsm式中O 为信号的最高频率分量。当O W -时，也就是采样频率O =2兀/Tm m T s三2o 时

38、，可以通过加一理想低通滤波器提取主分量，滤除全部m1的高频分 m量，从而由X(O)恢复原信号x(t)在理论上无误差。但是在实际工程中的低通滤 波器不可能有理想的低通特性，故采样频率需要更高，通常为O =(420) O。sm如果采样频率O不满足采样定理，谱线就会重叠，即使采用理想低通滤波器也s不可能将混入的高频主分量滤除。2. 离散傅立叶变换当采样点i=0、1、2N,共有N个，即无限长信号截断后变为周期信号,2开频谱由连续谱变为离散谱，即=K (K=0、1、2、N-1)，于是有离散傅立 NT叶变换(DFT )的定义式如下：X(K)=近 x(iT) e F予=因 x(i) Wk (3-5)Ni=0

39、i=0x(t)=* X(K) e jk予=智 X(K)w-ki(3-6)NNNK=0式中W = e -jk予是复数因子。N欲对连续时间信号X(t)用计算机进行离散傅立叶变换，首先经采样器对它进 行米样，满足米样频率为=O =2兀/T(T为米样间隔)，从而获得时间离散的信号 x (t)，它是一个无限长的离散的时间序列&Ct)(i=o,i,2,)。实际上，只能 ss 对有限长的信号进行分析与处理，所以必须对无限长离散序列& CTG截断，只 s取有限长时间t =NT中的N个有限数据* G) (i=0,1,2,)。这样，无限长时 ps间信号x(t)就变成有限长时间信号t =NT的周期信号。因此，其频谱

40、的特点是具 p有离散性、谐波性、周期性。当对信号x(t)进行采样，共N个采样点，得离散时间序列x(i) (i=0,1,2,， N-1)，代入式(3-5)可得离散时间序列的频谱X(K) (k=0,1,2,，N-1)，共N条谱 线，其中有效谱线N/2条；反之，将N条谱线代入式(3-6),则可得i=0,1,2,， N-1共N个离散时间序列x(i)。当N=4时，总计需N2+N(N-1)=28次运算；当 N=1024时，则需要进行2096068次运算。如此多的计算次数使DFT不可能在实 际工程中得到应用，因而出现了各种用于减少DFT计算次数的算法。如基2时 间奇偶分解算法等。那些能够减少计算次数，缩短计

41、算时间，能在工程实际中用 来实现DFT计算的快速算法就称为快速傅立叶变换，简称FFT。在许多软件的 工具箱中，已有各种实用函数或功能模板可供使用。 LabVIEW 就提供了这样的 功能模块。虚拟信号频谱分析仪的功能主要是用来对生成的仿真信号进行 FFT 变换， 获得该时域信号的频谱图。3.4.2 虚拟信号频谱分析仪的前面板设计 前面板由一个数值控制器、两个波形图控件、两个 Ring 控件、三个旋钮控 件组成。两个波形图控件分别用来显示生成的虚拟仿真信号波形和该信号经过 FFT变换后的频谱；两个Ring控件分别用来进行波形选择和加窗类型选择，波图 3-10 虚拟信号频谱分析仪前面板形可选择正弦波

42、、方波、三角波和锯齿波，加窗类型有海宁窗、汉明窗和三角窗 可供选择，三个旋钮控件分别用来对信号频率、采样频率、幅值参数进行设置， 数值控件对采样点数进行设置。3.4.3 虚拟信号频谱分析仪的后面板设计该虚拟仪器应实现典型实验信号的产生，并可以对典型实验信号进行 FFT 变换，并显示计算结果。所以其后面板流程图应该由信号产生、信号分析和处理、 模块组成，下面就对在这两个功能模块分别加以介绍。3.4.3.1 典型实验信号生成模块此模块与虚拟信号发生器系统的基本类似，这里不再赘述。3.4.3.2 虚拟信号分析和处理模块此模块如图 3-11，主要做的就是对生成的虚拟信号进行 FFT 变换，以获得 它的

43、频谱图。主要由 Hamming Windonw、Hanning Windonw、Triggle Windonw 和FFT子VI组成，它们的图标分别如3-12、3-13、3-14、3-15所示。下面对它 们做简单的介绍。图 3-11 虚拟信号分析和处理模块图 3-12 Hamming Windonw.viTri:iiLgle Wi匸血飞.wi图 3-14 Triggle Windonw.vi图 3-13 Hanning Windonw.vi|FFT. vi |T-(h|图 3-15 FFT.vi1.窗函数子 VI o它们的到达路径为 All functionAnalyzeSignalProces

44、singWindonws，无论是 Hamming Windonw 还是 Hanning Windonw 和Triggle Windonw，都是把无限长的信号进行截取，并防止泄漏。2. FFT 子 VI o 它 的 到 达 路 径 为 All functionAnalyzeSignalProcessingFrequency Domain, FFT子VI对输入的参数进行傅立叶变换，输出 参数为经过变换后得到的数据序列，通常情况下为复数序列，而不是我们常用的 实数幅值数据序列。所以，要避免犯这样的错误：直接将这个输出序列当作幅频特性数据序列，送入Graph VI，希望得到幅频特性曲线。所以，应先将F

45、FT子 VI输出参数经过Complex To Polar,再送到Graph VI。WI“TT 沖1采样嫌率|冃=1團|*H吕口 口1匚旧妙门厂1已2冈先电i选押 I匸壬曰Mtf ij匚t曰|：F图 3-16 虚拟信号频谱分析仪后面板流程图3.4.4 调试和运行在运行之前，应先在前面板中对信号控件参数进行设置。采样频率 fs 的最 大值应是仿真信号频率fx的n (个周期采样点数)倍，且总点数N三n。只要 合理的设置才会生成另人满意的信号波形。3.5 虚拟调制解调器的设计3.5.1 实验原理和功能用该调制解调器可观察调幅波，以及经过巴特沃斯滤波器滤波后的解调波 形。(1)调幅波的数学表达式及其特性

46、u(t)=EmZ(t)sin t(3-8)式中Em-比例常数;3。-高频载波角频率;Z(t)-低频缓变信号,其上限角频率 为0 ；式(3-8)就是调幅波的一般数学表达式，它反映了低频缓变信号Z(t)对一高频 Z(t) (3 )振荡信号(sin3 t)的控制.通常3 =(510)0.000一般将控制高频信号的缓变信号称为调制信号,载送缓变信号的高频(3 )振0荡信号(sin3 t)称为载波.利用信号Z(t)来控制或改变高频振荡的幅值称为调制0过程.(2)调幅波的解调调幅波u(t)的幅值反映调制信号Z(t)数值的变化，在调制器之后加解调器，可 将被测的调制信号Z(t)与调幅波分离，并最后提取出来解

47、调器由乘法器和低通滤 波器组成,其原理框图如图 3-17 所示.图 3-17 解调器原理图解调器中的乘法器有两个输入信号，一个是待解调波u(t)：u(t)=EZ(t)sin t0式中E为比例常数。另一个输入信号是参考信号U (t),它应是与载波频率相r0同的高频信号。考虑到实际情况中与载波信号sin t会有一个相位差9,则u (t)0r为：u (t)=U sin( t+9 )r r 0于是乘法器的输出y(t)为：y(t)= u(t) u (t)=E Z(t) sin t U sin( t+ 9 )r 0 r 0令 A=Eu ，并根据三角函数关系，所以ry(t)=AZ(t) sin t sin(

48、 t+ 9 )00=2 z(t) cos0 - cos (2 t= Z(t)cos 9 - Z(t) cos(2 t +0 )2 2 0当乘法器后接的低通滤波器的截止频率远小于频率 2 ，并大于信号 Z(t)0的最高频率Q时，于是解调器的高频分量cos(2 t +0 )将被低通滤波器大大衰0减，而只有差额信号项| Z(t)cos 0输出，于是，解调器的输出f(t)为：Af(t)= - Z(t)cos 0该仪器的功能是生成两个幅值、相位和频率可调的正弦波，这两个正弦波一 个是高频信号作为载波信号，另一个是低频信号作为调制信号。低频信号经高频 载波后形成调幅波，调幅波再经巴特沃斯滤波器滤波后解调，

49、并同时输出调幅波 和解调后信号的波形。3.5.2 调幅波解调器前面板设计前面板由两个 Waveform Graph 控件分别显示调幅波和解调信号的波形，高 频和低频信号源参数、滤波器低截止频率由用户选择。3.5.3 调幅波解调器后面板设计该后面板流程图采用乘法器实现两个正弦波信号的调制，采用前一节设计的 巴特沃斯低通滤波器实现解调器，此后面板中的各功能模块和子 VI 前面都已介 绍，此处不再赘述。3.5.4 调试和运行在运行之前，应先在前面板中对信号控件参数进行设置。这时请注意设置的 参数要满足香农采样定理，即fc 2fs。只要合理的设置才会生成另人满意的信号 波形。虚拟调制解闊器凋制蛙Flot O/z-松调波5 5 0 5 5 5 1 z T - .a-oci- - VP71JH56 4-202 fl. 511.522 533. 54Tino惬戡止频率fiLtsr typb关闭/so 10采牌点數佶号蛟率帼值图 3-18 调幅波解调器前面板图 3-19 调幅波解调器后面板流程图结束语数字信号处理技术是本文理论知识的基础，而虚拟仪器的基本思想和LabVIEW 开发平台则是程序开发设计过程中有力的工具。如果缺乏基础性的理 论知识，就无法很好地运用开发工具，无法解释在开发过程中所遇