虚拟仪器实用编程技术 教学课件 ppt 作者童刚 第8章 分析软件

第8章 分析软件,主要学习内容,1掌握使用信号发生模块、波形产生模块，构建简单的函数信号发生器，建立数字化频率的概念； 2学习如何进行频谱分析； 3学习如何应用数字滤波器； 4熟悉波形测量VI，实现常用参数的测量； 5熟悉常用的曲线拟合模块及其应用。,8.1 概述,虚拟仪器的组成可概括为三大部分： 1.信号的获取和采集 2.信号的分析与处理 3.结果的表达和输出 其中信号的分析与处理是实现各种虚拟仪器功能的重要组成部分。,信号的分析处理主要从时域和频域两个方面来进行。,表8-1测试信号常用的时域、频域分析和处理,用于测量的虚拟仪器执行的典型测量任务有： 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； 估计系统的动态响应参数，例如上升时间、超调量等； 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。 所有这些任务都要求在数据采集的基础上进行信号处理。 LabVIEW中提供了专门描述它的数据类型波形（waveform）,LabVIEW中的Advanced Analysis软件库具有强大的数据处理功能，包括信号的产生、数据信号的处理、测量、数据滤波、概率统计、线性代数、曲线拟合、矩阵运算、数值分析等多种软件分析功能。 为了方便使用，在Functions的首页，专门设置了Signal Analysis模板的Express VI 。 信号分析子模板包括波形测量、信号调理、信号监测、波形发生、信号处理以及数学分析等7个子模板。,表8-2 七个子模板的名称及其功能,8.2 信号的产生,信号产生是测量系统的重要组成部分，要评价任意一个网络或系统的特性，必须外加一定的测试信号，其性能才能显现出来 。 在测量应用中常用的测试信号包括正弦波、三角波、方波、锯齿波、噪声波及多频波（由不同频率的正弦波叠加而形成的波形）等。,8.2.1 标准频率,在模拟电路范围，信号频率定义为单位时间内周期现象重复的次数，单位为Hz（周期数/秒）; 在数字系统中我们经常使用的是数字频率单位，它是模拟频率与采样频率之比，即：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/采样点数，即一个信号周期内采样点数n的倒数（1/n）。,Signal Generation子模板,8.2.2 信号产生子模板简介,下面以Sine Wave正弦波节点图标来说明。,Sine Wave.vi的图标,表8-4 Sine Wave.vi图标端口定义,产生正弦波的前面板设置和框图程序,例8.1产生一个指定频率的正弦波。,其创建过程应注意： 前面板包含下列控制栏：采样点数、幅值、信号频率、初始相位、采样频率。 在框图程序中，它使用了下面的子程序： Sine Wave.vi子程序（在AnalyzeSignal Generation子模板）。在本例中，它的采样频率为100Hz，产生有200个采样点的正弦波。 注意查看框图，可以看到在连接到Sine Wave.vi程序之前，信号频率已经被采样频率相除。也就是说，Sine Wave需要输入信号的数字频率。 运行此程序，在前面板缺省值的情况下，将出现5Hz的正弦波。,8.2.3 采样与混频（Aliasing）,著名的奈奎斯特采样理论已经说明，最高信号稳定频率等于采样频率的一半。在奈奎斯特频率以下的信号频率可以被正确采样，而高于奈奎斯特频率的那部分信号则出现频率混叠。 在本例中，采样频率等于100Hz，所以最高信号频率为50Hz，如果输入频率大于50Hz，如本例中的90Hz，它将会偏差到（n×50）90）Hz，并且要求偏差大于零，即为（10090）=10Hz0。也就是说，采样频率为100Hz的数字系统不能区分10Hz和90Hz，20Hz和80Hz，51Hz和49Hz等等。 在前面板把信号频率改为90Hz，再运行例8.1程序。结果出现的信号频率却等于10Hz。,在设计数字频谱系统时，必须保证不要让大于1/2采样频率的信号进入系统。一旦进入了，就没有办法清除它们。 为了防止偏差出现，一般采用低通滤波器。在本例中，可以使用抗混频模拟低通滤波器滤除任何大于50Hz的信号。加了滤波器以后，当采样频率为100Hz的系统内出现10Hz信号时，我们就可以肯定它是10Hz而非90Hz。,8.2.4 波形产生子模板简介,LabVIEW中提供了波形函数，在大部分情况下，使用信号分析子模板中的前4个子模板，特别是“波形测量”、“波形调理”和“波形产生”就足够了。 波形产生子模板中的所有模板不仅输出包含指定波形的数字型数组，而且包含时间参数，这种数据类型在LabVIEW中称为波形数据，波形数据以簇的形式给出，包括起始时间t0、采样间隔时间dt和一个由采样数据构成的数组。,对于一般的数组，可以通过“Build Waveform”函数节点将其转化为波形数据，Build Waveform函数的图标如图。 该节点既可构建一个新的波形数据，也可以对已有的波形数据中任意元素进行编辑。,Build Waveform函数的图标,下面以WaveformAnalog Waveform Waveform Generation中的基本函数发生器Basic Function Generator.vi为例进行说明，其图标如下图 。,Basic Function Generator.vi的图标,Basic Function Generator.vi功能是根据设定的波形类型及参数建立一个输出波形。 该波形类型有：正弦波、三角波、锯齿波和方波。这个VI会记住产生的前一波形的时间标志，并且由此点开始使时间标志连续增长。它的输入参数有波形类型、样本数、起始相位、波形频率（单位：Hz）。各个参数的含义如表8-5所示。,表8-5 Basic Function Generator.vi参数说明表,例8.2 使用Basic Function Generator.vi制作 函数发生器。,函数发生器的前面板设置和框图程序,8.3 信号的频域分析,傅里叶变换是信号处理和数据处理中的一个重要的分析工具，其意义在于将时域与频域信号联系起来。 LabVIEW高级分析程序库中的频域分析子模板提供了丰富的时域和频域转换函数，包括傅里叶变换、Hilbert变换、Hartley变换、功率谱分析、谐波分析等。频域分析子模板位于All Functions模板下AnalyzeSignal ProcessingFrequency Domain子模板。,频域分析子模板,8.3.1 FFT变换,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输出采样点可转换成单边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Complex FFT VI 。,例8.3 双边和单边FFT变换,双边FFT变换的前面板设置和框图程序,(1) 框图程序中的各函数作用如下： Sine Waveform.vi（位于All FunctionsAnalyzeWaveform Generation）：产生时域正弦波形。 Real FFT.vi（实数快速傅里叶变换）：用于计算输入数据的FFT，将时域信号转换为频域信号。输入为实数数组，输出为复数数组。,Array Size 函数（All FunctionsArray模板）：用于根据采样点数N对FFT输出的结果进行处理。将FFT输出除以N，可获得正确的频率幅度信息。 Complex to Polar.vi（All FunctionsNumericComplex子模板）：将输入数据从复数坐标系转换到极坐标系。此例将FFT输出分解为实部和虚部（幅值和相位），相位的单位是弧度，这里只需显示FFT的幅值。,(2) 把该VI保存为LabVIEWlianxi中的FFT_2sided.vi。 (3) 选择频率（Hz）=5，采样率=100，样本数=100。执行该VI，注意这时的时域图和频谱图。因为采样率=样本数=100，所以时域图中的正弦波的周期数与选择的频率相等，即可以显示5个周期。（如果把频率改成10，那么就会显示10个周期）。,频率间隔与采样频率和采样点数有关，它们之间的关系可表示为：,双边 FFT,(4) 检查频谱图可以看到有两个波峰，一个位于10Hz，另一个位于90Hz，90Hz处的波峰实际上是10Hz处的波峰的负值。因为图形同时显示了正负频率，所以被称为双边FFT。 (5) 先后令频率=10、20（Hz），执行该VI。注意每种情况下频谱图中波峰位置的移动。观察频率等于10和20时的时域波形。注意哪种情况下的波形显示更好，并解释原因。 (6) 因为fs =100Hz，所有只能采样频率低于50Hz的信号（奈奎斯特频率fs/2）。把频率修改为48Hz，可以看到频谱图的波峰位于±48Hz。,(7) 把频率改为52HZ，观察这时产生的图形与第5步产生的图形的区别。因为52大于奈奎斯特频率，所以混频偏差等于|10052|=48Hz。 (8) 把频率改成30和70Hz，执行该VI。观察这两种情况下图形是否相同，并解释原因。,单边FFT,(9) 由上面已经知道因为FFT含有正负频率的信息，所以FFT具有重复信息。现在按图8-11修改程序，把正频分量的幅值乘以2，这样修改之后只显示一半的FFT采样点（正频率部分），这样的方法叫做单边FFT。单边FFT只显示正频部分，虽然正频分量的幅值乘以2，但直流分量不变。（若程序中考虑含直流分量的情况，应当增加一个分支或case结构）。 (10) 设置频率（Hz）=30，采样率=100，样本数=100，运行该VI。,(12) 保存该VI为LabVIEWlianxi目录下的FFT_1sided.vi。 (13) 把频率改为70Hz，执行该VI，观察这时产生的图形与第9步产生的图形的区别,单边FFT的框图程序,8.3.2 窗函数,为了减小或抑制泄漏，测试工程人员常用多种不同形式的窗函数对时域信号进行加权处理。从卷积过程可知，窗函数应力求其频谱的主瓣宽度窄、旁瓣幅度小。窄的主瓣可以抑制原谱峰值的降低，提高频率分辨能力；小的旁瓣可以使原零幅值频带出现尽量小的非零幅值，减小泄漏。 在LabVIEW中，频谱分析、功率谱分析、频率响应函数分析和相关函数分析的参数设置中都需要选择窗函数，而且这些VI中提供了丰富的窗函数类型以供选择。在选用和测试VI时，其参数设置非常简单。,LabVIEW中的窗函数原型VI,Windows子模板,例8.4 从频率接近的信号中分离出幅值不同的信号。 本例取自LabVIEW自带程序，路径为：ExamplesAnalysisWindxmpl.libWindow Comparison.vi。该程序的目的是从频率相近的信号中分离出幅值不同的信号。,从频率相近的信号中分离出幅值不同的信号,8.3.3 频谱分析,在许多应用场合，需要计算信号的频谱，Advanced Analysis程序库有许多这方面的功能模块程序。下面的例子讲述使用Amplitude and Phase Spectrum VI子程序来测量两个频率分量。 例8.5计算一个信号的频谱分量。,计算信号频谱分量的前面板设置和框图程序,参数设置见前面板，输入信号混合了两个正弦波，一个信号为2Hz，幅值为1，初始相位为0；另一个信号为10Hz，幅值为2，初始相位为90。两个信号的采样频率都为100Hz，采样点为200个。 在框图程序中使用了下面的子程序，Amplitude and Phase Spectrum VI子程序（在AnalysisSignal ProcessingFrequency Domain子模板）。在本例中，它计算信号的幅度有效值（RMS）。 运行程序。频谱图显示两个峰值，一个在2Hz，另一个在10