基于_labview_的信號(hào)時(shí)域與頻域關(guān)系研究畢業(yè)論文

1、<p>　　基于Labview的信號(hào)時(shí)域與頻域關(guān)系研究</p><p>　　The study of the relations between signals in time domain and frequency domain based Labview</p><p>　　計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院</p><p>　　2013年 6月17日</p

2、><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　信號(hào)都具有兩種不同的描述方式，一是可以在時(shí)間域用信號(hào)的波形來(lái)表示，二是在頻率域用信號(hào)的頻譜圖來(lái)表示。信號(hào)的時(shí)域和頻域之間存在著密不可分的關(guān)系，通常用數(shù)學(xué)公式及其平面圖形來(lái)表示。但是，公式抽象且難以理解，而教科書(shū)上分散的平面圖形也很難讓人們對(duì)信號(hào)的時(shí)域與頻域建立起一個(gè)形象直觀的印象。</p>&l

3、t;p>　　利用Labview建立更加簡(jiǎn)潔方便的虛擬示波儀,頻譜分析儀等,產(chǎn)生原始信號(hào)并組成了對(duì)信號(hào)的分析處理系統(tǒng)。首先是對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行時(shí)域波形顯示,頻域頻譜顯示。最后再對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析,除掉干擾信號(hào)，研究諧波疊加。</p><p>　　虛擬儀器是一種高效用于構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖形化編程語(yǔ)言。通過(guò)觀察生動(dòng)形象的二維圖形變化，色彩鮮艷，層次分明。動(dòng)態(tài)地演示信號(hào)時(shí)域和頻域特性曲線之間的關(guān)系，使得原

4、先抽象的數(shù)學(xué)公式與形象的物理圖形聯(lián)系起來(lái)。</p><p>　　關(guān)鍵詞： Labview ；虛擬儀器 ；程序框圖；諧波；</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Signals are described in two different ways; one is in the time domain wave

5、form of a signal, the other one is in the frequency domain using a spectral graph. Signals in time domain and frequency domain closely related to each other, usually using mathematical formulas and shapes to represent it

6、. However, the formula is always abstract and difficult to understand, and textbooks scattered plane figure is difficult for people to build an image of the visual impression on the signals in time domain </p><

7、;p>　　Key words：Labview ；Virtual Instrument；Block diagram；Harmonics；</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題研究背景以及對(duì)虛擬儀器的介紹1</p&

8、gt;<p>　　1.1.1 虛擬儀器對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促進(jìn)作用1</p><p>　　1.2 Labview的介紹2</p><p>　　1.2.1 Labview應(yīng)用程序的構(gòu)成3</p><p>　　1.2.2 Labview中的操作模板3</p><p>　　第2章 多功能雙路信號(hào)發(fā)生器5</p>&

9、lt;p>　　2.1多功能雙路信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)思路5</p><p>　　2.2 多功能雙路信號(hào)發(fā)生器的前面板設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.3 多功能雙路信號(hào)發(fā)生器的程序框圖設(shè)計(jì)6</p><p>　　第3章 信號(hào)處理器——虛擬示波器和頻譜儀10</p><p>　　3.1虛擬示波器和頻譜儀的設(shè)計(jì)思路10</p>

10、;<p>　　3.2虛擬示波器和頻譜儀的前面板設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.2.1傅里葉變換和FFT變換10</p><p>　　3.2.2虛擬示波器和頻譜儀的程序框圖設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.3周期信號(hào)幅度譜特性的分析研究12</p><p>　　3.3.1周期信號(hào)的離散性12</p>&l

11、t;p>　　3.3.2周期信號(hào)的諧波性13</p><p>　　3.3.3周期信號(hào)的收斂性13</p><p>　　3.3.4周期信號(hào)的有效頻譜寬度13</p><p>　　3.3.4離散頻譜與連續(xù)頻譜的關(guān)系14</p><p>　　第4章 周期矩形信號(hào)的諧波分解與疊加17</p><p>　　4.1

12、周期性矩形脈沖信號(hào)的分解與疊加的基本原理17</p><p>　　4.1.1周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)分析17</p><p>　　4.1.2周期性矩形脈沖信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)17</p><p>　　4.2周期性矩形脈沖信號(hào)的諧波分解編程及實(shí)現(xiàn)19</p><p>　　4.2.1原始矩形脈沖信號(hào)發(fā)生的編程19</p><

13、p>　　4.2.2各次諧波發(fā)生的編程與實(shí)現(xiàn)20</p><p>　　4.3周期性矩形脈沖信號(hào)的諧波疊加編程及實(shí)現(xiàn)23</p><p>　　4.3.1各次諧波的疊加編程23</p><p>　　4.3.2各次諧波的疊加實(shí)現(xiàn)24</p><p>　　第5章 信號(hào)濾波器29</p><p>　　5.1濾波器

14、的作用及Labview實(shí)現(xiàn)29</p><p>　　5.2有限沖擊響應(yīng)（FIR）和無(wú)限沖擊響應(yīng)（IIR）濾波器的聯(lián)系與區(qū)別29</p><p>　　5.2.1 Labview中數(shù)字濾波器分類(lèi)30</p><p>　　5.3 在Labview中設(shè)計(jì)濾波器30</p><p>　　5.3調(diào)試過(guò)程及結(jié)果33</p><

15、p>　　5.3.1 低通濾波功能33</p><p>　　5.3.2 高通濾波功能35</p><p><b>　　致 謝37</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)38</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p>

16、<p>　　1.1課題研究背景以及對(duì)虛擬儀器的介紹</p><p>　　在信號(hào)與系統(tǒng)課程中, 連續(xù)時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的頻域分析這部分內(nèi)容是本課程的重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容, 涉及傅里葉級(jí)數(shù)、傅里葉變換、系統(tǒng)的頻域分析和抽樣定理等。從這一章節(jié)起, 學(xué)生開(kāi)始學(xué)習(xí)信號(hào)與系統(tǒng)的變換域分析方法, 為后續(xù)復(fù)頻域分析、離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的頻域分析和復(fù)頻域分析等內(nèi)容的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí), 學(xué)生往往容易陷入到繁瑣的數(shù)學(xué)推

17、導(dǎo)和計(jì)算中, 而忽視了對(duì)概念、公式和結(jié)論所含物理意義的理解。信號(hào)頻譜是本設(shè)計(jì)中最重要的概念之一, 也是教學(xué)的難點(diǎn)。</p><p>　　但是，利用虛擬儀器來(lái)進(jìn)行教學(xué)就使一切簡(jiǎn)單很多。</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)儀器開(kāi)始向計(jì)算機(jī)化的方向發(fā)展。虛擬儀器是90年代提出的新概念。虛擬儀器技術(shù)的提出與發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。所謂虛擬

18、儀器，就是在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，使用者操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就像是在使用一臺(tái)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電子儀器。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來(lái)模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板,以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，利用I/ O 接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)試，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。</p><p>　　1.1.1 虛擬儀器對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促

19、進(jìn)作用</p><p>　　虛擬儀器對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促進(jìn)有著廣泛的優(yōu)勢(shì)，其主要作用體現(xiàn)在下述幾個(gè)方面：</p><p>　?。?）虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)既可以應(yīng)用于不同層次學(xué)科的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室，也可以應(yīng)用于各專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能起很大作用。</p><p>　　（2）用虛擬儀器試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率高、針對(duì)性強(qiáng)，虛擬儀器的功能和規(guī)?？梢愿鶕?jù)實(shí)驗(yàn)要求由用戶定制，我們可根據(jù)實(shí)

20、驗(yàn)內(nèi)容的需要，創(chuàng)建簡(jiǎn)潔、明快的前面板及功能確切的流程圖。同一類(lèi)儀器也可針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)要求，可以生成功能各異的前面板。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可以很快地熟悉虛擬儀器操作，用更多的精力和時(shí)間去進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試和結(jié)果分析。這對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)效率大有益處。 </p><p>　?。?）用虛擬儀器做實(shí)驗(yàn)，理論實(shí)驗(yàn)結(jié)合密切，形象直觀容易理解實(shí)踐證明，只要一臺(tái)計(jì)算機(jī)就可以借助Labview編程平臺(tái)創(chuàng)建一個(gè)綜合的虛擬儀器測(cè)試分析系統(tǒng)，從而完成

21、整個(gè)實(shí)驗(yàn)室才能完成的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。如果在儀器面板加注必要的文字說(shuō)明和關(guān)于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的簡(jiǎn)要敘述，那么在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生即可隨時(shí)查閱，便于理論與實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)習(xí)效率和效果。</p><p>　?。?）用虛擬儀器技術(shù)使教師備課更有針對(duì)性，可以提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)的自覺(jué)性與主動(dòng)性，提高實(shí)驗(yàn)室的綜合利用率軟件生成儀器之后，基本無(wú)需維修。虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室僅需一個(gè)綜合性的實(shí)驗(yàn)室，配備以不同的硬件課件，即可以完成大部分實(shí)驗(yàn)，也可以完

22、成數(shù)據(jù)采集、故障診斷、控制調(diào)節(jié)和電氣設(shè)備等專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)。這對(duì)實(shí)驗(yàn)室高效綜合利用是十分有益的。</p><p>　　傳統(tǒng)儀器具有“技術(shù)更新周期長(zhǎng)”、“儀器功能無(wú)法自定義”、“與其它設(shè)備連接困難”、“開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用高”等問(wèn)題，所以在對(duì)信號(hào)處理要求越來(lái)越高的今天，用戶希望能在虛擬儀器平臺(tái)上來(lái)建立一信號(hào)分析系統(tǒng)以解決上述問(wèn)題。另通過(guò)調(diào)查顯示在高校中存在“傳統(tǒng)儀器提供的實(shí)驗(yàn)信息量少，由于人工讀數(shù)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差率高”、“傳統(tǒng)儀

23、器無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源共享”、“實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新困難，大部分設(shè)備落后于課程建設(shè)的需要”、“實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容側(cè)重于理論的驗(yàn)證和模仿訓(xùn)練，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容統(tǒng)一，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)和綜合能力的提高”等問(wèn)題。在很大程度上制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展和人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。要求教育工作者，開(kāi)發(fā)能夠滿足現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求、物美價(jià)廉的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，培養(yǎng)高素質(zhì)、高技能的創(chuàng)新型人才。目前在國(guó)內(nèi)高校，虛擬儀器正逐步走進(jìn)理工科課堂和實(shí)驗(yàn)室，越來(lái)越

24、多的學(xué)校通過(guò)購(gòu)置美國(guó)NI 公司的虛擬儀器產(chǎn)品組建高中檔次的虛擬實(shí)驗(yàn)室，但成本相對(duì)比較昂貴。在這種背景下提出了本課題。</p><p>　　在學(xué)校特別是大學(xué)中，要想緊跟技術(shù)的發(fā)展就要不斷更新教學(xué)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而傳統(tǒng)儀器無(wú)法升級(jí)，更換設(shè)備代價(jià)又太昂貴。基于Labview的信號(hào)分析系統(tǒng)正是解決這一矛盾的最佳方案，它最大的優(yōu)勢(shì)在于它的智能化和軟件平臺(tái)對(duì)用戶的開(kāi)放性，“我的儀器我設(shè)計(jì)”是虛擬儀器為我們帶來(lái)的以人為本的體現(xiàn)。&

25、lt;/p><p>　　1.2 Labview的介紹</p><p>　　利用Labview，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的３２位編譯器。像許多重要的軟件一樣，Labview提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多種版本。</p><p>　　Labview（Laboratory Virtual Instrument Enginee

26、ring Workbench）是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)的，類(lèi)似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是Labview與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而Labview使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。</p><p>　　與C和BASIC一樣，Labview也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。Labview的

27、函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，等等。Labview也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫(huà)方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。 　　</p><p>　　Labview是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而Labview則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)

28、流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是Labview 的程序模塊。 　　</p><p>　　Labview提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬(wàn)用表）類(lèi)似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在Labview中被稱(chēng)為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱(chēng)G代碼。Labview的圖形化源代碼在某種程度上類(lèi)似于流程圖，因此又被稱(chēng)作程序框圖代碼。</

29、p><p>　　Labview是一種圖形化的編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。Labview集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程

30、都生動(dòng)有趣。 　　</p><p>　　圖形化的程序語(yǔ)言，又稱(chēng)為 “G” 語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫(xiě)程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因此，Labview是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。&

31、lt;/p><p>　　1.2.1 Labview應(yīng)用程序的構(gòu)成</p><p>　　所有的Labview應(yīng)用程序，即虛擬儀器（VI），它包括前面板（front panel）、流程圖（block diagram）以及圖標(biāo)/連結(jié)器(icon/connector)三部分。</p><p>　　前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類(lèi)

32、對(duì)象，具體表現(xiàn)有開(kāi)關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制（control）和顯示對(duì)象（indicator）。圖2-1所示是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)發(fā)生和顯示的簡(jiǎn)單VI的前面板，上面有一個(gè)顯示對(duì)象，以曲線的方式顯示了所產(chǎn)生的一系列隨機(jī)數(shù)。還有兩個(gè)控制對(duì)象：控制開(kāi)關(guān)——可以啟動(dòng)和停止工作；循環(huán)延時(shí)——能夠控制隨機(jī)信號(hào)發(fā)生的循環(huán)時(shí)間。</p><p>　　1.2.2 Labview中的操作模板</p><p>　　La

33、bview具有多個(gè)圖形化的操作模板，用于創(chuàng)建和運(yùn)行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動(dòng)，并可以放置在屏幕的任意位置。操縱模板共有三類(lèi)，為工具（Tools）選板、控制（Controls）選板和函數(shù)（Functions）選板。</p><p>　　工具選板（Tools Palette）工具模板用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具。如果該模板沒(méi)有出現(xiàn)，則可以在【查看(V)】菜單下選擇【工具選板（T）】命令以顯示該模板。

34、當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀。當(dāng)從【查看(V)】菜單下選擇了【工具選板（T）】功能后，把工具選板內(nèi)選定的任一種工具光標(biāo)放在流程圖程序的子程序（Sub VI）或圖標(biāo)上，就會(huì)顯示相應(yīng)的幫助信息。</p><p>　　與工具模板不同，控制和功能模板只顯示頂層子模板的圖標(biāo)。這些頂層子模板中包含許多不同的控制或功能子模板。</p><p>　　通過(guò)這些控制或功能子模

35、板可以找到創(chuàng)建程序所需的面板對(duì)象和框圖對(duì)象。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊頂層子模板圖標(biāo)就可以展開(kāi)對(duì)應(yīng)的控制或功能子模板，只需按下控制或功能子模板左上角的大頭針就可以把對(duì)這個(gè)子模板變成浮動(dòng)板留在屏幕上。 </p><p>　　用控制選板可以給前面板添加輸入控制和輸出顯示。</p><p>　　每個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè)子模板。如果控制選板不顯示，可以用【查看(V)】菜單的【控制選板（T）】功能打開(kāi)它，也可以在前面板

36、的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制選板。</p><p>　　函數(shù)選板是創(chuàng)建框圖程序的工具。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。若功能選板不出現(xiàn)，則可以用【查看(V)】菜單下的【功能選板（T）】功能打開(kāi)它，也可以在框圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能選板。</p><p>　　注：只有打開(kāi)了框圖程序窗口，才能出現(xiàn)功能選板。</p><p>　　第2章

37、多功能雙路信號(hào)發(fā)生器</p><p>　　2.1多功能雙路信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)思路</p><p>　　傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器其功能完全靠硬件實(shí)現(xiàn),功能單一而且用戶的購(gòu)置、維護(hù)費(fèi)用高。更重要的是,對(duì)于傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器,其功能一旦確定便不能更改,用戶要想使用新的功能則必須重新購(gòu)買(mǎi)新的儀器,傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器的不足顯而易見(jiàn)。</p><p>　　這里研究的虛擬信號(hào)發(fā)生器可以接收輸入信

38、號(hào)并產(chǎn)生多種輸出信號(hào),信號(hào)輸出頻率、幅度等參數(shù)實(shí)時(shí)可調(diào)。主要具有如下優(yōu)點(diǎn):用戶可自由定義其功能;系統(tǒng)功能升級(jí)擴(kuò)充方便快捷。</p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬信號(hào)發(fā)生器首先要考慮的是前面板的設(shè)計(jì)方案,前面板的設(shè)計(jì)首先需要知道到所設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)什么功能,再根據(jù)這些功能,在控件選板中選擇相應(yīng)的控件,放在前面板相應(yīng)的位置上, 為了使前面板看起來(lái)比較協(xié)調(diào)。擺放空間的位置也有一定的講究。</p><

39、p>　　再者是程序框圖的設(shè)計(jì)。程序框圖的設(shè)計(jì)要用到函數(shù)模板,根據(jù)本程序?qū)崿F(xiàn)的功能不同,在函數(shù)選板中選擇的函數(shù)也不同,由于程序要執(zhí)行很多次才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,所以要用到循環(huán)結(jié)構(gòu),本章節(jié)的程序要用到While循環(huán)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　程序調(diào)試成功后就產(chǎn)生一個(gè)多功能雙路信號(hào)發(fā)生器，為了便于本設(shè)計(jì)后面對(duì)信號(hào)波形的研究對(duì)比，對(duì)信號(hào)發(fā)生器模塊進(jìn)行了改進(jìn)，使之能在一個(gè)波形顯示窗口中顯示雙路波形。</p>

40、<p>　　2.2 多功能雙路信號(hào)發(fā)生器的前面板設(shè)計(jì)</p><p>　　創(chuàng)建一個(gè)新的VI，切換到前面板設(shè)計(jì)窗口。打開(kāi)【控件】【新式】【波形圖表】控件選項(xiàng)板。 </p><p>　　選擇“波形圖表”控件，并放置在前面板適當(dāng)位置，調(diào)整大小。</p><p>　　右鍵“波形圖”，選擇【屬性】，調(diào)整X軸，Y軸坐標(biāo)使其合理。</p><p&g

41、t;　　利用VIs設(shè)計(jì)的一個(gè)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，前面板設(shè)計(jì)圖如圖2-2所示</p><p>　　圖2-2 虛擬信號(hào)發(fā)生器前面板</p><p>　　2.3 多功能雙路信號(hào)發(fā)生器的程序框圖設(shè)計(jì)</p><p>　　打開(kāi)【函數(shù)】【編程】【波形】【模擬波形】【波形生成】選項(xiàng)板，從【波形生成】選項(xiàng)板中選擇“基本函數(shù)發(fā)生器 .vi”節(jié)點(diǎn)，放置到程序設(shè)計(jì)區(qū)適當(dāng)位置。 </p

42、><p>　　移動(dòng)光標(biāo)到“Frequency”（頻率）端口上，單擊鼠標(biāo)右鍵，從彈出快捷菜單中，執(zhí)行【創(chuàng)建】【輸入控件】菜單命令，創(chuàng)建一個(gè)與“Frequency”端口相連接的輸入控件節(jié)點(diǎn)，并自動(dòng)連線，同時(shí)在前面板上創(chuàng)建了一個(gè)與該節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的數(shù)值輸入控件對(duì)象。 </p><p>　　用同樣的方法，分別通過(guò)“Amplitude”（幅值），“Phase” （相位），“Signal Type”（信號(hào)類(lèi)型

43、），“Reset Signal”（重置信號(hào)），“Offset”（偏移量），“Sampling Info”（采樣信息）端口創(chuàng)建數(shù)值輸入控件，調(diào)整這些數(shù)值輸入控件節(jié)點(diǎn)在程序框圖中的位置，并按圖2-3所示進(jìn)行連線。</p><p>　　圖2-3 信號(hào)發(fā)生器程序框圖</p><p>　　重復(fù)上述設(shè)計(jì)步驟再設(shè)計(jì)一個(gè)基本信號(hào)發(fā)生器如圖2-4所示</p><p>　　在前面板中

44、添加“波形圖3”，再在程序框圖中添加函數(shù)【編程】【數(shù)組】【創(chuàng)建數(shù)組】，將兩個(gè)信號(hào)“信號(hào)輸出端”組疊加數(shù)組，并將數(shù)組輸出和“波形圖表3”接線端連接起來(lái)，運(yùn)行程序，并調(diào)整時(shí)間軸使其合理以適應(yīng)波形，達(dá)到研究效果。</p><p>　　圖2-4 雙路信號(hào)發(fā)生器程序框圖</p><p>　　定時(shí)對(duì)于所有測(cè)試、控制和設(shè)計(jì)應(yīng)用而言是至關(guān)重要的，在系統(tǒng)中必須作為重點(diǎn)進(jìn)行考慮。當(dāng)需要完成協(xié)同動(dòng)作時(shí)，定時(shí)和

45、同步技術(shù)將事件以時(shí)間進(jìn)行關(guān)聯(lián)。要讓軟件完成這些協(xié)同動(dòng)作，程序必須以時(shí)間為基準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。NI Labview中包含了定時(shí)結(jié)構(gòu)，可以在系統(tǒng)中用它來(lái)同步您的程序。</p><p>　　打開(kāi)【函數(shù)】【編程】【結(jié)構(gòu)】函數(shù)選項(xiàng)板，從中選擇“While循環(huán)”節(jié)點(diǎn)，放置到程序框圖設(shè)計(jì)區(qū)，并調(diào)整大小，使其包含所有的節(jié)點(diǎn)，這樣框圖最外層是一個(gè)while循環(huán)，保證輸出波形的連續(xù)。</p><p>　　打開(kāi)【函

46、數(shù)】【編程】【定時(shí)】函數(shù)選項(xiàng)板，選擇“等待（ms）”函數(shù)節(jié)點(diǎn)，放置在“While 循環(huán)”結(jié)構(gòu)框圖中，移動(dòng)光標(biāo)到“等待（ms）”節(jié)點(diǎn)的“等待時(shí)間”端口上，單擊鼠標(biāo)右鍵，執(zhí)行【創(chuàng)建】【常量】菜單命令，創(chuàng)建一個(gè)數(shù)值常量并修改常量值為“50”，如圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5 雙路示波器程序框圖</p><p>　　運(yùn)行程序后結(jié)果如圖2-6，設(shè)計(jì)可以通過(guò)分別設(shè)置不同的信號(hào)參數(shù)，使兩

47、路信號(hào)的時(shí)域波形同時(shí)顯示在一個(gè)波形圖表中，所以能夠更直觀的觀察信號(hào)的聯(lián)系和區(qū)別，也為后續(xù)的設(shè)計(jì)做了前期準(zhǔn)備工作。</p><p>　　圖2-6 雙路示波器前面板</p><p>　　第3章 信號(hào)處理器——虛擬示波器和頻譜儀</p><p>　　3.1虛擬示波器和頻譜儀的設(shè)計(jì)思路</p><p>　　本章節(jié)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，設(shè)

48、計(jì)目的是在同一個(gè)前面板中對(duì)比顯示信號(hào)的頻譜與相位譜，以驗(yàn)證課本上時(shí)域和頻域中信號(hào)波形的一般特點(diǎn)。信號(hào)處理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測(cè)試儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的一個(gè)重要組成部分,信號(hào)的采集總是與信號(hào)處理是分不開(kāi)的，F(xiàn)FT頻譜變換（幅值-相位）節(jié)點(diǎn)用于對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT變換，然后在此基礎(chǔ)上求信號(hào)變換后的幅值和相位譜，并進(jìn)行分析。</p><p>　　3.2虛擬示波器和頻譜儀的前面板設(shè)計(jì)</p><p>　

49、　創(chuàng)建一個(gè)新的VI，切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下，在設(shè)計(jì)區(qū)放置5個(gè)“波形圖表”控件，分別編輯它們的標(biāo)簽為“時(shí)間信號(hào)”、“FFT幅值譜1” 、“FFT相位譜1” 、“FFT幅值譜2”和 “FFT相位譜2” 。切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下，適當(dāng)調(diào)整各控件的大小和位置，并設(shè)置各個(gè)輸入控件的輸入?yún)?shù)，然后單擊工具欄上程序運(yùn)行按鈕，開(kāi)始運(yùn)行程序，其中的一個(gè)運(yùn)行界面如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 虛擬示波器和頻譜儀前面

50、板設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1傅里葉變換和FFT變換</p><p>　　使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理工作的要求導(dǎo)致了離散傅里葉變換的產(chǎn)生，因?yàn)橛?jì)算機(jī)要處理數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)必須是離散且有限長(zhǎng)度的,要用計(jì)算機(jī)完成頻譜分析和其他的工作,通常的處理操作是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣得到離散序列。實(shí)際信號(hào)可能是有限長(zhǎng)的,也可能是無(wú)限長(zhǎng)的。若x (n) 為有限長(zhǎng)序列,則令長(zhǎng)度為N ;若x (n) 是無(wú)限長(zhǎng)的,可

51、用矩形窗將其截成N 點(diǎn),然后將這N 點(diǎn)序列視為周期序列的一個(gè)周期。對(duì)于離散傅里葉變換,求出N 點(diǎn)X( k) 需要N2 次復(fù)數(shù)乘法,N(N - 1) 次復(fù)數(shù)加法。每次復(fù)數(shù)乘法需要做四次實(shí)數(shù)乘法,兩次實(shí)數(shù)加法。因此計(jì)算N 點(diǎn)X(k) 總共需要做4N2次實(shí)數(shù)乘法和4N(N - 0. 5) 次實(shí)數(shù)加法。DFT 運(yùn)算中包含大量重復(fù)運(yùn)算,充分利用這一性質(zhì)可以簡(jiǎn)化DFT 運(yùn)算。</p><p>　　3.2.2虛擬示波器和頻譜儀

52、的程序框圖設(shè)計(jì)</p><p>　　切換到程序框圖設(shè)計(jì)窗口下，在設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“基本函數(shù)發(fā)生器 .vi”節(jié)點(diǎn)，一個(gè)“While循環(huán)”節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的端口創(chuàng)建相應(yīng)的輸入/輸出控件，本設(shè)計(jì)中用到了Real FFT . vi 模塊。該模塊位于【編程】【波形】【模擬波形】【波形測(cè)量】【FFT頻譜（幅度-相位）】，具有實(shí)數(shù)快速傅里葉變換功能,即輸入為實(shí)數(shù)數(shù)組,輸出結(jié)果為復(fù)數(shù)數(shù)組。</p><p>

53、;　　圖3-2是完成的程序框圖的設(shè)計(jì)。</p><p>　　圖3-2 虛擬示波器和頻譜儀的程序框圖</p><p>　　從程序框圖可以看出，整個(gè)程序處于一個(gè)大的While循環(huán)中，這樣在各時(shí)刻，當(dāng)調(diào)整參數(shù)時(shí)，程序也會(huì)立即更新，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，虛擬示波器和頻譜儀會(huì)停止工作。</p><p>　　在前面板FFT幅值譜譜和FFT相位譜的【X標(biāo)尺】【屬性】中調(diào)整最大值使運(yùn)

54、行程序是可以顯示出合理的可供研究的波形，運(yùn)行程序后結(jié)果如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 虛擬示波器和頻譜儀的運(yùn)行前面板</p><p>　　3.3周期信號(hào)幅度譜特性的分析研究</p><p>　　3.3.1周期信號(hào)的離散性</p><p>　　由圖3-3可以選看出，周期信號(hào)的頻譜由不連續(xù)的線條組成，每一條線代表一個(gè)正弦量，故稱(chēng)

55、為離散頻譜。如圖3-4當(dāng)使用方波作為信號(hào)源時(shí)，調(diào)整X軸坐標(biāo)使其足夠大，可以看到周期矩形脈沖的頻譜中的包絡(luò)線是很明顯的抽樣函數(shù)。</p><p>　　圖3-4 雙路示波器和頻譜儀方波顯示</p><p>　　3.3.2周期信號(hào)的諧波性</p><p>　　由圖3-3可以看出，信號(hào)一中，諧波幅度譜線出現(xiàn)在頻率為6、12、18、24……；信號(hào)二的諧波幅度譜線出現(xiàn)在頻率為

56、5、10、15、20……，者分別對(duì)應(yīng)了兩種信號(hào)各自頻率的整數(shù)倍數(shù)，所以得以驗(yàn)證周期信號(hào)頻譜的每條譜線只能出現(xiàn)在基波頻率的整數(shù)倍頻率上。這就是周期信號(hào)頻譜的諧波性。</p><p>　　3.3.3周期信號(hào)的收斂性</p><p>　　由圖3-3及圖3-4可以看出，各次諧波的振幅，總的趨勢(shì)是隨著諧波次數(shù)的增高而逐漸減小。所以，周期信號(hào)的頻譜具有收斂性。</p><p>

57、　　以上就是周期信號(hào)頻譜的三個(gè)特點(diǎn)：離散性、諧波性、收斂性。通過(guò)設(shè)計(jì)的虛擬示波器和頻譜儀可以得到驗(yàn)證。</p><p>　　3.3.4周期信號(hào)的有效頻譜寬度</p><p>　　在周期信號(hào)的頻譜分析中，周期矩形脈沖信號(hào)的頻譜具有典型的意義，得到廣泛的應(yīng)用。下面周期矩形脈沖信號(hào)為例，進(jìn)一步研究其頻譜寬度與脈沖寬度之間的關(guān)系。</p><p>　　對(duì)周期矩形信號(hào)進(jìn)行傅里

58、葉變換，設(shè)信號(hào)f(t)的脈沖寬度為，脈沖幅度為E，重復(fù)周期為T(mén)，重復(fù)角頻率為。</p><p>　　圖3-5顯示的是周期矩形信號(hào)進(jìn)行三角形式的單邊傅里葉變換后得出的頻譜和相位譜。</p><p>　　（a） </p><p><b>　?。╞） </b></p><p>　　圖3-5 周期

59、矩形脈沖信號(hào)的頻譜和相位譜</p><p>　　由圖3-5可以得出以下結(jié)論：</p><p>　　(1) 周期矩形脈沖信號(hào)的頻譜是離散的，兩譜線間隔為。</p><p>　　(2) 直流分量、基波及各次諧波分量的大小正比于脈幅E和脈寬，反比于周期T,其變化受包絡(luò)線的牽制。</p><p>　　(3) 當(dāng)時(shí)，譜線的包絡(luò)線過(guò)零點(diǎn)。因此稱(chēng)為零分量頻

60、率。</p><p>　　(4) 周期矩形脈沖信號(hào)包含無(wú)限多條譜線，它可分解為無(wú)限多個(gè)頻率分量，但其主要能量集中在第一個(gè)零分量頻率之內(nèi)。因此通常把這段頻率范圍稱(chēng)為矩形信號(hào)的有效頻譜寬度或信號(hào)的占有頻帶。</p><p>　　顯然，有效頻譜寬度B只與脈沖寬度有關(guān)，而且成反比關(guān)系。</p><p>　　有效頻譜寬度是研究信號(hào)與系統(tǒng)頻率特性的重要內(nèi)容，要使信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)

61、不失真，就要求系統(tǒng)本身所具有的頻率特性必須與信號(hào)的頻寬相適應(yīng)。</p><p>　　3.3.4離散頻譜與連續(xù)頻譜的關(guān)系</p><p>　　在軟件操作中，由于占空比，要使脈沖寬度增大而周期T不變，以觀察譜線的密集度的變化情況，則增大的倍數(shù)應(yīng)該等于占空比m增大的倍數(shù)。圖3-6給出了脈沖寬度增大而周期T不變的周期矩形脈沖信號(hào)的頻譜。</p><p>　　由圖可見(jiàn)，由于周

62、期相同，因而相鄰譜線的間隔相同，脈沖寬度愈窄，其頻譜包絡(luò)線的第一個(gè)零點(diǎn)的頻率越高，及信號(hào)帶寬越寬，頻帶內(nèi)所含的分量越多。</p><p>　　可見(jiàn)，信號(hào)的頻帶寬度與脈沖寬度成反比。反之，信號(hào)周期不變而脈沖寬度減小時(shí)，頻譜的幅度也相應(yīng)減小。</p><p>　　圖3-6 周期相同脈沖寬度不同時(shí)的幅度譜對(duì)比</p><p>　　當(dāng)周期無(wú)限增大時(shí)，f(t)變?yōu)榉侵芷谛盘?hào)

63、，相鄰譜線間隔趨近于零。相應(yīng)振幅趨于無(wú)窮小量，從而周期信號(hào)的離散頻譜過(guò)渡到非周期信號(hào)的連續(xù)頻譜。當(dāng)時(shí)，即,頻譜線無(wú)限密集，頻譜幅度無(wú)限趨小。</p><p>　　如圖3-7，當(dāng)信號(hào)曲線的頻率從7降到1的過(guò)程中，譜線越來(lái)越密集，逐漸變成連續(xù)譜。</p><p>　　圖3-7 連續(xù)譜和離散譜的對(duì)比分析</p><p>　　第4章 周期矩形信號(hào)的諧波分解與疊加<

64、/p><p>　　4.1周期性矩形脈沖信號(hào)的分解與疊加的基本原理</p><p>　　4.1.1周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)分析</p><p>　　按照傅里葉級(jí)數(shù)的定義，周期函數(shù)f(t)可由三角函數(shù)的線性組合表示，若f(t)的周期為，角頻率， 頻率 ,傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)表達(dá)式為：</p><p>　　式中n為正數(shù)，各次諧波成分的幅度值按以下各式計(jì)算：<

65、;/p><p><b>　　直流分量： </b></p><p>　　余弦分量的幅度： </p><p>　　正弦分量的幅度： </p><p>　　必須指出，并非任意周期信號(hào)都能進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)。被展開(kāi)的函數(shù)f(t)需要滿足如下的一組充分條件，這組條件成為“狄利克雷（Dirichlet）條件”:</p>

66、<p>　　在一周期內(nèi)，如果有間斷點(diǎn)存在，則間斷點(diǎn)的數(shù)目應(yīng)是有限個(gè)；</p><p>　　在一周期內(nèi)，極大值和極小值的數(shù)目應(yīng)是有限個(gè)；</p><p>　　在一周期內(nèi)，信號(hào)是絕對(duì)可積的，即等于有限值（為周期）。</p><p>　　任何周期信號(hào)只要滿足狄利克雷條件就可以分解成直流分量及許多正弦、余弦分量。這些正弦、余弦分量的頻率必定是基頻的整數(shù)倍。通常

67、把頻率為的分量稱(chēng)為基波，頻率為，，．．．等分量分別稱(chēng)為二次諧波、三次諧波．．．等。顯然，直流分量的大小以及基波與各次諧波的幅度、相位取決于周期信號(hào)的波形。一般說(shuō)來(lái)，需要無(wú)限多項(xiàng)次諧波相加才會(huì)逼近原周期信號(hào)。</p><p>　　4.1.2周期性矩形脈沖信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)</p><p>　　圖4-1 周期矩形波</p><p>　　設(shè)周期矩形脈沖信號(hào)f(t)的脈沖寬

68、度為，脈沖幅度為E，重復(fù)周期為，</p><p>　　如圖4-1所示，此信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的表示式為</p><p>　　把周期信號(hào)展成三角形式傅里葉級(jí)數(shù)：</p><p>　　其中，余弦分量的幅度： </p><p>　　由于是偶函數(shù)，所以。</p><p>　　這樣，周期矩形信號(hào)的三角形式傅里葉級(jí)數(shù)為：</p

69、><p><b>　　(1-1)</b></p><p>　　從上式可得出直流分量、基波及各次諧波分量的幅度：</p><p>　?。?-2） </p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　根據(jù)式（1-2）、（1-3）可以分別

70、畫(huà)出周期矩形脈沖信號(hào)三角形式表示的單邊幅度譜和相位譜，見(jiàn)前面第3章的分析中，圖3-5矩形脈沖信號(hào)的幅度譜和相位譜。</p><p>　　根據(jù)諧波理論，周期矩形脈沖信號(hào)可以分解成無(wú)窮多個(gè)頻率分量，也就是說(shuō)，周期信號(hào)是由多個(gè)單一頻率的正弦信號(hào)疊加的，各正弦信號(hào)的頻率是周期信號(hào)頻率的整數(shù)倍。</p><p><b>　　諧波參數(shù)為：</b></p><p

71、>　　根據(jù)圖4-3相位譜可得：</p><p><b>　　化簡(jiǎn)后可得：</b></p><p>　　式中[m]運(yùn)算符表示對(duì)數(shù)值m向下取整。</p><p>　　同樣，任一周期信號(hào)也可以由一系列單一的頻率分量按上式所定的頻率、幅度和相位進(jìn)行疊加。理論上需要諧波個(gè)數(shù)為無(wú)限，但由于諧波幅度隨著諧波次數(shù)的增加信號(hào)幅度減少，因而只需取一定數(shù)目的諧

72、波數(shù)即可。</p><p>　　以上分析了周期性矩形脈沖的諧波分量，為了在設(shè)計(jì)的諧波分解虛擬儀器中適用偶函數(shù)的特性，必須使生成脈沖信號(hào)為偶函數(shù)，這就要求占空比與相位滿足條件：</p><p><b>　　.</b></p><p>　　占空比用m表示，相位用表示。</p><p>　　4.2周期性矩形脈沖信號(hào)的諧波分解編

73、程及實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.2.1原始矩形脈沖信號(hào)發(fā)生的編程</p><p>　　在程序框圖的設(shè)計(jì)中，根據(jù)4.1中關(guān)于占空比與相位的關(guān)系分析，要使占空比能以百分?jǐn)?shù)的形式對(duì)相位進(jìn)行控制，使生成的周期矩形脈沖信號(hào)必須是偶函數(shù)，由于在“函數(shù)發(fā)生器.VI”節(jié)點(diǎn)的占空比端口上，默認(rèn)數(shù)值為0-100，占空比必須先除以100再納入計(jì)算，圖4-4是周期矩形脈沖生成的程序框圖，函數(shù)類(lèi)型選擇“Squar

74、e Wave”方波。</p><p>　　圖4-4 矩形脈沖發(fā)生程序框圖</p><p>　　4.2.2各次諧波發(fā)生的編程與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　圖4-5是諧波發(fā)生部分一次和二次諧波發(fā)生的程序框圖，根據(jù)4.1的分析，所有諧波都是正弦波，所以諧波發(fā)生的函數(shù)類(lèi)型固定為“Sine Wave”,頻率及幅度的計(jì)算依據(jù)諧波參數(shù)公式</p><p>

75、　　由于在波形發(fā)生部分，幅度的表示只是x軸以上的部分，因此在諧波發(fā)生部分幅度要乘以4，才能在后續(xù)疊加達(dá)到理想效果。</p><p>　　圖4-5 程序框圖一次和二次諧波發(fā)生的一部分</p><p>　　二次諧波的參數(shù)中，頻率是一次諧波的二倍，幅度是一次諧波的二分之一，其他不變，在程序框圖的處理中體現(xiàn)在圖4-5中，后面高次諧波的發(fā)生同理。</p><p>　　諧波的

76、相位問(wèn)題在本設(shè)計(jì)中是重難點(diǎn)，從圖4-3中可以看出，各次諧波的初相各不相同。但在最初的程序編寫(xiě)中，對(duì)于分解前 N 次諧波分量時(shí)，我們并沒(méi)有考慮各次諧波的相位問(wèn)題，造成前 N 次諧波的疊加波形得不出與原波形相似的情況。圖4-6是沒(méi)有考慮諧波相位的設(shè)計(jì)前面板，所有諧波的相位等同于原始矩形脈沖的相位，隨著諧波的疊加不能得到原始波形。</p><p>　　圖4-6 沒(méi)有考慮諧波相位的疊加前面板</p>&l

77、t;p>　　根據(jù)4-1中關(guān)于諧波相位的分析，各次諧波相位必須滿足公式：</p><p>　　式中m為占空比，n為諧次數(shù)運(yùn)算符[m]表示對(duì)方括號(hào)內(nèi)數(shù)值m向下取整。</p><p>　　把矩形信號(hào)的占空比代入公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果對(duì)每次諧波的相位進(jìn)行輸入控制，如圖4-7所示，是程序框圖中關(guān)于相位控制的一部分，在每一個(gè)相位控制上要加上，這是因?yàn)槲覀兎治龅氖桥己瘮?shù)的矩形脈沖信號(hào)，所以所有諧波都比

78、標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)的相位相差。</p><p>　　圖4-7 程序框圖諧波相位控制的一部分</p><p>　　如圖4-8是矩形脈沖和諧波程序框圖的運(yùn)行結(jié)果，分別是占空比為20%和50%的矩形脈沖信號(hào)及諧波顯示，上部分是矩形脈沖信號(hào)，下部分是各自的四次諧波，可觀察到，只調(diào)整占空比，產(chǎn)生的矩形脈沖時(shí)刻為偶函數(shù)，改變諧波分解次數(shù)，可看到個(gè)次諧波以不同顏色層次分明得顯示在“各次諧波信號(hào)”波形圖表中

79、。</p><p>　　圖4-8 占空比為20%（左圖）和50%（右圖）偶函數(shù)矩形脈沖及諧波前面板</p><p>　　4.3周期性矩形脈沖信號(hào)的諧波疊加編程及實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.3.1各次諧波的疊加編程</p><p>　　諧波疊加部分使用的是一個(gè)條件循環(huán)，條件循環(huán)的分支選擇器連接諧波的分解次數(shù)N，在不同的分支下進(jìn)行不同次數(shù)的諧

80、波多路顯示和疊加。</p><p>　　圖4-9是條件循環(huán)結(jié)構(gòu)的程序框圖。本設(shè)計(jì)在諧波疊加上最高次做到12次疊加，在此僅對(duì)諧波2次、3次和12次疊加的程序框圖條件循環(huán)進(jìn)行截圖。</p><p><b>　　（a）</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p><b>

81、　　(c)</b></p><p>　　圖4-9 諧波疊加條件循環(huán)中的（a）2次、(b)3次、(c)12次諧波疊加</p><p>　　對(duì)于諧波的多路顯示使用程序框圖中【函數(shù)】【Express】【信號(hào)操作】【合并信號(hào)】節(jié)點(diǎn)，對(duì)于諧波的疊加疊加使用程序框圖中【函數(shù)】【編程】【加】節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐個(gè)疊加，最后分別連接于“各級(jí)諧波疊加信號(hào)”和“各級(jí)諧波分家信號(hào)”波形圖表。</p&g

82、t;<p>　　4.3.2各次諧波的疊加實(shí)現(xiàn)</p><p>　　對(duì)設(shè)計(jì)的諧波疊加進(jìn)行舉例實(shí)現(xiàn)：</p><p>　　矩形脈沖信號(hào)1：幅度3.8，頻率2.2，占空比25%。</p><p>　　根據(jù)占空比計(jì)算信號(hào)的各諧波的相位：</p><p>　　所以，1-4次諧波的相位為0,4-8次諧波的相位為,8-12次諧波的相位為0……

83、，將計(jì)算的得到的數(shù)值輸入到右邊的個(gè)次諧波相位數(shù)值輸入控件中。</p><p>　　圖4-10是信號(hào)1 的分解與疊加實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)最高疊加次數(shù)為12次，在此僅對(duì)3次、7次及12次諧波疊加前面板進(jìn)行截圖。</p><p><b>　?。╝）</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p&g

84、t;<b>　　(c)</b></p><p>　　圖4-10 信號(hào)1的3次（a）、7次（b）、12次（c）諧波分解與疊加前面板</p><p>　　為了證實(shí)本設(shè)計(jì)的一般性，對(duì)信號(hào)2再次進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：</p><p>　　矩形脈沖信號(hào)2：幅度3.8，頻率2.2，占空比80%。</p><p>　　根據(jù)占空比計(jì)算信號(hào)的各諧波的

85、相位：</p><p>　　所以相位為0的諧波次數(shù)為1次、3次、6次、8次、11次，相位為的是2次、4次、5次、7次、9次、10次、12次，將計(jì)算的得到的數(shù)值輸入到右邊的個(gè)次諧波相位數(shù)值輸入控件中。</p><p>　　圖4-11是信號(hào)2的3次、7次、12次諧波分解與疊加的前面板。</p><p><b>　　(a)</b></p>

86、<p><b>　　(b)</b></p><p><b>　　(c)</b></p><p>　　圖4-11 信號(hào)2的3次（a）、7次（b）、12次（c）諧波分解與疊加前面板</p><p>　　利用Labview 軟件可以很方便的將周期信號(hào)進(jìn)行分解, 很好的實(shí)現(xiàn)了周期信號(hào)的分解與疊加實(shí)驗(yàn)過(guò)程, 直觀而形

87、象的對(duì)周期信號(hào)的構(gòu)成進(jìn)行研究, 利用傅里葉級(jí)數(shù)中的有限次正弦諧波近似的疊加周期信號(hào)。在驗(yàn)證了傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)原理的同時(shí)利用虛擬儀器程序研究了有限項(xiàng)疊加過(guò)程中, 只能近似得用疊加波形來(lái)表示被分解波形, 但是隨著疊加諧波的項(xiàng)數(shù)增加, 疊加波形越接近實(shí)際周期波形?？梢钥吹街C波次數(shù)越多, 疊加得到的周期信號(hào)就越接近被分解的原始周期信號(hào)。由此可見(jiàn)，本設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　第5章 信號(hào)濾波器</p&

88、gt;<p>　　5.1濾波器的作用及Labview實(shí)現(xiàn)</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中, 干擾信號(hào)經(jīng)常會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定, 有時(shí)問(wèn)題很?chē)?yán)重。如果要消除干擾， 可用數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。數(shù)字濾波技術(shù)是指在軟件中對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行消除干擾的處理。一般來(lái)說(shuō), 除了在硬件中對(duì)信號(hào)采取抗干擾措施之外, 還要在軟件中進(jìn)行數(shù)字濾波的處理, 以進(jìn)一步消除附加在數(shù)據(jù)中的各式各樣的干擾, 使采集到數(shù)據(jù)能夠真實(shí)地反

89、映現(xiàn)場(chǎng)的工藝實(shí)際情況。</p><p>　　濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其他頻率成分。在測(cè)試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以慮除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。同樣，在測(cè)試VI中，也可以利用Labview提供的濾波器VI對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪或提取特定頻率信號(hào)。</p><p>　　現(xiàn)在我們首先對(duì)濾波器的基本概念作一了解，再詳細(xì)介紹Labview中濾波器的應(yīng)用。

90、理想濾波器是一個(gè)理想化的模型。一個(gè)理想濾波器應(yīng)在所需的帶通內(nèi)幅頻特性為常值，相頻特性為通過(guò)原點(diǎn)的直線，在帶通外幅頻特性直應(yīng)為零，這樣才能使帶通內(nèi)輸入信號(hào)的頻率成分得以不失真地傳輸，而在帶通外的頻率成分全部衰減掉。</p><p>　　實(shí)際濾波器的特性曲線沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，通頻帶中幅頻特性也并非常數(shù)，因此需要用更多的參數(shù)來(lái)描述實(shí)際濾波器的性能，主要參數(shù)有紋波幅度，截子頻率，寬帶，品質(zhì)等因素。</p>

91、<p>　　和其他編程語(yǔ)言一樣，Labview中提供了許多現(xiàn)成的濾波器模板，合理設(shè)置參數(shù)即可方便地用來(lái)進(jìn)行信號(hào)慮波。</p><p>　　數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)分析中重要的組成部分，數(shù)字濾波器嗍是指輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)一定運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號(hào)所含頻率成分的相對(duì)比例或?yàn)V除某些頻率成分的器件。擬濾數(shù)字濾波器相比模擬濾波器有處理靈活、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　5

92、.2有限沖擊響應(yīng)（FIR）和無(wú)限沖擊響應(yīng)（IIR）濾波器的聯(lián)系與區(qū)別</p><p>　　跟據(jù)沖激響應(yīng)，可將濾波器分為有限沖激響應(yīng)（FIR）和無(wú)限沖激響應(yīng)（IIR）濾波器。如果濾波器的沖激響應(yīng)在一定時(shí)間之后衰減為0，那么這個(gè)濾波器被稱(chēng)為有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器。但是，如果沖激響應(yīng)一直保持，那么這個(gè)濾波器被稱(chēng)為無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器（IIR）。沖激響應(yīng)是否有限（即濾波器是IIR還是FIR）取決于濾波器的輸出的計(jì)算方

93、法。</p><p>　　IIR濾波器和FIR濾波器之間最基本的差別是，對(duì)于IIR濾波器，輸出只取決于當(dāng)前和以前的輸入值，而對(duì)于FIR濾波器，輸出不僅取決于當(dāng)前和以前的輸入值，還取決于以前的輸出值。簡(jiǎn)單地說(shuō)，F(xiàn)IR濾波器需要使用遞歸算法。</p><p>　　IIR濾波器的缺點(diǎn)是它的相位響應(yīng)是非線形的。在不需要相位信息的情況下，例如簡(jiǎn)單的信號(hào)監(jiān)控，那么IIR濾波器就符合需要。而對(duì)于那些需要

94、線形相位響應(yīng)的情況，應(yīng)當(dāng)使用FIR濾波器。但是，IIR濾波器的遞歸性增大了它的設(shè)計(jì)與執(zhí)行的難度。</p><p>　　因?yàn)闉V波器的初始狀態(tài)是0（負(fù)指數(shù)是0），所以在到達(dá)穩(wěn)態(tài)之前會(huì)出現(xiàn)與濾波器階數(shù)相對(duì)應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程。對(duì)于低通和高通濾波器，過(guò)渡過(guò)程或者延遲的持續(xù)時(shí)間等于濾波器的階數(shù)。 </p><p>　　綜上所述，F(xiàn)IR濾波器系統(tǒng)總是穩(wěn)定的、易于實(shí)現(xiàn)線性相位、允許設(shè)計(jì)多通帶或多阻帶濾波

95、器，IIR濾波器則可以用較低的階數(shù)獲得較高的選擇性，在相同門(mén)級(jí)規(guī)模和相同時(shí)鐘速度下可以提供更好的帶外衰減特性。</p><p>　　5.2.1 Labview中數(shù)字濾波器分類(lèi)</p><p>　　Labview提供的IIR濾波器類(lèi)型有Butterworth、Chebyshaev、Inverse Chebyshave、Elliptic和Bezel。它們都有各自的特點(diǎn)，用途也不盡相同

96、。 （1） Butterworth在所有頻率上提供平滑的響應(yīng)，但過(guò)渡帶下降較為緩慢，陡峭程度同階數(shù)成正比。 （2） Chebyshev在通帶中是等副的紋波，阻帶中單調(diào)衰減，過(guò)渡迅速。 （3） Inverse Chebyshav也稱(chēng)ChebyshevⅡ型濾波器，與Chebyshev類(lèi)似，不同時(shí)=是ChebyshevⅡ型濾波器將誤差分散到阻帶中，而且擁有最平穩(wěn)的通帶。 （4） Elliptic橢圓濾波器將峰值誤差分

97、散到通帶和阻帶中，與Butterworth和Chebyshev相比具有更陡峭的過(guò)渡帶，因此橢圓濾波器的應(yīng)用較為廣泛。 （5） Bessel具有最為平坦的幅度和相位響應(yīng)。在通帶中貝塞爾濾波器的相位響應(yīng)近似于線性，必須通過(guò)提高階數(shù)來(lái)減小誤差，因此應(yīng)用不太廣泛。 Labview提供的FIR濾波器有基于乘窗設(shè)計(jì)的濾波器FIR Windowed Filt.vi和基于Parks-M</p><p&

98、gt;　　在高級(jí)面板中，濾波器的設(shè)計(jì)部分和執(zhí)行部分是分開(kāi)的。由于濾波器的設(shè)計(jì)很費(fèi)時(shí)間，而濾波過(guò)稱(chēng)則很快。在含有循環(huán)結(jié)構(gòu)的程序中，可以將濾波器的設(shè)計(jì)放在循環(huán)外，將設(shè)計(jì)好的濾波器參數(shù)傳遞到循環(huán)內(nèi)，在循環(huán)內(nèi)進(jìn)行濾波，從而提高程序運(yùn)行效率。</p><p>　　5.3 在Labview中設(shè)計(jì)濾波器</p><p>　　利用Labview設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器，可以實(shí)現(xiàn)IIR、FIR等數(shù)字濾波功能，參數(shù)

99、可調(diào)。進(jìn)行了濾波器的設(shè)計(jì)。將兩路不同頻率的信號(hào)先疊加，然后通過(guò)濾波，將一路信號(hào)濾除，而保留有用信號(hào)。</p><p>　　疊加作用即將兩個(gè)信號(hào)相加，用到了一個(gè)數(shù)學(xué)公式。然后信號(hào)進(jìn)入到一個(gè)選擇結(jié)構(gòu)，選擇結(jié)構(gòu)中有兩路分支，每路分支均有一個(gè)濾波模塊，其中一個(gè)為IIR濾波器，另一個(gè)為FIR濾波器，通過(guò)滑動(dòng)選擇按鈕可選擇IIR或是FIR.每個(gè)濾波模塊都可通過(guò)外部按鈕對(duì)其參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，各個(gè)過(guò)程的波形都用波形圖顯示出來(lái)。<

100、;/p><p>　　如圖5-1所示為數(shù)字濾波器的程序框圖。</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖5-1 (a) 選擇FIR濾波器程序框圖 （b）選擇IIR濾波器程序框圖</p><p>　　圖中的仿真信

101、號(hào)選擇程序框圖中右鍵“函數(shù)”菜單中【信號(hào)處理】【波形生成】【仿真信號(hào)】，在圖標(biāo)上單擊右鍵選擇快捷菜單中“屬性”項(xiàng)時(shí)，可對(duì)VI進(jìn)行配置。配置框圖如圖5-2。</p><p>　　圖5-2 仿真信號(hào)參數(shù)配置框圖</p><p>　　程序框圖中添加的“數(shù)字濾波器.VI”位于右鍵函數(shù)選板【信號(hào)處理】【波形調(diào)理】下。</p><p>　　圖中可看出，整個(gè)程序處于一個(gè)大循環(huán)中

102、，這樣在各時(shí)刻，當(dāng)調(diào)整參數(shù)時(shí)，程序也會(huì)即時(shí)更新，按停止按鈕時(shí)，濾波器停止工作。</p><p>　　如圖5-3所示為濾波器的前面板，四個(gè)波形顯示器分別顯示不同時(shí)刻的波形，而IIR和FIR的濾波參數(shù)調(diào)整按鈕都在顯示在面板上，還可以選擇濾波器的類(lèi)型。</p><p>　　通過(guò)IIR和FIR滑動(dòng)選擇按鈕可先選擇所需用的濾波器，然后對(duì)相應(yīng)的濾波器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)置表示選擇濾波器類(lèi)型，濾波效

103、果選擇如低通或高通，截止頻率設(shè)置選擇對(duì)不同頻率的信號(hào)進(jìn)行濾除。</p><p>　　圖5-3 數(shù)字濾波器前面板</p><p>　　該設(shè)計(jì)可對(duì)任意頻率的信號(hào)進(jìn)行濾波，只須濾波前弄清楚待濾波信號(hào)的各參數(shù)，然后選擇合適的濾波器并設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)即可，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該濾波器可以達(dá)到理想濾波效果。</p><p>　　5.3調(diào)試過(guò)程及結(jié)果</p><p>

104、;　　現(xiàn)對(duì)已設(shè)計(jì)的濾波器的功能進(jìn)行驗(yàn)證，看看其是否能完成相應(yīng)的濾波功能。</p><p>　　現(xiàn)將一路20Hz的正弦波和一路100Hz的正弦波進(jìn)行疊加，然后濾除其中一路，并對(duì)低通和高通進(jìn)行舉例驗(yàn)證。</p><p>　　5.3.1 低通濾波功能</p><p>　　用低通濾波器將100Hz的信號(hào)濾除，保留20Hz的信號(hào)。采用IIR巴特沃斯濾波器。</p>

105、<p>　　因?yàn)橐Ａ?0Hz的信號(hào)，故高截止頻率要設(shè)置在20Hz以上，設(shè)置為30Hz，底截止頻率設(shè)置在20Hz以下即可，設(shè)置為10Hz，調(diào)整階數(shù)為10階，其余參數(shù)不用設(shè)置，則濾波的波形如圖5-4所示。</p><p>　　圖5-4 IIR低通濾波效果</p><p>　　由圖5-4觀察可知，濾波后的波形跟疊加前的20Hz信號(hào)波形一致，即濾波效果比較理想，20Hz被完全保留

106、，而100Hz被完全濾除，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　圖5-6 FIR低通濾波效果在運(yùn)行的前面板中，按下滑動(dòng)選擇按鈕，選用FIR濾波器，濾波器的參數(shù)設(shè)置為如圖，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為Windowed FIR，抽頭數(shù)100，最低通帶10Hz，最高帶通30Hz。也可以達(dá)到理想的效果，如圖4-6所示。</p><p>　　5.3.2 高通濾波功能</p><p>　　用高通

107、濾波器將20Hz的信號(hào)濾除，保留100Hz的信號(hào)。仍然選用IIR巴特沃斯濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 先選擇IIR的巴特沃斯低通濾波器，其參數(shù)有低截止頻率設(shè)置為70，階數(shù)設(shè)置為14階，濾波效果如圖5-8。</p><p>　　圖5-8 IIR高通濾波器</p><p>　　在運(yùn)行的前面板中按下滑動(dòng)選擇按鈕，同理選用FIR進(jìn)行高通濾波，其參數(shù)為最低通帶70Hz，抽頭數(shù)調(diào)到61。也能實(shí)現(xiàn)比較理想的濾波效

108、果，如圖4-9所示。</p><p>　　圖5-9 FIR高通濾波器</p><p>　　由此可見(jiàn)，該濾波器可以達(dá)到設(shè)計(jì)目的，利用Labview實(shí)現(xiàn)的濾波器，采用圖像語(yǔ)言編程，框圖程序可讀性強(qiáng)，界面友好，操作方便，仿真結(jié)果表明，Labview設(shè)計(jì)的虛擬濾波器包括了傳統(tǒng)濾波器的功能，但比傳統(tǒng)方式節(jié)省了大梁的開(kāi)發(fā)時(shí)間，開(kāi)發(fā)效率很高。 </p><p>　　本文實(shí)現(xiàn)的數(shù)

109、字濾波器，充分發(fā)揮了Labview軟件設(shè)計(jì)的靈活性，濾波參數(shù)調(diào)節(jié)方便，可直觀地進(jìn)行頻譜分析和顯示，效果良好。</p><p>　　仿真結(jié)果表明該濾波器能夠有效地按照要求濾出信號(hào)中的干擾成分?？梢?jiàn)，Labview為設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器提供了一個(gè)可靠而有效的途徑。基于Labview的數(shù)字濾波器采用并行的程序流設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的通用性，程序響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)較窄的過(guò)渡帶，本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展和豐富，可以廣泛用于教學(xué)、預(yù)研等領(lǐng)

110、域。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在xx老師親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的，老師工作認(rèn)真，犧牲了節(jié)假日甚至是中午寶貴的午休時(shí)間下堅(jiān)持給我指導(dǎo)，給我們這一組的同學(xué)都留下了深刻的印象，也更加激勵(lì)我們必須把畢業(yè)設(shè)計(jì)做好。在我畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，和宿舍的舍友互相探討中，我得到了很大的啟發(fā)和鼓勵(lì)，他們提出了許多寶貴的建議，在設(shè)計(jì)遇到

111、瓶頸之時(shí)給予我鼓勵(lì)。藉此完成之際，謹(jǐn)向尊敬的老師和同學(xué)致以最衷心的感謝!</p><p>　　在美麗的濱海城市天津，我四年的大學(xué)生活就要結(jié)束了，回想起美好的大學(xué)時(shí)光不禁嘴角露出會(huì)心的微笑。學(xué)校的老師、同學(xué)、設(shè)施等等都是我人生最可寶貴的資源，我用了四年時(shí)間完成了整合。要畢業(yè)了，花園般的校園、尊敬的老師、可愛(ài)的同學(xué)都給我留下了最美好的回憶。在此祝愿我的母校越辦越好，祝愿老師工作順利、身體健康，希望同學(xué)們學(xué)業(yè)、事業(yè)有成