基 于 LabVIEW 的 信 号 分 析

基 于 LabVIEW 的 信

号 分 析

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目录

1 虚拟仪器的概述 .......................................................................................... 3 1.1 虚拟仪器的产生 .................................................................................... 3 1.2 虚拟仪器的构成 .................................................................................... 4 1.3 虚拟仪器的发展趋势 ............................................................................ 5 2 设计方案 ....................................................................... 错误!未定义书签。 2.1 总体设计方案 ......................................................... 错误!未定义书签。 2.2 具体设计方案 ......................................................... 错误!未定义书签。 2.2 1.频域分析的实现 ............................................. 错误!未定义书签。 2.2 2 .FFT转换 .......................................................... 错误!未定义书签。 2.2 3时域分析的方法 ............................................ 错误!未定义书签。 2.2 4电压、电流的检测 ......................................... 错误!未定义书签。 3 信号分析结果 ............................................................ 错误!未定义书签。 4 课程设计总结 ........................................................... 错误!未定义书签。 附录 参考文献 ................................................................. 错误!未定义书签。

1 虚拟仪器的概述

1.1 虚拟仪器的产生

虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能一起和虚拟仪器。第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室里还能看到，它是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、晶体管电压表、指针式电流表等。第二代数字化仪器，这类仪器现在相当普遍，这类仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量，如数字万用表、数字频率计等。第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，可以进行自动测试和数据处理功能，可能代替部分脑力老公，习惯上称为智能仪器。它的功能模块全部都是以硬件或固定软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。虚拟仪器，它是现在计算机软件技术、通信技术和测试技术高速发展孕育出的一项性技术，其导致了传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大的变革，它的出现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。

虚拟仪器（Virtual Instruments.简称VI）的概念，是美国国家仪器公司（National Instruments Corp.简称NI）于1986年提出的。NI公司同时也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场。随着现在硬件和软件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化成为各级实验室以及研究机构发展的方向。虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器。它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。

虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、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。

1.2 虚拟仪器的构成

虚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。

显示器 入机接口 信号分析及处理器 各类接口 A/D转换器 数据发生器 信号 输入 信号调理器 信号调理器 D/A转换器 信号调理器 信号 输出

图1-1 虚拟仪器的结构

目前，虚拟仪器的构成方式有以下几种： （1） PC-DAQ插卡式的VI （2） 并行口式的VI

（3） GPIB总线方式的VI （4） VXI总线方式的VI （5） PXI总线形式的VI

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。

1.3 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。

2.总体设计方案

2.1 总体设计方案 一：课程设计目的

1.了解LABVIEW的构成及发展历程、趋势。

2.练习并掌握使用LabVIEW编程，为以后的毕业设 计打下良好的基础。

3.熟悉信号的时域特征及频域特征，掌握用LabVIEW 对信号进行处理的方法。

二：总体设计方案

信号产生→→信号时域分析 ↓↓

FFT转换→→信号频域分析

2.2 具体设计方案

2.2 1.频域分析的实现

信号的时域分析主要是测量测试信号经滤波处理后的 特征值，这些特征值以一个数值表示信号的某些时域特征，是对测试信号最简单直观的时域描述。将测试信号采集到计算机后，在测试VI中进行信号特征值处理，并在测试VI前面板上直观地表达出信号的特征值，可以给测试VI的用户提供一个了解测试信号变化的快速途径。信号的特征值分为幅值特征值、时间特征值和相位特征值。

基本平均直流值与均方根VI——Basic Averaged DC——RMS.vi用于测量信号的平均以及均方差。计算方法是在信号上加窗，即将原有信号乘以一个窗函数，窗函数的类型可以选择矩形窗、Haning窗、以及Low side lob窗，然后计算加窗后信号的平均值以及均方根值。

2.2 2 .FFT转换

“fft”函数为快速傅里叶变换。通过函数—信号处理—变换—FFT命令调用。FFT变换可以实现从时域到频域信号的转变，从而进一步分析信号的频率结构。

2.2 3时域分析的方法

动态信号通过傅里叶变换从时域信号转换到频域信号，频域分析可以进一步分析信号的频率结构及频率与该频率信号的幅度的关系。将测试信号采集到计算机后，在测试VI中进行信号特征值处理，并通过傅里叶变换从时域信号转换到频域下面举例分析频域功率谱功率谱主要研究信号“FFT功率谱”函数可以计算时间信号的平均自功率谱。 选择频率1500HZ,运行结果如下图所示：

2.2 4电压、电流的检测

基于LabVIEW的虚拟示波器系统，主要由两路模拟信号输入模块、信号滤波模块、波形测量模块等构成。通过通道按钮的选择，可实现两个通道的分别采集，来对电压电流的检测。

波形的实时显示 模拟信号输入 通道选择 信号滤波 信号调节 参数测量 基于LabVIEW的虚拟示波器的结构框图

3 信号分析结果 说明：

1.通过信号产生函数产生原正弦信号并通过图形显示控件前面板上。 2.将正弦信号与白噪声混合相加分别送往幅度和电平测量函数和FFT功率谱噪声。

通过前面板的显示控件观察信号的时域和频域特性

本设计提供了三种波形显示模式： 

模式1：在此模式下，通道1显示信号A，通道2显示信号B。 模式2：在此模式下，通道1显示信号A，通道2显示信号A+B。 模式3：在此模式下，通道1显示信号B，通道2显示信号A+B。

模式1下，信号A、B均为正弦波，频率均为10KHZ

4 课程设计总结

课程设计是测控仪器设计与LabVIEW课程重要的综合性与实践性教学环节，通过设计实践不仅可以检测我们对所学知识的掌握程度，更有助于培养我们学习、搜寻所需信息的能力，引导我们树立正确的设计思想，所以我们要认真对待本次课程设计。

刚拿到设计题目时，感到这个设计很难，因为很多概念、原理和术语都不曾见过。所以，做设计之前，我花了很长时间来了解设计任务书中所给的执行文件，并通过书籍和网络来搜寻相关设计资料。等到基本掌握执行文件的各个模块的相关功能后，我开始了各个子VI的设计工作。设计过程是辛苦的，但结果是快乐的，整个设计过程基本上就是一个调试、修改、再调试、再修改的过程。有时候为了一个功能的实现可能要花去整整一个下午和一个晚上的时间，而当你完成后有时却发现有更简便的方法，可是这个时候却一点也不感到失落，因为那是自己思考的结果，也许复杂，但正因复杂才得了别人没有的经验。各子VI设计调试好后，便是建立主程序模块将它们连接起来，进行整体的功能调试，直至符合设计要求。

设计过程中存在的一些问题及解决方案：

1、 在数据采集模块，参考相关资料进行设计时，发现在LabVIEW中找不到DataAcquisition子模板中的AI Waveform Scan(scaled array).vi，利用搜索功能也不能找到，经上网查询后得知需要安装Traditional DAQ，通过老师的解答使得问题得以解决。

2、 未能实现两种信号不通频率的改变，只能在相同的频率下进行测量。

3、 调用子VI时，对于子VI的暂停以及前面板的弹出和关闭，可通过添加一条件结构和应用程序控制属性节点使问题得以解决。

通过本次毕业设计，是对我大学四年学习的知识的一次综合性考验。在整个设计和制作过程中，我对原有的知识进行了实际的应用，同时对于一些新的知识又进行了深入的学习，使我认识到了学习的知识还存在许多的缺陷和不足。

最后由衷感谢老师这些天的指导与帮助，老师辛苦了！

参考文献

【1】胡仁喜等编著. LabVIEW8.2.1虚拟仪器实例指导教程. 【2】张毅等编著. 虚拟仪器技术分析与应用. 北京:机械工业出版社,2004.2.

【3】周伟林，杨华勇，李清风。基于LabVIEW的数字滤波器的设计。

【4】罗晓丽，郭迎福等。基于LabVIEW的虚拟动态分析仪设计。矿山机械。2006

【5】杨乐平，李海涛等。LabVIEW程序设计与应用（第2版）。北京：电子工业出版社，2005

【6】侯国屏、叶齐鑫。LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计。北京：

清华大学出版社，2005