虚拟仪器及labview第七章

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1、虚拟仪器 第1页 第七章 信号分析与处理 u7.1 概述 u7.2 虚拟仪器中待测信号产生途径 u7.3 数学分析 u7.4 数字信号处理 虚拟仪器 第2页 虚拟仪器测试信号分析处理意义 u 一个仪器系统通常由三大部分组成：信号的获取与采集 、信号的分析与处理、结果的输出与显示，其中信号分 析与处理是构成测量仪器必不可少重要部分。 u 在同一硬件平台上，调用不同的测试软件就可构成不同 功能的虚拟仪器。例如： 对采集的数据通过测试软件进行标定，并在时间轴上把对应的数 据点显示出来，就构成了一台数字示波器； 对采集的数据利用软件进行FFT变换，并把各频率分量幅值在频 率轴上显示出来，则构成一台频谱

2、分析仪等。 通过信号分析与处理可求取信号的各种特征值，如峰值、真有效 值、均值、均方值、方差、标准差及频谱函数、相关函数、概率 密度函数等，可构成各种测试仪器。 虚拟仪器 第3页 传统仪器虚拟仪器虚拟仪器 待测模拟信号 信号处理 前置预处理 数据显示 信号输入 硬件电子系统 A/D转换 数字信号处理 数据显示 信号产生 信号输出 手动/模拟 信号控制 待测模拟信号 输出模拟信号 D/A转换 计算机数字 信号控制 数字信号产生 输出模拟信号 Classical InstrumentVirtual Instrument(VI) 计算机 DAQ卡 利用计算机强大、高效的数字信号处理和控制能力， 配合

3、高速高精度A/D、D/A转换卡，实现与传统专用仪器相 同乃至更强的功能，组成虚拟仪器 前置预处理 对比 测量显示类仪表 输出控制类仪表 1.1 虚拟仪器概述 虚拟仪器 第4页 相同的高速A/D采集电路组成的示波器、交流电压表和频谱分析仪 虚拟仪器 第5页 虚拟仪器测试信号分析处理程序的基本内容 u LabVIEW提供了从信号的产生、信号的运算及信号分析 处理（包括时域分析、频域分析、相关函数、统计分析） 等多种功能。 u 所谓信号分析就是采用各种物理的或数学的方法提取有用 信息的过程，而信号的描述方法提供了对信号进行各种不 同变量域的数学描述，表征了信号的数据特征，它是信号 分析的基础。通常以

4、四个变量域来描述信号，即时间域（ 简称时域）、频率域（简称频域）、幅值域和时延域。 以时间作为自变量的信号表达，称为信号的时域描述。时域描述 是信号最直接的描述方法，它反映了信号的幅值随时间变化的过 程，从时域描述图形中可以知道信号的时域特征参数，即周期、 峰值、均值、方差、均方值等。它们反映了信号变化的快慢和波 动情况，因此时域描述比较直观、形象、便于观察和记录。 虚拟仪器 第6页 以信号的频率作为自变量的信号表达，称为信号的频域描述。信 号的频域描述可以揭示信号的频率结构，即组成信号的各频率分 量的幅值、相位与频率的对应关系，因此在动态测试技术中得到 广泛应用。例如对振动、噪声等信号进行频

5、域描述，可以从频域 描述图形频谱图中观察到该振动或噪声是由哪些不同的频率 分量组成、各频率分量所占的比例、以及哪些频率分量是主要的 ，从而找出振动或噪声源，以便排除或减小有害振动或噪声。 信号的幅值域描述是以信号幅值为自变量的信号表达方式，它反 映了信号中不同强度幅值的分布情况，常用于随机信号的统计分 析。由于随机信号的幅值具有随机性，通常用概率密度函数来描 述，概率密度函数反映信号幅值在某一范围内出现的概率，提供 了随机信号沿幅值域分布的信息，它是随机信号的主要特征参数 之一。 以时间和频率的联合函数来同时描述信号在不同时间和频率的能 量密度或强度，称为信号的时延描述。它是非平稳随机信号分析

6、 的有效工具，可以同时反映其时间和频率信息，揭示非平稳随机 信号所代表的被测物理量的本质，常用于图像处理、语音处理、 医学、故障诊断等信号分析中。信号的各种描述方法是从不同的 角度观察和描述同一信号，并不改变信号的实质。 虚拟仪器 第7页 u 时域分析：测量时采集到的信号是一个时域波形。 u 频域分析：测量时直接采集到的信号是时域波形，由于时域分析 的局限性，所以往往把问题转换到频域来处理。基本方法是FFT。 u 相关分析：信号的相关分析是时（延）域中进行的一种信号分析 处理方法。 u 幅值域分析：信号的幅值域分析首先是对随机信号进行统计分析 ，可以求得信号的均值、均方值、方差、概率密度函数等

7、。 u 测量数据处理：利用统计分析技术求测量结果的平均值、方差， 进行不确定度评定，实现最小二乘法的数据拟合算法等。 u 数字滤波：滤波（即选频）是将一部分频率范围内的信号滤除掉 ，而允许另一部分频率范围内的信号通过。 虚拟仪器测试功能软件的主要内容 虚拟仪器 第8页 7.2 虚拟仪器中待测信号产生的途径 u 实测数据： 对被测的模拟信号，进行采样，A/D变换，采 样率为fs,由时间起始值t0，采样时间间隔 t=1/fs，数组Y为各个时刻的采样值。 u 仿真波形数据 在LabVIEW中的波形产生函数得到的仿真波 形数据。 u 回放数据 从文件读入以前存储的波形数据，或由其他仪 器采集的波形数据

8、。 虚拟仪器 第9页 仿真波形数据方法波形打包控件 u Build Waveform u Bundle 控件 虚拟仪器 第10页 例题1 ：利用Build waveform建立一个波形 虚拟仪器 第11页 Bundle u 定义:由时间起始值X0、X值（两个点的刻度间 隔）以及一维数组Y组合成的一个簇。 虚拟仪器 第12页 2测试信号在LabVIEW中的表示 u 在LabVIEW中测试信号已经是离散化的时域波形数据， 信号表示的数据类型有数组、波形数据和动态数据3种。 u 在LabVIEW中产生一个仿真信号，相当于通过软件实现 了一个信号发生器的功能。 u 针对不同的数据形式，LabVIEW中

9、有3个不同层次的信号 发生器 数据形式信号发生器 动态 数据类型Express VI仿真信号发生器 波形数据波形发生器VI 数组普通信号发生器VI 虚拟仪器 第13页 虚拟仪器 第14页 u 功能相同：都能产生基本信号； u 主要区别：使用的难易程度和灵活性不同。 Express仿真信号发生器产生动态数据类型的信号， 使用起来最简单； 普通信号发生器VI产生数组类型的信号，使用起来比 较复杂； 波形发生器VI产生波形数据，使用的复杂程度介于两 者之间。 3种信号发生器比较 虚拟仪器 第15页 仿真波形数据之一 Express VI 中的波形产生控件 uExpress VI是将常用 的测试功能集

10、成于 一些简单易用、交 互式的VI中 u从外观上看，它的 图标比较大，呈浅 蓝色，并且有自己 的前面板 u大多数Express VI 都接收或输出动 态数据（DDT） ：除信号本身信 息外，还有信号 的属性信息，如 名称和数据采集 的时间信息等， 它可以转化为其 他数据类型 虚拟仪器 第16页 仿真波形数据之二波形产生子模板 uBasic Function Generator uFormula Waveform uSine Waveform uSquare Waveform uTriangle Waveform uSawtooth Waveform uBasic Multitone uBasi

11、c Multitone with Amplitudes uMultitone Generator uUniform White Noise Waveform uGaussian White Noise Waveform uPeriodic Random Noise Waveform 虚拟仪器 第17页 例：基本函数发生器产生仿真信号 虚拟仪器 第18页 仿真波形数据之三信号产生子模板 虚拟仪器 第19页 7.3 数学分析功能 u 公式运算节点 u 函数计算与微积分 u 概率统计与曲线拟合 u 矩阵与数组运算 u 最优化与零点求解 u 数值函数 虚拟仪器 第20页 7.3.1 公式节点 Eval

12、 Formula Node 例1：计算yKxb(K=1,b=1) 虚拟仪器 第21页 7.3.2 函数计算 u 函数计算节点在Mathematics 1D and 2D Evalution子模板中 u 例2：计算sin(x)/x的值 虚拟仪器 第22页 7.3.3 微积分 u 微积分节点节点在MathematicsCalculus子模 板中 u 例2：计算y=x(x范围10，10)的微分、积分 的值 虚拟仪器 第23页 7.3.4 概率和统计函数 u LabVIEW也提供了大量的概率与统计函数。位置： Functions Palette的Mathematics Probability&Stat

13、istics 面板下 虚拟仪器 第24页 u 这里只着重介绍其中两个Express VI函数 Statistic和Create Histogram。 Statistic函数可以对大部分的基本统计参数进行计算 ，例如算术平均值、中数、均方根和标准方差等。 Create Histogram可以对数据进行柱状图统计。 虚拟仪器 第25页 a）前面板 例：对高斯噪声进行统计分析 虚拟仪器 第26页 首先通过Gaussian White Noise. vi产生一个2000点的满 足高斯分布的随机数序列，然后通过Create Histogram 和Statistic两个Express VI对该随机序列进行

14、分析。 b）后面板 虚拟仪器 第27页 7.3.5 曲线拟合 u 曲线拟合可以从大量 的离散数据中抽象出 各个物理量之间的内 部规律。LabVIEW 包含了大量的曲线拟 合函数，其中不仅包 括二维曲线拟合，还 包括三维曲面拟合。 u 曲线拟合函数面板位 于Functions Palette 的Mathematics Curve Fitting面板下 。 虚拟仪器 第28页 u 对数据进行二维曲线拟合时，需要输入数据的坐标 ,即X 数组和Y数组。曲线拟合的目的就是找出x和y之间的函 数关系y=f(x)。 u 对于不同的对象有不同的拟合方法。 线性拟合（Linear Fit） 指数拟合（Exp F

15、it） 幂拟合（Power Fit） 高斯拟合（Gauss Peak Fit） 对数拟合（Logarithm Fit） 多项式拟合（Polynomial Fit） 最小二乘法拟合（Gen.LS Lin.Fit） 非线性拟合(Nonlinear Curve Fit)等。 虚拟仪器 第29页 u 例1：设计一个测量温度的VI，每隔0.25秒测一 次，共测定10秒（调用子VI（Digital Temp.VI） 模拟待测的温度），在数据采集过程中，VI在 Chart上实时地显示测量结果。采集过程结束后 ，在Graph上画出实际温度数据曲线及最佳拟合 曲线，并计算所测得温度值的算术平均值、中数 、均方根和标准方差，并用直方图显示测得温度 值的数据区间以及落入到各区间的数据点个数。 虚拟仪器 第30页 虚拟仪器 第31页 7.3.6 矩阵与数组运算 u 线性代数函数面板位于Functions Palette的Mathematics Linear Algebra面板下，包括： 矩阵相乘运算（A*B. vi）； 求逆矩阵(Inverse Matrix. vi)； 求解线性方程组(Solve Linear Equations. vi)； 求矩阵的行列式(Determinant. i) 等子VI。 图3-58线性代数函数面板 虚拟仪器 第32页 虚拟仪器 第33页 图3-59 求解线性方程