1、精選優質文檔-傾情為你奉上精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業專心-專注-專業精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業實驗1 仿真信號產生實驗一、實驗目的：1熟悉LabVIEW中仿真信號的多種產生函數及參數設置。2掌握常用測試仿真信號的產生。3學會產生復雜的函數波形和任意波形。二、實驗內容：1采用Express VI仿真信號發生器，產生規定的附有噪聲的正弦信號，并顯示波形。2. 采用波形發生器VI，產生規定的附有噪聲的多波形信號，并顯示波形。3. 產生任意波形信號，并顯示和存盤。4. 采用公式節點，產生規定的復雜函數信號。三、實驗器材：安裝有LabVIEW軟件的計算機1臺四、實驗原理：

2、1虛擬儀器中獲得信號數據的3個途徑：（1）對被測的模擬信號，使用數據采集卡或其他硬件電路，進行采樣和A/D變換，送入計算機。（2）從文件讀入以前存儲的波形數據，或由其他儀器采集的波形數據。（3）在LabVIEW中的波形產生函數得到的仿真信號波形數據。2測試信號在LabVIEW中的表示在LabVIEW中測試信號已經是離散化的時域波形數據，表示信號的數據類型有數組、波形數據和動態數據3種。波形數據是一種特殊的簇結構，它由時間起始值t0、兩個采樣點的時間間隔值dt以及采樣數據一維數組Y組合成的一個簇。它的物理意義是對一個模擬信號x(t)從時間t0開始進行采樣和A/D轉換，采樣率為fs,對應采樣時間間

3、隔dt=1/fs ，數組Y為各個時刻的采樣值。對周期信號，1個周期的采樣點數等于采樣頻率除以信號頻率。3仿真信號產生函數在LabVIEW中產生一個仿真信號，相當于通過軟件實現了一個信號發生器的功能。LabVIEW提供了豐富的仿真信號，包括正弦、方波、三角波、多頻信號、調制信號、隨機噪聲信號、任意波形等。針對不同的數據形式(動態數據類型、波形數據和數組)，LabVIEW中有3個不同層次的信號發生器(Express VI仿真信號發生器、波形發生器VI和普通信號發生器VI)。4公式節點產生仿真信號用公式節點可以產生能夠用公式進行描述的信號，用公式節點可產生經過復雜運算生成的信號。公式波形Vi產生的信

4、號是波形數據，它的途徑是：模板函數信號處理波形生成公式波形vi。五、實驗步驟：1設計一個簡易的正弦波發生器，頻率、幅值和直流偏值在面板上可調，還可疊加噪聲信號，并顯示波形。分析：采用Express VI仿真信號發生器可以完成。（1）前面板設計：應包括的控件有波形頻率、幅度和直流偏值輸入設置，噪聲的標準偏差設置，顯示波形的圖形控件，還可用一個選擇開關控制程序啟動和停止。見圖1正弦波加噪聲發生器前面板。圖1 正弦波加噪聲發生器前面板（2）框圖程序設計： 圖2 正弦波加噪聲發生器框圖程序（3）運行程序：改變以上參數，注意觀察信號波形的變化。 圖3 正弦波加噪聲發生器程序2設計一個簡易的仿真多波形發生

5、器，可產生頻率、幅值和直流偏值可調的正弦、方波、三角波、鋸齒波信號，還可疊加高斯噪聲信號，并且采樣率和采樣點可選，顯示波形。分析：Express VI仿真信號發生器使用方便，在編程時用戶可改變各種參數，并能馬上演示結果。但是有些參數（包括波形類型、采樣率和采樣點等）無輸入端口，即運行程序后用戶不能從面板改變。而波形發生器VI提供了更多和靈活的輸入端口。所以本題目采用波形發生器VI中的函數來完成。（1）前面板設計：在1題的前面板基礎上再增加波形選擇旋鈕knob控件和采樣率和采樣點輸入簇控件，并對旋鈕（Knob）控件的文本列表屬性進行設置，正弦波、三角波、方波、鋸齒波對應數值分別為03。再選用一些

6、面板裝飾控件，調整各控件的位置、大小和顯示層數，把前面板設計成較美觀、實用的虛擬儀器面板，參考界面如圖4 仿真多波形發生器程序所示。圖4 仿真多波形發生器程序（2）框圖程序設計：選用波形發生器VI中的Basic Function Generator函數產生要求的4種周期信號，它的輸入參數見圖5（a）。連接波形選擇knob旋鈕到signal type端口，連接頻率、幅度、采樣參數簇端口。選用波形發生器VI中的Gaussian White Noise Waveform函數產生標準偏差可調的高斯白噪聲，用2次加法運算完成信號的直流偏值設置和疊加高斯白噪聲，因為Labview中的許多運算具有多態性（即

7、不同類型的數據可參與運算）。然后全部放入1個While循環中，用開關控制循環的結束。見圖5 仿真多波形發生器框圖程序。 (a) Basic Function Generator函數 (b) Gaussian White Noise Waveform函數圖5 仿真多波形發生器框圖程序 （3）運行程序：分別改變信號的類型、頻率、幅值和直流偏值，觀察輸出信號的變化。改變噪聲的大小，觀察輸出信號的變化。如圖6 仿真多波形發生器程序。圖6 仿真多波形發生器程序（4）在程序中添加1個指示型波形數據簇，連接到輸出波形上。讓噪聲等于0，分別改變波形和改變采樣頻率和采樣點數，觀察輸出信號波形變化，記錄波形數據。

8、注意信號的頻率與采樣頻率的關系。如圖6 仿真多波形發生器程序7圖6 仿真多波形發生器程序3產生如下圖7所示的任意波形信號，顯示波形，并且把波形數據存盤，存放格式為2維的電子表格文件。圖7 需產生的任意波形提示：采用Express VI 中的Simulate Arbitrary Signal，打開如圖8所示的對話框，根據要求從圖中得到1組X和Y的值定義信號，時間間隔取1秒。使用Waveform Graph顯示波形，可使用Write To Spreadsheet File函數存盤。需注意的是，Simulate Arbitrary Signal輸出的波形數據為動態數據，只有1組Y的值，X初始值和X間

9、隔。若直接存盤，只有Y的值，無X的值。想一想，怎樣得到X的值。圖8 Si8mulate Arbitrary Signal函數的信號定義對話框數據存表程序框圖，及數據存表結果如下圖9。圖9 數據存表程序框圖，及數據存表結果此外，也可以不采用Express VI 中的Simulate Arbitrary Signal，使用數組或表格輸入，產生任意波形，只是需要自己做的事更多。4采用公式節點，產生信號：y(t)=sin(wt)+0.6sin(3wt)+0.2sin(5wt)+t，信號的頻率和幅值面板上可調。提示：函數Formula Waveform產生波形，公式中，用pi(1)表示，t表示自變量時間

10、，公式中不能省略乘號“*”。還要選擇合適的采樣率和采樣點數，才能得到需要的波形。參考波形如圖10 所示。公式節點產生波形程序框圖如圖1111 公式節點產生波形程序框圖六、思考題1在實驗題目2中，如何實現通過面板選擇疊加不同類型的噪聲信號？提示：Labview提供了9種仿真的隨機信號產生函數，但1個函數只能產生1種噪聲，可采用包括9幀的CASE結構，每幀調用1個噪聲函數，用面板上的噪聲類型選擇控件來控制。2在實驗題目4中，信號的公式改為從面板輸入，輸入什么公式可產生三角波、指數波和對數波。實驗2交流電壓表仿真實驗一、實驗目的：1理解交流電壓的基本參量定義。2了解交流電壓的模擬測量方法。3掌握交流

11、電壓的采樣計算測量方法和計算公式，并且編程實現。4學會使用LabVIEW提供的周期信號幅值計算函數。二、實驗內容：1設計1個交流電壓表的仿真軟件（包括前面板和框圖程序），設計要求如下：可以測量周期信號（正弦、方波、三角波、鋸齒波）的有效值、峰值、直流分量（均值）和平均值。被測信號來源于LabVIEW仿真信號發生器。分別采用LabVIEW提供的時域處理函數和僅使用基本數學運算函數的方法。2使用設計的交流電壓表分別測量正弦、方波、三角波、鋸齒波信號，驗證不同波形時有效值、峰值和平均值之間的關系。3研究信號頻率與采樣頻率、采樣點數和測量誤差之間關系。4被測信號疊加噪聲后，再進行測量和分析誤差。三、實

12、驗器材：安裝有LabVIEW軟件的計算機1臺四、實驗原理：1交流電壓基本參量定義表征交流電壓的三個基本參量是有效值、峰值和平均值，其定義和計算公式如下表所示，表 名 稱意 義計算公式峰值峰值是指在一個周期內信號x(t)可能出現的最大絕對瞬時值。峰-峰值峰-峰值指在一個周期內信號最大瞬時值最小瞬時值之差的絕對值。均值（直流分量）均值是周期信號一個周期的平均幅值，是信號的常值分量。平均值交流電壓測量中，平均值通常指經過全波整流后的波形的平均值均方值均方值反映了信號的功率大小，是信號的平均功率。有效值有效值就是均方值的平方根。2測量方法：（1）基于ACDC轉換的模擬測量方法通過檢波電路將交流電壓變換

13、為峰值、平均值或有效值的直流電壓，再對直流電壓進行測量。峰值檢波的基本原理是通過二極管正向快速充電達到輸入電壓的峰值，而二極管反向截止時“保持”該峰值。其原理電路圖及波形圖如圖 所示。圖 峰值檢波原理圖（a. 串聯式，b. 并聯式，c. 波形圖）（2）模擬運算集成電路直接根據有效值的定義式，采用模擬運算的集成電路來實現，如圖所示。首先是由模擬乘法器實現平方運算，再是積分和開方運算，最后通過運算放大器的比例運算，得到有效值輸出。隨著集成電路技術的發展，計算式有效值電壓表得到更多應用。圖5-5 計算式有效值變換實現框圖（3）熱電偶有效值檢波通過被測交流電壓u(t)對加熱絲加熱，熱偶的熱端感應加熱絲

14、的溫度，維持冷端溫度T0不變，并通過連接導線連接直流微安表。由于熱端與冷端有溫差，從而產生熱電動勢，并使熱偶回路中產生直流電流I，并由該直流電流驅動微安表頭，如圖所示 。電流I正比于熱電動勢，而熱電動勢正比于熱端與冷端的溫差，而熱端溫度與加熱功率成正比，即u(t)的有效值的平方成正比。即表頭電流I正比于有效值V的平方。熱電偶有效值電壓表的缺點是，受外界環境溫度的影響較大，結構復雜，價格較貴。 圖 熱電偶有效值測量原理（4）采樣-計算法直接采用高速A/D轉換器，將被測交流電壓波形以奈奎斯特采樣頻率實時采樣，然后，對采樣數據進行處理，根據定義計算出被測交流電壓的有效值、峰值和平均值。對模擬信號x(

15、t)的一個周期進行采樣和A/D轉換，得到有限長數字序列x(n),其中n=0，1，2N-1，離散計算公式如表3-5所示。表3-5 周期信號的幅值特征值離散計算公式名 稱離散計算公式峰值峰-峰值均值平均值有效值在虛擬儀器中，計算機只能對離散信號進行處理，所以采用第4種方法測量交流電壓，本實驗正是采用此方法。3波峰因數和波形因數規則周期信號的有效值和平均值與峰值之間有一定的數學關系，用波峰因數和波形因數表示，不同波形有不同的因數，見表 。表5-1 常見波形的波峰因數和波形因數(表中Vp為峰值)波形名稱波形圖有效值V平均值波峰因數Kp波形因數KF正弦波1414111三角波173115鋸齒波173115

16、方波11需要注意的是，當這些交流信號含有直流分量時，上述信號有效值和平均值與峰值之間的波峰因數和波形因數不成立。并且有效值不等于直流分量加交流分量的有效值，從有效值的計算公式很容易理解，即。但有時在采集信號時，波形數據附加了直流分量，或需要單獨計算不含直流的交流有效值，這時需要先減去直流分量再計算，公式為：。同理，交流分量的平均值計算也如此。4在LabVIEW中有關信號幅值特征值計算函數在LabVIEW中實現信號幅值特征值的求取，最簡單有效的方式是用Express VI中的幅值和電平測量VI。它的到達路徑是函數模板信號分析幅值和電平測量VI。它可以求取的幅值特征值項目及其對應參數含義列于表3-

17、7中。表3-7 Amplitude And Level Measurementsvi幅值特征值求取項目參數參數含義參數參數含義DC信號均值Peak to peak峰-峰值RMS信號有效值Cycle average一個周期的平均值Maximum peak信號最大值Cycle RMS一個周期的均方根值Minimum peak信號最小值對信號均值和有效值（RMS）的求取還可以用波形測量子模板中的，還有3個專門針對多諧信號進行幅值和頻率測量的VI，它們是。其到達路徑是All FunctionsAnalyzeWaveform Measurements。五、實驗步驟：1設計1個交流電壓表的仿真軟件（包括仿

18、真信號發生器、前面板和框圖程序），設計要求如下：可以測量周期信號（正弦、方波、三角波、鋸齒波）的有效值、峰值、直流分量（均值）和交流平均值。被測信號來源于LabVIEW仿真信號發生器。可采用前面3.5節第2個實驗內容的程序。分別采用LabVIEW提供的2種時域處理函數和僅使用基本數學運算函數共3種計算方法。分析：采用前面3.5節第2個實驗內容的程序產生仿真信號作為被測信號，一是采用Express VI中的Amplitude and Level MeasurementsVI，可求取有效值、峰峰值、直流分量（均值），二是采用波形測量子模板中的Basic Averaged DC-RMS函數，可求取有

19、效值和直流分量（均值），三是利用Numeric之模板中的數學運算函數，根據公式計算有效值、峰值、直流分量（均值），去直流后的交流有效值和平均值。把以上3中方法的計算結果并列顯示，供比較。打開3.5節第2個實驗內容的程序，它能夠產生頻率、幅值和直流偏值可調的正弦、方波、三角波、鋸齒波信號，還可疊加高斯噪聲信號，并且采樣率和采樣點可選。為了便于觀察產生的采樣后的信號，可以修改wave graph控件的plots屬性中點的類型為“。”，在右擊彈出的下拉菜單的scale中，不選Auto scale Y項，并且修改Y的下限為-30，上限為+30。另外在輸出波形上連接1個波形數據指示控件，顯示波形數據。程

20、序框圖與結構框圖如圖1所示。圖1 程序框圖與結構框圖（2）采用Express VI中的Amplitude and Level MeasurementsVI，求取有效值、峰峰值、直流分量（均值）。打開Amplitude and Level MeasurementsVI的參數設置對話框，如圖2所示。函數輸出的峰峰值除以2得峰值。該函數當采樣的波形數據少于1.52個周期時，會提示出錯，不能計算出結果。放置3個指示型數值控件顯示計算結果。相應程序框圖，結構框圖和結果見圖3 測量數據結果所示注意：指示性數值控件的數據格式，不能用自動格式，當數值很大或接近與0時，顯示格式會變為科學計數指數型顯示，如0.顯

21、示為5.64578E6，而顯示窗口常常比較小，可能會遮住后部分數字，誤認為是“5.645”而產生錯誤。解決方法是選擇數據格式為“floating point”，根據需要固定顯示小數位數，如4等。圖2 參數設置對話框圖3 測量數據結果采用波形測量子模板中的Basic Averaged DC-RMS函數，求取有效值和直流分量（均值），放置2個指示型數值控件顯示計算結果。如圖4 測量數據結果2。圖4 測量數據結果2利用Numeric之模板中的數學運算函數，根據公式計算有效值、峰值、直流分量（均值），去直流后的交流有效值和平均值。峰值（最大值最小值）/2，最大值和最小值采用數組之模板中的Array M

22、ax & Min函數，但該函數的輸入只能是數組，所以先使用wave之模板中的Get Waveform Components函數得到數組Y。采樣點數N的獲得有兩種方法，一是通過波形wave之模板中的Array Size函數求取數組Y的長度，二是直接從仿真波形產生函數的采樣信息簇得到，使用簇cluster子模板中的Unbundle函數實現。放置5個指示型數值控件顯示計算結果。如圖5 測量結果數據3。如圖5 測量結果數據3（5）把以上程序都放入循環框中。為了方便觀察實驗的計算結果，再放置1個定時器控件，延時時間設為2秒（2000ms），該控件在Time & Dialog子模板中。適當調整和裝飾前面板

23、及框圖程序。設計好的程序的前面板和框圖程序如圖6所示。圖6 仿真交流電壓表程序使用設計的交流電壓表分別測量正弦、方波、三角波、鋸齒波信號，驗證不同波形時有效值、峰值和平均值之間的關系。先不加直流測量，然后再加入直流進行比較。正弦波：無直流：正弦波：有直流：由上兩圖可知，正弦波峰值僅僅與波形本身參數有關，而有效值、均值與直流偏移量有關，均值約等于直流偏移量方波：無直流：方波：有直流：由上兩圖可知，方波峰值僅僅與波形本身參數有關，而有效值、均值與直流偏移量有關，均值約等于直流偏移量三角波：無直流：三角波：有直流：由上兩圖可知，方波峰值僅僅與波形本身參數有關，而有效值、均值與直流偏移量有關，均值約等

24、于直流偏移量鋸齒波：無直流：鋸齒波：有直流：由上兩圖可知，三角波峰值僅僅與波形本身參數有關，而有效值、均值與直流偏移量有關，均值約等于直流偏移量選擇被測信號為正弦波，改變被測信號頻率、采樣頻率和采樣點數，進行測量并作誤差分析。當采樣頻率不為信號頻率的整數倍時，誤差如何？為整數倍時：不為整數倍時：當采樣頻率不為信號頻率的整數倍時，均值，峰值，有效值均有變化，但變化不大被測信號疊加噪聲后，再進行測量和分析誤差。改變噪聲的大小（即標準偏差），記錄測得的信號有效值、均值、峰值。噪聲為2時：噪聲為20時：加入噪聲后，噪聲越大，誤差越大，均值，有效值，峰值均有明顯變化六、思考題1采樣時，對采樣頻率有什么要

25、求？ 答：采樣頻率至少要大于信號頻率的兩倍 才能不失真地輸出信號波形。本實驗的計算結果表明測量誤差與采樣頻率和采樣點有什么關系？答：采樣頻率越大，采樣點越多，測量誤差越小，因為減小了混疊誤差。增加采樣點數的顯示，則可以更大范圍覆蓋所測量的電平值。3被測信號疊加噪聲引入的誤差，對峰值和有效值那個影響大？為什么？答：對峰值影響大，對有效值影響小。噪聲對峰值是直接的疊加，而有效值的計算方式大大消弱了噪聲信號的影響。實驗3 頻譜分析仿真實驗一、實驗目的：1了解離散傅立葉變換理論；2熟悉典型信號的波形和頻譜特征。3編程實現DFT變換，對信號進行頻譜分析。4學會使用LabVIEW提供的頻譜分析函數。二、實

26、驗內容：1設計DFT變換程序，求取仿真信號的幅值頻譜和相位譜。2使用LabVIEW提供的頻譜分析函數，分析仿真信號的頻譜。3分析正弦、方波、三角波、鋸齒波信號的頻譜，并與理論計算值比較。4被測信號疊加噪聲后，再進行測量和分析誤差。三、實驗器材：安裝有LabVIEW軟件的計算機1臺四、實驗原理：1非正弦周期函數的傅立葉分解(1)定義如果給定的周期函數滿足狄里赫利條件（函數在任意有限區間內，具有有限個極值點與不連續點），則該周期函數定可展開為一個收斂的正弦函數級數，如下式：其中，上式中的各個系數的計算公式為： T為信號的周期。在該展開式中，稱為周期函數的恒定分量，也稱為直流分量；與原周期函數的周期

27、相同的正弦分量稱為一次諧波，也稱為基波分量。其他各項稱為高次諧波（如2次諧波、3次諧波等等）(2)幾種常用周期信號的傅立葉展開方波，其中的三角波，其中的鋸齒波，其中2頻譜(1).非正弦周期函數的頻譜對某函數以頻率為橫軸，各個頻率對應的正弦函數的幅值為縱軸所繪出的線段系稱為該函數的頻譜。對于周期函數而言，其頻譜為一系列譜線。如方波 圖4 矩形波的傅立葉頻譜三角波 圖5 三角波的傅立葉頻譜鋸齒波 圖6 鋸齒波的傅立葉頻譜(3). 傅立葉變換與頻譜函數1)周期函數的傅立葉級數的指數形式令，且對所有，均有，則，其中，2)幅度頻譜與相位頻譜體現|與頻率之間的關系的譜線，稱為幅度頻譜。由于指數級數中的k可

28、以分別取相應的正負值，因此幅度頻譜關于Y軸對稱；而其譜線的高度僅為付氏頻譜譜線高度的一半。例如方波 圖7 方波及其傅立葉頻譜、幅度譜3信號的離散傅立葉變換（DFT）模擬信號x(t)經采樣后變為離散時間序列x(n)，TS為采樣周期，采樣頻率fs=1/TS。計算機中的處理的信號是有限長度的離散信號x(n)，對應的離散頻譜為X(k)。時域與頻域轉換使用的算法是離散傅里葉變換（DFT）和反變換（IDFT），計算公式如下：DFT和IDFT： 為了方便顯示，做歸一化處理，用來表示頻譜。此外，由上式計算出的頻譜為峰值頻譜，對周期信號而言，譜線的高度僅為付氏頻譜譜線高度的一半。快速傅里葉變換FFT的原理與DF

29、T相同，只是DFT在計算機中實現的快速方法。FFT運算要求點數N為2的整數次冪(如N=210=1024)時，計算速度最快。FFT的基本特性輸出頻譜的復數值X(k)，同時包含幅度、相位信息。若，則幅度譜為，相位譜為。計算出的頻譜為峰值頻譜，對周期信號而言，譜線的高度僅為付氏頻譜譜線高度的一半。當用有效值（RMS）表示幅值頻譜時，。各節點之間的頻率間隔由時間長度N和采樣頻率fs決定：。第k個節點對應的頻率值為。FFT形成的頻譜相對于折疊頻率fS /2對稱，FFT的輸出頻率范圍為0fS/2。實際只有一半數據有意義。用DFT進行測試信號頻域特性分析存在主要誤差有量化誤差、混疊誤差、頻譜泄漏和柵欄效應等

30、，減少計算誤差的辦法有，增加A/D的有效位數，提高采樣頻率，增加采樣時間和采樣點數，整周期采樣或加窗處理等。4在LabVIEW中的頻譜分析VI 在LabVIEW中實現頻譜分析計算的3個層次的VI分別為Express 中的Spectral Measurements.vi ，波形VI中的FFT Spectrum (Mag-Phase).vi 和FFT Spectrum (Real-Im).vi ，基本函數VI的Amplitude and Phase Spectrum.vi。（1）Express 中的Spectral Measurements.vi到達途徑為FunctionsSignal Analy

31、sis，主要參數有：選擇不同的譜分析種類(Spectral Measurement)：峰值頻譜，均方值(RMS)頻譜，功率譜和功率譜密度。幅度單位：線性還是分貝dB。窗函數Window的類型。平均Averaging參數：有平均模式Mode、平均權重 Weighting、平均次數Numbers of averages和平均輸出類型Produce spectrum。相位譜輸出的變換：反卷及將弧度轉換為度。（2）波形VI中的FFT Spectrum(Mag-Phase).vi的參數設置及定義與Spectral Measurementsvi的相似，其輸入輸出端口如下所示。五、實驗步驟：1設計DFT變換程序，求取仿真信號的幅值頻譜和相位譜。（要求僅采用基本數學函數實現）。實驗要求：DFT計算公式為：其中，采用雙循環，先固定k，內循環累加求和，計算，再改變k，外循環。最后將X(k)