2.1.3 虚拟仪器测试信号分析处理程序的 基本内容

1. 2.1.3 虚拟仪器测试信号分析处理程序的基本内容 • 通常，对作为时间函数的动态信号来说，要完整地描述其特征至少要从幅值域、时（间）域、频（率）域、时延域4个域进行分析。 • 电量（含电压、电流、相位差、功率、频率）与电路参量（含电阻、电容、电感）的测量是一切测量的基础。为获取这些电量参数所设计的信号分析处理软件，是虚拟仪器测试功能软件的基本内容。

2. 虚拟仪器测试功能软件的主要内容 • ① 时域分析：测量时采集到的信号是一个时域波形。 • ② 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。 • ③ 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。 • ④ 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。 • ⑤ 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。 • ⑥ 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。

3. 2.1.4 LabVIEW中的测试信号分析处理函数库简介 • LabVIEW 除了它的图形化编程方式适应工程师的思维习惯以外，还提供了非常丰富的测试工程师所需的分析处理函数和Ⅵ，即所谓的“工程师的工作间”，在这个“工作间”中，LabVIEW提供了进行测试信号分析处理所需要的各种类型的数据分析和处理工具。 • 实现信号分析处理功能的Ⅵ分为3个层次：Express VI、波形Ⅵ和基本功能Ⅵ，并分别对动态数据类型、波形数据类型和数组这样3种数据进行操作。下面我们分层次来介绍这些VI。

4. 用Express VI实现的信号分析和处理VI 图2-2信号分析子模板(Signal Analysis) 图2-3 信号操作子模板（signal Manipulation）

5. 2. 对应于波形数据的信号分析和处理Ⅵ • 到达路径为functions → Signal Processing。 • 根据不同的分析和处理目的又分为3个子模板：波形测量子模板(Waveform Measurements)、波形调理子模板(Waveform Conditioning)和波形产生子模板(Waveform Generation)。

6. 3. 基本函数VI • 其Ⅵ子模板根据信号分析处理的手段进行分类，分别是滤波器子模板(Filter)和窗函数子模板(Windows)等。 • 其到达路径是Functions—Signal Processing

8. 2.2测试信号产生 2.2.1测试信号产生途径和波形数据表示 1．测试信号产生途径 虚拟仪器软件处理的测试信号的波形数据，主要通过以下3个途径获得： （1）对被测的模拟信号，使用数据采集卡或其他硬件电路，进行采样和A/D变换，送入计算机。 （2）在LabVIEW中的波形产生函数得到的仿真信号波形数据。 （3）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。

9. 2．测试信号在LabVIEW中的表示 • 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。 • 波形数据是专门用来表示测试信号的，它是由时间起始值t0、dt值（两个采样点的时间间隔）以及一维数组Y组合成的一个簇。 • 波形数据的物理意义： • 对一个模拟信号x(t)从时间t0开始进行采样和A/D转换，采样率为fs,对应采样时间间隔dt=1/fs，数组Y为各个时刻的采样值。 • 可以用数值型数组Y表示波形，相当于默认t0=0, Δt=1秒

10. 图中表示了对频率为20Hz、幅度为1V的正弦信号进行采样，采样频率为1kHz，得到的波形数据（t0=0,dt=0.001s）进行图形显示和数据显示,Y数组实际有50个数，图中只显示了前9个。采样50点刚好1个周期，因为对周期信号，1个周期的采样点数等于采样频率除以信号频率。图中表示了对频率为20Hz、幅度为1V的正弦信号进行采样，采样频率为1kHz，得到的波形数据（t0=0,dt=0.001s）进行图形显示和数据显示,Y数组实际有50个数，图中只显示了前9个。采样50点刚好1个周期，因为对周期信号，1个周期的采样点数等于采样频率除以信号频率。

11. 3．Express技术和动态数据 • 程序框图中的Functions Palette上的Express VI面板包含了大量的Express VI函数，主要分为6大类： • 信号输入Express VIs用来从仪器采集信号或产生仿真信号。 • 信号分析Express VIs用来对信号进行分析处理。 • 输出Express VIs用于数据存入文件，产生报表以及与仪器连接，输出真实信号等。 • 信号操作Express VIs主要用于对信号数据进行操作，比如类型转换、信号合并等。 • 执行控制Express VIs和程序结构体 包含了一些基本的程序结构以及时间函数。 • 算术与比较Express VIs包含一些基本的数学函数、比较操作符、数字和字符串。

12. 针对Express VI的灵活性，LabVIEW提供了动态数据类型（Dynamic Data Type，DDT）来携带Express VI的输入输出信号。它在框图中的连线和控件显示为深蓝色 。 • 用户可以将数值、波形或布尔数据与动态类型数据输入端相连，也可以将动态数据类型显示为图形或数值。具体显示为图形还是数值可以右击DDT数据端子，选择Create︱Graph Indicator或Numeric Indicator选项。

13. 动态数据类型的特点： • 能够携带单点、单通道（一维数组）或多通道（二维数组）的数据或波形数据类型的数据。 • 包含了一些信号的属性信息，如信号的名称、采集日期时间等。 • 普通VI不能直接输入动态数据类型，因此需要进行数据转换。转换VI在Functions Palette 的位置为Express︱Signal Manipulation︱Convert From Dynamic Data 和Convert to Dynamic Data 。

14. 由于动态数据类型能够包含单个或多个信号，因此还可以将多个DDT数据合并或者将合并后的数据再拆开。由于动态数据类型能够包含单个或多个信号，因此还可以将多个DDT数据合并或者将合并后的数据再拆开。 • 实现方法：Express︱Signal Manipulation面板下的Merge Signals和Split Signals函数，如下图所示。

15. 3.2.2 仿真信号产生函数 • 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。 • 针对不同的数据形式，LabVIEW中有3个不同层次的信号发生器。

17. 3种信号发生器比较 • 功能相同：都能产生基本信号； • 主要区别：使用的难易程度和灵活性不同。 • ExpressⅥ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。

19. 3.2.3 仿真信号发生器 • 仿真信号发生器Simulate Signal.vi能够产生单一的周期信号和单一的随机信号(噪声)信号相加的波形。

20. 预览窗口 信号特性 采样时间特性 信号重置 信号名称 图2-9 Simulate Signal．vi的参数设定对话框

21. （1）信号特性 首先选择周期信号类型和能够附加噪声信号的类型，分别见图2-10和图2-11，然后设定信号的频率、幅值、初始相角和直流偏置，噪声的均值、标准偏差等。

22. （2）采样时间特性和时间戳 • 采样时间特性选择： • 以Hz为单位的采样频率 → 自动采样时间或指定采样点数 → 采样周期数。 • 采样频率至少是最高信号频率的两倍，一般取3到5倍。 • 时间戳的设置主要调节输出的动态数据类型的时间信息， • 时间戳有两个选项： • 从测量始点计算的时间 (程序开始运行的时间) • 绝对时间 (计算机时间) • 一般选择默认值(起始时间)。

23. （3）信号重置 • 信号重置的改变在预览窗口看不到效果，这个选项在该Ⅵ被放在循环等结构中重复运行时起作用。它决定了该VI每次运行的起点是从对话框的设定值开始，还是从该VI上一次运行结束点的状态开始。 • 在实际应用中用其默认值(连续产生信号)的机会还是比较多，在这种情况下，我们利用循环就能够产生一个连续的波形，而不至于在每次循环的开始时间点上出现一个波形跳变。

24. 除了在参数设置对话框中设置参数，也允许通过传统的端口方式设置参数，这给在前面板上放置控件提供了机会。其端口图如图所示。除了在参数设置对话框中设置参数，也允许通过传统的端口方式设置参数，这给在前面板上放置控件提供了机会。其端口图如图所示。 图2-12 仿真信号发生器Simulate Signal .vi端口图

25. 仿真信号发生器Simulate Signal．vi的使用还需要注意的是： a. 由于其本身只产生有限长度的信号(数据量不大，持续时间很短)，所以在应用中一般都是将其放置在循环中来产生比较长时间的信号。 b. 用仿真信号发生器Simulate Signal．vi也可以产生单纯的随机噪声。

26. 2.2.4 多谐信号附加噪声的波形发生器Tones and Noise Waveform .vi • 在测试工程应用中还有这样一种情形：测量的信号是若干个正弦信号或余弦信号的叠加，每个正弦信号或余弦信号具有不同的频率、幅值和相位。 • 仿真信号发生器Simulate Signal．vi不能产生多个周期信号叠加的波形，如果要实现这一功能，需要在每个单一周期信号产生以后再进行叠加运算。

27. 对于一般的多谐信号，可以用多谐信号附加噪声的波形发生器Tones and Noise Waveform．vi来产生，这是一个产生波形数据的VI。 • 各端口的含义、设置和仿真信号发生器Simulate Signal．vi基本类似，只是设置的途径略有不同。需要指出的是本VI能够附加的噪声信号只有高斯白噪声一种。

29. 例：用多谐信号附加噪声的波形发生器Tones and Noise Waveform. vi产生下面表达式的信号。 式中， 为均方值为0.2的高斯白噪声。

30. 图2-13 a) 多谐信号附加噪声的波形发生器前面板

31. 图2-13 b) 多谐信号附加噪声的波形发生器后面板

32. 3.2.5 公式节点产生仿真信号 • 用公式节点可以产生 • 能够用公式进行描述的信号，也就是确定性信号，包括周期信号和非周期信号，但不推荐用它来产生随机信号。 • 经过复杂运算生成的信号，这样可以避免繁琐的图标摆放和连线。 • 本节下面要介绍Formula Waveform．Vi。找到这个Ⅵ的途径是Functions → Signal Processing → Waveform Generation → Formula Waveform . vi

33. Formula Waveform．Vi给出了6个自变量，用于描述公式。这6个自变量含义及其设定方法如表所示。

34. 例：利用Formula Waveform．vi产生测试信号分析处理中常见的sinc函数。如图2-14 图2-14 a) sinc函数发生器的前面板

35. 图2-14 b) sinc函数发生器的后面板

36. 习题1：参照下图设计信号发生

37. 习题2：参照下图测量波形的直流分量和有效值习题2：参照下图测量波形的直流分量和有效值

38. 习题2：

39. 13.2.3 波形测量 • 波形测量面板提供的VI函数用于对波形的各种信息进行测量，譬如直流交流分析、振幅测量、脉冲测量、傅立叶变换、功率谱测量、谐波畸变分析、过渡分析、频率响应等。

40. 13.2.3 波形测量 • 例13.9 测量波形的直流分量和有效值

41. 13.2.3 波形测量

42. 13.2.5 频域分析 • 频域分析函数被划分为两个面板： • Transforms面板实现的函数功能主要有傅立叶变换、Hilbert变换、小波变换、拉普拉斯变换等。 • Spectral Analysis面板包含的函数主要包括功率谱分析、联合时频分析等。

43. 13.2.5 频域分析

44. 13.2.5 频域分析 • 例13.11 信号的傅立叶变换

45. 13.2.5 频域分析

46. 13.2.5 频域分析 • 转变为单边傅立叶变换

47. 13.2.5 频域分析

48. 13.2.5 频域分析 • 例13.12 非均匀采样数据的功率谱计算

49. 13.2.5 频域分析

50. 13.2.7 数字滤波器 • 滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器。传统模拟滤波器的输入与输出都是连续的。而数字滤波器的输入与输出都是离散时间信号。 • 数字滤波器具有如下好处： • 软件可编程，因此易于搭建和测试 • 只需要加减乘三种基本数学操作 • 不随外界环境条件变化而漂移，也不会老化 • 有非常高的性价比