LabVIEW虛擬儀器技術(shù)基礎(chǔ)教程 課件 第9章 數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理

printthepresentationandmakeitintoafilmtobeusedinawiderfield第9章數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理

9.1

9.3

9.2

9.4數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)的產(chǎn)生波形生成

9.5

9.7

9.6

9.8信號(hào)的時(shí)域分析信號(hào)的頻域分析數(shù)字濾波逐點(diǎn)分析庫

在測試、測量及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域中，都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而基于LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器主要用于獲取物理世界的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與呈現(xiàn)，因此就要用到數(shù)據(jù)采集DAQ-DataAcquisition技術(shù)。DAQ技術(shù)是LabVIEW的核心技術(shù)，LabVIEW提供了豐富的數(shù)據(jù)采集軟件資源，使其在測試測量領(lǐng)域發(fā)揮強(qiáng)大的功能。本章將主要介紹LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理功能。9.1.1信號(hào)類型根據(jù)信號(hào)運(yùn)載信息的方式不同，將信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)有直流、時(shí)域、頻域信號(hào)，而數(shù)字（二進(jìn)制）信號(hào)分為開關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)兩種，如圖9.1所示。圖9.1信號(hào)類型1.數(shù)字信號(hào)

數(shù)字信號(hào)分為開關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)兩類。開關(guān)信號(hào)運(yùn)載的信息與信號(hào)的即時(shí)狀態(tài)信息有關(guān)。開關(guān)信號(hào)的一個(gè)實(shí)例就是TTL信號(hào)，一個(gè)TTL信號(hào)的電平如果為2.0～2.5V，就定義為邏輯高電平，如果為0～0.8V，就定義為邏輯低電平。

脈沖信號(hào)由一系列的狀態(tài)轉(zhuǎn)換組成，包含在其中的信息由狀態(tài)轉(zhuǎn)換數(shù)目、轉(zhuǎn)換速率、一個(gè)轉(zhuǎn)換間隔或多個(gè)轉(zhuǎn)換間隔的時(shí)間表示，如一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要用一系列的數(shù)字脈沖作為輸入來控制位置和速度。2．模擬直流信號(hào)

模擬直流信號(hào)是靜止的或者隨時(shí)間變化非常緩慢的模擬信號(hào)。常見的直流信號(hào)有溫度、流速、壓力、應(yīng)變等。由于模擬直流信號(hào)是靜止或緩慢變化的，因此測量時(shí)更應(yīng)注重于測量電平的精確度，而并非測量速率。采集系統(tǒng)在采集模擬直流信號(hào)時(shí)需要有足夠的精度，以正確測量信號(hào)電平。

3．模擬時(shí)域信號(hào)

模擬時(shí)域信號(hào)運(yùn)載的信息不僅包含信號(hào)的電平，還包含電平隨時(shí)間的變化。測量一個(gè)時(shí)域信號(hào)時(shí)，需要關(guān)注一些與波形形狀相關(guān)的特性，如斜率、峰值、到達(dá)峰值的時(shí)刻和下降時(shí)刻等。

為了測量某個(gè)時(shí)域信號(hào)，必須有一個(gè)精確的時(shí)間序列以及合適的時(shí)間間隔，以保證采集到信號(hào)的有用部分。另外，還要有合適的測量速率，這個(gè)測量速率能跟上波形的變化。用于測量時(shí)域信號(hào)的采集系統(tǒng)通常包括A/D轉(zhuǎn)換器、采樣時(shí)鐘和觸發(fā)器。A/D轉(zhuǎn)換器要具有高分辨率，以保證采集數(shù)據(jù)的精度，有足夠高的帶寬用于高速率采樣；精確的采樣時(shí)鐘，用于以精確的時(shí)間間隔采樣；而觸發(fā)器使測量在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間開始。日常生活中在許多不同形式的時(shí)域信號(hào)，如視頻信號(hào)、心臟跳動(dòng)信號(hào)等。4．模擬頻域信號(hào)

模擬頻域信號(hào)與時(shí)域信號(hào)類似，都是描述模擬信號(hào)的特性。然而，從頻域信號(hào)中提取的信息是基于信號(hào)的頻域內(nèi)容，而不是波形的形狀，也不是隨時(shí)間變化的特性。一個(gè)用于測量頻域信號(hào)的系統(tǒng)必須有A/D轉(zhuǎn)換器、采樣時(shí)鐘和用于精確捕捉波形的觸發(fā)器。另外，系統(tǒng)必須有必要的分析功能，用于從信號(hào)中提取頻域信息。為了實(shí)現(xiàn)這樣的數(shù)字信號(hào)處理，可以使用應(yīng)用軟件或特殊的DSP硬件實(shí)現(xiàn)。

另外上述幾種信號(hào)并不是互相排斥的，一個(gè)特定的信號(hào)可能包含多種信息，因此有時(shí)可以用幾種方式定義和測量信號(hào)，用不同類型的系統(tǒng)測量同一個(gè)信號(hào)，并從信號(hào)中提取需要的各種信息。9.1.2奈奎斯特采樣定理

自然界中的物理量多數(shù)是時(shí)間、幅值上連續(xù)變化的模擬量，而信息處理多是以數(shù)字信號(hào)的形式由計(jì)算機(jī)完成。所以，信息處理的必要過程是將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，該過程的第一步是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。假設(shè)連續(xù)信號(hào)的帶寬有限，其最高頻率為，對(duì)采樣時(shí)，若保證采樣頻率f≥2，即可由采樣后的數(shù)字信號(hào)還原出原始信號(hào)，此基本原則稱為奈奎斯特采樣定理。如果采樣頻率f<2，則通過采樣后的數(shù)字信號(hào)無法重構(gòu)還原信號(hào)，稱為欠采樣，如圖9.2所示足夠采樣率下的采樣結(jié)果和欠采樣的采樣結(jié)果。所以根據(jù)奈奎斯特采樣定理f≥2，工程上一般為的6~8倍。圖9.2(a)足夠的采樣率下的采樣結(jié)果圖9.2（b）欠采樣的采樣結(jié)果9.1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

一個(gè)完整的基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的如圖9.3所示，包括傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集卡、PC和軟件。各部分的組成如下：(1)傳感器：感應(yīng)被測對(duì)象的狀態(tài)變化，并將其轉(zhuǎn)化成可測量的電信號(hào)。例如熱電阻傳感器、壓力傳感器可以測量溫度和壓力，并產(chǎn)生與溫度和壓力成比例的電信號(hào)。(2)信號(hào)調(diào)理：聯(lián)系傳感器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備的橋梁，主要包括放大、濾波、隔離、激勵(lì)、線性化等：其作用是對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行加工和處理，轉(zhuǎn)換成便于傳輸、顯示和記錄的電信號(hào)。(3)數(shù)據(jù)采集卡：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等。通常，數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動(dòng)程序。(4)PC和軟件：軟件使PC和數(shù)據(jù)采集卡形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。圖9.3典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9.2數(shù)據(jù)采集卡

一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器／計(jì)時(shí)器等，這些功能分別由相應(yīng)的電路來實(shí)現(xiàn)。9.2.1數(shù)據(jù)采集卡的選擇在選擇數(shù)據(jù)采集卡時(shí)，主要考慮的是根據(jù)需求選取適當(dāng)?shù)目偩€形式、采樣速度、輸入輸出等，達(dá)到既能滿足工作要求，又能節(jié)省成本的目的。1.數(shù)據(jù)分辨率和精度

分辨率可以用ADC/DAC(模數(shù)／數(shù)模轉(zhuǎn)換)的位數(shù)來衡量。ADC/DAC的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的最小電壓就小。當(dāng)分辨率足夠高時(shí)，數(shù)字化信號(hào)才能有足夠的電壓分辨能力，從而較好地恢復(fù)原始信號(hào)。

在組建測試系統(tǒng)時(shí)，對(duì)測量結(jié)果要有一個(gè)精度指標(biāo)。這個(gè)精度要從系統(tǒng)的整體考慮，不僅要考慮A/D轉(zhuǎn)換的精度。還要考慮到傳感器、信號(hào)調(diào)制電路及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理等各部分的誤差，要根據(jù)實(shí)際情況確定對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的精度要求。

數(shù)據(jù)采集卡的分辨率往往高于其精度，分辨率等于一個(gè)量化單位，和A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)直接相關(guān)，而精度包含了分辨率、零位誤差等各種誤差因素。一般A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率優(yōu)于精度一個(gè)數(shù)量級(jí)或按二進(jìn)制來說高出2-4位比較合適。2.最高采樣速率

數(shù)據(jù)采集卡的最高采集速率一般用最高采樣頻率來表示，它表示其單通道采樣能使用的最高采樣頻率，這也就限制了該數(shù)據(jù)采集卡能夠處理信號(hào)的最高頻率。如果要進(jìn)行多通道采樣，則每通道能夠達(dá)到的采樣率是最高采樣頻率除以通道數(shù)，所以在考慮這個(gè)指標(biāo)時(shí)，首先要明確測試信號(hào)的最高頻率及需要同時(shí)采樣的通道數(shù)。3.通道數(shù)

根據(jù)測試任務(wù)確定滿足要求的通道數(shù)，選擇具有足夠數(shù)量的模擬輸入輸出、數(shù)字輸入輸出端口的數(shù)據(jù)采集卡。4.總線標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備分為內(nèi)插式和外掛式。內(nèi)插式DAQ板卡包括基于PCI、PXI/CompactCPI、PCMCIA等各種計(jì)算機(jī)內(nèi)總線的板卡。外掛式板卡則包括USB、IEEE1394、RS-232/RS-485和并口板卡。內(nèi)插式DAQ板卡速度快，但插拔不方便；外掛式DAQ板卡連接使用方便，但速度相對(duì)較慢。選擇總線方式時(shí)，應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)的支持類型和系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)選擇恰當(dāng)?shù)姆绞剑?/p>

1.是否有隔離工作在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，選擇具有隔離配置的數(shù)據(jù)采集卡，對(duì)于保證數(shù)據(jù)采集的可靠性是非常重要的。2.支持軟件驅(qū)動(dòng)程序及其軟件平臺(tái)

數(shù)據(jù)采集卡能在什么環(huán)境下使用、是否有良好的驅(qū)動(dòng)程序，也是選擇數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)重要因素。數(shù)據(jù)采集卡相關(guān)軟件除了與現(xiàn)有測試系統(tǒng)兼容外，還應(yīng)考慮更廣泛的兼容性和靈活性，以備在其他任務(wù)或系統(tǒng)中也能使用。數(shù)據(jù)采集卡的選擇還應(yīng)該考慮輸入信號(hào)的電壓范圍、增益、非線性誤差等一些常用指標(biāo)。數(shù)據(jù)采集卡的性能優(yōu)劣對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)舉足輕重。選購時(shí)不但要考慮價(jià)格，還要綜合考慮、比較其質(zhì)量、軟件支持能力、后續(xù)開發(fā)和服務(wù)能力等。

在使用LabVIEW進(jìn)行DAQ編程之前，首先要安裝DAQ硬件，將其與計(jì)算機(jī)相連，然后在計(jì)算機(jī)上安裝DAQ驅(qū)動(dòng)程序，即NI-DAQmx，并進(jìn)行必要的配置。安裝與配置數(shù)據(jù)采集卡的步驟如圖9.4所示。圖9.4安裝與配置數(shù)據(jù)采集卡的步驟9.2.2數(shù)據(jù)采集卡的配置安裝DAQ設(shè)備硬件安裝DAQ設(shè)備驅(qū)動(dòng)（NI-DAQmx）配置DAQ設(shè)備配置通道LabVIEW編程

下面以NI公司生產(chǎn)的PCI-6221多功能數(shù)據(jù)采集卡為例，說明基于DAQ系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡的配置。PCI-6221具有16路單端接地或8路差分的模擬輸入通道，16位的分辨率，最高采樣率為250kS/s，最大電壓范圍為-10～+10V，具有2路模擬輸出、24條數(shù)字I/O線、32位計(jì)數(shù)器。PCI-6221共有68個(gè)接線端子，如圖9.5所示。圖9.5PCI-6221多功能數(shù)據(jù)采集卡及配件連接好附件后安裝NI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序NI-DAQmx（最新版的NI-DAQmx可從NI網(wǎng)站上下載）即完成安裝工作。1.數(shù)據(jù)采集卡的測試

安裝NI-DAQmx或LabVIEW軟件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)安裝Measurement＆AutomationExplorer(測量與自動(dòng)化資源瀏覽器)軟件，簡稱MAX，該軟件用于管理和配置硬件設(shè)備。運(yùn)行MAX，在彈出的窗口左側(cè)“配置”管理樹中展開“我的系統(tǒng)”“設(shè)備和接口”，如果數(shù)據(jù)采集卡的安裝無誤，則在“設(shè)備和接口”節(jié)點(diǎn)下將出現(xiàn)“NIPCI-6221”的節(jié)點(diǎn)，如圖9.6所示。圖9.6MAX配置與管理對(duì)話框選中“NIPCI-6221”節(jié)點(diǎn)，窗口右側(cè)將列出數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置信息，如序列號(hào)、PCI總線及校準(zhǔn)信息等，同時(shí)通過該節(jié)點(diǎn)右鍵菜單或右側(cè)窗口上部的快捷菜單按鈕還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集卡的自檢、測試面板、重啟設(shè)備、創(chuàng)建任務(wù)、配置TEDS、設(shè)備引腳、校準(zhǔn)等操作。通過選擇“自檢”命令，讓設(shè)備進(jìn)行自檢，自檢完成后會(huì)顯示“自檢成功完成”信息。如果需要進(jìn)行詳細(xì)測試，選擇“測試面板”，即可打開如圖9.7所示的測試面板窗口。圖9.7測試面板

在測試面板上選擇“模擬輸入”選項(xiàng)卡，如圖9.7所示。選擇通道名Devl/ail，即使用PCI-6221的模擬輸入1通道，按照?qǐng)D9.7所示設(shè)置。測量信號(hào)從端口33、66采用差分方式輸入頻率為20Hz、幅值為1.5V的正弦信號(hào)，單擊“開始”按鈕，數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入1通道采集到該信號(hào)并顯示于圖表窗口。模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器I/O的測試與模擬輸入的測試類似。2．采集卡的任務(wù)配置

進(jìn)行數(shù)據(jù)采集卡配置時(shí)，會(huì)用到以下幾個(gè)有關(guān)采集的基本概念。

(1)物理通道。物理通道是采集和產(chǎn)生信號(hào)的接線端或管腳。支持NI-DAQmx的設(shè)備上的每個(gè)物理通道具有唯一的名稱，它由設(shè)備號(hào)和通道號(hào)兩部分組成。

(2)虛擬通道：虛擬通道是一個(gè)由名稱、物理通道、I/O端口連接方式、測量或產(chǎn)生信號(hào)類型以及標(biāo)定信息等組成的設(shè)置集合。在NI-DAQmx中，每個(gè)測量任務(wù)都必須配置虛擬通道，虛擬通道被整合到每一次具體的測量中。

(3)任務(wù)：任務(wù)是帶有定時(shí)、觸發(fā)等屬性的一個(gè)或多個(gè)虛擬通道的集合，是NI-DAQmx中一個(gè)重要的概念。一個(gè)任務(wù)表示用戶想做的一次測量或者一次信號(hào)發(fā)生，用戶可以設(shè)置和保存一個(gè)任務(wù)里的所有配置信息，并在應(yīng)用程序中使用這個(gè)任務(wù)。

在一個(gè)任務(wù)中，所有通道的I/O類型必須相同，例如，同為模擬輸入或計(jì)數(shù)器輸出等，但是通道的測量類型可以不一樣。

(4)局部虛擬通道。在DAQmx中，用戶可以將虛擬通道配置成任務(wù)的一部分或者與任務(wù)分離，創(chuàng)建于任務(wù)內(nèi)部的通道稱為局部虛擬通道。(5)全局虛擬通道。定義于任務(wù)外部的虛擬通道稱為全局虛擬通道。用戶可以在MAX或應(yīng)用程序中創(chuàng)建全局虛擬通道，然后將其保存在MAX中，也可以在任意的應(yīng)用程序中使用全局虛擬通道或者把它們添加到許多不同的任務(wù)中。如果用戶修改了一個(gè)全局虛擬通道，這個(gè)改變將會(huì)影響所有引用該全局虛擬通道的任務(wù)。一個(gè)全局虛擬通道只是引用了物理通道，并沒有包含定時(shí)或觸發(fā)功能，它可以被許多任務(wù)包含和引用，而對(duì)于一個(gè)任務(wù)，它是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，不能被其他任務(wù)包含或引用。利用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要首先配置任務(wù)。在MAX中配置一個(gè)模擬輸入電壓采集的任務(wù)，方法如下。(1)在MAX主窗口左側(cè)的配置樹中選擇“設(shè)備和接口”NIPCI-6221“Devl”，然后單擊MAX窗口右上角的“創(chuàng)建任務(wù)”選項(xiàng)，彈出新建NI-DAQmx任務(wù)對(duì)話框，如圖9.8所示。圖9.8新建NI-DAQmx任務(wù)窗口(2)選擇“模擬輸入”“電壓”，對(duì)話框?qū)⑶袚Q為“物理通道”選擇界面，在界面上選擇一個(gè)信號(hào)輸入的物理通道，如“ai0”，表明要采集從ai0輸入的模擬信號(hào)，如圖9.9所示。然后單擊“下一步”按鈕進(jìn)入任務(wù)名定義界面，在界面對(duì)應(yīng)文本輸入框中輸入要指定的任務(wù)名稱，如默認(rèn)值為“我的電壓任務(wù)”，單擊“完成”按鈕就完成了一個(gè)模擬輸入電壓測量任務(wù)的創(chuàng)建。圖9.9創(chuàng)建一個(gè)本地通道(3)在MAX主窗口左側(cè)配置樹的“數(shù)據(jù)鄰居”中選定創(chuàng)建好的任務(wù)節(jié)點(diǎn)，在右側(cè)窗口中合理配置各種參數(shù)后，單擊“運(yùn)行”按鈕，則輸入信號(hào)采集結(jié)果顯示在窗口右側(cè)上部的圖表中，如圖9.10所示。另外，在窗口中還可以給任務(wù)添加新的通道，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)測量。圖9.10任務(wù)配置及運(yùn)行后的界面（4）單擊“保存”按鈕可以對(duì)任務(wù)進(jìn)行保存，保存后可以在其他應(yīng)用程序中使用。任務(wù)配置還可采用其他方法，如通過“DAQ助手”來創(chuàng)建和配置任務(wù)；在應(yīng)用編程中創(chuàng)建及配置任務(wù)，如通過前面板控件對(duì)象“DAQmx任務(wù)名”和程序框圖中的常量“DAQmx任務(wù)名”的右鍵快捷菜單“新建NI-DAQmx任務(wù)”MAX選項(xiàng)，也可以創(chuàng)建并在MAX中保存NI-DAQmx任務(wù)。

信號(hào)產(chǎn)生是儀器系統(tǒng)的重要組成部分，要評(píng)價(jià)任意一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)的特性，必須外加一定的測試信號(hào)，其性能才能顯示出來。最常用的測試信號(hào)有正弦波、三角波、方波、鋸齒波、噪聲波及多頻波（由不同頻率的正弦波疊加而形成的波形）等。 圖9.11信號(hào)生成子選板9.3信號(hào)的產(chǎn)生

LabVIEW將各種常用的信號(hào)函數(shù)制作成正弦信號(hào)、三角信號(hào)、均勻白噪聲等各種仿真信號(hào)波形模塊，供使用者直接調(diào)用。這些功能模塊都是用來產(chǎn)生指定波形的一維數(shù)組?！靶盘?hào)生成”子選板位于函數(shù)選板的“信號(hào)處理”“信號(hào)生成”，如圖9.11所示。

在“信號(hào)生成”子選板中的某些函數(shù)需要用到數(shù)字頻率參數(shù)，因此在使用這些函數(shù)時(shí)，只有確定了采樣頻率才能將數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)頻率。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣頻率必須大于或等于2倍的最高信號(hào)頻率。需要使用數(shù)字頻率參數(shù)的函數(shù)包括正弦波、三角波、方波、鋸齒波、任意波形發(fā)生器等。下面舉例通過3個(gè)VI對(duì)如何產(chǎn)生信號(hào)進(jìn)行說明。1.正弦波正弦波VI(SineWave.Vi)用于生成含有正弦波的數(shù)組。正弦波VI的圖標(biāo)及端口如圖9.12所示，其端口的含義如下。圖9.12正弦波VI的圖標(biāo)及端口

（1）重置相位：確定正弦波的初始相位。默認(rèn)值為True，此時(shí)，“相位輸入”端口的輸入值為正弦波的初始相位。如果該端口置為False，LabVIEW將設(shè)置正弦波的初始相位為上一次VI執(zhí)行時(shí)相位輸出的值。（2）采樣：正弦波的采樣點(diǎn)數(shù)。默認(rèn)值為128。（3）幅值：正弦波的幅值。默認(rèn)值為1.0。（4）頻率：正弦波的數(shù)字頻率，單位為周期／采樣的歸一化單位。默認(rèn)值為1周期／128采樣或7.8125e-3周期／采樣。（5）相位輸入：重置相位的值為True時(shí)正弦波的初始相位，以度為單位。（6）正弦波：輸出的正弦波序列值。（7）位輸出：正弦波下一個(gè)采樣的相位，以度為單位。（8）錯(cuò)誤：返回VI的任意錯(cuò)誤或警告。

[例9.1]利用正弦波VI產(chǎn)生1000個(gè)點(diǎn)的正弦波，如圖9.13所示。圖9.13產(chǎn)生1000個(gè)采樣點(diǎn)的正弦波應(yīng)用

在程序框圖中，利用信號(hào)頻率與采樣頻率轉(zhuǎn)換為數(shù)字頻率，然后連接至SineWave.vi的頻率端口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的頻率控制。由于正弦波VI產(chǎn)生的信號(hào)不包含時(shí)間信息，因此其橫坐標(biāo)索引是數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)而不是時(shí)間。2.基于持續(xù)時(shí)間的信號(hào)發(fā)生器該VI用于根據(jù)信號(hào)類型指定的形狀生成信號(hào)。其圖標(biāo)及端口如圖9.14所示，端口的含義如下，圖9.14基于持續(xù)時(shí)間的信號(hào)發(fā)生器VI圖標(biāo)及端口(1)持續(xù)時(shí)間：生成的輸出信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，以秒(s)為單位，默認(rèn)為1.0s。(2)信號(hào)類型：設(shè)定生成信號(hào)的類型，包括正弦信號(hào)、余弦信號(hào)、三角波信號(hào)、方波信號(hào)、鋸齒

波信號(hào)、上升斜波信號(hào)、下降斜波信號(hào)。(3)采樣點(diǎn)數(shù)：輸出信號(hào)的采樣數(shù)。默認(rèn)值為100。(4)頻率：輸出信號(hào)的頻率，以赫茲(Hz)為單位。默認(rèn)值為10。(5)幅值：輸出信號(hào)的幅值。默認(rèn)值為1.0。(6)直流偏移量：生成的輸出信號(hào)的常數(shù)偏移量或直流值。默認(rèn)值為0。(7)方波占空比：方波在一個(gè)周期內(nèi)高電平所占時(shí)間的百分比。僅當(dāng)信號(hào)類型是方波時(shí)，VI使用該參數(shù)。默認(rèn)值為50。(8)相位輸出：正弦波下一個(gè)采樣的相位，以度為單位。

[例9.2]不同于例9.1，此例中用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生100個(gè)點(diǎn)的正弦波。由于利用基于持續(xù)時(shí)間的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)不包含時(shí)間信息，因此其橫坐標(biāo)索引是數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，而不是時(shí)間。圖9.15基于持續(xù)時(shí)間的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波的應(yīng)用3．均勻白噪聲該VI生成均勻分布的偽隨機(jī)波形，值為[-a:a]（a是幅值的絕對(duì)值）。圖標(biāo)及端口如圖9.16所示，端口的含義如下。圖9.16均勻白噪聲V1的圖標(biāo)及端口

(1)初始化？：可控制噪聲采樣發(fā)生器更換種子值。LabⅥEW保存該VI的內(nèi)部種子狀態(tài)。如“初始化？”為True，VI將通過種子更新內(nèi)部種子狀態(tài)。若“初始化？”為False，VI將繼續(xù)先前生成的噪聲序列，繼續(xù)生成噪聲采樣。默認(rèn)值為True。(2)采樣：均勻白噪聲的采樣數(shù)。采樣必須大于或等于0，默認(rèn)值為128。(3)幅值：均勻白噪聲的幅值，默認(rèn)值為1.0。(4)種子：用來確定“初始化？”的值為True時(shí)，如何生成內(nèi)部種子狀態(tài)。如種子大于0，VI將通過種子生成內(nèi)部狀態(tài)。如種子小于或等于0，VI將通過隨機(jī)數(shù)生成內(nèi)部狀態(tài)。如“初始化？”為False，VI將忽略種子。默認(rèn)值為-l。(5)均勻白噪聲：包含均勻分布的偽隨機(jī)信號(hào)。[例9.3]下面是產(chǎn)生500個(gè)點(diǎn)的均勻分布的白噪聲，如圖9.17所示。圖9.17產(chǎn)生均勻分布的白噪聲示例9.4波形生成

信號(hào)生成函數(shù)產(chǎn)生的僅僅是指定波形的一維數(shù)組，波形生成函數(shù)產(chǎn)生的是波形數(shù)據(jù)。波形數(shù)據(jù)除包含有一維數(shù)組Y分量外，還包含采樣信息，如初始時(shí)間、時(shí)間間隔dt。顯然，波形數(shù)據(jù)是簇?cái)?shù)據(jù)。LabVIEW在函數(shù)選板的“信號(hào)處理”及“編程”“波形”“模擬波形”子選板下都提供“波形生成”子選板，如圖9.18所示。該選板能夠產(chǎn)生正弦波形、方波波形、均勻白噪聲波形等多種常用波形。圖9.18“波形生成”子選板下面通過實(shí)例對(duì)幾個(gè)波形生成VI進(jìn)行介紹。

1．基本函數(shù)發(fā)生器

基本函數(shù)發(fā)生器VI的圖標(biāo)及端口如圖9.19所示，該VI可以根據(jù)指定的信號(hào)類型，生成正弦波、三角波、方波和鋸齒波4種波形信號(hào)。各端口的含義如下。圖9.19基本函數(shù)發(fā)生器VI的圖標(biāo)及端口（1）偏移量：指定信號(hào)的直流偏移量，默認(rèn)值為0.0。（2）重置信號(hào)：假如值為True，相位可重置為相位控件的值，時(shí)間標(biāo)識(shí)可重置為0，默認(rèn)值為False。（3）信號(hào)類型：要生成的波形的類型，包括正弦波、三角波、方波和鋸齒波4種選項(xiàng)。（4）頻率：波形頻率，以赫茲(Hz)為單位，默認(rèn)值為10。（5）幅值：波形的幅值，默認(rèn)值為1.0。（6）相位：波形的初始相位，以度為單位，默認(rèn)值為0。如“重置信號(hào)”為False，則VI忽略相位。（7）錯(cuò)誤輸入：表明該節(jié)點(diǎn)運(yùn)行前發(fā)生的錯(cuò)誤條件。該輸入提供標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸入。（8）采樣信息：包含采樣信息，其中：Fs是每秒采樣率，默認(rèn)值為1000;#s是波形的樣數(shù)，默認(rèn)值為1000。（9）方波占空比(%)：方波在一個(gè)周期內(nèi)高電平所占時(shí)間的百分比，僅當(dāng)“信號(hào)類型”是方波時(shí)，VI使用該參數(shù)，默認(rèn)值為50%。（10）信號(hào)輸出：生成的波形。（11）相位輸出：波形的相位，以度()為單位。（12）錯(cuò)誤輸出：包含錯(cuò)誤信息，該輸出提供標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出。[例9.4]下圖9.20為基本函數(shù)發(fā)生器VI應(yīng)用示例。通過前面板的參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)，可以選定輸出信號(hào)的類型并設(shè)置輸出信號(hào)的頻率、幅值、相位等信息。運(yùn)行該實(shí)例，當(dāng)“重置信號(hào)”設(shè)為“關(guān)”(False)時(shí)，時(shí)間會(huì)不停變化，頻率不是整數(shù)時(shí)，相位也一直變化。當(dāng)“重置信號(hào)”設(shè)為“開”(True)時(shí)，每次循環(huán)時(shí)間標(biāo)識(shí)不變，相位也不變。圖9.20基本函數(shù)發(fā)生器V1應(yīng)用2．公式波形

公式波形VI的圖標(biāo)及端口如圖9.21所示，該VI通過“公式”字符串指定要使用的時(shí)間函數(shù)，創(chuàng)建輸出波形。通過該VI可以輸出能用公式描述的任意波形。其中“公式”端口是用于生成信號(hào)輸出波形的表達(dá)式，默認(rèn)值為,其中，。表9.1列出了已定義的變量名稱。圖9.21公式波形VI應(yīng)用實(shí)例表9.1波形表達(dá)式定義的變量及含義

3．混合單頻信號(hào)發(fā)生器

混合單頻信號(hào)發(fā)生器VI的圖標(biāo)及端口如圖9.22所示，該VI生成整數(shù)個(gè)周期的單頻正弦信號(hào)的疊加波形。其端口含義如下。圖9.22混合單頻信號(hào)發(fā)生器VI的圖標(biāo)及端口圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用(1)幅值：合成波形的幅值，它是所有單頻的縮放標(biāo)準(zhǔn)，即波形的最大絕對(duì)值，默認(rèn)值為-1，不進(jìn)

行縮放。輸出波形至模擬輸出通道時(shí)，可使用幅值，如果硬件可輸出的最大值為5V，可設(shè)置幅值為5，如果幅值小于0，則不進(jìn)行縮放。(2)單頻頻率：由單頻頻率組成的數(shù)組，數(shù)組的大小必須匹配單頻幅值數(shù)組和單頻相位數(shù)組的大小。(3)單頻幅值：該數(shù)組的元素為單頻的幅值，數(shù)組的大小必須匹配單頻頻率數(shù)組和單頻相位數(shù)組的大小。(4)單頻相位：由單頻相位組成的數(shù)組，以度()為單位。數(shù)組的大小必須匹配單頻頻率數(shù)組和單頻幅值數(shù)組的大小。(5)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換頻率？：當(dāng)其值為True，指定的單頻頻率將被轉(zhuǎn)換為Fs/n最近整數(shù)倍。(6)峰值因數(shù)：信號(hào)輸出的峰值電壓和均方根電壓的比。(7)實(shí)際單頻信號(hào)頻率：如果“強(qiáng)制轉(zhuǎn)換頻率？”的值為True，則值為執(zhí)行強(qiáng)制轉(zhuǎn)換和Nyquist標(biāo)準(zhǔn)后的單頻頻率。

[例9.5]混合單頻信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用實(shí)例如圖9.23示?；旌闲盘?hào)由3個(gè)不同信號(hào)組成：頻率分別為10Hz、20.9Hz、30Hz，幅值分別為4.0V、1.0V與2.0V。圖9.23混合單頻信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用實(shí)例圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用4．均勻白噪聲波形

均勻白噪聲波形VI的圖標(biāo)及端口如圖9.24所示，該VI用來生成均勻分布、值為[-a:a](a是幅值的絕對(duì)值)的偽隨機(jī)波形。其端口的含義如下。圖9.24均勻白噪聲波形V1的圖標(biāo)及端口(1)重置信號(hào)：如果值為True，種子可重置為種子控件的值，時(shí)間標(biāo)識(shí)重置為0。默認(rèn)值為False。(2)幅值：信號(hào)輸出的最大絕對(duì)值，默認(rèn)值為1.0。(3)種子：大于0時(shí)，可使噪聲采樣發(fā)生器更換種子，默認(rèn)值為-1。LabVIEW為重入VI的每個(gè)實(shí)例單獨(dú)保存內(nèi)部的種子狀態(tài)。對(duì)于VI的每個(gè)特定實(shí)例，如“種子”小于等于0，LabVIEW不更換噪聲發(fā)生器的種子，噪聲發(fā)生器可繼續(xù)生成噪聲的采樣，作為之前噪聲序列的延續(xù)。[例9.6]圖9.25所示為均勻白噪聲波形VI的應(yīng)用實(shí)例。值得注意的是，均勻白噪聲波形的頻率成分是由采樣頻率決定的，其最高頻率分量等于采樣頻率的一半。因此，若想產(chǎn)生頻率范圍為05kHz的均勻白噪聲，采樣頻率必須設(shè)置為10kHz。圖9.25均勻白噪聲波形應(yīng)用示例圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用

5．信號(hào)合成

若所需信號(hào)比較復(fù)雜，可將多種波形發(fā)生器所生成的波形合成來實(shí)現(xiàn)。需要注意的是，各個(gè)信號(hào)合成時(shí)，應(yīng)將它們的采樣頻率設(shè)為一致，保持時(shí)基相同的情況下進(jìn)行信號(hào)合成。[例9.7]

下圖9.26所示將兩路波形進(jìn)行了信號(hào)合成。圖9.26信號(hào)合成VI應(yīng)用示例9.5信號(hào)的時(shí)域分析信號(hào)時(shí)域分析是指在時(shí)間域內(nèi)研究系統(tǒng)在輸入信號(hào)作用下，其輸出信號(hào)隨時(shí)間的變化情況。由于時(shí)域分析是在時(shí)間域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法，因此具有直觀與準(zhǔn)確的特點(diǎn)。圖9.27“信號(hào)運(yùn)算”子選板圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用

1.自相關(guān)

自相關(guān)VI用來計(jì)算輸入序列X的自相關(guān)。自相關(guān)VI的圖標(biāo)及端口如圖9.28所示。圖9.28自相關(guān)VI的圖標(biāo)及端口圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用

[例9.8]下圖9.29所示是對(duì)一個(gè)含有噪聲信號(hào)進(jìn)行周期性分析的實(shí)例。測試信號(hào)是正弦信號(hào)與均勻白噪聲疊加而成的混合信號(hào)，當(dāng)噪聲幅度較小時(shí)，可以看出自相關(guān)函數(shù)衰減很慢且明顯的周期性；當(dāng)噪聲幅度遠(yuǎn)大于正弦信號(hào)幅度時(shí)，從自相關(guān)函數(shù)中很難看出周期成分。圖9.29非周期性信號(hào)與周期性信號(hào)自相關(guān)圖圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用2．卷積

卷積VI計(jì)算輸入序列X和Y的卷積，連接到輸入端X和Y的數(shù)據(jù)類型決定了所使用的多態(tài)實(shí)例，能實(shí)現(xiàn)對(duì)一維信號(hào)和二維信號(hào)的卷積運(yùn)算。其圖標(biāo)及端口如圖9.30所示。其中“算法”輸入端指定卷積的方法，當(dāng)“算法”的值為direct時(shí)，VI使用線性卷積的direct方法計(jì)算卷積；如果“算法”為frequencydomain，VI使用基于FFT的方法計(jì)算卷積。如果X和Y較小，direct方法通常更快。如X和Y較大，frequencydomain方法通常更快。圖9.30卷積VI的圖標(biāo)及端口和算法選項(xiàng)圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用

[例9.9]下面9.31是用二維卷積實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像信息邊緣檢測的應(yīng)用示例。圖9.31二維卷積用于邊緣檢測的應(yīng)用實(shí)例圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用

在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理時(shí)，除了進(jìn)行時(shí)域分析外，常常需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析。LabVIEW中提供了大量的VI用于信號(hào)的頻域分析，它們位于兩個(gè)子選板中，一個(gè)是函數(shù)選板中“信號(hào)處理”“變換”子選板，主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傅里葉變換、希爾伯特變換、小波變換等；另一個(gè)是函數(shù)選板中“信號(hào)處理”“譜分析”子選板，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的功率譜分析，包括自功率譜、幅度譜和相位譜等，如圖9.32和圖9.33所示。圖9.32“變換”函數(shù)子選板圖9.33“譜分析”函數(shù)子選板9.6信號(hào)的頻域分析圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用1．快速傅里葉變換

快速傅里葉變換(FFT)是數(shù)字信號(hào)處理中最重要的變換之一，最基本的一個(gè)應(yīng)用就計(jì)算信號(hào)的頻譜，通過頻譜可以方便觀察和分析信號(hào)的頻率組成成分。快速傅里葉變換VI是一個(gè)多態(tài)VI，可以進(jìn)行一維實(shí)數(shù)、復(fù)數(shù)及二維實(shí)數(shù)、復(fù)數(shù)的快速傅里葉變換。一維實(shí)數(shù)FFT的VI圖標(biāo)及端口如9.34所示。圖9.34FFTVI的圖標(biāo)及端口該函數(shù)用于計(jì)算輸入序列X的FFT。X-輸入序列；“移位？”指定DC元素是否位于FFT{X}中心，默認(rèn)值為False;“FFT點(diǎn)數(shù)”是要進(jìn)行FFT的長度，如果“FFT點(diǎn)數(shù)”大于X的元素?cái)?shù)，VI將在X的末尾添加0，以匹配“FFT點(diǎn)數(shù)”的大??；如果“FFT點(diǎn)數(shù)”小于X的元素?cái)?shù)，VI只使用X中的前n個(gè)（n是“FFT點(diǎn)數(shù)”的值）元素進(jìn)行FFT，如果“FFT點(diǎn)數(shù)”小于等于0，VI將使用X的長度作為FFT點(diǎn)數(shù)。圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用[例9.10]如下圖9.35所示為雙邊帶傅里葉變換示例，實(shí)現(xiàn)了由兩個(gè)不同頻率正弦信號(hào)構(gòu)成的混合信號(hào)的快速傅里葉變換。從圖9.35可以看出，變換后的頻譜中除了原有的頻率f外，在Fs-f的位置也有對(duì)應(yīng)的頻率成分，這是由于FFT.VI計(jì)算得到的結(jié)果不僅包含正頻率成分，還包含負(fù)頻率成分，即雙邊帶傅里葉變換。注意，當(dāng)f大于采樣率的一半時(shí)就會(huì)出現(xiàn)頻譜混疊現(xiàn)象，因此，為了獲得正確的頻譜，采樣時(shí)必須滿足奈奎斯特采樣定理，即f<Fs／2。圖9.35雙邊帶傅里葉變換示例圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用[例9.11]如下圖9.36所示為單邊帶傅里葉變換示例，是在雙邊帶FFT變換基礎(chǔ)上取出FFT變換輸出數(shù)組的一半，同時(shí)將幅度擴(kuò)大一倍。圖9.36單邊帶傅里葉變換示例圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用2.自功率譜自功率譜VI的圖標(biāo)及端口如圖9.37所示，該VI用于計(jì)算時(shí)域信號(hào)的單邊且已縮放的自功率譜，其端口的含義如下。圖9.37自功率譜VI的圖標(biāo)及端口（1）信號(hào)：指定輸入的時(shí)域信號(hào)，通常以伏特為單位。時(shí)域信號(hào)必須包含至少三個(gè)周期的信號(hào)才能進(jìn)行有效的估計(jì)。（2）dt：時(shí)域信號(hào)的采樣周期，通常以秒為單位。設(shè)置dt為1/fs，fs是時(shí)域信號(hào)的采樣頻率。默認(rèn)值為1。（3）功率譜：返回單邊功率譜。如輸入信號(hào)以伏特為單位(V)，功率譜的單位為伏特－rms(Vrms2)。如輸入信號(hào)不是以伏特為單位，則功率譜的單位為輸入信號(hào)單位－rms平方。（4）df：如dt以秒為單位，該值是功率譜的頻率間隔，以赫茲為單位。該VI使用下列等式計(jì)算功率譜。功率譜=n是信號(hào)中點(diǎn)的個(gè)數(shù)，*表示復(fù)共軛。該VI可使功率譜轉(zhuǎn)換為單邊功率譜。圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用3.幅度譜和相位譜

幅度譜和相位譜VI的圖標(biāo)及端口如圖9.38所示，該VI用于計(jì)算實(shí)數(shù)時(shí)域信號(hào)的單邊且已縮放的幅度譜，并通過幅度和相位返回幅度譜。其中信號(hào)、dt、端口含義與自功率譜中的端口含義相同?！罢归_相位”的默認(rèn)值為True，表示對(duì)輸出幅度譜相位啟用展開相位；“幅度譜大小”返回單邊功率譜的幅度；“幅度譜相位”是單邊幅度譜相位，以弧度(rad)為單位。圖9.38幅度譜和相位譜VI的圖標(biāo)及端口幅度譜的計(jì)算公式為：其中，X是信號(hào)的離散傅里葉變換；n是信號(hào)的點(diǎn)數(shù)。圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用[例9.12]圖9.39給出了一個(gè)頻率200Hz、幅值1V的正弦波形的自功率譜、功率譜、幅度譜與相位譜。顯然，輸入信號(hào)相同時(shí)，幅度譜的大小等于自功率譜的平方根。圖9.39計(jì)算正弦波形的自功率譜、功率譜、幅度譜與相位譜圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用

濾波是信號(hào)處理中的一種基本而重要的技術(shù)，它包括利用電的、機(jī)械的和數(shù)學(xué)等技術(shù)手段濾除信號(hào)的噪聲或虛假信號(hào)。工程測試中常用的濾波是指在信號(hào)頻域的選頻加工，因?yàn)闇y試中獲取的信號(hào)往往含有多種頻率成分，為了對(duì)其中某一方面的特征有更深的認(rèn)識(shí)，或有利于對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步的分析和處理，需要將其中需要的頻率成分提取出來，而將不需的頻率成分衰減掉。對(duì)于模擬生成的復(fù)雜信號(hào)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)它的處理，首先要減少頻率帶寬，而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)就要加入濾波器的裝置。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.采用軟件編程，易于搭建和擴(kuò)展功能。

2.數(shù)字器件執(zhí)行運(yùn)算，穩(wěn)定性與信噪比高。9.7數(shù)字濾波圖7.23強(qiáng)度圖的應(yīng)用3.無須高精度的元器件，性價(jià)比高，不會(huì)因溫度、濕度等外界環(huán)境的變化產(chǎn)生誤差，也不存在元器件老化問題。4.根據(jù)沖激響應(yīng)，可以將濾波器分為有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器和無限沖激響應(yīng)(IIR)濾波器。FIR濾波器的沖激響應(yīng)在有限時(shí)間內(nèi)衰減為0，其輸出僅取決于當(dāng)前和過去的輸入信號(hào)值；而IIR濾波器的沖激響應(yīng)在理論上會(huì)無限持續(xù)，其輸出不僅取決于當(dāng)前及過去的輸入信號(hào)值，還取決于過去的輸出值。前者可以實(shí)現(xiàn)相位的不失真，而后者的幅頻特性較平坦，但是其相位響應(yīng)是非線性的。因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的濾波器。LabVIEW提供了許多數(shù)字濾波器VI和用來設(shè)計(jì)濾波器的VI，它們位于函數(shù)選板的“信號(hào)處理”“濾波器”子選板中，如圖9.40所示。圖9.40“濾波器”選板選擇濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，有Butterworth濾波器、Chebyshev濾波器、反Chebyshev濾波器、橢圓濾波器和貝塞爾濾波器這5種濾波器結(jié)構(gòu)可供選擇。(1)巴特沃斯濾波器

巴特沃斯型濾波器在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的濾波器中，是最有名的濾波器，由于它設(shè)計(jì)簡單，性能方面又沒有明顯的缺點(diǎn)，又因它對(duì)構(gòu)成濾波器的元件Q值較低，因而易于制作且達(dá)到設(shè)計(jì)性能，得到了廣泛應(yīng)用。其中，巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是：通頻帶的頻率響應(yīng)線最平滑。巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)的特性是對(duì)所有的頻率都有平滑的響應(yīng)。在截止頻率后單調(diào)下降，所以其頻響特性是平滑的，通帶中是最理想的單位響應(yīng)，阻帶中是響應(yīng)。F降頻率由特定的截止頻率決定。巴特沃斯低通濾波器控制面板如圖9.41所示。圖9.41巴特沃斯低通濾波器VI其