LabVIEW連續(xù)時(shí)間信號(hào)時(shí)域抽樣信號(hào)的頻譜課程設(shè)計(jì)

1、 沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙 No24成 績(jī) 評(píng) 定 表學(xué)生姓名陳彥飛班級(jí)學(xué)號(hào)1203020117專 業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器課程設(shè)計(jì)題目連續(xù)時(shí)間抽樣信號(hào)的頻譜評(píng)語組長(zhǎng)簽字：成績(jī)?nèi)掌?2015 年 07 月 20 日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué) 院自動(dòng)化與電氣工程專 業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué)生姓名陳彥飛班級(jí)學(xué)號(hào)1203020117課程設(shè)計(jì)題目連續(xù)時(shí)間信號(hào)時(shí)域抽樣信號(hào)的頻譜實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù):1、學(xué)習(xí)LABVIEW軟件知識(shí)及應(yīng)用2、學(xué)習(xí)并研究信號(hào)分析與處理課題有關(guān)理論3、利用LABVIEW編程，完成相應(yīng)的信號(hào)分析與處理課題4、寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告,打印程序，給出運(yùn)行結(jié)果工作計(jì)劃與進(jìn)度安排:第一周：周一：1、布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)、

2、要求 2、每人一題 周二-周五：利用LABVIEW編程，完成相應(yīng)的信號(hào)分析與處理課題：1、學(xué)習(xí)LABVIEW軟件知識(shí)及應(yīng)用 2、學(xué)習(xí)并研究信號(hào)分析與處理課題有關(guān)理論 3、利用LABVIEW編程，完成相應(yīng)的信號(hào)分析與處理課題第二周：周一-周四： 1、上機(jī)編程、調(diào)試 2、檢查編程、運(yùn)行結(jié)果 3、撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 周五： 答辯，上交報(bào)告。指導(dǎo)教師： 2015年07月06日專業(yè)負(fù)責(zé)人：2015年07月06日學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng)：2015年07月06日目 錄1 引言. . . 12 虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW入門. . 22.1 LabVIEW介紹. . 22.2利用LabVIEW編程完成習(xí)題設(shè)計(jì). .

3、 .53利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間信號(hào)時(shí)域抽樣信號(hào)的頻譜的設(shè)計(jì).173.1連續(xù)時(shí)間信號(hào)時(shí)域抽樣信號(hào)的頻譜的基本原理. .173.2連續(xù)時(shí)間信號(hào)時(shí)域抽樣信號(hào)的頻譜編程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn).173.3運(yùn)行結(jié)果及分析. . .174總結(jié). . .285參考文獻(xiàn). . .28241引言在人類認(rèn)識(shí)自然改造自然的過程中，信息發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。信息一般泛指消息、情報(bào)、指令、數(shù)據(jù)、信號(hào)等。信號(hào)作為信息的重要組成部分，千百年來廣泛的存在于我們的生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面。抽象的信息通過聲音、圖像、文字、顏色等這些我們可以實(shí)實(shí)在在感覺的到的形式傳遞信息。因此，如何從這些實(shí)實(shí)在在的感覺到的東西中提取出信息就成為我們能否獲取

4、信息的關(guān)鍵。因此我們對(duì)信號(hào)快速準(zhǔn)確的分析處理能力決定著我們獲取信息的能力。隨著人類社會(huì)的快速發(fā)展和科技的進(jìn)步，需要處理的信息量越來越大，信號(hào)的分析處理方式也越來越多樣化。傳統(tǒng)儀器不斷發(fā)展，各種功能強(qiáng)大的儀器層出不窮。虛擬儀器作為新型的信號(hào)處理分析儀器也迅速發(fā)展起來。較傳統(tǒng)儀器而言，虛擬儀器靈活方便，功能更加多樣化，并且用戶可以根據(jù)自己的需要自行定制功能，成本低廉但數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大。因此越來越受到人們的歡迎。虛擬儀器的設(shè)計(jì)與使用對(duì)我們有著越來越重要的作用。本次課程設(shè)計(jì)就是對(duì)這種能力的一種培養(yǎng)。2 虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW入門2.1 LabVIEW介紹LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國

5、國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 LabVIEW軟件是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，也是開發(fā)測(cè)量或控制系統(tǒng)的理想選擇。 LabVIEW開發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學(xué)家解決問題、提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新。圖2-1 啟動(dòng)界面與 C 和basic 一樣，LabVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。LabVIEW函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)

6、采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可通過編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。圖2-2創(chuàng)建項(xiàng)目 圖2-3控件 圖2-4 函數(shù)與其他基于文本的程序設(shè)計(jì)語言相比，LabVIEW具有如下特點(diǎn)

7、：（l）直觀、易學(xué)易用。與其他計(jì)算機(jī)編程語言相比，圖形化編程工具LabVIEW有一個(gè)重要的不同點(diǎn)：不采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼行，而使用圖形化編程語言G編寫程序；用框圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼。因而可在很短的時(shí)間內(nèi)被掌握并應(yīng)用到實(shí)踐中去。 圖2-5 前面板圖 圖2-6 程序框圖（2）通用編程系統(tǒng)。LabVIEW的功能并沒有因圖形化編程而受到限制，依然具有通用編程系統(tǒng)的特點(diǎn)。LabVIEW有一個(gè)可完成任何編程任務(wù)的龐大的函數(shù)庫。該函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其通過程序的結(jié)果、單步執(zhí)行等，便

8、于程序的調(diào)試。LabVIEW的動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動(dòng)態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其他語言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效。（3）模塊化。LabVIEW的模塊化體現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先，LabVIEW中使用的基本節(jié)點(diǎn)和函數(shù)等就是一個(gè)個(gè)小的模塊，可以直接使用；另外，由LabVIEW編寫的程序即虛擬儀器模塊，除作為獨(dú)立程序運(yùn)行外，還可作為另一個(gè)虛擬儀器模塊的子模塊供其他模塊程序使用。2.2 利用LabVIEW編程完成習(xí)題設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的正弦波發(fā)生器，要求頻率和幅度可調(diào)圖2-7習(xí)題2.1 前面板圖圖2-8習(xí)題2.1 程序面板圖2.新建一個(gè)VI，進(jìn)行如下練習(xí)：（1）任意放置幾個(gè)控件在前面板，改

9、變它們的位置、名稱、大小、顏色等等。 （2）在VI前面板和后面板之間進(jìn)行切換。（3）并排排列前面板和后面板窗口。圖2-9習(xí)題3.1 前面板圖 圖2-10習(xí)題3.1 程序面板圖3. 編寫一個(gè)VI求三個(gè)數(shù)的平均值圖2-11習(xí)題3.2前面板圖圖2-12習(xí)題3.2程序面板圖4. 寫一個(gè)VI判斷兩個(gè)數(shù)的大小，如右圖所示：當(dāng)A>B時(shí)，指示燈亮圖2-13習(xí)題4.1前面板圖圖2-14習(xí)題4.1程序面板圖5. 寫一個(gè)VI獲取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，并將其轉(zhuǎn)換為字符串和浮點(diǎn)數(shù)。圖2-15習(xí)題4.2前面板圖 圖2-16習(xí)題4.2程序面板圖6.寫一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)器,當(dāng)溫度超過報(bào)警上限，而且開啟報(bào)警時(shí)，報(bào)警燈點(diǎn)亮。圖2-17習(xí)

10、題4.3前面板圖圖2-18習(xí)題4.3程序面板圖7. 給定任意x, 求如下表達(dá)式的值： y=x5+cosxex；圖2-19習(xí)題4.4前面板圖圖2-20習(xí)題4.4程序面板圖8.利用順序結(jié)構(gòu)和timing面板下的tick count VI，計(jì)算for循環(huán)產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為20000點(diǎn)的隨機(jī)波形所需的時(shí)間。圖2-21習(xí)題5.1 前面板圖圖2-22習(xí)題5.1 程序面板圖9為第4章習(xí)題4添加一個(gè)While循環(huán)和定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的溫度采集監(jiān)測(cè)。圖2-23習(xí)題5.2前面板圖圖2-24習(xí)題5.2程序面板圖10. 計(jì)算學(xué)生三門課（語文，數(shù)學(xué)，英語）的平均分，并根據(jù)平均分劃分成績(jī)等級(jí)。要求輸出等級(jí)A,B,C,D,E。9

11、0分以上為A，8089為B，7079為C，6069為D，60分以下為E。圖2-25習(xí)題5.3前面板圖圖2-26習(xí)題5.3程序面板圖11. 為第5章的習(xí)題2連續(xù)溫度采集監(jiān)測(cè)添加報(bào)警信息，當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)輸出報(bào)警信息，例如“溫度超限！當(dāng)前溫度78.23”，正常情況下輸出空字符串。 圖2-27習(xí)題6.1前面板圖 圖2-28習(xí)題6.1程序面板圖12. 將一些字符串和數(shù)值轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的輸出字符串，輸出的字符串是一個(gè)GPIB命令字符串，可以用來與串口儀器進(jìn)行通信。圖2-29習(xí)題6.2 前面板圖圖2-30習(xí)題6.2 程序面板圖13. 用FOR循環(huán)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組，并用圖形顯示輸出的數(shù)組圖2-31習(xí)題6.3前面板圖圖

12、2-32習(xí)題6.3程序框圖14. 利用簇模擬汽車控制，如右圖所示，控制面板可以對(duì)顯示面板中的參量進(jìn)行控制。油門控制轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速油門*100，檔位控制時(shí)速,時(shí)速檔位*40，油量隨VI運(yùn)行時(shí)圖2-33習(xí)題6.4前面板圖圖2-34習(xí)題6.4程序面板圖15. 利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仿真一個(gè)0到5V的采樣信號(hào)，每200ms采一個(gè)點(diǎn)，利用實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線實(shí)時(shí)顯示采樣結(jié)果。 圖2-35習(xí)題7.1前面板圖圖2-36習(xí)題7.1程序框圖16. 在習(xí)題1的基礎(chǔ)上再增加1路電壓信號(hào)采集，此路電壓信號(hào)的范圍為5到10V。圖2-37習(xí)題7.2 前面板圖圖2-38習(xí)題7.2 程序面板圖17. 利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仿真一個(gè)0到5V的采樣信號(hào)

13、，每200ms采一個(gè)點(diǎn)，共采集50個(gè)點(diǎn)，采集完后一次性顯示在Waveform Graph上。 圖2-39習(xí)題7.3 前面板圖 圖2-40習(xí)題7.3 程序面板圖18. 在習(xí)題3的基礎(chǔ)上再增加1路電壓信號(hào)采集，此路電壓信號(hào)的范圍為5到10V，采樣間隔是50ms，共采100個(gè)點(diǎn)。采樣完成后，將兩路采樣信號(hào)顯示在同一個(gè)Waveform Graph中。 圖2-41習(xí)題7.4 前面板圖 圖2-42習(xí)題7.4程序面板圖3利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間信號(hào)時(shí)域抽樣信號(hào)的頻譜的設(shè)計(jì)3.1 連續(xù)時(shí)間信號(hào)時(shí)域抽樣信號(hào)的頻譜的基本原理1、時(shí)域抽樣定理抽樣定理的說明：一個(gè)頻譜受限的信號(hào)f(t)，如果頻譜只占據(jù)-wnwn

14、的范圍則信號(hào)f(t)可以用等間隔的抽樣值唯一地表示。而抽樣間隔必須不大于12fn（其中wn=2fn），或者說，最低抽樣頻率為2fn.對(duì)于抽樣定理，可以從物理概念上作如下解釋。由于一個(gè)頻帶受限的信號(hào)波形絕不可能在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生獨(dú)立的、實(shí)質(zhì)的變化，它的變化速率受到最高頻率分量wn的限制。因此，為了保留這一頻率分量的全部信息，一個(gè)周期的間隔內(nèi)至少采樣兩次，即必須滿足ws2wn或fs2fn.2、時(shí)頻域轉(zhuǎn)換時(shí)域波形變?yōu)轭l域波形需要經(jīng)過傅里葉級(jí)數(shù)和傅里葉變換實(shí)現(xiàn)。傅里葉變換，表示能將滿足一定條件的某個(gè)函數(shù)表示成三角函數(shù)（正弦或余弦函數(shù)）或者他們的積分的線性組合。在不同的領(lǐng)域中傅里葉變換有不同的變體形式。

15、傅里葉變換也是一種分析信號(hào)的方法。將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變成為頻率域。傅里葉級(jí)數(shù)展開式:ft=a0+a1cosw1t+ b1sinw1t+a2cos2w1t+ b2sin2w1t+ancosnw1t+bnsinnw1t+ =a0+n=1ancosnw1t+bnsin(nw1t)傅里葉變換公式:F(W)=Fft=-+fte-itdt3.2 連續(xù)時(shí)間信號(hào)時(shí)域抽樣信號(hào)的頻譜的編程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)掌握了連續(xù)時(shí)間信號(hào)時(shí)域抽樣以及頻譜分析的方法之后。我們開始進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)主要包括兩大部分，即前面板的設(shè)計(jì)和程序框圖的設(shè)計(jì)。以下分別進(jìn)行介紹。1、 前面板的設(shè)計(jì)前面板是進(jìn)行人機(jī)交互的主界面，各種參數(shù)的設(shè)置主要在前面板進(jìn)行。

16、本設(shè)計(jì)，我們對(duì)四種常見信號(hào):正弦波、方波、鋸齒波、三角波進(jìn)行分析處理，因此需放置四個(gè)單選按鈕對(duì)四種波形進(jìn)行選擇，另外需要顯示四種狀態(tài)下的波形，即連續(xù)時(shí)間信號(hào)時(shí)域譜、連續(xù)時(shí)間信號(hào)的抽樣信號(hào)時(shí)域譜、連續(xù)時(shí)間信號(hào)頻譜、連續(xù)時(shí)間時(shí)域抽樣信號(hào)的頻譜。通過對(duì)比進(jìn)行分析。為此，我們?cè)谇懊姘宸胖盟膫€(gè)波形圖控件，分別顯示四種狀態(tài)的波形。除顯示波形外，我們還應(yīng)該能夠自行調(diào)節(jié)各種參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)在不同狀態(tài)下對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽樣和頻譜分析，需要在前面板放置數(shù)值輸入控件。這里，我們將信號(hào)的參數(shù)分為兩大類：原信號(hào)參數(shù)設(shè)置和抽樣信號(hào)參數(shù)設(shè)置。原信號(hào)參數(shù)輸入部分具體包括兩個(gè)旋鈕，分別設(shè)置頻率和幅值。兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入框，以便進(jìn)行頻率和幅值的

17、精準(zhǔn)輸入設(shè)置。另外再放置五個(gè)數(shù)據(jù)輸入框，分別對(duì)信號(hào)的相位、偏移量、采樣點(diǎn)數(shù)采樣頻率和FFT點(diǎn)數(shù)進(jìn)行設(shè)置。一個(gè)相位重置開關(guān)重置信號(hào)的相位。抽樣信號(hào)參數(shù)設(shè)置主要是對(duì)抽樣信號(hào)進(jìn)行操作，包括抽樣信號(hào)的頻率、抽樣信號(hào)的相位，以及FFT點(diǎn)數(shù)設(shè)置等。最后有一個(gè)STOP按鈕以便隨時(shí)停止對(duì)信號(hào)分析。效果圖如下：圖3-1 前面板設(shè)計(jì)圖2、 程序的設(shè)計(jì)程序的設(shè)計(jì)主要?jiǎng)澐譃槿竽K：信號(hào)產(chǎn)生模塊，信號(hào)處理模塊，波形顯示模塊。（1） 信號(hào)產(chǎn)生模塊信號(hào)產(chǎn)生模塊采用了LabVIEW函數(shù)庫中提供的波形生成函數(shù)實(shí)現(xiàn)。包括正弦波、三角波、方波、鋸齒波及其他的函數(shù)波形。這里我們主要使用了四種常見信號(hào)作為原信號(hào)，即:正弦波、三角波、

18、方波、鋸齒波。抽樣信號(hào)則采用頻率、相位可調(diào)的矩形脈沖抽樣。 圖3-2波形生成模塊（2） 信號(hào)處理模塊X1*X2 信號(hào)處理模塊主要是原信號(hào)與抽樣信號(hào)的相乘以及信號(hào)的傅里葉變換。圖3-3 信號(hào)處理模塊（3） 波形顯示模塊 波形顯示模塊主要是波形圖（Waveform Graph）。圖3-4 波形顯示模塊最終程序設(shè)計(jì)框圖如下所示：圖3-5 程序設(shè)計(jì)框圖3.3 運(yùn)行結(jié)果及分析1、 正弦波圖36 正弦波效果圖2、 方波圖37方波效果圖3、 三角波圖38三角波效果圖4、 鋸齒波圖39鋸齒波效果圖結(jié)果分析：在以上四種的狀態(tài)下，波形均與預(yù)期理論波形一致，課程設(shè)計(jì)要求也已達(dá)到。4 總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，設(shè)計(jì)的過程比較順利。雖然過程中遇到了一些問題如設(shè)計(jì)軟件的安裝、軟件入門、設(shè)計(jì)思路的確定等問題。但是在經(jīng)過自己在圖書館看書學(xué)習(xí)，在網(wǎng)上查找資料，與網(wǎng)友的討論后大都得到了解決。一些解決不了的問題也在老師的指導(dǎo)和啟發(fā)下以及與同學(xué)的討論中得到了解決。動(dòng)手動(dòng)腦，互相討論，大膽嘗試，這個(gè)過程讓我學(xué)到了很多，加深了我對(duì)課上所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解，提高了我發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，也激起了我繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。此次設(shè)計(jì)總的來說是成功的，各項(xiàng)功能均已實(shí)現(xiàn)，預(yù)期要求已經(jīng)達(dá)到。不滿足是向上的車輪。認(rèn)真思考總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，我的設(shè)計(jì)還有很多值得改進(jìn)的地方。首先，設(shè)計(jì)的靈活性不夠。該設(shè)計(jì)能夠處理的信號(hào)種類有限，不具有普遍適用性。對(duì)于不