第4章 基于LabVIEW的信號發(fā)生、分析與處理

1、周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院第第4章章 基于基于LabVIEW的信號發(fā)生、分析與處理的信號發(fā)生、分析與處理本章內(nèi)容本章內(nèi)容 4.1 信號的發(fā)生信號的發(fā)生 4.2 信號的時域分析與處理信號的時域分析與處理 4.3信號的頻域分析與處理信號的頻域分析與處理 4.4 波形測量與信號調(diào)理波形測量與信號調(diào)理 4.5 波形監(jiān)測與逐點(diǎn)信號分析波形監(jiān)測與逐點(diǎn)信號分析 本章例題參考教材，本課件中不再詳述。本章例題參考教材，本課件中不再詳述。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1 信號的發(fā)生信號的發(fā)生周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院周

2、鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1.1 基本函數(shù)發(fā)生器基本函數(shù)發(fā)生器 “基本函數(shù)發(fā)生器基本函數(shù)發(fā)生器.vi”是是LabVIEW中一種常用的用以產(chǎn)生中一種常用的用以產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)的波形數(shù)據(jù)的VI，它可以產(chǎn)生，它可以產(chǎn)生4種基本信號，即正弦波、方波、種基本信號，即正弦波、方波、三角波和鋸齒波，可以控制信號的頻率、幅值及相位等信息，三角波和鋸齒波，可以控制信號的頻率、幅值及相位等信息，其圖標(biāo)和端口如圖所示。其圖標(biāo)和端口如圖所示。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1.2 基本多頻信號發(fā)生器基本多頻信號發(fā)生器 多頻信號是由多種頻率成分的正弦波疊加而

3、成的波形信多頻信號是由多種頻率成分的正弦波疊加而成的波形信號，號，LabVIEW 2011提供了基本混合單頻提供了基本混合單頻.vi、基本帶幅值混、基本帶幅值混合單頻合單頻.vi、混合單頻信號發(fā)生器、混合單頻信號發(fā)生器.vi三個三個VI專門用來產(chǎn)生多頻專門用來產(chǎn)生多頻信號，它們位于波形生成子選板中。本節(jié)介紹基本混合單信號，它們位于波形生成子選板中。本節(jié)介紹基本混合單頻頻.vi，也稱為基本多頻信號發(fā)生器，可生成整數(shù)個周期的單，也稱為基本多頻信號發(fā)生器，可生成整數(shù)個周期的單頻正弦之和的波形。其圖標(biāo)和端口如圖所示。頻正弦之和的波形。其圖標(biāo)和端口如圖所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)

4、電氣工程學(xué)院4.1.3 白噪聲信號發(fā)生器白噪聲信號發(fā)生器 LabVIEW 2011提供了白噪聲、高斯噪聲、周期隨機(jī)噪提供了白噪聲、高斯噪聲、周期隨機(jī)噪聲信號等多種常用的噪聲信號發(fā)生器，這幾種噪聲信號分布聲信號等多種常用的噪聲信號發(fā)生器，這幾種噪聲信號分布于波形生成和信號生成兩個子選板中。于波形生成和信號生成兩個子選板中?！熬鶆虬自肼暟l(fā)生器均勻白噪聲發(fā)生器波形波形.vi”能夠產(chǎn)生一定幅值均勻分布的的白噪聲信號，其中，能夠產(chǎn)生一定幅值均勻分布的的白噪聲信號，其中，幅值為信號輸出的最大絕對值，默認(rèn)值為幅值為信號輸出的最大絕對值，默認(rèn)值為1.0。其圖標(biāo)和端口。其圖標(biāo)和端口如圖所示。如圖所示。周鵬周鵬

5、安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1.4 高斯白噪聲信號發(fā)生器高斯白噪聲信號發(fā)生器 “高斯白噪聲波形高斯白噪聲波形.vi”用來產(chǎn)生一定標(biāo)準(zhǔn)差高斯分布的白用來產(chǎn)生一定標(biāo)準(zhǔn)差高斯分布的白噪聲信號，標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)端口決定了其偏差值，且輸入為絕對噪聲信號，標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)端口決定了其偏差值，且輸入為絕對值。其圖標(biāo)和端口如圖所示。值。其圖標(biāo)和端口如圖所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1.5周期隨機(jī)噪聲信號發(fā)生器周期隨機(jī)噪聲信號發(fā)生器 “周期隨機(jī)噪聲信波形周期隨機(jī)噪聲信波形.vi”用來產(chǎn)生周期性的隨機(jī)噪聲信號，用來產(chǎn)生周期性的隨機(jī)噪聲信號，頻譜幅值數(shù)據(jù)端口決定了噪

6、聲信號的功率譜幅值。其圖標(biāo)和頻譜幅值數(shù)據(jù)端口決定了噪聲信號的功率譜幅值。其圖標(biāo)和端口如圖所示。端口如圖所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2 信號的時域分析與處理信號的時域分析與處理 對信號的分析與處理可分為在時域和頻域中完成，它們對信號的分析與處理可分為在時域和頻域中完成，它們從不同的角度和方面對信號進(jìn)行分析、反映信號的不同特征。從不同的角度和方面對信號進(jìn)行分析、反映信號的不同特征。本節(jié)介紹對信號進(jìn)行時域分析與處理的方法。本節(jié)介紹對信號進(jìn)行時域分析與處理的方法。 以時間為自變量描述物理量的變化是信號最基本、最直以時間為自變量描述物理量的變化是信號最基本、最直觀

7、的表達(dá)形式。在時域內(nèi)對信號進(jìn)行波形變換、縮放、統(tǒng)計觀的表達(dá)形式。在時域內(nèi)對信號進(jìn)行波形變換、縮放、統(tǒng)計特征計算、相關(guān)性分析等處理，統(tǒng)稱為信號的時域分析。通特征計算、相關(guān)性分析等處理，統(tǒng)稱為信號的時域分析。通過時域分析方法，可以有效提高信噪比，求取信號波形在不過時域分析方法，可以有效提高信噪比，求取信號波形在不同時刻的相似性和關(guān)聯(lián)性，獲得反映系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的特征參同時刻的相似性和關(guān)聯(lián)性，獲得反映系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)，為系統(tǒng)動態(tài)分析和故障診斷提供有效地信息。數(shù)，為系統(tǒng)動態(tài)分析和故障診斷提供有效地信息。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工

8、程大學(xué)電氣工程學(xué)院周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2.1 基本平均直流基本平均直流-均方根均方根 “基本平均直流基本平均直流-均方根均方根.vi”是從信號輸入端輸入一個波形是從信號輸入端輸入一個波形或數(shù)組，對其加窗，根據(jù)平均類型輸入端口的值計算加窗后或數(shù)組，對其加窗，根據(jù)平均類型輸入端口的值計算加窗后信號的平均直流信號的平均直流DC及均方根及均方根RMS值。此函數(shù)對于每個輸入的值。此函數(shù)對于每個輸入的波形只返回一個直流值和一個均方根值。其圖標(biāo)和端口如圖波形只返回一個直流值和一個均方根值。其圖標(biāo)和端口如圖所示。所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣

9、工程學(xué)院4.2.2平均直流平均直流-均方根均方根 “平均直流平均直流-均方根均方根.vi”同樣也是用于計算信號的平均直流同樣也是用于計算信號的平均直流DC及均方根及均方根RMS值，只是值，只是Averaged DC-RMS.vi的輸出是一的輸出是一個波形數(shù)據(jù)。其圖標(biāo)和端口如圖個波形數(shù)據(jù)。其圖標(biāo)和端口如圖4-18所示。所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2.3 周期平均值和均方根周期平均值和均方根 “周期平均值和均方根周期平均值和均方根.vi”可以測量信號在一個周期中的可以測量信號在一個周期中的均值及均方根值。其圖標(biāo)和端口如圖所示。均值及均方根值。其圖標(biāo)和端口如圖

10、所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2.4 瞬態(tài)特性測量瞬態(tài)特性測量 “瞬態(tài)特性測量瞬態(tài)特性測量.vi”用于測量信號的過渡態(tài)量：上升時間用于測量信號的過渡態(tài)量：上升時間以及其超調(diào)量。其圖標(biāo)和端口如圖所示。以及其超調(diào)量。其圖標(biāo)和端口如圖所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2.5 脈沖測量脈沖測量 “脈沖測量脈沖測量.vi”用于測量信號的周期、脈沖寬度以及信號用于測量信號的周期、脈沖寬度以及信號的占空比。其圖標(biāo)和端口如圖所示。的占空比。其圖標(biāo)和端口如圖所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2.6 幅值和電

11、平測量幅值和電平測量 “幅值和電平測量幅值和電平測量”Express VI用于測量信號的電壓。將用于測量信號的電壓。將Express VI放置在框圖中，會自動彈出一個初始化配置窗口，放置在框圖中，會自動彈出一個初始化配置窗口，如圖所示。如圖所示。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2.7 提取單頻信息提取單頻信息 “提取單頻信息提取單頻信息.vi”用于提取信號的頻率、幅值和相位等信用于提取信號的頻率、幅值和相位等信息。其圖標(biāo)和端口如圖所示。息。其圖標(biāo)和端口如圖所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2.8 提取混合單頻信息提取混合單頻信息

12、 “提取混合單頻信息提取混合單頻信息.vi”用于提取幅值超過指定閾值的單頻用于提取幅值超過指定閾值的單頻信號的頻率、幅值和相位等信息。其圖標(biāo)和端口如圖所示信號的頻率、幅值和相位等信息。其圖標(biāo)和端口如圖所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2.9 卷積積分卷積積分 LabVIEW 2011提供實(shí)現(xiàn)卷積運(yùn)算的提供實(shí)現(xiàn)卷積運(yùn)算的VI有有“卷積卷積.vi”、“反卷反卷積積.vi”、以及卷積和相關(guān)、以及卷積和相關(guān)Express VI。它們位于。它們位于“函數(shù)選板函數(shù)選板信號處理信號處理信號運(yùn)算信號運(yùn)算”子選板中。子選板中。 本節(jié)以本節(jié)以“卷積卷積.vi”為例進(jìn)行介紹，卷積為

13、例進(jìn)行介紹，卷積VI計算輸入序列計算輸入序列X和和Y的卷積，連接到輸入端的數(shù)據(jù)類型決定了卷積的數(shù)據(jù)類型，的卷積，連接到輸入端的數(shù)據(jù)類型決定了卷積的數(shù)據(jù)類型，能實(shí)現(xiàn)對一維信號和二維信號的卷積運(yùn)算。其圖標(biāo)和端口如能實(shí)現(xiàn)對一維信號和二維信號的卷積運(yùn)算。其圖標(biāo)和端口如圖所示。圖所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2.10 相關(guān)分析相關(guān)分析 相關(guān)分析在信號處理中有著廣泛的應(yīng)用，如信號的時延相關(guān)分析在信號處理中有著廣泛的應(yīng)用，如信號的時延估計、信號識別、故障診斷等。估計、信號識別、故障診斷等。LabVIEW 2011提供了提供了“自自相關(guān)相關(guān).vi”與與“互相關(guān)互相關(guān).vi

14、”分別用于求解輸入信號的自相關(guān)和互分別用于求解輸入信號的自相關(guān)和互相關(guān)序列。其圖標(biāo)和端口如圖所示。相關(guān)序列。其圖標(biāo)和端口如圖所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2.11 諧波失真分析諧波失真分析 LabVIEW 2011中中“諧波失真分析諧波失真分析.vi”、“SINAD分析分析.vi”、“失真測量失真測量Express VI”能夠?qū)崿F(xiàn)輸入信號的諧波分析，輸出能夠?qū)崿F(xiàn)輸入信號的諧波分析，輸出THD、SINAD和各次諧波分量幅值的信息。和各次諧波分量幅值的信息。 本節(jié)介紹失真測量本節(jié)介紹失真測量Express VI，將，將Express VI放置在框圖中，放置在框

15、圖中，會自動彈出屬性對話框，如圖所示。會自動彈出屬性對話框，如圖所示。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3 信號的頻域分析與處理信號的頻域分析與處理 LabVIEW 2011中提供了豐富的信號頻域分析處理節(jié)點(diǎn)，中提供了豐富的信號頻域分析處理節(jié)點(diǎn)，主要分布在信號處理選板中的兩個子選板：一個是主要分布在信號處理選板中的兩個子選板：一個是“變換變換”子選板，其實(shí)現(xiàn)的函數(shù)功能主要有傅里葉變換、希爾伯特變子選板，其實(shí)現(xiàn)的函數(shù)功能主要有傅里葉變換、希爾伯特變換、小波變換、拉普拉斯變換等；另一個是換、小波變換、拉普拉斯變換等；另一個是“譜分析譜分析”子選子選板，所包含的函數(shù)主要

16、包括功率譜分析、聯(lián)合時頻分析等。板，所包含的函數(shù)主要包括功率譜分析、聯(lián)合時頻分析等。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3.1 傅里葉變換傅里葉變換 “FFT.vi”是計算輸入序列是計算輸入序列X的快速傅立葉變換（的快速傅立葉變換（FFT）。）。通過連線數(shù)據(jù)至通過連線數(shù)據(jù)至X輸入端，可確定要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)類型。其圖標(biāo)輸入端，可確定要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)類型。其圖標(biāo)和端口如圖所示。和端口如圖所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3.2 H

17、ilbert變換變換 Hilbert變換是一種重要的變換，它常用于通信系統(tǒng)和數(shù)變換是一種重要的變換，它常用于通信系統(tǒng)和數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，如提取瞬時頻率和相位信息，計算單邊字信號處理系統(tǒng)中，如提取瞬時頻率和相位信息，計算單邊頻譜，獲取振蕩信號的包絡(luò)，進(jìn)行回聲檢測和降低采樣速率頻譜，獲取振蕩信號的包絡(luò)，進(jìn)行回聲檢測和降低采樣速率等。等。 快速希爾伯特變換快速希爾伯特變換.vi圖標(biāo)和端口如圖所示。圖標(biāo)和端口如圖所示。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3.3 功率譜分析功率譜分析 LabVIEW 2011提供了非常多的用于功率譜分析與計算提供了非常多的用于功率譜分析與計

18、算的的VI，如自功率譜、互功率譜、單邊互功率譜、非平均采樣，如自功率譜、互功率譜、單邊互功率譜、非平均采樣信號頻譜等。信號頻譜等。“自功率譜自功率譜.vi”用于計算時域信號的單邊且已縮用于計算時域信號的單邊且已縮放的自功率譜。放的自功率譜。“功率譜功率譜.vi”用于計算信號的雙邊功率譜，其用于計算信號的雙邊功率譜，其圖標(biāo)和端口如圖所示。圖標(biāo)和端口如圖所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3.4 聯(lián)合時頻分析聯(lián)合時頻分析 LabVIEW 2011提供了兩個用于時頻分析的提供了兩個用于時頻分析的VI：“STFT時頻圖時頻圖.vi”，依據(jù)短時傅里葉變換（，依據(jù)短時傅里葉

19、變換（STFT）算法計算聯(lián)合時）算法計算聯(lián)合時頻域中信號的能量分布；頻域中信號的能量分布；“WVD時頻圖時頻圖.vi”，依據(jù)，依據(jù)Wigner-Ville分布（分布（WVD）算法計算輸入信號在聯(lián)合時頻域中的能量）算法計算輸入信號在聯(lián)合時頻域中的能量分布。其圖標(biāo)和端口分別如圖所示。分布。其圖標(biāo)和端口分別如圖所示。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3.5 窗函數(shù)窗函數(shù) LabVIEW中，前面涉及到的各種頻譜分析、功率譜分中，前面涉及到的各種頻譜分析、功率譜分析等的參數(shù)設(shè)置中都需要選擇窗函數(shù)，而且這些析等的參數(shù)設(shè)置中都需要選擇窗函數(shù)，而且這些VI中提供了中提供了豐富的窗函

20、數(shù)類型以供選擇。在基本函數(shù)豐富的窗函數(shù)類型以供選擇。在基本函數(shù)VI中，中，LabVIEW 2011也提供了豐富的窗函數(shù)類型也提供了豐富的窗函數(shù)類型VI，位于，位于“函數(shù)選板函數(shù)選板信號信號處理處理窗窗”子函數(shù)選板中，如圖所示。對窗函數(shù)的使用要點(diǎn)子函數(shù)選板中，如圖所示。對窗函數(shù)的使用要點(diǎn)是在合適的場合選用合適的窗函數(shù)。是在合適的場合選用合適的窗函數(shù)。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3.6 LabVIEW中其他頻域分析處理中其他頻域分析處理VI LabVIEW 2011中，除了信號處理子選板下變換、譜分析選中，

21、除了信號處理子選板下變換、譜分析選板中的各種頻域分析及處理板中的各種頻域分析及處理VI，在波形測量選板下也有大量，在波形測量選板下也有大量對信號進(jìn)行譜分析的基本對信號進(jìn)行譜分析的基本VI。 當(dāng)然，當(dāng)然，LabVIEW中還有其它一些用于特定場合的頻域分析處中還有其它一些用于特定場合的頻域分析處理理VI，例如變換子選板下用于將時域?qū)崝?shù)序列變換為頻域?qū)?，例如變換子選板下用于將時域?qū)崝?shù)序列變換為頻域?qū)崝?shù)序列的數(shù)序列的Hartley變換變換FHT.vi，譜分析子選板下用于估計未知，譜分析子選板下用于估計未知長度正弦信號頻率的長度正弦信號頻率的Buneman頻率估計頻率估計Buneman Frequenc

22、y Estimator.vi，這些，這些VI雖然不是非常廣泛地被使用，但對于某雖然不是非常廣泛地被使用，但對于某些特定的處理對象，使用恰當(dāng)?shù)男┨囟ǖ奶幚韺ο?，使用恰?dāng)?shù)腣I能夠更好地分析出被測量能夠更好地分析出被測量信號或系統(tǒng)的特性。信號或系統(tǒng)的特性。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.4 波形測量與信號調(diào)理波形測量與信號調(diào)理4.4.14.4.1波形測量波形測量 波形測量波形測量VI位于位于“函數(shù)選板函數(shù)選板”“信號處理信號處理”“波形測波形測量量”子函數(shù)選板中，如子函數(shù)選板中，如4.2節(jié)中圖所示。該函數(shù)選板提供了節(jié)中圖所示。該函數(shù)選板提供了18個普通個普通VI和和6

23、個個Express VI，主要用于對波形的各種信息進(jìn)行，主要用于對波形的各種信息進(jìn)行測量，包括直流交流分析、振幅測量、瞬態(tài)特性測量、脈沖測量，包括直流交流分析、振幅測量、瞬態(tài)特性測量、脈沖測量、傅里葉變換、功率譜測量、諧波失真分析、頻率響應(yīng)、測量、傅里葉變換、功率譜測量、諧波失真分析、頻率響應(yīng)、SINAD分析等。一些分析等。一些VI可以計算多次測量的平均值，它們可可以計算多次測量的平均值，它們可以將上次分析的結(jié)果保存下來，以供下次使用，這一優(yōu)點(diǎn)在以將上次分析的結(jié)果保存下來，以供下次使用，這一優(yōu)點(diǎn)在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時是非常有用的。另外如果用戶處理地數(shù)據(jù)處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時是非常有用的。另外如果用戶處理地數(shù)據(jù)規(guī)模較大，也可以將數(shù)據(jù)分成若干小塊，每次分析一小塊，規(guī)模較大，也可以將數(shù)據(jù)分成若干小塊，每次分析一小塊，通過通過VI的記憶功能得到整個數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。的記憶功能得到整個數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院4.4.2 信號調(diào)理信號調(diào)理 LabVIEW