儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)實(shí)驗(yàn)1 仿真信號(hào)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?熟悉LabVIEW中仿真信號(hào)的多種產(chǎn)生函數(shù)及參數(shù)設(shè)置。2掌握常用測(cè)試仿真信號(hào)的產(chǎn)生。3學(xué)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的函數(shù)波形和任意波形。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1采用Express VI仿真信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生規(guī)定的附有噪聲的正弦信號(hào)，并顯示波形。2. 采用波形發(fā)生器VI，產(chǎn)生規(guī)定的附有噪聲的多波形信號(hào)，并顯示波形。3. 產(chǎn)生任意波形信號(hào)，并顯示和存盤。4. 采用公式節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生規(guī)定的復(fù)雜函數(shù)信號(hào)。三、實(shí)驗(yàn)器材：安裝有LabVIEW軟件的計(jì)算機(jī)1臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)原理：

2、1虛擬儀器中獲得信號(hào)數(shù)據(jù)的3個(gè)途徑：（1）對(duì)被測(cè)的模擬信號(hào)，使用數(shù)據(jù)采集卡或其他硬件電路，進(jìn)行采樣和A/D變換，送入計(jì)算機(jī)。（2）從文件讀入以前存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)，或由其他儀器采集的波形數(shù)據(jù)。（3）在LabVIEW中的波形產(chǎn)生函數(shù)得到的仿真信號(hào)波形數(shù)據(jù)。2測(cè)試信號(hào)在LabVIEW中的表示在LabVIEW中測(cè)試信號(hào)已經(jīng)是離散化的時(shí)域波形數(shù)據(jù)，表示信號(hào)的數(shù)據(jù)類型有數(shù)組、波形數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)3種。波形數(shù)據(jù)是一種特殊的簇結(jié)構(gòu)，它由時(shí)間起始值t0、兩個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔值dt以及采樣數(shù)據(jù)一維數(shù)組Y組合成的一個(gè)簇。它的物理意義是對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)x(t)從時(shí)間t0開始進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，采樣率為fs,對(duì)應(yīng)采樣時(shí)間間

3、隔dt=1/fs ，數(shù)組Y為各個(gè)時(shí)刻的采樣值。對(duì)周期信號(hào)，1個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)等于采樣頻率除以信號(hào)頻率。3仿真信號(hào)產(chǎn)生函數(shù)在LabVIEW中產(chǎn)生一個(gè)仿真信號(hào)，相當(dāng)于通過軟件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)信號(hào)發(fā)生器的功能。LabVIEW提供了豐富的仿真信號(hào)，包括正弦、方波、三角波、多頻信號(hào)、調(diào)制信號(hào)、隨機(jī)噪聲信號(hào)、任意波形等。針對(duì)不同的數(shù)據(jù)形式(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)類型、波形數(shù)據(jù)和數(shù)組)，LabVIEW中有3個(gè)不同層次的信號(hào)發(fā)生器(Express VI仿真信號(hào)發(fā)生器、波形發(fā)生器VI和普通信號(hào)發(fā)生器VI)。4公式節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生仿真信號(hào)用公式節(jié)點(diǎn)可以產(chǎn)生能夠用公式進(jìn)行描述的信號(hào)，用公式節(jié)點(diǎn)可產(chǎn)生經(jīng)過復(fù)雜運(yùn)算生成的信號(hào)。公式波形Vi產(chǎn)生的信

4、號(hào)是波形數(shù)據(jù)，它的途徑是：模板函數(shù)信號(hào)處理波形生成公式波形vi。五、實(shí)驗(yàn)步驟：1設(shè)計(jì)一個(gè)簡易的正弦波發(fā)生器，頻率、幅值和直流偏值在面板上可調(diào)，還可疊加噪聲信號(hào)，并顯示波形。分析：采用Express VI仿真信號(hào)發(fā)生器可以完成。（1）前面板設(shè)計(jì)：應(yīng)包括的控件有波形頻率、幅度和直流偏值輸入設(shè)置，噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差設(shè)置，顯示波形的圖形控件，還可用一個(gè)選擇開關(guān)控制程序啟動(dòng)和停止。見圖1正弦波加噪聲發(fā)生器前面板。圖1 正弦波加噪聲發(fā)生器前面板（2）框圖程序設(shè)計(jì)： 圖2 正弦波加噪聲發(fā)生器框圖程序（3）運(yùn)行程序：改變以上參數(shù)，注意觀察信號(hào)波形的變化。 圖3 正弦波加噪聲發(fā)生器程序2設(shè)計(jì)一個(gè)簡易的仿真多波形發(fā)生

5、器，可產(chǎn)生頻率、幅值和直流偏值可調(diào)的正弦、方波、三角波、鋸齒波信號(hào)，還可疊加高斯噪聲信號(hào)，并且采樣率和采樣點(diǎn)可選，顯示波形。分析：Express VI仿真信號(hào)發(fā)生器使用方便，在編程時(shí)用戶可改變各種參數(shù)，并能馬上演示結(jié)果。但是有些參數(shù)（包括波形類型、采樣率和采樣點(diǎn)等）無輸入端口，即運(yùn)行程序后用戶不能從面板改變。而波形發(fā)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(fā)生器VI中的函數(shù)來完成。（1）前面板設(shè)計(jì)：在1題的前面板基礎(chǔ)上再增加波形選擇旋鈕knob控件和采樣率和采樣點(diǎn)輸入簇控件，并對(duì)旋鈕（Knob）控件的文本列表屬性進(jìn)行設(shè)置，正弦波、三角波、方波、鋸齒波對(duì)應(yīng)數(shù)值分別為03。再選用一些

6、面板裝飾控件，調(diào)整各控件的位置、大小和顯示層數(shù)，把前面板設(shè)計(jì)成較美觀、實(shí)用的虛擬儀器面板，參考界面如圖4 仿真多波形發(fā)生器程序所示。圖4 仿真多波形發(fā)生器程序（2）框圖程序設(shè)計(jì)：選用波形發(fā)生器VI中的Basic Function Generator函數(shù)產(chǎn)生要求的4種周期信號(hào)，它的輸入?yún)?shù)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(shù)簇端口。選用波形發(fā)生器VI中的Gaussian White Noise Waveform函數(shù)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)偏差可調(diào)的高斯白噪聲，用2次加法運(yùn)算完成信號(hào)的直流偏值設(shè)置和疊加高斯白噪聲，因?yàn)長abview中的許多運(yùn)算具有多態(tài)性（即

7、不同類型的數(shù)據(jù)可參與運(yùn)算）。然后全部放入1個(gè)While循環(huán)中，用開關(guān)控制循環(huán)的結(jié)束。見圖5 仿真多波形發(fā)生器框圖程序。 (a) Basic Function Generator函數(shù) (b) Gaussian White Noise Waveform函數(shù)圖5 仿真多波形發(fā)生器框圖程序 （3）運(yùn)行程序：分別改變信號(hào)的類型、頻率、幅值和直流偏值，觀察輸出信號(hào)的變化。改變?cè)肼暤拇笮?，觀察輸出信號(hào)的變化。如圖6 仿真多波形發(fā)生器程序。圖6 仿真多波形發(fā)生器程序（4）在程序中添加1個(gè)指示型波形數(shù)據(jù)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(diǎn)數(shù)，觀察輸出信號(hào)波形變化，記錄波形數(shù)據(jù)。

8、注意信號(hào)的頻率與采樣頻率的關(guān)系。如圖6 仿真多波形發(fā)生器程序7圖6 仿真多波形發(fā)生器程序3產(chǎn)生如下圖7所示的任意波形信號(hào)，顯示波形，并且把波形數(shù)據(jù)存盤，存放格式為2維的電子表格文件。圖7 需產(chǎn)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(duì)話框，根據(jù)要求從圖中得到1組X和Y的值定義信號(hào)，時(shí)間間隔取1秒。使用Waveform Graph顯示波形，可使用Write To Spreadsheet File函數(shù)存盤。需注意的是，Simulate Arbitrary Signal輸出的波形數(shù)據(jù)為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，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(shù)的信號(hào)定義對(duì)話框數(shù)據(jù)存表程序框圖，及數(shù)據(jù)存表結(jié)果如下圖9。圖9 數(shù)據(jù)存表程序框圖，及數(shù)據(jù)存表結(jié)果此外，也可以不采用Express VI 中的Simulate Arbitrary Signal，使用數(shù)組或表格輸入，產(chǎn)生任意波形，只是需要自己做的事更多。4采用公式節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生信號(hào)：y(t)=sin(wt)+0.6sin(3wt)+0.2sin(5wt)+t，信號(hào)的頻率和幅值面板上可調(diào)。提示：函數(shù)Formula Waveform產(chǎn)生波形，公式中，用pi(1)表示，t表示自變量時(shí)間

10、，公式中不能省略乘號(hào)“*”。還要選擇合適的采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)，才能得到需要的波形。參考波形如圖10 所示。公式節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生波形程序框圖如圖1111 公式節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生波形程序框圖六、思考題1在實(shí)驗(yàn)題目2中，如何實(shí)現(xiàn)通過面板選擇疊加不同類型的噪聲信號(hào)？提示：Labview提供了9種仿真的隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生函數(shù)，但1個(gè)函數(shù)只能產(chǎn)生1種噪聲，可采用包括9幀的CASE結(jié)構(gòu)，每幀調(diào)用1個(gè)噪聲函數(shù)，用面板上的噪聲類型選擇控件來控制。2在實(shí)驗(yàn)題目4中，信號(hào)的公式改為從面板輸入，輸入什么公式可產(chǎn)生三角波、指數(shù)波和對(duì)數(shù)波。實(shí)驗(yàn)2交流電壓表仿真實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?理解交流電壓的基本參量定義。2了解交流電壓的模擬測(cè)量方法。3掌握交流

11、電壓的采樣計(jì)算測(cè)量方法和計(jì)算公式，并且編程實(shí)現(xiàn)。4學(xué)會(huì)使用LabVIEW提供的周期信號(hào)幅值計(jì)算函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1設(shè)計(jì)1個(gè)交流電壓表的仿真軟件（包括前面板和框圖程序），設(shè)計(jì)要求如下：可以測(cè)量周期信號(hào)（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(cè)信號(hào)來源于LabVIEW仿真信號(hào)發(fā)生器。分別采用LabVIEW提供的時(shí)域處理函數(shù)和僅使用基本數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)的方法。2使用設(shè)計(jì)的交流電壓表分別測(cè)量正弦、方波、三角波、鋸齒波信號(hào)，驗(yàn)證不同波形時(shí)有效值、峰值和平均值之間的關(guān)系。3研究信號(hào)頻率與采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)和測(cè)量誤差之間關(guān)系。4被測(cè)信號(hào)疊加噪聲后，再進(jìn)行測(cè)量和分析誤差。三、實(shí)

12、驗(yàn)器材：安裝有LabVIEW軟件的計(jì)算機(jī)1臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)原理：1交流電壓基本參量定義表征交流電壓的三個(gè)基本參量是有效值、峰值和平均值，其定義和計(jì)算公式如下表所示，表 名 稱意 義計(jì)算公式峰值峰值是指在一個(gè)周期內(nèi)信號(hào)x(t)可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)瞬時(shí)值。峰-峰值峰-峰值指在一個(gè)周期內(nèi)信號(hào)最大瞬時(shí)值最小瞬時(shí)值之差的絕對(duì)值。均值（直流分量）均值是周期信號(hào)一個(gè)周期的平均幅值，是信號(hào)的常值分量。平均值交流電壓測(cè)量中，平均值通常指經(jīng)過全波整流后的波形的平均值均方值均方值反映了信號(hào)的功率大小，是信號(hào)的平均功率。有效值有效值就是均方值的平方根。2測(cè)量方法：（1）基于ACDC轉(zhuǎn)換的模擬測(cè)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(duì)直流電壓進(jìn)行測(cè)量。峰值檢波的基本原理是通過二極管正向快速充電達(dá)到輸入電壓的峰值，而二極管反向截止時(shí)“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(lián)式，b. 并聯(lián)式，c. 波形圖）（2）模擬運(yùn)算集成電路直接根據(jù)有效值的定義式，采用模擬運(yùn)算的集成電路來實(shí)現(xiàn)，如圖所示。首先是由模擬乘法器實(shí)現(xiàn)平方運(yùn)算，再是積分和開方運(yùn)算，最后通過運(yùn)算放大器的比例運(yùn)算，得到有效值輸出。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算式有效值電壓表得到更多應(yīng)用。圖5-5 計(jì)算式有效值變換實(shí)現(xiàn)框圖（3）熱電偶有效值檢波通過被測(cè)交流電壓u(t)對(duì)加熱絲加熱，熱偶的熱端感應(yīng)加熱絲

14、的溫度，維持冷端溫度T0不變，并通過連接導(dǎo)線連接直流微安表。由于熱端與冷端有溫差，從而產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，并使熱偶回路中產(chǎn)生直流電流I，并由該直流電流驅(qū)動(dòng)微安表頭，如圖所示 。電流I正比于熱電動(dòng)勢(shì)，而熱電動(dòng)勢(shì)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(diǎn)是，受外界環(huán)境溫度的影響較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。 圖 熱電偶有效值測(cè)量原理（4）采樣-計(jì)算法直接采用高速A/D轉(zhuǎn)換器，將被測(cè)交流電壓波形以奈奎斯特采樣頻率實(shí)時(shí)采樣，然后，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)定義計(jì)算出被測(cè)交流電壓的有效值、峰值和平均值。對(duì)模擬信號(hào)x(

15、t)的一個(gè)周期進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，得到有限長數(shù)字序列x(n),其中n=0，1，2N-1，離散計(jì)算公式如表3-5所示。表3-5 周期信號(hào)的幅值特征值離散計(jì)算公式名 稱離散計(jì)算公式峰值峰-峰值均值平均值有效值在虛擬儀器中，計(jì)算機(jī)只能對(duì)離散信號(hào)進(jìn)行處理，所以采用第4種方法測(cè)量交流電壓，本實(shí)驗(yàn)正是采用此方法。3波峰因數(shù)和波形因數(shù)規(guī)則周期信號(hào)的有效值和平均值與峰值之間有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，用波峰因數(shù)和波形因數(shù)表示，不同波形有不同的因數(shù)，見表 。表5-1 常見波形的波峰因數(shù)和波形因數(shù)(表中Vp為峰值)波形名稱波形圖有效值V平均值波峰因數(shù)Kp波形因數(shù)KF正弦波1414111三角波173115鋸齒波173115

16、方波11需要注意的是，當(dāng)這些交流信號(hào)含有直流分量時(shí)，上述信號(hào)有效值和平均值與峰值之間的波峰因數(shù)和波形因數(shù)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(jì)算公式很容易理解，即。但有時(shí)在采集信號(hào)時(shí)，波形數(shù)據(jù)附加了直流分量，或需要單獨(dú)計(jì)算不含直流的交流有效值，這時(shí)需要先減去直流分量再計(jì)算，公式為：。同理，交流分量的平均值計(jì)算也如此。4在LabVIEW中有關(guān)信號(hào)幅值特征值計(jì)算函數(shù)在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(cè)量VI。它的到達(dá)路徑是函數(shù)模板信號(hào)分析幅值和電平測(cè)量VI。它可以求取的幅值特征值項(xiàng)目及其對(duì)應(yīng)參數(shù)含義列于表3-

17、7中。表3-7 Amplitude And Level Measurementsvi幅值特征值求取項(xiàng)目參數(shù)參數(shù)含義參數(shù)參數(shù)含義DC信號(hào)均值Peak to peak峰-峰值RMS信號(hào)有效值Cycle average一個(gè)周期的平均值Maximum peak信號(hào)最大值Cycle RMS一個(gè)周期的均方根值Minimum peak信號(hào)最小值對(duì)信號(hào)均值和有效值（RMS）的求取還可以用波形測(cè)量子模板中的，還有3個(gè)專門針對(duì)多諧信號(hào)進(jìn)行幅值和頻率測(cè)量的VI，它們是。其到達(dá)路徑是All FunctionsAnalyzeWaveform Measurements。五、實(shí)驗(yàn)步驟：1設(shè)計(jì)1個(gè)交流電壓表的仿真軟件（包括仿

18、真信號(hào)發(fā)生器、前面板和框圖程序），設(shè)計(jì)要求如下：可以測(cè)量周期信號(hào)（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(cè)信號(hào)來源于LabVIEW仿真信號(hào)發(fā)生器?？刹捎们懊?.5節(jié)第2個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的程序。分別采用LabVIEW提供的2種時(shí)域處理函數(shù)和僅使用基本數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)共3種計(jì)算方法。分析：采用前面3.5節(jié)第2個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的程序產(chǎn)生仿真信號(hào)作為被測(cè)信號(hào)，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(cè)量子模板中的Basic Averaged DC-RMS函數(shù)，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(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，根據(jù)公式計(jì)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(jì)算結(jié)果并列顯示，供比較。打開3.5節(jié)第2個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的程序，它能夠產(chǎn)生頻率、幅值和直流偏值可調(diào)的正弦、方波、三角波、鋸齒波信號(hào)，還可疊加高斯噪聲信號(hào)，并且采樣率和采樣點(diǎn)可選。為了便于觀察產(chǎn)生的采樣后的信號(hào)，可以修改wave graph控件的plots屬性中點(diǎn)的類型為“。”，在右擊彈出的下拉菜單的scale中，不選Auto scale Y項(xiàng)，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(gè)波形數(shù)據(jù)指示控件，顯示波形數(shù)據(jù)。程

20、序框圖與結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1 程序框圖與結(jié)構(gòu)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(shù)設(shè)置對(duì)話框，如圖2所示。函數(shù)輸出的峰峰值除以2得峰值。該函數(shù)當(dāng)采樣的波形數(shù)據(jù)少于1.52個(gè)周期時(shí)，會(huì)提示出錯(cuò)，不能計(jì)算出結(jié)果。放置3個(gè)指示型數(shù)值控件顯示計(jì)算結(jié)果。相應(yīng)程序框圖，結(jié)構(gòu)框圖和結(jié)果見圖3 測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果所示注意：指示性數(shù)值控件的數(shù)據(jù)格式，不能用自動(dòng)格式，當(dāng)數(shù)值很大或接近與0時(shí)，顯示格式會(huì)變?yōu)榭茖W(xué)計(jì)數(shù)指數(shù)型顯示，如0.顯

21、示為5.64578E6，而顯示窗口常常比較小，可能會(huì)遮住后部分?jǐn)?shù)字，誤認(rèn)為是“5.645”而產(chǎn)生錯(cuò)誤。解決方法是選擇數(shù)據(jù)格式為“floating point”，根據(jù)需要固定顯示小數(shù)位數(shù)，如4等。圖2 參數(shù)設(shè)置對(duì)話框圖3 測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果采用波形測(cè)量子模板中的Basic Averaged DC-RMS函數(shù)，求取有效值和直流分量（均值），放置2個(gè)指示型數(shù)值控件顯示計(jì)算結(jié)果。如圖4 測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果2。圖4 測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果2利用Numeric之模板中的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，根據(jù)公式計(jì)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(shù)組之模板中的Array M

22、ax & Min函數(shù)，但該函數(shù)的輸入只能是數(shù)組，所以先使用wave之模板中的Get Waveform Components函數(shù)得到數(shù)組Y。采樣點(diǎn)數(shù)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(shù)求取數(shù)組Y的長度，二是直接從仿真波形產(chǎn)生函數(shù)的采樣信息簇得到，使用簇cluster子模板中的Unbundle函數(shù)實(shí)現(xiàn)。放置5個(gè)指示型數(shù)值控件顯示計(jì)算結(jié)果。如圖5 測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)3。如圖5 測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)3（5）把以上程序都放入循環(huán)框中。為了方便觀察實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果，再放置1個(gè)定時(shí)器控件，延時(shí)時(shí)間設(shè)為2秒（2000ms），該控件在Time & Dialog子模板中。適當(dāng)調(diào)整和裝飾前面板

23、及框圖程序。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的交流電壓表分別測(cè)量正弦、方波、三角波、鋸齒波信號(hào)，驗(yàn)證不同波形時(shí)有效值、峰值和平均值之間的關(guān)系。先不加直流測(cè)量，然后再加入直流進(jìn)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(shù)有關(guān)，而有效值、均值與直流偏移量有關(guān)，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(shù)有關(guān)，而有效值、均值與直流偏移量有關(guān)，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(shù)有關(guān)，而有效值、均值與直流偏移量有關(guān)，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(shù)有關(guān)，而有效值、均值與直流偏移量有關(guān)，均值約等于直流偏移量選擇被測(cè)信號(hào)為正弦波，改變被測(cè)信號(hào)頻率、采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行測(cè)量并作誤差分析。當(dāng)采樣頻率不為信號(hào)頻率的整數(shù)倍時(shí)，誤差如何？為整數(shù)倍時(shí)：不為整數(shù)倍時(shí)：當(dāng)采樣頻率不為信號(hào)頻率的整數(shù)倍時(shí)，均值，峰值，有效值均有變化，但變化不大被測(cè)信號(hào)疊加噪聲后，再進(jìn)行測(cè)量和分析誤差。改變?cè)肼暤拇笮。礃?biāo)準(zhǔn)偏差），記錄測(cè)得的信號(hào)有效值、均值、峰值。噪聲為2時(shí)：噪聲為20時(shí)：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(shí)，對(duì)采樣頻率有什么要

25、求？ 答：采樣頻率至少要大于信號(hào)頻率的兩倍 才能不失真地輸出信號(hào)波形。本實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果表明測(cè)量誤差與采樣頻率和采樣點(diǎn)有什么關(guān)系？答：采樣頻率越大，采樣點(diǎn)越多，測(cè)量誤差越小，因?yàn)闇p小了混疊誤差。增加采樣點(diǎn)數(shù)的顯示，則可以更大范圍覆蓋所測(cè)量的電平值。3被測(cè)信號(hào)疊加噪聲引入的誤差，對(duì)峰值和有效值那個(gè)影響大？為什么？答：對(duì)峰值影響大，對(duì)有效值影響小。噪聲對(duì)峰值是直接的疊加，而有效值的計(jì)算方式大大消弱了噪聲信號(hào)的影響。實(shí)驗(yàn)3 頻譜分析仿真實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解離散傅立葉變換理論；2熟悉典型信號(hào)的波形和頻譜特征。3編程實(shí)現(xiàn)DFT變換，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。4學(xué)會(huì)使用LabVIEW提供的頻譜分析函數(shù)。二、實(shí)

26、驗(yàn)內(nèi)容：1設(shè)計(jì)DFT變換程序，求取仿真信號(hào)的幅值頻譜和相位譜。2使用LabVIEW提供的頻譜分析函數(shù)，分析仿真信號(hào)的頻譜。3分析正弦、方波、三角波、鋸齒波信號(hào)的頻譜，并與理論計(jì)算值比較。4被測(cè)信號(hào)疊加噪聲后，再進(jìn)行測(cè)量和分析誤差。三、實(shí)驗(yàn)器材：安裝有LabVIEW軟件的計(jì)算機(jī)1臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)原理：1非正弦周期函數(shù)的傅立葉分解(1)定義如果給定的周期函數(shù)滿足狄里赫利條件（函數(shù)在任意有限區(qū)間內(nèi)，具有有限個(gè)極值點(diǎn)與不連續(xù)點(diǎn)），則該周期函數(shù)定可展開為一個(gè)收斂的正弦函數(shù)級(jí)數(shù)，如下式：其中，上式中的各個(gè)系數(shù)的計(jì)算公式為： T為信號(hào)的周期。在該展開式中，稱為周期函數(shù)的恒定分量，也稱為直流分量；與原周期函數(shù)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(xiàng)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(hào)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(shù)的頻譜對(duì)某函數(shù)以頻率為橫軸，各個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的正弦函數(shù)的幅值為縱軸所繪出的線段系稱為該函數(shù)的頻譜。對(duì)于周期函數(shù)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(shù)1)周期函數(shù)的傅立葉級(jí)數(shù)的指數(shù)形式令，且對(duì)所有，均有，則，其中，2)幅度頻譜與相位頻譜體現(xiàn)|與頻率之間的關(guān)系的譜線，稱為幅度頻譜。由于指數(shù)級(jí)數(shù)中的k可

28、以分別取相應(yīng)的正負(fù)值，因此幅度頻譜關(guān)于Y軸對(duì)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(hào)的離散傅立葉變換（DFT）模擬信號(hào)x(t)經(jīng)采樣后變?yōu)殡x散時(shí)間序列x(n)，TS為采樣周期，采樣頻率fs=1/TS。計(jì)算機(jī)中的處理的信號(hào)是有限長度的離散信號(hào)x(n)，對(duì)應(yīng)的離散頻譜為X(k)。時(shí)域與頻域轉(zhuǎn)換使用的算法是離散傅里葉變換（DFT）和反變換（IDFT），計(jì)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(jì)算出的頻譜為峰值頻譜，對(duì)周期信號(hào)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(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)的快速方法。FFT運(yùn)算要求點(diǎn)數(shù)N為2的整數(shù)次冪(如N=210=1024)時(shí)，計(jì)算速度最快。FFT的基本特性輸出頻譜的復(fù)數(shù)值X(k)，同時(shí)包含幅度、相位信息。若，則幅度譜為，相位譜為。計(jì)算出的頻譜為峰值頻譜，對(duì)周期信號(hào)而言，譜線的高度僅為付氏頻譜譜線高度的一半。當(dāng)用有效值（RMS）表示幅值頻譜時(shí)，。各節(jié)點(diǎn)之間的頻率間隔由時(shí)間長度N和采樣頻率fs決定：。第k個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值為。FFT形成的頻譜相對(duì)于折疊頻率fS /2對(duì)稱，F(xiàn)FT的輸出頻率范圍為0fS/2。實(shí)際只有一半數(shù)據(jù)有意義。用DFT進(jìn)行測(cè)試信號(hào)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(yīng)等

30、，減少計(jì)算誤差的辦法有，增加A/D的有效位數(shù)，提高采樣頻率，增加采樣時(shí)間和采樣點(diǎn)數(shù)，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(shí)現(xiàn)頻譜分析計(jì)算的3個(gè)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(shù)VI的Amplitude and Phase Spectrum.vi。（1）Express 中的Spectral Measurements.vi到達(dá)途徑為FunctionsSignal Analy

31、sis，主要參數(shù)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(shù)Window的類型。平均Averaging參數(shù)：有平均模式Mode、平均權(quán)重 Weighting、平均次數(shù)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(zhuǎn)換為度。（2）波形VI中的FFT Spectrum(Mag-Phase).vi的參數(shù)設(shè)置及定義與Spectral Measurementsvi的相似，其輸入輸出端口如下所示。五、實(shí)驗(yàn)步驟：1設(shè)計(jì)DFT變換程序，求取仿真信號(hào)的幅值頻譜和相位譜。（要求僅采用基本數(shù)學(xué)函數(shù)實(shí)現(xiàn)）。實(shí)驗(yàn)要求：DFT計(jì)算公式為：其中，采用雙循環(huán)，先固定k，內(nèi)循環(huán)累加求和，計(jì)算，再改變k，外循環(huán)。最后將X(k)