虛擬儀器課程設(shè)計(jì)

湖南科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱：《虛擬儀器》課程設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：劉崢嶸學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)及班級(jí)：測(cè)控三班學(xué)號(hào)：0903030318指導(dǎo)教師：毛征宇郭迎福王靖2012年12月29日摘要LabVIEW是美國(guó)NationalInstruments（簡(jiǎn)稱NI）公司推出的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境?；贚abVIEW的虛擬信號(hào)頻譜分析儀，可以產(chǎn)生一個(gè)周期信號(hào)并進(jìn)行圖形顯示，信號(hào)的幅值、相位和頻率可調(diào)，并對(duì)產(chǎn)生的周期信號(hào)，進(jìn)行頻譜分析并圖形顯示?；贚abVIEW的相關(guān)分析虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，可以測(cè)試兩個(gè)三角波信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)以及測(cè)試4種典型信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。關(guān)鍵詞LabVIEW頻譜分析互相關(guān)自相關(guān)目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章設(shè)計(jì)題目及要求1\o"CurrentDocument"1.1虛擬信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì)1\o"CurrentDocument"1.2相關(guān)分析虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)1\o"CurrentDocument"第二章虛擬信號(hào)頻譜分析儀的方案設(shè)計(jì)2\o"CurrentDocument"2.1虛擬信號(hào)頻譜分析儀的原理2\o"CurrentDocument"2.2總體方案設(shè)計(jì)的確定2\o"CurrentDocument"第三章虛擬信號(hào)頻譜分析儀程序?qū)崿F(xiàn)3\o"CurrentDocument"3.1前面板的設(shè)計(jì)和規(guī)劃3\o"CurrentDocument"3.2程序框圖設(shè)計(jì)4\o"CurrentDocument"第四章虛擬信號(hào)頻譜分析儀的調(diào)試運(yùn)行6\o"CurrentDocument"第五章相關(guān)分析虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的方案設(shè)計(jì).8\o"CurrentDocument"5.1相關(guān)分析虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的原理8\o"CurrentDocument"5.2總體方案設(shè)計(jì)的確定9\o"CurrentDocument"第六章互相關(guān)分析虛擬儀的程序?qū)崿F(xiàn)10\o"CurrentDocument"6.1前面板的設(shè)計(jì)和規(guī)劃10\o"CurrentDocument"6.2程序框圖設(shè)計(jì)11\o"CurrentDocument"第七章互相關(guān)分析的調(diào)試運(yùn)行12\o"CurrentDocument"第八章自相關(guān)分析虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的程序?qū)崿F(xiàn)14\o"CurrentDocument"8.1前面板的設(shè)計(jì)和規(guī)劃14\o"CurrentDocument"8.2程序框圖設(shè)計(jì)15\o"CurrentDocument"第九章自相關(guān)分析的調(diào)試運(yùn)行16\o"CurrentDocument"第十章總結(jié)與體會(huì)19\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)20第一章設(shè)計(jì)題目及要求1.1虛擬信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求和功能描述：要求：模擬產(chǎn)生一個(gè)周期信號(hào)（可選擇方波、三角波、鋸齒波等中的一個(gè)）并進(jìn)行圖形顯示；信號(hào)的幅值、相位和頻率可調(diào)；對(duì)產(chǎn)生的周期信號(hào)，進(jìn)行頻譜分析并圖形顯示。功能描述：可觀察產(chǎn)生波形等經(jīng)過FFT后的幅值譜。并分析調(diào)試結(jié)果。1.2相關(guān)分析虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求和功能描述：要求：可測(cè)試四種典型信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)；可測(cè)試兩個(gè)正弦函數(shù)的互相關(guān)函數(shù)。第二章虛擬信號(hào)頻譜分析儀的方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)所要求是利用波形函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)頻率、幅值、相位可調(diào)的信號(hào)，進(jìn)行圖形顯示。并利用FFT函數(shù)對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，把幅值譜在前面板顯示出來。2.1虛擬信號(hào)頻譜分析儀的原理本設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀即可以對(duì)虛擬信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，也可以對(duì)通過信號(hào)調(diào)理器，基于PCI總線的DAQ卡組成的采集系統(tǒng)所采集到的外部信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。其中，在對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行頻譜分析時(shí)，外界被測(cè)信號(hào)首先傳送到信號(hào)調(diào)理電路，且由信號(hào)調(diào)理電路對(duì)它進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理后，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后由軟件對(duì)被測(cè)試信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和處理，最后得到測(cè)試結(jié)果，并按要求將它們顯示或儲(chǔ)存起來。2.2總體方案設(shè)計(jì)的確定本設(shè)計(jì)主要有三個(gè)重點(diǎn)，信號(hào)生成、波形顯示、傅立葉變換。信號(hào)生成直接由LabVIEW提供的信號(hào)模擬，并在頻率、幅值、相位采用輸入控件進(jìn)行輸入，達(dá)到可變的目的。波形由前面板的波形圖控件顯示，波形圖將傳遞給它的數(shù)據(jù)一次全部顯示在描繪區(qū)中，新的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)將原來的數(shù)據(jù)全部刷新。利用LabVIEW中的FFT函數(shù)可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，并通過一個(gè)'復(fù)數(shù)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換’函數(shù)（使復(fù)數(shù)分解為極坐標(biāo)分量），然后由波形圖進(jìn)行顯示。程序運(yùn)行的流程圖如下：結(jié)束圖2.1流程圖第三章虛擬信號(hào)頻譜分析儀程序?qū)崿F(xiàn)3.1前面板的設(shè)計(jì)和規(guī)劃根據(jù)任務(wù)要求所要實(shí)現(xiàn)的目的確定前面板所需要的相應(yīng)控件和顯示板。3.1.2控件和顯示件的確定本設(shè)計(jì)要求信號(hào)的幅值、頻率、相位可調(diào)，再加上信號(hào)的采樣需要確定采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率，所以需要五個(gè)數(shù)值型輸入控件。設(shè)計(jì)要求進(jìn)行波形顯示和頻譜分析圖形顯示，所以需要兩個(gè)圖形顯示控件。這里選用波形圖。根據(jù)要求再需要加入兩個(gè)布爾控件，一個(gè)停止按鈕和一個(gè)滑動(dòng)開關(guān)，滑動(dòng)開關(guān)作為相位復(fù)位選擇按鈕。3.1.3前面板的布置連續(xù)執(zhí)行“控件一數(shù)值一數(shù)值輸入控件”操作，在板面設(shè)計(jì)窗口中放置五個(gè)數(shù)值輸入控件，這些控件分別用于設(shè)定采樣信號(hào)的相關(guān)參數(shù)，并把標(biāo)簽分別改為采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率、初始相位、信號(hào)頻率、信號(hào)幅值。連續(xù)執(zhí)行“控件一圖形一波形圖”操作，在板面設(shè)計(jì)窗口中放置兩個(gè)圖形顯示控件波形圖，這兩個(gè)控件分別用來顯示三角波時(shí)域波形和FFT圖，把控件的標(biāo)簽分別改為時(shí)域波形和FFT波形。執(zhí)行“控件一布爾一滑動(dòng)開關(guān)/停止按鈕”操作，在板面設(shè)計(jì)窗口中放置兩個(gè)布爾控件，一個(gè)停止按鈕和一個(gè)滑動(dòng)開關(guān)，并把滑動(dòng)開關(guān)的標(biāo)簽改為相位復(fù)位用來給相位復(fù)位。然后對(duì)文本進(jìn)行字體、字號(hào)和顏色設(shè)置，并在“控件一修飾”中選用平面框?qū)丶季诌M(jìn)行調(diào)整，使之更規(guī)范、工整，得到前面板如圖所示。

圖3.1前面板3.2程序框圖設(shè)計(jì)3.2.1程序的分析本設(shè)計(jì)需要生成一個(gè)三角波信號(hào)，并進(jìn)行傅立葉變換，所以這里主要是用到了波形生成函數(shù)和FFT函數(shù)，然后把輸出的信號(hào)數(shù)據(jù)通過簇捆綁，在波形圖控件上顯示。3.2.2程序框圖的實(shí)現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用：分別執(zhí)行“函數(shù)一信號(hào)處理一波形生成”和“函數(shù)一信號(hào)處理一變換”調(diào)用三角波函數(shù)和FFT函數(shù)。執(zhí)行“函數(shù)一數(shù)值一復(fù)數(shù)”調(diào)用復(fù)數(shù)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換函數(shù)，對(duì)FFT變換后的復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)。執(zhí)行“函數(shù)一簇、類、變體”，選擇兩個(gè)簇捆綁函數(shù)，這是用來捆綁數(shù)據(jù)生成波形圖。函數(shù)的功能：把相位復(fù)位、采樣點(diǎn)數(shù)、信號(hào)幅值、初始相位分別與三角波函數(shù)的重置相位、采樣、幅值、相位輸入接點(diǎn)相連，把信號(hào)頻率與采樣頻率的商與三角波函數(shù)的頻率接點(diǎn)相連，這樣就可以改變輸出波形的相位、幅值、頻率了。FFT函數(shù)的輸入端連接三角波的輸出端，把三角波函數(shù)生成的信號(hào)數(shù)組進(jìn)行傅立葉

變換后，輸出FFT數(shù)據(jù)。復(fù)數(shù)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換函數(shù)是使復(fù)數(shù)分解成極坐標(biāo)分量，這里是把FFT函數(shù)輸出的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換在波形圖顯示出來。連接好所有函數(shù)與控件，得到的程序框圖如圖3.2。圖3.2程序框圖

第四章虛擬信號(hào)頻譜分析儀的調(diào)試運(yùn)行0、把采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率、初始相位、信號(hào)幅值、信號(hào)頻率分別設(shè)置為100、10、1、2,運(yùn)行結(jié)果如下圖。0、圖4.1運(yùn)行結(jié)果一圖4.1運(yùn)行結(jié)果一改變采樣點(diǎn)數(shù)、信號(hào)幅值、信號(hào)頻率，得到的運(yùn)行結(jié)果如下:圖4.2運(yùn)行結(jié)果二經(jīng)以上調(diào)試運(yùn)行，證明該設(shè)計(jì)符合要求，是一個(gè)可行的虛擬信號(hào)頻譜分析儀。第五章相關(guān)分析虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要是利用自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)來進(jìn)行信號(hào)分析處理，可以用來測(cè)試典型信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)和自相關(guān)函數(shù)。5.1相關(guān)分析虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的原理相關(guān)是指兩個(gè)變量之間的線性關(guān)系。相關(guān)分析是分析兩個(gè)信號(hào)之間關(guān)系或一個(gè)信號(hào)在一定時(shí)移前后之間關(guān)系的重要工具。在實(shí)際工程領(lǐng)域、相關(guān)測(cè)速和利用相關(guān)原理探測(cè)管道破裂點(diǎn)、識(shí)別信號(hào)類別成分等得到廣泛應(yīng)用。相關(guān)函數(shù)可以用相關(guān)分析儀測(cè)量。相關(guān)分析儀有模擬式和數(shù)字式兩種。使用LabVIEW提供的函數(shù)可以構(gòu)建一臺(tái)數(shù)字式的相關(guān)分析儀。兩模擬信號(hào)x（t）和y（t）做數(shù)字化處理后，他們的相關(guān)函數(shù)表達(dá)式應(yīng)為：（5-1）（5-2）R（r）=lim=lLx（i）y（i+r）NT"i=1（5-1）（5-2）式中N二沿時(shí)間軸的總采樣數(shù)；i二沿時(shí)間軸的采樣序數(shù)；r二間斷時(shí)移值R（r）=-1尹x（R（r）=-1尹x（i）y（i+r）xyNi=1用這一公式做離散相關(guān)的步驟是：（1）（2）（3）（4）取二1，將所有對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)的和相乘，然后相加，平均，得到。依次取二1，=2，=3,.....按以上步驟重復(fù)計(jì)算后得到相關(guān)函數(shù)的各個(gè)值。在X（i）和Y（i）二離散序列長(zhǎng)度相等時(shí)，計(jì)算Rxy（0）可以用全部計(jì)算長(zhǎng)度數(shù)據(jù)來計(jì)算，而下一步計(jì)算時(shí)因y（i）做一步時(shí)移，使可提供計(jì)算的序列長(zhǎng)度由N變?yōu)镹-1。且隨時(shí)移增大，可提供計(jì)算的序列長(zhǎng)度越來越短，所以互相關(guān)函數(shù)的估值應(yīng)為：（5-3）（5-4）R(r)=lim—-—ILx(i)y(i+r)

xyNT8N-1（5-3）（5-4）i=1與此類似，自相關(guān)函數(shù)的估值為:R(r)=lim^^x(i)y(i+r)歡Ns.,i=1

labvIEW在“信號(hào)處理信號(hào)運(yùn)算”函數(shù)子選板中提供了求互相關(guān)的VI——crosscorrelation，它所用的算法為：（5-5）（5-6）R(r)=lim蕓x(i)y(i+r)（5-5）（5-6）NT"i=1求自相關(guān)的VI所用的算法為:R(r)=lim丈x(i)y(i+r)歡Ns.,i=1式（5-5）和式（5-6）的算法僅適用于確定性信號(hào)中的瞬態(tài)信號(hào)，所以在一般情況下需要加以修正。這里提供的程序（ModiCorrelation）用于完成這一修正，它的程序框圖如圖5-1所示。此VI對(duì)labvIEW求出的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行修正，將每個(gè)相關(guān)值除以（N-r）。N式labvIEW求出的相關(guān)函數(shù)輸出數(shù)組的長(zhǎng)度，r是時(shí)移的位置。參數(shù)Rxxin式labvIEW求出的相關(guān)函數(shù)值，Rxxout是修正后的相關(guān)函數(shù)值，samples是取樣數(shù)，d是輸出相關(guān)函數(shù)首尾截去的百分比（把移位造成的重疊太少而沒有意義的部分截掉）。N是截短后的取樣數(shù)。圖5-1ModiCorrelationVI5.2總體方案設(shè)計(jì)的確定圖5-1ModiCorrelationVI在本設(shè)計(jì)中，把互相關(guān)分析和自相關(guān)分析分開來進(jìn)行設(shè)計(jì)，即需要進(jìn)行兩個(gè)程序的設(shè)計(jì)。這里主要應(yīng)用到了互相關(guān)函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)以及ModiCorrelationVI。第六章互相關(guān)分析虛擬儀的程序?qū)崿F(xiàn)6.1前面板的設(shè)計(jì)和規(guī)劃根據(jù)任務(wù)要求所要實(shí)現(xiàn)的目的確定前面板所需要的相應(yīng)控件和顯示板。6.1.1控件和顯示件的確定根據(jù)任務(wù)要求，本設(shè)計(jì)需要兩個(gè)波形圖顯示控件，兩個(gè)數(shù)值輸入控件，兩個(gè)水平進(jìn)度條，一個(gè)旋鈕，還有一個(gè)布爾停止按鈕。6.1.2前面板的布置和功能連續(xù)執(zhí)行“控件一數(shù)值”提取“數(shù)值輸入控件”、“水平進(jìn)度條”、“旋鈕”，這些控件主要是用來控制輸入三角波的頻率和相位。執(zhí)行兩次“控件一圖形一波形圖”，這兩個(gè)波形圖用來顯示波形時(shí)域信號(hào)和互相關(guān)函數(shù)圖形。然后對(duì)文本進(jìn)行字體、字號(hào)和顏色設(shè)置，并在“控件一修飾”中選用平面框?qū)丶季诌M(jìn)行調(diào)整，使之更規(guī)范、工整，得到前面板如圖所示。6.2程序框圖設(shè)計(jì)按圖6-2編寫互相關(guān)分析虛擬實(shí)驗(yàn)儀的程序框圖。圖中的“三角波”是“信號(hào)處理一信號(hào)生成”函數(shù)子選板中的VI，這兩個(gè)VI用來產(chǎn)生三角波信號(hào)。三角波VI的“頻率”參數(shù)是數(shù)字頻率，等于模擬頻率除以采樣率；“采樣”參數(shù)是樣本數(shù)；“相位輸入”參數(shù)是用度表示的相位；幅值設(shè)為1。執(zhí)行“函數(shù)一信號(hào)處理一信號(hào)運(yùn)算”，調(diào)出互相關(guān)函數(shù)，然后執(zhí)行"函數(shù)一選擇VI”調(diào)出ModiCorrelationVI。連接好所有函數(shù)與控件，得到的程序框圖如圖：圖6-2互相關(guān)實(shí)驗(yàn)程序框圖

第七章互相關(guān)分析的調(diào)試運(yùn)行把兩個(gè)通道的頻率都設(shè)置為100Hz，運(yùn)行結(jié)果如下：/VI互相關(guān)函數(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)域信號(hào)互相函數(shù)圖形圖7-1運(yùn)行結(jié)果一/VI互相關(guān)函數(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)域信號(hào)互相函數(shù)圖形把一通道和而二通道的頻率分別設(shè)置為100Hz和104Hz，一、二通道的相位都改為0度，把時(shí)標(biāo)調(diào)至5附近，運(yùn)行結(jié)果如下：圖7-2運(yùn)行結(jié)果二經(jīng)調(diào)試運(yùn)行，分析運(yùn)行結(jié)果，可知不同頻不相關(guān)，同頻相關(guān)。第八章自相關(guān)分析虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的程序?qū)崿F(xiàn)8.1前面板的設(shè)計(jì)和規(guī)劃根據(jù)任務(wù)要求所要實(shí)現(xiàn)的目的確定前面板所需要的相應(yīng)控件和顯示板。8.1.1控件和顯示件的確定根據(jù)任務(wù)要求，本設(shè)計(jì)需要兩個(gè)波形圖顯示控件，五個(gè)數(shù)值輸入控件，一個(gè)旋鈕，一個(gè)垂直搖桿開關(guān)，還有一個(gè)布爾停止按鈕。8.1.2前面板的布置和功能連續(xù)執(zhí)行“控件一數(shù)值”提取“數(shù)值輸入控件”、“旋鈕”，這些控件主要是用來控制輸入三角波的頻率和相位、濾波器的參數(shù)設(shè)置和噪聲幅值設(shè)置。執(zhí)行兩次“控件一圖形一波形圖”，這兩個(gè)波形圖用來顯示波形時(shí)域信號(hào)和自相關(guān)函數(shù)圖形。然后對(duì)文本進(jìn)行字體、字號(hào)和顏色設(shè)置，并在“控件一修飾”中選用平面框?qū)丶季诌M(jìn)行調(diào)整，使之更規(guī)范、工整，得到前面板如圖所示。圖8-1自相關(guān)實(shí)驗(yàn)前面板8.2程序框圖設(shè)計(jì)程序框圖中的三角波VI設(shè)采樣率等于4096；取樣數(shù)設(shè)為1024。均勻白噪聲VI取樣數(shù)設(shè)為1024。巴特沃斯濾波器VI設(shè)置為帶通（Bandpass），階次為3。自相關(guān)VI用來求出原始信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，ModiCorrelationVI并進(jìn)行修正，設(shè)計(jì)完整的程序框圖如下圖8-2自相關(guān)實(shí)驗(yàn)程序框圖

第九章自相關(guān)分析的調(diào)試運(yùn)行設(shè)置噪聲幅值為0,信號(hào)幅值為1—5,信號(hào)頻率30—100HZ，觀察正弦信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)圖形。調(diào)節(jié)信號(hào)頻率和幅值，觀察自相關(guān)函數(shù)圖形的如圖9-1。自相關(guān)函數(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)域信號(hào)2.01.00.0-1.0-2.01024.0南剝r(jià)5°■美升信號(hào)頻率-A//自相關(guān)函數(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)域信號(hào)2.01.00.0-1.0-2.01024.0南剝r(jià)5°■美升信號(hào)頻率-A//\\/\\/0.0200.0400.0600.0800.0設(shè)置信號(hào)頻率300HZ左右，信號(hào)幅值為5,噪聲幅值10，帶通濾波器的低端截止頻率設(shè)置為1HZ，高端截止頻率為500HZ，觀察正弦波加隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)圖形如圖9—2。

圖9-3結(jié)果三設(shè)置信號(hào)幅值0,噪聲幅值10,帶通濾波器的低端截止頻率設(shè)置為200HZ，高