锁相技术 第3章3.5～7频谱分析

13.5仿真信号产生实验一、实验目的：1．熟悉LabVIEW中仿真信号的多种产生函数及参数设置。2．掌握常用测试仿真信号的产生。3．学会产生复杂的函数波形和任意波形。二、实验内容：1．采用ExpressVI仿真信号发生器，产生规定的附有噪声的正弦信号，并显示波形。2.采用波形发生器VI，产生规定的附有噪声的多波形信号，并显示波形。3.产生任意波形信号，并显示和存盘。4.采用公式节点，产生规定的复杂函数信号。三、实验器材：安装有LabVIEW软件的计算机1台四、实验原理：1．虚拟仪器中获得信号数据的3个途径：（1）对被测的模拟信号，使用数据采集卡或其他硬件电路，进行采样和A/D变换，送入计算机。（2）从文件读入以前存储的波形数据，或由其他仪器采集的波形数据。（3）在LabVIEW中的波形产生函数得到的仿真信号波形数据。2．测试信号在LabVIEW中的表示在LabVIEW中测试信号已经是离散化的时域波形数据，表示信号的数据类型有数组、波形数据和动态数据3种。波形数据是一种特殊的簇结构，它由时间起始值t0、两个采样点的时间间隔值dt以及采样数据一维数组Y组合成的一个簇。它的物理意义是对一个模拟信号x(t)从时间t0开始进行采样和A/D转换，采样率为fs,对应采样时间间隔dt=1/fs，数组Y为各个时刻的采样值。对周期信号，1个周期的采样点数等于采样频率除以信号频率。3．仿真信号产生函数在LabVIEW中产生一个仿真信号，相当于通过软件实现了一个信号发生器的功能。LabVIEW提供了丰富的仿真信号，包括正弦、方波、三角波、多频信号、调制信号、随机噪声信号、任意波形等。针对不同的数据形式(动态数据类型、波形数据和数组)，LabVIEW中有3个不同层次的信号发生器(ExpressVI仿真信号发生器、波形发生器VI和普通信号发生器VI)。其对应的函数子模板分别如图3-6、图3-7和图3-8所示。其中，ExpressVI仿真信号发生器在函数模板的Input模块中可以找到，到达波形发生器子模板的路径是AllFunctionsAnalyzeWaveformGeneration，到达普通信号发生器子模板的路径是AllFunctionsAnalyzeSignalProcessingSignalGeneration。表3-2信号类型和信号发生器VI对应表需要产生的信号类型可利用的VIExpressVI波形发生器VI普通信号发生器VI产生复合信号多种波形发生器SimulateSignal正弦、方波、三角波、锯齿波、直流BasicFunctionGenerator正弦、方波、三角波、锯齿波周期信号和随机信号相加SimulateSignalTonesandNoiseWaveform2注1＋注2正弦波＋高斯噪声周期信号相加产生多谐信号MultitoneGenerator1、幅值相同2、幅值可变3、幅值和相位均可变产生单一信号周期信号正弦、方波、三角波、锯齿波随机信号注2瞬态信号任意信号SimulateArbitrarySignal注3注1.多波形(周期信号)有：正弦、方波、三角波、锯齿波、直流注2.叠加随机信号种类有：UniformWhiteNoise均匀白噪声、GaussianWhiteNoise高斯白噪声、PeriodicRandomNoise周期随机噪声、GammaNoise伽马噪声、PoissonNoise泊松、BinomialNoise二值噪声、BernoulliNoise柏努利噪声、MLSSequence最大长度序列、1/f噪声。注3.输入波形数据x,y序列产生任意波形4．公式节点产生仿真信号用公式节点可以产生能够用公式进行描述的信号，用公式节点可产生经过复杂运算生成的信号。FormulaWaveform．Vi产生的信号是波形数据，它的途径是AllFunctionsAnalyzeWaveformGenerationFormulaWaveform．vi。函数图标如下，其中在formula端口输入要产生信号波形的数学公式（字符串型）。3五、实验步骤：1．设计一个简易的正弦波发生器，频率、幅值和直流偏值在面板上可调，还可叠加噪声信号，并显示波形。分析：采用ExpressVI仿真信号发生器可以完成。（1）前面板设计：应包括的控件有波形频率、幅度和直流偏值输入设置，噪声的标准偏差设置，显示波形的图形控件，还可用一个选择开关控制程序启动和停止。见图（2）框图程序设计：放置ExpressVI仿真信号发生器，双击打开它的对话框，选择信号类型为正弦波，叠加高斯白噪声，采样频率为1000Hz，采样点数为100，见图。连接控件到相应输入和输出端口，并全部放入1个While循环中，用开关控制循环的结束。见图。（3）运行程序：改变以上参数，注意观察信号波形的变化。图ExpressVI仿真信号发生器对话框设置4图正弦波加噪声发生器程序2．设计一个简易的仿真多波形发生器，可产生频率、幅值和直流偏值可调的正弦、方波、三角波、锯齿波信号，还可叠加高斯噪声信号，并且采样率和采样点可选，显示波形。分析：ExpressVI仿真信号发生器使用方便，在编程时用户可改变各种参数，并能马上演示结果。但是有些参数（包括波形类型、采样率和采样点等）无输入端口，即运行程序后用户不能从面板改变。而波形发生器VI提供了更多和灵活的输入端口。所以本题目采用波形发生器VI中的函数来完成。（1）前面板设计：在1题的前面板基础上再增加波形选择旋钮knob控件和采样率和采样点输入簇控件，并对旋钮（Knob）控件的文本列表属性进行设置，正弦波、三角波、方波、锯齿波对应数值分别为0～3。再选用一些面板装饰控件，调整各控件的位置、大小和显示层数，把前面板设计成较美观、实用的虚拟仪器面板，参考界面如图所示。5图旋钮（Knob）控件的文本列表属性设置（2）框图程序设计：选用波形发生器VI中的BasicFunctionGenerator函数产生要求的4种周期信号，它的输入参数见图（a）。连接波形选择knob旋钮到signaltype端口，连接频率、幅度、采样参数簇端口。选用波形发生器VI中的GaussianWhiteNoiseWaveform函数产生标准偏差可调的高斯白噪声，用2次加法运算完成信号的直流偏值设置和叠加高斯白噪声，因为Labview中的许多运算具有多态性（即不同类型的数据可参与运算）。然后全部放入1个While循环中，用开关控制循环的结束。见图。(a)BasicFunctionGenerator函数(b)GaussianWhiteNoiseWaveform函数图（3）运行程序：①分别改变信号的类型、频率、幅值和直流偏值，观察输出信号的变化。②改变噪声的大小，观察输出信号的变化。（4）在程序中添加1个指示型波形数据簇，连接到输出波形上。让噪声等于0，分别改变波形和改变采样频率和采样点数，观察输出信号波形变化，记录波形数据。注意信号的频率与采样频率的关系。6图仿真多波形发生器程序3．产生如下图所示的任意波形信号，显示波形，并且把波形数据存盘，存放格式为2维的电子表格文件。图需产生的任意波形7提示：采用ExpressVI中的SimulateArbitrarySignal，打开如图所示的对话框，根据要求从图中得到1组X和Y的值定义信号，时间间隔取1秒。使用WaveformGraph显示波形，可使用WriteToSpreadsheetFile函数存盘。需注意的是，SimulateArbitrarySignal输出的波形数据为动态数据，只有1组Y的值，X初始值和X间隔。若直接存盘，只有Y的值，无X的值。想一想，怎样得到X的值。图SimulateArbitrarySignal函数的信号定义对话框此外，也可以不采用ExpressVI中的SimulateArbitrarySignal，使用数组或表格输入，产生任意波形，只是需要自己做的事更多。程序略。4．采用公式节点，产生信号：y(t)=sin(wt)+0.6sin(3wt)+0.2sin(5wt)+t，信号的频率和幅值面板上可调。提示：函数FormulaWaveform产生波形，公式中2f，π用pi(1)表示，t表示自变量时间，公式中不能省略乘号“*”。还要选择合适的采样率和采样点数，才能得到需要的波形。参考波形如图所示。8程序略。六、思考题1．在实验题目2中，如何实现通过面板选择叠加不同类型的噪声信号？提示：Labview提供了9种仿真的随机信号产生函数，但1个函数只能产生1种噪声，可采用包括9帧的CASE结构，每帧调用1个噪声函数，用面板上的噪声类型选择控件来控制。2．在实验题目4中，信号的公式改为从面板输入，输入什么公式可产生三角波、指数波和对数波。3.6交流电压表仿真实验一、实验目的：1．理解交流电压的基本参量定义。2．了解交流电压的模拟测量方法。3．掌握交流电压的采样计算测量方法和计算公式，并且编程实现。4．学会使用LabVIEW提供的周期信号幅值计算函数。二、实验内容：1．设计1个交流电压表的仿真软件（包括前面板和框图程序），设计要求如下：可以测量周期信号（正弦、方波、三角波、锯齿波）的有效值、峰值、直流分量（均值）和平均值。被测信号来源于LabVIEW仿真信号发生器。分别采用LabVIEW提供的时域处理函数和仅使用基本数学运算函数的方法。2．使用设计的交流电压表分别测量正弦、方波、三角波、锯齿波信号，验证不同波形时有效值、峰值和平均值之间的关系。3．研究信号频率与采样频率、采样点数和测量误差之间关系。4．被测信号叠加噪声后，再进行测量和分析误差。三、实验器材：安装有LabVIEW软件的计算机1台四、实验原理：1．交流电压基本参量定义表征交流电压的三个基本参量是有效值、峰值和平均值，其定义和计算公式如下表所示，表名称意义计算公式9峰值px峰值px是指在一个周期内信号x(t)可能出现的最大绝对瞬时值。max()pxxt峰-峰值ppx峰-峰值ppx指在一个周期内信号最大瞬时值maxx最小瞬时值minx之差的绝对值。maxminppxxx均值x（直流分量）均值x是周期信号一个周期的平均幅值，是信号的常值分量。01()TxxtdtT平均值ax交流电压测量中，平均值通常指经过全波整流后的波形的平均值01()TaxxtdtT均方值avp均方值avp反映了信号的功率大小，是信号的平均功率。201()TavpxtdtT有效值RMSx有效值RMSx就是均方值的平方根。201()TRMSxxtdtT2．测量方法：（1）基于AC－DC转换的模拟测量方法通过检波电路将交流电压变换为峰值、平均值或有效值的直流电压，再对直流电压进行测量。峰值检波的基本原理是通过二极管正向快速充电达到输入电压的峰值，而二极管反向截止时“保持”该峰值。其原理电路图及波形图如图所示。DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc图峰值检波原理图（a.串联式，b.并联式，c.波形图）（2）模拟运算集成电路直接根据有效值的定义式，采用模拟运算的集成电路来实现，如图所示。首先是由模拟乘法器实现平方运算，再是积分和开方运算，最后通过运算放大器的比例运算，得到有效值输出。随着集成电路技术的发展，计算式有效值电压表得到更多应用。2()ut0TAu(t)Vrms图5-5计算式有效值变换实现框图（3）热电偶有效值检波通过被测交流电压u(t)对加热丝加热，热偶的热端感应加热丝的温度，维持冷端温度T0不变，并通过连接导线连接直流微安表。由于热端与冷端有温差，从而产生热电动势，并使热偶回路中产生直流电流I，并由该直流电流驱动微安表头，如图所示。电流I正比于热电动势，而热电动势正比于热端与冷端的温差，而热端温度与加热功率成正比，即u(t)的有效值的平方成正比。即表头电流I正比于有效值V的平方。10热电偶有效值电压表的缺点是，受外界环境温度的影响较大，结构复杂，价格较贵。Ru(t)冷端T0加热丝热端T热偶MuAI图热电偶有效值测量原理（4）采样-计