第10章-LabVIEW在数字电子中的应用

《精通LabVIEW程序设计》一书随书课件清华大学张桐2008.1210.1概述10.2组合逻辑电路的仿真10.3时序逻辑电路的仿真12.4信号频域分析12.5信号变换第10章LabVIEW在数字电子中的应用内容提要主要讲述LabVIEW的信号处理VI主要内容常用信号生成、时域分析、频域分析各种常用信号的变换方法学习目的理解数字信号处理的基本概念和进行相关实验。12.1概述LabVIEW尤其适合数字信号处理，主要优势有：具有良好的图形显示功能，能够以多样化的方式直观显示各种信号波形；图形化的编程方式，学习门槛较低，易于掌握，省去了许多烦琐的编程细节；拥有数量众多、功能齐全的各种信号分析与处理VI，供用户随意调用；具有良好的扩展性，通过附加工具包扩展，以及与其他平台扩展。12.2波形和信号生成典型数字信号的生成是数字信号处理中首先遇到的问题，准确快捷地产生符合所需参数的信号波形，是准确进行后续分析和处理的基础。12.2.1波形和信号生成相关的VI12.2.2波形信号生成举例12.2.1波形和信号生成相关的VI图12-2波形生成VI库图12-3信号生成VI库12.2.2波形信号生成举例图12-4基本函数发生器的连线板基本信号生成实例具体步骤如下。新建“基本信号的生成.vi”，使用基于While循环结构的框架实现本程序，添加一个While循环结构。在循环结构内放入“BasicFuncitonGenerator.vi”，并为它的各个输入参数创建相应的输入控件，将它的输出参数“信号输出”连接到一个波形图进行显示。公式设定信号的生成实例图12-6公式波形VI的连线板图12-8仿真信号ExpressVI的配置对话框图12-9仿真任意信号ExpressVI的配置对话框12.3信号时域分析信号时域分析是指在时间域上对信号的时域参数进行测量和计算，从而提取出有助于研究和分析的信号时域特性。时域分析往往是对原始信号进行分析的第一个步骤，信号的时域特性往往也是使用其他方法进行分析的重要参考和基础。12.3.1信号时域分析相关的VI12.3.2信号时域分析举例12.3.1信号时域分析相关的VI图12-10波形测量VI库图12-11信号运算VI库12.3.2信号时域分析举例直流分量与均方根值的测量实例图12-12基本平均直流-均方根VI的连线板具体步骤如下。新建“直流分量与均方根值的测量.vi”，添加一个While循环结构，以便连续地生成和观察信号波形。在While循环中放入混合单频与噪声波形VI（TonesandNoiseWaveform.vi），以生成两个不同频率的正弦波的叠加信号，并混有白噪声信号。添加“BasicAveragedDC-RMS.vi”，并为“窗”和“平均类型”输入参数添加相应的控件，将它的“直流值”和“均方根值”输出参数捆绑后连接到一个波形图表进行实时显示。周期信号时域特性的测量实例图12-14脉冲测量VI的连线板图12-15幅值和电平VI的连线板图12-16“周期信号时域特性的测量.vi”的前面板和框图验证卷积结合律实例图12-17卷积VI的连线板（一维实卷积）图12-18反卷积VI的连线板图12-19“验证卷积结合律.vi”的前面板和框图12.4信号频域分析信号频域分析指将时域信号通过傅立叶变换等方法转换到频率域上，然后进行分析。一些从时域上无法解决的问题，往往从频域分析的角度可以得到有效的解决。12.4.1信号的FFT分析12.4.2数字滤波器设计12.4.1信号的FFT分析表12-4与FFT相关的VIFFT分析幅度谱和相位谱实例具体步骤如下。（1）新建“使用FFT分析信号幅度谱和相位谱.vi”，并添加混合单频与噪声波形VI（TonesandNoiseWaveform.vi）用来生成两个不同频率、幅值和初相位的正弦波叠加信号，另外叠加均方根值为1的白噪声信号。（2）添加“FFTSpectrum（Mag-Phase）.vi”来分析所生成的原始信号，使用Hanning窗。实时幅度谱分析实例图12-21“实时幅度谱分析.vi”的前面板和框图图12-22谐波失真分析VI的连线板实时谐波分析仪实例12.4.2数字滤波器设计表12-5与数字滤波器相关的VI带通滤波设计实例具体步骤如下。（1）新建“带通滤波.vi”，正弦波，叠加了另外两个干扰信号，以及均方根值为0.05的白噪声。这个信号使用“TonesandNoiseWaveform.vi”就可以模拟。（2）使用一个带通滤波器，使得滤波器的通带正好通过正常信号的频率，而阻带正好将干扰信号的频率滤除。（3）将滤波器参数设定为带通滤波，高低截止频率分别为300Hz和100Hz，IIR型滤波器。（4）为“带通滤波.vi”的框图增添频谱分析VI，并在前面板上增添必要的波形图，对原始信号、滤波后信号及其幅度谱分别进行显示图12-24滤波器ExpressVI的设置界面带通滤波设计实例（续）图12-26“带通滤波.vi”的前面板和框图图12-27局部放大后的原始信号与滤波后信号波形比较图12.5信号变换数字信号处理理论及其技术从诞生发展到现在，随着解决各种信号处理问题的需要，已经产生了许多信号变换方法，各种信号变换的本质实际上都是将原始的时域信号从各种不同角度进行转换，换一个视角去观察和分析信号中的隐藏信息。12.5.1信号变换相关的VI12.5.2信号变换举例12.5.1信号变换相关的VI图12-28信号变换VI库表12-6信号变换VI库12.5.2信号变换举例具体步骤如下。（1）新建“提取信号包络.vi”，添加“GaussianModulatedSinePattern.vi”，以生成一个高斯调制正弦信号，对其各个参数幅值、中心频率、采样数、时延等创建各个输入控件，以便进行调节。（2）添加“FastHilbertTransform.vi”计算信号的希尔伯特变换结果，并与原信号组成Hilbert变换对，计算出其复数的模值，就是原信号的上包络结果。（3）由于该信号上下对称，所以可对上包络直接取负后得到信号的下包络。将原信号、上包络和下包络绘制于同一个波形图中Hilbert变换提取信号包络实例小波变换检测回波实例图12-31“利用小波变换检测回波.vi”的前面板和框图图12-32放大后的检测结果局部习题与思考